[论文解读] Topological polaritons from quantum wells in photonic waveguides or microcavities

Torsten Karzig, Charles-Edouard Bardyn+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Strong Light-Matter Interactions被引用 2

一句话总结

本文通过在动量空间中引入耦合的绕数相位，将光子与激子耦合，在半导体量子阱和单层过渡金属二硫属化合物中提出了一种拓扑极化子（topolaritons）。由此产生的混合拓扑能带支持具有鲁棒性的极化子输运的单向手性边缘模式，该特性由自旋-轨道耦合和Zeeman场实现，且在实际材料中可调谐的拓扑能隙也可实现。

ABSTRACT

The interaction between light and matter can give rise to novel topological states. This principle was recently exemplified in Floquet topological insulators, where \emph{classical} light was used to induce a topological electronic band structure. Here, in contrast, we show that mixing \emph{single} photons with excitons can result in new topological polaritonic states --- or topolaritons. Taken separately, the underlying photons and excitons are topologically trivial. Combined appropriately, however, they give rise to non-trivial polaritonic bands with chiral edge modes allowing for unidirectional polariton propagation. The main ingredient in our construction is an exciton-photon coupling with a phase that winds in momentum space. We demonstrate how this winding emerges from spin-orbit coupling in the electronic system and an applied Zeeman field. We discuss the requirements for obtaining a sizable topological gap in the polariton spectrum, and propose practical ways to realize topolaritons in semiconductor quantum wells and monolayer transition metal dichalcogenides.

研究动机与目标

• 展示一种在量子阱体系和单层过渡金属二硫属化合物中实现拓扑极化子态的新机制。
• 确定在极化子谱中出现显著拓扑能隙的条件。
• 表明拓扑平凡的光子和激子可通过动量空间中设计的相位绕数结合形成非平凡的拓扑能带。
• 提出利用具有自旋-轨道耦合和Zeeman场的现有半导体平台实现topolaritons的实际方案。

提出的方法

• 设计一种在动量空间中具有绕数相位的激子-光子耦合，该相位对于打破时间反演对称性和实现非平凡拓扑至关重要。
• 利用电子体系中的自旋-轨道耦合，生成耦合中所需的动量依赖相位移。
• 施加外部Zeeman场以进一步调节相位绕数并控制混合态的拓扑特性。
• 使用包含动量空间相位绕数的紧束缚哈密顿量对系统进行建模，以描述极化子能带结构。
• 通过陈数计算分析所得能带的拓扑性质，以确认非平凡拓扑及手性边缘模式的存在。
• 通过调节耦合强度和系统参数，评估在实际材料中实现大拓扑能隙的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从原本拓扑平凡的光子和激子组分中，通过工程手段构建出具有手性边缘模式的拓扑极化子能带？
• RQ2 需要何种物理机制才能在激子-光子耦合中诱导动量空间的绕数？
• RQ3 在实际的半导体量子阱和单层过渡金属二硫属化合物中，拓扑能隙最大可达到多大？
• RQ4 自旋-轨道耦合和Zeeman场在实现拓扑所必需的相位绕数中起什么作用？
• RQ5 何种实验构型可在现有的二维半导体平台中实现topolaritons？

主要发现

• 激子-光子耦合在动量空间中的绕数相位足以产生具有手性边缘模式的非平凡拓扑能带，即使光子和激子本身均为拓扑平凡。
• 电子体系中的自旋-轨道耦合提供了耦合中所需的动量依赖相位移，从而实现拓扑能带的形成。
• 施加的Zeeman场可增强对相位绕数的调控能力，并可调节拓扑能隙的大小。
• 该系统支持沿边缘的单向极化子输运，由于拓扑保护而对背向散射具有鲁棒性。
• 在具有强自旋-轨道耦合的单层过渡金属二硫属化合物中，可实现显著的拓扑能隙。
• 所提出的机制可在现有的半导体量子阱和二维材料平台中实现，为拓扑极化子器件提供了一条切实可行的路径。