[论文解读] Near-field imaging of spin-locked edge states in all-dielectric topological metasurfaces

Alexey Slobozhanyuk, Alena Shchelokova+7 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用 4

一句话总结

该论文通过实验表明，芯片上的全介质拓扑超表面可支持对无序和辐射损耗免疫的鲁棒、自旋锁定边缘态。通过近场光谱学，作者证实了这些态表现出类似自旋霍尔效应的行为，证明了介电材料可在无欧姆损耗的情况下保持拓扑保护，从而实现具有增强鲁棒性的高效片上光子器件。

ABSTRACT

A new class of phenomena stemming from topological states of quantum matter has recently found a variety of analogies in classical systems. Spin-locking and one-way propagation have been shown to drastically alter our view on scattering of electromagnetic waves, thus offering an unprecedented robustness to defects and disorder. Despite these successes, bringing these new ideas to practical grounds meets a number of serious limitations. In photonics, when it is crucial to implement topological photonic devices on a chip, two major challenges are associated with electromagnetic dissipation into heat and out-of-plane radiation into free space. Both these mechanisms may destroy the topological state and seriously affect the device performance. Here we experimentally demonstrate that the topological order for light can be implemented in all-dielectric on-chip prototype metasurfaces, which mitigate the effect of Ohmic losses by using exclusively dielectric materials, and reveal that coupling of the system to the radiative continuum does not affect the topological properties. Spin-Hall effect of light for spin-polarized topological edge states is revealed through near-field spectroscopy measurements.

研究动机与目标

• 开发基于拓扑保护、对缺陷和无序具有鲁棒性的片上光子器件。
• 解决拓扑光子系统中电磁损耗和垂直方向辐射的问题。
• 证明全介质超表面可在无耗散损耗的情况下维持拓扑边缘态。
• 通过近场光谱学实验验证自旋锁定边缘态，并确认其鲁棒性。

提出的方法

• 作者设计并制备了一种全介质超表面结构，其光子带隙可支持拓扑边缘态。
• 他们采用近场扫描光学显微镜（NSOM）以亚波长分辨率测绘了边缘模的电磁场分布。
• 通过仅使用高折射率介电材料，系统被设计为最大限度减少欧姆损耗。
• 采用自旋极化激发探测光的自旋霍尔效应，揭示了边缘处自旋锁定的传播行为。
• 基于有效哈密顿量的理论建模证实了所观测边缘态的拓扑本质。
• 分析了与连续谱的辐射耦合，表明其不会破坏系统中的拓扑保护。

实验结果

研究问题

• RQ1 全介质超表面是否可在无耗散损耗的情况下支持鲁棒的拓扑边缘态？
• RQ2 与辐射连续谱的耦合是否会破坏介电系统中边缘态的拓扑保护？
• RQ3 能否通过近场成像在芯片集成平台上实验观测到自旋锁定边缘态？
• RQ4 拓扑边缘态在多大程度上表现出单向传播特性及对无序的免疫能力？
• RQ5 在自旋极化激发下，光的自旋霍尔效应是否可在介电拓扑超表面中观测到？

主要发现

• 近场成像以亚波长空间分辨率证实了全介质超表面中自旋锁定边缘态的存在。
• 边缘态表现出鲁棒的单向传播，展示了对缺陷引起的背向散射的免疫能力。
• 实验观测到了自旋霍尔效应，表明相反自旋态沿相反边缘传播。
• 尽管与辐射连续谱耦合，拓扑边缘态仍保持稳定和受保护。
• 由于仅使用介电材料，系统表现出可忽略的欧姆损耗，从而保持了拓扑序。
• 理论分析证实，所观测行为源于光子能带结构中的非平庸拓扑不变量。