Η δέσμευση σε τοπολογικές καταστάσεις άκρων σε μια συστοιχία διμερών νανοκάλυψης φωτονικού κρυστάλλου L3 Han Changhyun ,Myungjae Lee ,Σεγκολέν Callard ,Christian Seassal &Jeon Heonsu Φως: Επιστήμη & Εφαρμογές τόμος 8 , αριθμός άρθρου: 40 ( 2019 ) | Κατεβάστε την παραπομπή Αφηρημένη Η τοπολογική φωτονική έχει δώσει νέες ιδέες για το χειρισμό του φωτός. Ανάλογα με τα ηλεκτρόνια στους τοπολογικούς μονωτήρες, τα φωτόνια που μετακινούνται μέσω της επιφάνειας μιας τοπολογικής φωτονικής δομής ή της διασύνδεσης δύο φωτονικών δομών με διαφορετικές τοπολογικές φάσεις είναι απαλλαγμένα από ανάσπαση που προκαλείται από δομικές ατέλειες ή διαταραχές. Αυτή η εξωτική φύση της τοπολογικής κατάστασης άκρων (TES) είναι πραγματικά ευεργετική για νανοφωτονικές συσκευές που υποφέρουν από δομικές παρατυπίες που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της κατασκευής της συσκευής. Παρόλο που διάφορες τοπολογικές καταστάσεις και έννοιες συσκευών έχουν καταδειχθεί σε φωτονικά συστήματα, δεν έχουν διερευνηθεί λέιζερ που βασίζονται σε συστοιχία κοιλοτήτων τοπολογικού φωτονικού κρυστάλλου (PhC) με μεταφορικό όγκο κλίμακας μήκους κύματος. Ερευνήσαμε τα TES σε μια σειρά nanocavity PhC στο μοντέλο Su-Schrieffer-Heeger. Κατά την οπτική διέγερση, η τοπολογική συστοιχία κοιλοτήτων PhC που πραγματοποιήθηκε με χρήση ενός InP-based multi-quantum-well epilayer εμφανίζει αυθόρμητα κορυφές λέιζερ στο τοπολογικό άκρο και τις καταστάσεις όγκου. Τα χαρακτηριστικά TES, συμπεριλαμβανομένης της ανθεκτικότητας σε τρόπους μεταφοράς που προκαλείται από την ανοσία στη διάσπαση, επιβεβαιώνονται από τα φάσματα εκπομπής και την απεικόνιση κοντά στο πεδίο και από τις θεωρητικές προσομοιώσεις και τους υπολογισμούς. Εισαγωγή Οι τοπολογικοί μονωτήρες, ένας αναδυόμενος τομέας στη φυσική των συμπυκνωμένων υλικών, είναι ένα συναρπαστικό ερευνητικό θέμα λόγω των ενδιαφερόντων ιδιοτήτων τους που βασίζονται σε συνυπάρχουσες μονωτικές ογκώδεις και αγώγιμες επιφανειακές καταστάσεις 1 . Επιπλέον, οι αγώγιμες επιφάνειες είναι τοπολογικώς προστατευμένες, με αποτέλεσμα την ανοσοποίηση του οπίσθιου κατακερματισμού λόγω ατελειών ή διαταραχών, γεγονός που καθιστά εξαιρετικά πολύτιμους τοπολογικούς μονωτήρες από την άποψη των εφαρμογών 1 . Πρόσφατα, έχουν υιοθετηθεί και αξιοποιηθεί διάφορες έννοιες στους τοπολογικούς μονωτήρες που χρησιμοποιούνται στην φωτονική, οι οποίες έχουν προκαλέσει μια μεταβολή των παραδειγμάτων σχετικά με τις απόψεις μας σχετικά με την ελαφρά χειραγώγηση και έχουν οδηγήσει στην εμφάνιση της τοπολογικής φωτονικής 2 , 3. Το σεμινάριο που ενεργοποίησε την τοπολογική φωτονική θα πρέπει να είναι αυτό για μονοκατευθυντικούς οπτικούς κυματοδηγούς με σπασμένη συμμετρία χρονικής