[论文解读] Valley-Hall-like photonic topological insulators with vanishing Berry curvature

Le Zhang, Sanshui Xiao|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用 1

一句话总结

本文提出在具有C3v对称性的kagome晶格光子晶体（由介电材料构成）中实现类谷霍尔光子拓扑绝缘体，其中拓扑保护源于量子化的电极化而非非零贝里曲率。该系统表现出具有极低背向散射的鲁棒边缘态，实现了无需传统谷陈数的拓扑输运。

ABSTRACT

Valley-Hall-like photonic topological insulators are designed in kagome-lattice photonic crystals with C3v point-group symmetry. The photonic crystal consists of circular air holes in pure dielectric materials. Different from conventional valley-Hall photonic topological insulators with nonvanishing Berry curvature and valley Chern numbers, the proposed insulators have vanishing Berry curvature and their topological invariants are described by a quantized electric polarization. Topological transition can be realized by tuning the structural size and topological edge states appear at the interface between photonic crystals with different topological phases. Numerical analyses show the proposed insulators preserve important features of valley-Hall photonic insulators such as valley transport with little backscattering.

研究动机与目标

• 设计具有C3v对称性的kagome晶格光子晶体中的光子拓扑绝缘体，其拓扑边缘态不依赖于非零贝里曲率。
• 证明拓扑不变量可由量子化电极化描述，而非传统的谷陈数。
• 通过调节结构尺寸实现拓扑相变，从而控制边缘态的形成。
• 在无谷陈数的情况下，保持关键的拓扑输运特性，如对背向散射的鲁棒性。

提出的方法

• 设计一种在纯介电介质中具有圆形空气孔的kagome晶格光子晶体，以打破时间反演对称性并保持C3v点群对称性。
• 使用数值模拟计算光子能带结构，并分析系统的拓扑特性。
• 由于贝里曲率为零，通过量子化电极化而非传统的谷陈数来定义拓扑不变量。
• 调节空气孔的结构尺寸，以在不同拓扑相之间诱导拓扑相变。
• 分析两种具有不同拓扑相的光子晶体界面处的边缘态，以确认其鲁棒输运行为。
• 通过数值模拟散射特性，验证边缘态对缺陷和无序的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在贝里曲率为零但具有非零量子化电极化的光子晶体中实现拓扑边缘态？
• RQ2 当调节结构参数时，具有C3v对称性的kagome晶格光子晶体中拓扑相变如何发生？
• RQ3 在非零谷陈数缺失的情况下，边缘态对背向散射的鲁棒性在多大程度上得以保持？
• RQ4 在此系统中，拓扑不变量能否有效由量子化电极化而非传统的谷陈数来描述？

主要发现

• 光子晶体在不同拓扑相区域的界面处表现出拓扑边缘态，经数值模拟验证。
• 拓扑不变量由量子化电极化表征，而非非零贝里曲率或谷陈数。
• 通过调节圆形空气孔的尺寸，实现了拓扑相变，从而可控制拓扑相。
• 边缘态表现出鲁棒输运且背向散射极小，保持了传统谷霍尔光子绝缘体的关键特性。
• 尽管贝里曲率为零，系统仍因量子化极化而保持拓扑保护，展示了拓扑边缘态的新机制。
• 数值结果证实，该系统支持对结构缺陷和无序具有抗性的单向边缘模。