Fotonický topologický izolátor - Photonic topological insulator

Fotonické topologické izolátory jsou umělé elektromagnetické materiály, které podporují topologicky netriviální jednosměrné stavy světla.[1] Fotonické topologické fáze jsou klasické analogie elektromagnetických vln elektronických topologické fáze studoval v fyzika kondenzovaných látek. Podobně jako jejich elektronické protějšky mohou poskytovat robustní jednosměrné kanály pro šíření světla.[2]

Pole, které studuje tyto fáze světla, se označuje jako topologická fotonika, i když jejich pracovní frekvence elektromagnetické topologické izolátory mohou spadat do jiných částí elektromagnetického spektra, jako je mikrovlnný dosah.[3]

Dějiny

Topologický řád v systémech pevných látek byl studován ve fyzice kondenzovaných látek od objevu celočíselný kvantový Hallův jev. Ale topologická hmota přitahovala značný zájem ze strany fyziky po návrzích možného pozorování topologických fází chráněných symetrií (nebo tzv. topologické izolátory ) v grafen,[4] a experimentální pozorování 2D topologického izolátoru v kvantových jamkách CdTe / HgTe / CdTe v roce 2007.[5][6]

V roce 2008, Haldane a Raghu navrhl, že jednosměrné elektromagnetické stavy analogické (celočíselným) kvantovým Hallovým stavům lze realizovat v nerecipročních magnetických fotonické krystaly.[7] Poté následovaly návrhy analogických kvantová rotace Hall uvádí elektromagnetických vln, které jsou nyní známé jako fotonické topologické izolátory.[8][3]

Platformy

Fotonické topologické izolátory jsou navrženy s využitím různých fotonických platforem včetně vázaných prstencových rezonátorů[9], bi-anizotropní meta-materiály, spojená optická vlákna a fotonické krystaly[10]. V poslední době byly realizovány ve 2D dielektriku[11] a plazmonické[12] meta-povrchy.

Chernovo číslo

Jako důležitá hodnota zásluh pro charakterizaci kvantovaného kolektivního chování vlnové funkce je Chernovo číslo topologickým invariantem kvantových Hallových izolátorů. Chernovo číslo také identifikuje topologické vlastnosti fotonických topologických izolátorů (PTI), takže má zásadní význam při návrhu PTI. Byl napsán program MATLAB založený na metodě plných vln s finitním rozdílem ve frekvenční doméně (FDFD) pro výpočet čísla Chern[13].

