[논문 리뷰] Near-field imaging of spin-locked edge states in all-dielectric topological metasurfaces

Alexey Slobozhanyuk, Alena Shchelokova외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 22.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 칩에 구현된 전체 유전체(topological) 메타표면이 질서와 복사 손실에 영향을 받지 않는 강건한 스핀 锁정(edge) 상태를 지닌다는 것을 실험적으로 입증한다. 근접장 스펙트로스코피를 통해 저자들은 이러한 상태에서 스핀-홀라 유사 행동을 확인하였으며, 이는 유전체 재료가 오믹 손실 없이 위상적 보호를 유지함으로써 효율적인 칩 내 광학 장치의 강건성을 향상시킬 수 있음을 증명한다.

ABSTRACT

A new class of phenomena stemming from topological states of quantum matter has recently found a variety of analogies in classical systems. Spin-locking and one-way propagation have been shown to drastically alter our view on scattering of electromagnetic waves, thus offering an unprecedented robustness to defects and disorder. Despite these successes, bringing these new ideas to practical grounds meets a number of serious limitations. In photonics, when it is crucial to implement topological photonic devices on a chip, two major challenges are associated with electromagnetic dissipation into heat and out-of-plane radiation into free space. Both these mechanisms may destroy the topological state and seriously affect the device performance. Here we experimentally demonstrate that the topological order for light can be implemented in all-dielectric on-chip prototype metasurfaces, which mitigate the effect of Ohmic losses by using exclusively dielectric materials, and reveal that coupling of the system to the radiative continuum does not affect the topological properties. Spin-Hall effect of light for spin-polarized topological edge states is revealed through near-field spectroscopy measurements.

연구 동기 및 목표

• 결함과 질서에 강건한 위상적 보호를 기반으로 한 칩 내 광학 장치를 개발하기 위해.
• 위상 광학 시스템에서 전자기 손실과 수직 방향 복사 손실의 과제를 해결하기 위해.
• 모든 유전체 메타표면이 소산 손실 없이 위상 에지 상태를 유지할 수 있음을 입증하기 위해.
• 근접장 스펙트로스코피를 이용해 스핀 锁정 에지 상태를 실험적으로 검증하고, 그 강건성을 확인하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 위상 에지 상태를 지닌 광학 밴드 갭을 지닌 전체 유전체 메타표면 구조를 설계하고 제작하였다.
• 서브파장 해상도로 에지 모드의 전자기장 분포를 맵핑하기 위해 근접장 스캐닝 광학 현미경(NSOM)을 사용하였다.
• 오직 고굴절률 유전체 재료를 사용함으로써 오믹 손실을 최소화하도록 시스템을 설계하였다.
• 스핀-폴라라이즈드 조명을 사용하여 빛의 스핀-홀라 효과를 탐측하였으며, 이는 에지에 따라 반대 방향으로 스핀 상태가 전파됨을 드러내었다.
• 효과적 해밀토니안 기반의 이론적 모델링을 통해 관측된 에지 상태의 위상적 성격을 확인하였다.
• 연속체로의 복사 결합을 분석하여, 이로 인해 시스템 내 위상적 보호가 파괴되지 않음을 보여주었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 유전체 메타표면은 소산 손실 없이 강건한 위상 에지 상태를 지닐 수 있는가?
• RQ2 연속체로의 결합이 유전체 시스템의 위상 에지 상태 보호를 파괴하는가?
• RQ3 칩 통합 플랫폼에서 근접장 영상으로 스핀 锁정 에지 상태를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ4 위상 에지 상태가 어느 정도 한 방향 전파와 질서에 대한 면역성을 보이는가?
• RQ5 스핀-폴라라이즈드 조명 하에서 빛의 스핀-홀라 효과가 유전체 위상 메타표면에서 관측 가능한가?

주요 결과

• 근접장 영상은 전체 유전체 메타표면에서 서브파장 공간 해상도로 스핀 锁정 에지 상태 존재를 확인하였다.
• 에지 상태는 강건한 한 방향 전파를 보이며, 결함에 의한 반사에 대한 면역성을 입증하였다.
• 스핀-홀라 효과는 실험적으로 관측되었으며, 반대 스핀 상태가 서로 다른 에지에 따라 반대 방향으로 전파됨을 보여주었다.
• 연속체로의 결합에도 불구하고 위상 에지 상태는 안정적이고 보호된 상태를 유지하였다.
• 오직 유전체 재료를 사용함으로써 오믹 손실이 극미량에 그쳐 위상 순서가 유지되었다.
• 이론적 분석은 관측된 행동이 광학 밴드 구조 내 비자명한 위상 위상 불변량에서 기인한다는 것을 확인하였다.