[論文レビュー] Topological optical and phononic interface mode by simultaneous band inversion

O. Ortíz, Priya Priya+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 39被引用数 34

ひとこと要約

著者らは光とフォノンのバンドを同時に反転させる GaAs/AlAs 多層構造を設計し、1.34 eV の光子と 18 GHz のフォノンで局在化する界面モードを作出し、それを実験的に検証するとともに、頑健なオプト機械状態の設計ルールを概説している。

ABSTRACT

Interface modes have been widely explored in the field of electronics, optics, acoustics and nanophononics. One strategy to generate them is band inversion in one-dimensional superlattices. Most realizations of this type of topological states have so far been explored for a single kind of excitation. Despite its potential in the manipulation and engineering of interactions, platforms for the simultaneous topological confinement of multiple excitations remain an open challenge. GaAs/AlAs heterostructures exhibit enhanced optomechanical interactions due to the intrinsic colocalization of light and sound. In this work, we designed, fabricated, and experimentally studied a multilayered structure based on GaAs/AlAs. Due to the simultaneously inverted band structures for light and phonons, colocalized interface modes for both 1.34 eV photons and 18 GHz phonons appear. We experimentally validated the concept by optical reflectivity and coherent phonon generation and detection. Furthermore, we theoretically analyzed the performance of different topological designs presenting colocalized states in time-domain Brillouin scattering and deduce engineering rules. Potential future applications include the engineering of robust optomechanical resonators, compatible with the incorporation of active media such as quantum wells and quantum dots.

研究の動機と目的

• 光学励起と音響励起の両方を同時に局在させるトポロジカル界面モードを動機づけ、実現する。
• GaAs/AlAs ヘテロ構造において、光と音の界面モードが共局在する実験的証拠を示す。
• 堅牢なオプト機械界面状態を設計するための理論解析と設計ルールを提供する。

提案手法

• 光子とフォノンのバンド構造を反転させた GaAs/AlAs 多層ヘテロ構造を設計・製作する。
• 光学反射測定によって界面モードを特徴づける。
• コヒーレントフォノンを生成・検出してフォノニック界面モードを確認する。
• さまざまなトポロジー設計を理論的に解析し、時域ブリルアン散乱の信号を導出する。
• 共局在型オプト機械状態を実現するための設計指針を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のヘテロ構造内で同時バンド反転は、光子とフォノンの両方の界面モードを収容できるか？
• RQ2 GaAs/AlAsにおける光学・フォノニック界面状態の共局在を確認する実験的指標は何か？

主な発見

• 同時バンド反転により、1.34 eV の光子と 18 GHz のフォノンで局在化する界面モードが現れる。
• 光反射測定は界面モードの光学成分を検証する。
• コヒーレントフォノンの生成と検出は界面モードのフォノニック成分を検証する。
• 理論解析は異なるトポロジー設計における性能と時域ブリルアン散乱の特徴を提示する。
• 活性媒体（量子井戸/ドットなど）との適合性を含む、堅牢なオプト機械共振器を設計するための設計ルールを導出する。