Viz také

Reference

  1. ^ Lu, Ling; Joannopoulos, John D .; Soljačić, Marin (listopad 2014). "Topologická fotonika". Fotonika přírody. 8 (11): 821–829. arXiv:1408.6730. Bibcode:2014NaPho ... 8..821L. doi:10.1038 / nphoton.2014.248. ISSN  1749-4893. S2CID  119191655.
  2. ^ Ozawa, Tomoki; Cena, Hannah M .; Amo, Alberto; Goldman, Nathan; Hafezi, Mohammad; Lu, Ling; Rechtsman, Mikael C .; Schuster, David; Simon, Jonathan; Zilberberg, Oded; Carusotto, Iacopo (25. března 2019). "Topologická fotonika". Recenze moderní fyziky. 91 (1): 015006. arXiv:1802.04173. Bibcode:2019RvMP ... 91a5006O. doi:10.1103 / RevModPhys.91.015006. S2CID  10969735.
  3. ^ A b Khanikaev, Alexander B .; Hossein Musáví, S .; Tse, Wang-Kong; Kargarian, Mehdi; MacDonald, Allan H .; Shvets, Gennady (březen 2013). "Fotonické topologické izolátory". Přírodní materiály. 12 (3): 233–239. arXiv:1204.5700. Bibcode:2013NatMa..12..233K. doi:10.1038 / nmat3520. ISSN  1476-4660. PMID  23241532.
  4. ^ Kane, C. L .; Mele, E. J. (23. listopadu 2005). „Kvantový Spin Hallův efekt v grafenu“. Dopisy o fyzické kontrole. 95 (22): 226801. arXiv:cond-mat / 0411737. Bibcode:2005PhRvL..95v6801K. doi:10.1103 / PhysRevLett.95.226801. PMID  16384250. S2CID  6080059.
  5. ^ Bernevig, B. Andrei; Hughes, Taylor L .; Zhang, Shou-Cheng (15. prosince 2006). „Kvantový Spin Hallův efekt a topologická fázová přeměna v kvantových jamkách HgTe“. Věda. 314 (5806): 1757–1761. arXiv:cond-mat / 0611399. Bibcode:2006Sci ... 314.1757B. doi:10.1126 / science.1133734. ISSN  0036-8075. PMID  17170299. S2CID  7295726.
  6. ^ Hasan, M. Z .; Kane, C. L. (8. listopadu 2010). „Kolokvium: topologické izolátory“. Recenze moderní fyziky. 82 (4): 3045–3067. arXiv:1002.3895. Bibcode:2010RvMP ... 82.3045H. doi:10.1103 / RevModPhys.82.3045. S2CID  16066223.
  7. ^ Haldane, F. D. M .; Raghu, S. (10. ledna 2008). „Možná realizace směrových optických vlnovodů ve fotonických krystalech se zlomenou časově reverzní symetrií“. Dopisy o fyzické kontrole. 100 (1): 013904. arXiv:cond-mat / 0503588. Bibcode:2008PhRvL.100a3904H. doi:10.1103 / PhysRevLett.100.013904. PMID  18232766. S2CID  44745453.
  8. ^ Hafezi, Mohammad; Demler, Eugene A .; Lukin, Michail D .; Taylor, Jacob M. (listopad 2011). "Robustní optické zpožďovací linky s topologickou ochranou". Fyzika přírody. 7 (11): 907–912. arXiv:1102.3256. Bibcode:2011NatPh ... 7..907H. doi:10.1038 / nphys2063. ISSN  1745-2481. S2CID  2008767.
  9. ^ Hafezi, M .; Mittal, S .; Fan, J .; Migdall, A .; Taylor, J. M. (prosinec 2013). "Zobrazování topologických okrajových stavů v křemíkové fotonice". Fotonika přírody. 7 (12): 1001–1005. arXiv:1302.2153. Bibcode:2013NaPho ... 7.1001H. doi:10.1038 / nphoton.2013.274. ISSN  1749-4893. S2CID  14394865.
  10. ^ Wu, Long-Hua; Hu, Xiao (3. června 2015). "Schéma pro dosažení topologického fotonického krystalu pomocí dielektrického materiálu". Dopisy o fyzické kontrole. 114 (22): 223901. arXiv:1503.00416. Bibcode:2015PhRvL.114v3901W. doi:10.1103 / PhysRevLett.114.223901. PMID  26196622.
  11. ^ Gorlach, Maxim A .; Ni, Xiang; Smirnova, Daria A .; Korobkin, Dmitry; Zhirihin, Dmitry; Slobozhanyuk, Alexey P .; Belov, Pavel A .; Alù, Andrea; Khanikaev, Alexander B. (2. března 2018). "Dálkové pole sondování netěsných topologických stavů v all-dielektrických metasurfaces". Příroda komunikace. 9 (1): 909. Bibcode:2018NatCo ... 9..909G. doi:10.1038 / s41467-018-03330-9. ISSN  2041-1723. PMID  29500466.
  12. ^ Honari-Latifpour, Mostafa; Yousefi, Leila (2019). „Topologické plazmonické okrajové stavy v planárním poli kovových nanočástic“. Nanofotonika. 8 (5): 799–806. Bibcode:2019Nanop ... 8..230H. doi:10.1515 / nanoph-2018-0230. ISSN  2192-8614.
  13. ^ Zhao, Ran; Zhao, Ran; Xie, Guo-Da; Xie, Guo-Da; Chen, Menglin L. N .; Lan, Zhihao; Huang, Zhixiang; Huang, Zhixiang; Sha, Wei E. I. (2020-02-17). „První princip výpočtu Chernova čísla v gyrotropních fotonických krystalech“. Optika Express. 28 (4): 4638–4649. arXiv:2001.08913. Bibcode:2020Oexpr..28.4638Z. doi:10.1364 / OE.380077. ISSN  1094-4087. PMID  32121697. S2CID  210911652.