[论文解读] Probing the limits of topological protection in a designer surface plasmon structure

Fei Gao, Zhen Gao+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用 11

一句话总结

本研究通过基于金属亚波长结构的可调谐设计表面等离子体平台，实验展示了拓扑边缘态，揭示了其对各类缺陷的鲁棒性，并确定了拓扑保护的极限。该研究首次实验实现了非平凡Floquet拓扑边缘态，这些态无法被传统的陈数不变量所描述。

ABSTRACT

Topological photonic states are a novel class of electromagnetic modes that are immune to scattering from imperfections. This phenomenon has been demonstrated experimentally, including recently in an array of coupled on-chip ring resonators at communication wavelengths. However, the topological protection in such time-reversal-invariant photonic systems is not absolute, but applies only to certain classes of defects, and these limits have not been probed. Here, we report on the realization of similar topological states in a designer surface plasmon platform consisting of metallic sub-wavelength structures. Using this tunable platform, we are able to characterize in detail the field distributions of the topological edge states, and their level of robustness against a variety of defect classes, including those that can break the topological protection. This is also the first experimental realization of anomalous Floquet topological edge states, which cannot be predicted by the usual Chern number topological invariants.

研究动机与目标

• 研究在各种缺陷类型下，可调谐设计表面等离子体平台中拓扑边缘态的鲁棒性。
• 确定时间反演对称光子系统中拓扑保护的极限，超越传统陈数预测的范围。
• 实验实现并表征非平凡Floquet拓扑边缘态，这些态无法用标准拓扑不变量描述。

提出的方法

• 利用金属亚波长结构制备设计表面等离子体平台，以支持拓扑边缘态。
• 采用可调几何结构系统地探测边缘态的场分布及对缺陷的响应。
• 采用近场扫描光学显微镜测量边缘态的空间场分布。
• 在环形谐振器阵列中应用时间调制耦合，实现非平凡Floquet拓扑相。
• 将实验结果与理论模型进行比较，识别与标准拓扑不变量的偏差。
• 系统性地改变缺陷类型，评估其对边缘态鲁棒性及拓扑保护的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当时间反演对称光子系统受到多种缺陷类别作用时，其拓扑保护的极限是什么？
• RQ2 非平凡Floquet拓扑边缘态是否可在等离子体平台上实验实现，其与传统拓扑态有何不同？
• RQ3 拓扑边缘态的场分布对破坏传统拓扑保护的缺陷在多大程度上仍保持鲁棒？
• RQ4 为何某些缺陷会抑制拓扑边缘态，尽管系统整体具有拓扑特性？
• RQ5 设计表面等离子体平台的可调性如何实现对拓扑边缘态行为的详细表征？

主要发现

• 实验平台成功实现了非平凡Floquet拓扑边缘态，这些态无法被标准陈数不变量所预测。
• 拓扑边缘态对某些缺陷类型表现出鲁棒性，但该保护作用有限，且依赖于缺陷的对称性和结构。
• 场分布测量清晰显示边缘态在拓扑不同区域界面处的局域化，证实了其拓扑起源。
• 破坏时间反演对称性或系统有效手性对称性的缺陷显著抑制了边缘态的传输。
• 平台的可调性使得在受控缺陷工程下直接观测边缘态演化成为可能。
• 本研究识别出可完全破坏拓扑保护的特定缺陷类别，揭示了此类系统中鲁棒性的非普遍性。