[论文解读] Spin and valley polarized one-way Klein tunneling in photonic topological insulators

Xiang Ni, David Purtseladze+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 53被引用 3

一句话总结

本文提出一种具有工程化合成规范场的光子拓扑绝缘体平台，该规范场诱导自旋和谷极化的单向 Klein 隧穿。通过在赝自旋、手征性和谷子空间中创建竞争规范场，系统在某一谷处打开能带隙，同时在另一谷处保持狄拉克型色散，从而实现拓扑保护的、偏振选择性的单向光子输运，具有片上光学隔离和复用的潜力。

ABSTRACT

Advances of condensed matter physics in exploiting the spin degree of freedom of electrons led to the emergence of the field of spintronics, which envisions new and more efficient approaches to data transfer, computing, and storage [1-3]. These ideas have been inspiring analogous approaches in photonics, where the manipulation of an artificially engineered pseudo-spin degrees of freedom is enabled by synthetic gauge fields acting on light [4,5,6]. The ability to control these additional degrees of freedom can significantly expand the landscape of available optical responses, which may revolutionize optical computing and the basic means of controlling light in photonic devices across the entire electromagnetic spectrum. Here we demonstrate a new class of photonic systems, described by effective Hamiltonians in which competing synthetic gauge fields engineered in pseudo-spin, chirality/sublattice and valley subspaces result in band gap opening at one of the valleys, while the other valley exhibits Dirac-like conical dispersion. It is shown that such effective response has dramatic implications on photon transport, among which: (i) spin-polarized and valley-polarized one-way Klein tunneling and (ii) topological edge states that coexist within the Dirac continuum for opposite valley and spin polarizations. These phenomena offer new ways to control light in photonics, in particular for on-chip optical isolation, filtering and wave-division multiplexing by selective action on their pseudo-spin and valley degrees of freedom.

研究动机与目标

• 开发一种模拟自旋电子学和谷电子学效应的光子系统，利用合成规范场操控光子。
• 在赝自旋、手性/亚晶格和谷子空间中工程化竞争规范场，选择性地破坏时间反演对称性。
• 在某一谷处打开能带隙，同时在另一谷处保持狄拉克型圆锥形色散，实现拓扑输运。
• 展示基于偏振选择性的单向隧穿以及相反自旋和谷态共存的拓扑边缘态。
• 通过调控赝自旋和谷自由度，实现在集成光子学中的新功能，如光学隔离和波分复用。

提出的方法

• 设计具有亚波长单元胞的光子晶格，以在赝自旋和谷子空间中实现合成规范场。
• 施加空间调制以破坏时间反演对称性，并在晶格中诱导有效磁通，模拟自旋-轨道耦合。
• 设计系统使得竞争规范场导致在某一谷（例如 K）处打开能带隙，同时在另一谷（例如 K′）处保持狄拉克锥。
• 利用从紧束缚模型推导的有效哈密顿量来描述系统的能带结构和拓扑性质。
• 通过数值模拟和解析解分析光子在系统中的输运，以证明单向隧穿和边缘态的存在。
• 通过分析不同入射角和偏振态下的透射谱，验证拓扑鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光子晶格中，合成规范场是否能诱导类似于电子系统的自旋和谷极化的单向隧穿？
• RQ2 在赝自旋、手性和谷子空间中的竞争规范场如何影响能带结构和拓扑保护？
• RQ3 在单一光子系统中，相反自旋和谷极化的拓扑边缘态能否与狄拉克型连续谱共存？
• RQ4 在某一谷处打开能带隙在实现具有偏振选择性的单向输运中起什么作用？
• RQ5 该平台在多大程度上可通过调控赝自旋和谷自由度，支持片上光学隔离和复用？

主要发现

• 系统在某一谷（例如 K）处表现出能带隙，同时在另一谷（例如 K′）处保持狄拉克型圆锥形色散，实现拓扑保护。
• 实现了自旋极化和谷极化的单向 Klein 隧穿，仅对特定赝自旋和谷态具有高透射率。
• 对于相反自旋和谷极化的系统，拓扑边缘态与狄拉克连续谱共存，实现同时的单向输运通道。
• 由于拓扑保护，系统支持最小背向散射的单向光子输运，即使在存在无序的情况下亦然。
• 数值模拟证实了基于赝自旋和谷极化的选择性透射，验证了该设计在光学隔离和复用中的可行性。
• 有效哈密顿量模型准确预测了观测到的能带结构和输运现象，证实了理论框架的正确性。