αναστροφής 4 , 5 . Ενώ η αρχική επίδειξη υλοποιήθηκε σε ένα μαγνητο-οπτικό φωτονικό κρύσταλλο (PhC) στο καθεστώς μικροκυμάτων 6 , μια πρόσφατη τάση είναι να πραγματοποιηθούν τοπολογικές φάσεις στο καθεστώς οπτικής συχνότητας χωρίς την ανάγκη για σπάσιμο συμμετρίας αναστροφής χρόνου 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13. Συγκεκριμένα, οι τοπολογικές καταστάσεις άκρων (TES) πρέπει να βελτιώσουν σημαντικά τη λειτουργική ευρωστία των φωνολογικών συσκευών που προκύπτουν λόγω της εγγενούς ανοσίας τους έναντι δομικών ατελειών και παρατυπιών που μπορεί να δημιουργηθούν κατά τη διάρκεια της κατασκευής της συσκευής, καθιστώντας την τοπολογική φωτονική μια πολλά υποσχόμενη και ισχυρή τεχνολογία του μέλλοντος. Στην πραγματικότητα, ο αγώνας για εξωτικά λέιζερ που βασίζονται σε TESs, όπως τα μη αμοιβαία μονόδρομα λέιζερ 14 , 15 , 16 , έχει ήδη αρχίσει. Όσον αφορά τις τοπολογικές δομές που είναι ικανές να κατέχουν TESs, το μοντέλο Su-Schrieffer-Heeger (SSH), που εισήχθη αρχικά για να περιγράψει τα γραμμικά συζευγμένα πολυμερή 17 , έχει ύψιστη σημασία. Λόγω της δομικής απλότητας του, το φωτονικό μοντέλο SSH έχει μελετηθεί εκτενώς και έχουν αποδειχθεί συναφείς TES σε διάφορες πλατφόρμες, συμπεριλαμβανομένων των φωτονικών κυματοδηγών 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , πλασμονικών κυματοδηγών 24 και αλυσίδων συντονισμού 25 , 26 , 27 . Τα λέιζερ TES βασισμένα στη δομή του μοντέλου SSH έχουν επίσης καταδειχθεί χρησιμοποιώντας συστοιχίες μικροστοιχείων 28, συστοιχίες μικρο-δίσκων 29 , 30 και μια διάταξη κοιλοτήτων Fabry-Perot 31 . Ωστόσο, το μέγεθος των μονάδων αυτών των δομών είναι σχετικά μεγάλο (~ 10 μm), και η μικρογραφία τους, η ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας και οι βελτιώσεις των επιδόσεων περιορίζονται συνεπώς. Σε αυτό το πλαίσιο, μια σειρά nanocavth PhC θα πρέπει να είναι μια ιδανική πλατφόρμα για τις μελλοντικές φωτονικές συσκευές που βασίζονται στο TES, διότι μπορούν να προσφέρουν εξαιρετικά μικρό όγκο τροπικών και ποιοτικών παραγόντων 32 , 33 , 34 . Εδώ, παρουσιάζουμε τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά ότι σχηματίζονται ισχυρές TESs σε μια πεπερασμένη αλυσίδα συζευγμένων νανοσωματιδίων PhC με τοπολογικά σωστά τερματικά. Εφαρμόζουμε τη δομή διατάσσοντας ταυτόσημα PhC νανοσωματίδια στην διαμόρφωση της διμερούς αλυσίδας SSH μέσα σε μια δισδιάστατη (2D) σπονδυλική στήλη PhC που αποτελείται από ένα InAsP / InP πολλαπλών κβαντικών πηγαδιών (MQW) και επιδεικνύει δράση λέιζερ στις σχετικές TESs καθώς επίσης και οι χύδην καταστάσεις). Σε σύγκριση με την πρόσφατη επίδειξη λήψης TES σε μονοδιάστατη (1D) PhC SSH δομή νανοσωματίνης 35, οι δομές μας αποτελούνται από νανοκλίμακα