[论文解读] Dirac Metamaterial Assembled by Pyrene Derivative and its Topological Photonics

Kyoung Hwan Choi, Da Young Hwang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 49被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于芘衍生物 HYLION-12 的自组装 3D 雷诺斯态超材料，其表现出各向异性的极化率和环形电流。通过利用紫外波段的 Mie 共振和介电各向异性行为，该研究展示了拓扑光子学现象，如潘查拉特南-伯瑞相位效应、波前调控和边缘模波导，实现了在 242 nm 波长下 142% 的反射率以及高达 30% 的非对称透射率。

ABSTRACT

Over the past decade, topology has garnered great attention in a wide area of physics. In particular, it has exerted influence on photonics because carefully engineered photonic crystals and metamaterials can help explore the non-trivial state of materials. In this regard, all dielectric metamaterials with large anisotropy, and dipole and multipole Mie resonators have played an increasingly important role in topological photonics. Advantages of Mie resonators make it possible to quest for non-trivial states in three dimensions and theoretical calculation supports its potential. However, it is very difficult to demonstrate this experimentally because it is hard to make the metacrystal by anisotropic meta-atoms despite much effort. Here we report a Dirac metamaterial for 3D topological photonics. It is implemented by a metacrystal self-assembled by a molecule, HYLION-12 which has both anisotropic polarizability and ring current. As its peculiar properties, it has an exotic optical constant that can be used for the electric and magnetic hyperbolic metamaterial, and the double hyperbolic metamaterial in the ultraviolet region. It also showed 142% of reflectance at 242nm as an amplified reflector and asymmetric transmittance up to 30% through the opaque substrate as a Huygens source under 300nm. Furthermore, it demonstrated various phenomena of topological photonics such as Pancharatnam-Berry and waveguide phase merging, wavefront shaping and waveguide on edges as a 3D topological photonic material. The new strategy using polyaromatic hydrocarbons (PAHs) is expected to be an effective way to realize 3D topological photonics.

研究动机与目标

• 利用具有非平凡能带拓扑结构的全介质超材料实现三维拓扑光子学。
• 克服在制备三维超晶格中各向异性元原子的实验挑战。
• 利用多环芳烃（PAHs）的独特光学性质，实现自组装超材料。
• 通过分子自组装在三维光子系统中实现拓扑边缘态和波前调控。
• 在深紫外波段实现增强的光学响应，如各向异性行为和赫格斯类似发射。

提出的方法

• 采用具有各向异性极化率并支持环形电流的芘基分子 HYLION-12。
• 通过 HYLION-12 分子的自组装构建超晶格，形成具有 Mie 共振的三维周期性结构。
• 利用介电元原子中的 Mie 共振，在紫外波段实现电和磁各向异性超材料模式。
• 设计该系统以支持双各向异性超材料行为，实现强各向异性和定向波传播。
• 采用波前调控和相位工程，实验演示了拓扑边缘态和潘查拉特南-伯瑞相位效应。
• 通过不透明基底测量非对称透射率，证实了在 300 nm 照射下具有赫格斯类似源行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 自组装分子超材料是否能够支持具有非平凡能带拓扑结构的三维拓扑光子学？
• RQ2 具有各向异性极化率和环形电流的芘基分子是否能在深紫外波段实现各向异性行为？
• RQ3 分子自组装在多大程度上可实现具有可调光学响应的三维功能超晶格？
• RQ4 此类系统是否能在三维中表现出拓扑边缘态和波前调控？
• RQ5 在 242 nm 波长下，介质超材料的反射率和非对称透射率的极限是什么？

主要发现

• 基于 HYLION-12 的超晶格在 242 nm 处实现了 142% 的反射率，表明反射率超过单位一，具有放大效应。
• 通过不透明基底观察到高达 30% 的非对称透射率，证实了赫格斯类似源行为。
• 该系统在紫外波段表现出双各向异性超材料响应，实现了强各向异性和定向传播。
• 实验上验证了潘查拉特南-伯瑞相位效应和波导相位合并等拓扑光子学现象。
• 观察到边缘模波导现象，证实了三维中存在拓扑保护态。
• 自组装结构支持电和磁各向异性超材料模式，验证了三维拓扑光子学的理论预测。