[论文解读] Sorting and Routing Topologically Protected Edge States by their Valleys

Kueifu Lai, Yang Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 40被引用 4

一句话总结

本文展示了一种光子平台，能够基于谷自由度对拓扑保护的边缘态进行分拣和路由。通过设计结合自旋霍尔与谷光子晶体的异质拓扑结构，作者实现了通过拓扑调制选择性地路由边缘态，实验验证了在坚固、非磁性系统中基于谷自由度的控制。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate and characterize a photonic platform containing heterogeneous topological phases. This platform is shown to support valley-spin locked edge states that can be routed based on their spin and valley degrees of freedom. The routing is accomplished by changing the topology of the valley photonic crystal embedded inside a spin-Hall photonic crystal.

研究动机与目标

• 开发一种能够基于其谷量子数对拓扑保护边缘态进行分拣和路由的光子系统。
• 通过引入谷自由度作为控制参数，克服传统拓扑光子学的局限性。
• 通过工程化设计的拓扑相变，实现非磁性、鲁棒的边缘态路由。
• 实验表明，谷-自旋锁定可实现光子晶体结构中边缘态的选择性路由。

提出的方法

• 该平台将自旋霍尔光子晶体与可调谷光子晶体结合，以形成异质拓扑相。
• 在具有不同拓扑不变量的区域界面处形成边缘态，从而实现鲁棒输运。
• 通过调制谷光子晶体的晶格结构来控制谷自由度，改变其能带拓扑。
• 通过切换谷光子晶体的拓扑相实现路由，选择性地引导基于其谷指数的边缘态。
• 系统利用谷-自旋锁定，其中边缘态受时间反演对称性保护，并表现出自旋极化输运。
• 实验测量通过近场成像和透射光谱确认了边缘态的存在及其基于谷的传播路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在光子系统中基于其谷量子数对拓扑保护的边缘态进行分拣？
• RQ2 如何通过调制谷光子晶体的拓扑结构实现边缘态的选择性路由？
• RQ3 在光子平台上，谷-自旋锁定在多大程度上可被利用以实现鲁棒、非磁性路由？
• RQ4 在异质拓扑结构中，使用谷自由度控制边缘态输运的实验可行性如何？
• RQ5 系统的拓扑不变量在多大程度上决定边缘态的形成与方向性？

主要发现

• 光子平台成功支持了谷-自旋锁定的边缘态，其对无序和逆向散射具有鲁棒性。
• 实验观察到边缘态沿具有不同拓扑不变量的区域界面传播。
• 通过切换谷光子晶体的拓扑相实现了边缘态的路由，展示了基于谷的路径选择。
• 该系统对边缘态表现出高透射效率，且背向散射极小，证实了拓扑保护。
• 近场成像证实了边缘态的空间局域性及其基于谷的传播方向。
• 实验结果验证了理论预测：谷自由度可用作拓扑边缘态路由的控制旋钮。