[论文解读] Full Optical Control of Topological Transitions in Polariton Chern Insulator Analog

O. Bleu, D. D. Solnyshkov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文通过圆偏振泵浦实现了对极化子陈绝缘体模拟系统中拓扑相变的全光学调控，利用自旋布居不平衡诱导出自感Zeeman场。由此产生的可调谐有效Zeeman场与TE-TM自旋轨道耦合，实现了陈数为±1和±2的拓扑相之间的动态切换，通过边缘态发射和相图的数值模拟得到验证。

ABSTRACT

Exciton-polariton lattices allow to implement topologically protected photonic edge states at optical frequencies. Taking advantage of the interacting character of polaritons, we show that several topological phases, belonging to the Quantum Anomalous Hall family, can occur in polariton graphene with the TE-TM spin-orbit coupling and an effective Zeeman field. This Zeeman field can be entirely controlled by the non-linearity of the macro-occupied mode created by circularly polarized resonant pumping. The topological phases found are distinct from the ones of normal graphene in presence of a combination of Rashba and Zeeman field.

研究动机与目标

• 证明极化子蜂窝晶格中的拓扑相可通过光学泵浦完全调控，而无需外加磁场。
• 探讨TE-TM自旋轨道耦合与自感Zeeman场在实现拓扑相变中的作用。
• 建立共振泵浦极化子系统中由泵浦强度驱动的拓扑相变的完整相图。
• 比较极化子晶格中TE-TM自旋轨道耦合与Rashba自旋轨道耦合的拓扑行为差异。
• 通过自旋子Gross-Pitaevskii方程的全数值模拟验证拓扑保护边缘态的出现。

提出的方法

• 使用自旋子Gross-Pitaevskii方程模拟具有TE-TM自旋轨道耦合的蜂窝晶格中极化子的动力学。
• 引入准共振圆偏振泵浦（σ⁺）以通过自旋布居不平衡诱导自感Zeeman场。
• 通过在边缘和体相使用空间局域的σ⁻探针，数值模拟发射图案以探测边缘态。
• 通过调节泵浦强度和耦合参数，计算拓扑不变量（陈数）和相图。
• 比较蜂窝晶格中TE-TM与Rashba自旋轨道耦合下的能带结构及狄拉克点演化。
• 通过调节泵浦功率分析边缘态传播方向及其对体激发的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过光学泵浦完全控制极化子陈绝缘体中的拓扑相变，而无需外加磁场？
• RQ2 TE-TM自旋轨道耦合与自感Zeeman场之间的相互作用如何导致可调拓扑不变量？
• RQ3 在蜂窝晶格中，TE-TM与Rashba自旋轨道耦合的拓扑相图有何差异？
• RQ4 泵浦强度如何调控系统中边缘态的陈数与手性？
• RQ5 实验可探测的发射图案能否证实边缘态的存在及其拓扑保护特性？

主要发现

• 该系统表现出陈数为±1和±2的拓扑相，可通过调节泵浦强度实现动态调控。
• 当泵浦强度对应自感Zeeman场为0.3 meV时，系统发生从 trivial 相到非平庸相的拓扑相变，陈数变为2。
• 在更高泵浦强度（0.6 meV）下，系统进入陈数为-1的相，其特征为边缘态传播方向反转，并对体激发表现出更强的保护性。
• 相图显示，在TE-TM自旋轨道耦合下，M点处额外狄拉克点发生合并并消失，而Rashba情况下则不存在此现象。
• 数值模拟证实，边缘态呈单向传播且具有鲁棒性，发射图案清晰显示方向性传播，如图4中箭头所示。
• 该系统实现了对拓扑边缘态的全光学调控，无需外加磁场或结构工程。