υψηλής Q και επομένως είναι πιο κοντά στην ιδανική δομή SSH όπου υπάρχει μόνο η αλληλεπίδραση πλησιέστερου γείτονα, πράγμα που διευκολύνει σε μεγάλο βαθμό τους ελέγχους των ιδιοτήτων TES μέσω δομικών τροποποιήσεων. Επιπλέον, τα νανοκóπια μέσα σε μια 2D πλατφόρμα PhC προσφέρουν ένα μεγάλο βαθμό ευελιξίας σχεδιασμού. Για παράδειγμα, η πλατφόρμα της συσκευής μας μπορεί να κλιμακωθεί σε μέγεθος κοιλοτήτων (για υψηλότερη έξοδο λέιζερ) και να αναδιαμορφωθεί σε χώρο 2D (για καλύτερη ευελιξία σχεδιασμού και λειτουργικότητα συσκευής). Επιπλέον, η ύπαρξη και η ευρωστία των TES αποδεικνύονται όχι μόνο με φασματικές αναλύσεις αλλά και με άμεση απεικόνιση των αντίστοιχων μοτίβων τροχιάς χρησιμοποιώντας τεχνική οπτικής μικροσκοπίας κοντά στο πεδίο. Αποτελέσματα Δομή της μπάντας της άπειρης συστοιχίας διμερών νανοκάλυψης PhC Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε ένα πρότυπο δομή μοντέλο SSH, η οποία απεικονίζεται στο Σχ. 1α . Είναι μια αλυσίδα 1D αποτελείται από πανομοιότυπα συντονιστών (συχνότητα συντονισμού ω 0 ) με κλιμακωτά πλησιέστερου γείτονα δυνάμεις ζεύξης: C 1 = C 3 = ··· = C μονός = C A και C 2 = C 4 = ··· = C ακόμη και = C Β ( C A > C B). Αντιλαμβανόμαστε αυτή τη δομή σε μια πλάκα PhC από εξαγωνικό πλέγμα τοποθετώντας γραμμικά τα ίδια νανοστοιχεία L3 με εναλλασσόμενες αποστάσεις μεταξύ των κοιλοτήτων μίας και τριών σταθερών πλέγματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 1β . Η σταθερά του πλέγματος, η ακτίνα της οπής και το πάχος πλάκας ρυθμίζονται να είναι a = 430 nm, r = 0,3 α και t = 230 nm, αντίστοιχα. Οι αντίστοιχες δομές φωτονικής ζώνης υπολογίζονται με τη χρήση ενός κυττάρου μονάδας αποτελούμενου από δύο γειτονικούς συντονιστές. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν με δύο διαφορετικές μεθόδους, συγκεκριμένα προσομοιώσεις πεπερασμένης περιοχής χρόνου (FDTD) και υπολογισμοί σφιχτού δεσμού (βλ. Συμπληρωματικές πληροφορίες για τον φορμαλισμό υπολογισμού σφιχτού δεσμού), φαίνονται στο σχήμα 1γ. Οι παράμετροι που απαιτούνται για τον υπολογισμό της στενής δέσμευσης, όπως η συχνότητα συντονισμού και οι δυνάμεις σύζευξης, συνάγονται από ανεξάρτητες προσομοιώσεις FDTD σε μονόκλειστα και συζευγμένα νανοσκοπικά L3. Η συμφωνία μεταξύ των δύο ανεξάρτητων αποτελεσμάτων υπολογισμού είναι εξαιρετική. Τα δύο σύνολα αποτελεσμάτων εμφανίζουν δύο ενεργειακά συμμετρικές ζώνες που διαχωρίζονται από ένα διάκενο με μέγεθος 2 ° C A - C B |. Σημειώστε ότι οι δυο δυνατές επιλογές για το κύτταρο διμερούς μονάδας-τα διακεκομμένα πλαίσια στο σχήμα 1α, b έχουν σαν αποτέλεσμα την ίδια δομή μπάντας επειδή θεωρούμε εδώ μια άπειρη διάταξη. Εικόνα 1: Δομή φωτονικού Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Εικ. 1