[论文解读] Photonic Analogue of Two-dimensional Topological Insulators and Helical One-Way Edge Transport in Bi-Anisotropic Metamaterials

Alexander B. Khanikaev, S. Hossein Mousavi+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2012

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用 727

一句话总结

本文提出了一种基于双各向异性超材料的二维拓扑绝缘体光子模拟，通过螺旋边缘态实现鲁棒的一维边缘传输。通过调控特定的电磁参数，该系统支持受拓扑保护的边缘模态，对无序具有鲁棒性，实现无反向散射的单向光子传输。

ABSTRACT

Recent progress in understanding the topological properties of condensed matter has led to the discovery of time-reversal invariant topological insulators. Because of limitations imposed by nature, topologically non-trivial electronic order seems to be uncommon except in small-band-gap semiconductors with strong spin-orbit interactions. In this Article we show that artificial electromagnetic structures, known as metamaterials, provide an attractive platform for designing photonic analogues of topological insulators. We demonstrate that a judicious choice of the metamaterial parameters can create photonic phases that support a pair of helical edge states, and that these edge states enable one-way photonic transport that is robust against disorder.

研究动机与目标

• 探索利用人工电磁结构实现光子拓扑绝缘体的模拟。
• 通过可调谐超材料克服实现拓扑电子态的自然限制。
• 在二维光子系统中展示支持单向光子传输的螺旋边缘态。
• 通过拓扑保护实现边缘传输对无序的鲁棒性。
• 建立基于双各向异性材料工程拓扑光子器件的平台。

提出的方法

• 设计具有定制电响应和磁响应的双各向异性超材料单元结构的二维阵列。
• 通过有效哈密顿量工程模拟拓扑绝缘体的Kane-Mele模型。
• 利用强电磁耦合打破时间反演对称性，诱导非平凡拓扑序。
• 通过结构非对称性施加合成规范场，模拟光子中的自旋-轨道耦合。
• 通过能带结构和边缘模态传播的数值模拟，验证拓扑保护。
• 分析无序条件下的传输鲁棒性，以验证单向边缘传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 双各向异性超材料能否在光子域中模拟二维电子拓扑绝缘体的拓扑特性？
• RQ2 人工电磁结构如何实现螺旋边缘态以实现光子的单向传输？
• RQ3 电磁耦合在诱导光子系统中拓扑序方面起什么作用？
• RQ4 在该光子平台上，边缘模态在多大程度上能抵抗无序？
• RQ5 光子系统能否在无外部磁场的情况下实现鲁棒的单向传输？

主要发现

• 由于工程化的双各向异性和电磁耦合，系统支持具有非平凡拓扑的光子带隙。
• 在拓扑性质不同的区域边界处出现螺旋边缘态，实现单向传输。
• 数值模拟证实，边缘模态对结构无序和缺陷具有鲁棒性。
• 边缘传输为单向且拓扑保护，反向散射可忽略不计。
• 该光子系统实现了类似于量子自旋霍尔效应的时间反演对称拓扑相。
• 所提出的平台可利用常规超材料制造技术实现拓扑光子器件的实验实现。