[论文解读] Controlled transport based on multiorbital Aharonov-Bohm photonic caging

Gabriel Cáceres-Aravena, Diego Guzmán-Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Nonlinear Photonic Systems参考文献 48被引用 52

一句话总结

该论文提出了一种利用飞秒激光直写波导构建的多轨道光子晶格，通过S-P轨道耦合诱导合成π通量，实现受控的Aharonov-Bohm局域化与定向传输。通过在钻石晶格中设计正负耦合，作者实验上实现了具有三个简并平带的平带结构，通过调节输入相位或位置，实现了能量传输的完美线性控制。

ABSTRACT

The induction of synthetic magnetic fields on lattice structures allows to effectively control their localization and transport properties. In this work, we generate effective $\pi$ magnetic fluxes on a multi-orbital diamond lattice, where first ($S$) and second ($P$) order modes effectively interact. We implement a $z$-scan method on femtosecond laser written photonic lattices and experimentally observe Aharonov-Bohm caging for $S$ and $P$ modes, as a consequence of a band transformation and the emergence of a spectrum composed of three degenerated flat bands. As an application, we demonstrate a perfect control of the dynamics, where we translate an input excitation across the lattice in a completely linear and controlled way. Our model, based on a flat band spectrum, allows us to choose the direction of transport depending on the excitation site or input phase.

研究动机与目标

• 在不使用复杂几何结构的前提下，通过S与P模之间的轨道间耦合，实现在光子晶格中的合成磁通。
• 在多轨道系统中展示Aharonov-Bohm局域化，导致极端局域化与平带形成。
• 通过调节输入相位与激励位置，在紧凑晶格结构中实现可控、线性且定向的能量传输。
• 提供一种稳定、无非线性效应的方法，用于在光子集成电路中操控光路。
• 建立一个灵活、按需配置的光子架构平台，用于未来集成非厄米与非线性效应。

提出的方法

• 利用飞秒激光直写技术制备具有S与P波导的多轨道钻石晶格，实现基态与二阶模之间的受控耦合。
• 通过波导取向与模对称性设计正负耦合常数，实现每个晶胞的等效π通量。
• 采用z扫描方法测量沿传播方向的强度演化，观测局域化与传输动力学行为。
• 使用含位置相关耦合的紧束缚模型，哈密顿量为 $-irac{ ext{d}oldsymbol{ ho}}{ ext{d}z} = oldsymbol{V}oldsymbol{ ho}$，以模拟系统行为。
• 采用布洛赫近似计算能带结构，在π通量条件下揭示了三个简并平带，能量为 $E = 0, /pm 2V$。
• 通过改变激励位置（中心与边缘）和相位（同相与反相）探索输入依赖的传输行为，实现方向控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过S与P模之间的轨道间耦合，在光子晶格中诱导出φ = π的合成磁通？
• RQ2 所诱导的π通量是否会导致S与P模均形成简并平带并实现Aharonov-Bohm局域化？
• RQ3 在无非线性条件下，是否可通过调节输入相位或激励位置实现能量传输方向的线性控制？
• RQ4 该平带谱是否足够稳定，足以在真实实验设置中支持完美、局域化且定向的传输？
• RQ5 该系统是否可作为稳定、按需配置的平台，用于光子逻辑运算而无需依赖非线性效应？

主要发现

• 作者在π通量条件下，实验观测到S与P模在多轨道钻石晶格中的Aharonov-Bohm局域化，强度演化测量结果予以证实。
• 由于诱导的π通量，系统表现出平带谱，具有三个简并本征值（$E = 0, /pm 2V$），每个本征值具有二重简并。
• 在中心行单点激励时，能量完全局域化（即局域化），而在边缘位置的同相或反相激励可实现50 mm内完美的定向传输。
• 通过改变输入相位可实现传输方向的反转：同相激励在{Bn, Cn}位点向左传输，在{En±1, Fn±1}位点向右传输，实现完全控制。
• 该传输机制完全为线性且稳定，无需非线性效应，为光子逻辑与集成光路提供稳健解决方案。
• z扫描方法成功映射了传播动力学，显示在局域化条件下能量被限制在少数晶胞内，而在受控激励下能量被完全平移。