Исследования топологических состояний фотонных кристаллов за пределами оптической дифракции
Недавно исследовательская группа профессора Чжэю Фана из Пекинского университета провела исследование топологического краевого состояния фотонного кристалла. В этом исследовании оптический дифракционный предел нарушается с помощью наноскопии катодолюминесценции (КЛ). Темная линия отображается с разрешением глубокой субволновой области, а механизм темной линии поясняется распределением электромагнитного поля, рассчитанным с помощью численного моделирования. Их исследование обеспечивает более глубокое понимание топологических граничных состояний и может иметь большое значение для проектирования будущих топологических устройств на кристалле.
Характеристика состояния топологического края Z2 и его темной линии. Кредит: Compuscript Ltd.
В новой публикации Opto-Electronic Advances рассматриваются исследования топологических состояний фотонных кристаллов за пределами оптической дифракции.
Вездесущий свет показывает разные характеристики в разных материалах. Если материал выборочно периодически расположен на уровне длины волны света, вызывая регулярно повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью, поведением распространения света можно управлять. Эти периодические структуры называются фотонными кристаллами, а распространяющиеся длины волн называются модами. На основе фотонного кристалла существует множество применений, таких как покрытия с низким и высоким коэффициентом отражения на линзах и зеркалах, фотонно-кристаллические волокна, оптические датчики и т. д.
Одной из основных трудностей в процессе изготовления фотонных кристаллов является дефект, который может вызвать рассеяние света, распространяющегося в фотонных кристаллах. Этих дефектов трудно избежать, так как в процессе изготовления всегда есть какие-то несовершенства. Чтобы преодолеть эту проблему, в фотонику была введена топология как математическая концепция, связанная с инвариантными свойствами при непрерывной деформации, для описания глобальных свойств фотонных кристаллов. Топологические фотонные кристаллы ориентированы на общие характеристики и не чувствительны к локальным дефектам. А если фотонный кристалл топологически нетривиален, то он поддерживает на своей границе оптические состояния, также не чувствительные к локальным дефектам. Эти надежные граничные состояния могут обеспечить отличные приложения для оптической связи и квантовых излучений.
Однако из-за дифракционного предела света трудно получить детали оптических состояний с характерной длиной около 300 нм или меньше. Некоторые новые физические явления не были полностью изучены с помощью традиционной оптической микроскопии, например, темная линия, которая существует с топологическим краевым состоянием, защищенным кристаллической симметрией.
Недавно исследовательская группа профессора Чжэю Фана из Пекинского университета провела исследование топологического краевого состояния фотонного кристалла. В этом исследовании оптический дифракционный предел нарушается с помощью наноскопии катодолюминесценции (КЛ). Темная линия отображается с разрешением глубокой субволновой области, а механизм темной линии поясняется распределением электромагнитного поля, рассчитанным с помощью численного моделирования. Их исследование обеспечивает более глубокое понимание топологических граничных состояний и может иметь большое значение для проектирования будущих топологических устройств на кристалле.
Исследовательская группа профессора Чжэю Фана из Пекинского университета реализовала топологическое краевое состояние Z 2 в видимом диапазоне и охарактеризовала его темную линию с помощью катодолюминесцентной (КЛ) наноскопии. Их структура состоит из внешней области топологического тривиального фотонного кристалла и внутренней области топологического нетривиального фотонного кристалла. Топологическое краевое состояние ограничивается границей между этими двумя типами фотонных кристаллов.
Топологическое граничное состояние напрямую отображается из разработанной структуры фотонного кристалла с усиленной фотолюминесценцией (ФЛ) монослоя WSe 2 , который покрывает сверху. Радиационная оптическая локальная плотность состояний краевого состояния дополнительно охарактеризована с помощью КЛ-наноскопии с разрешением около 10-нм уровня, нарушающим оптический дифракционный предел. Установлено, что темная линия краевого состояния точно локализована в соседней нетривиальной области элементарной ячейки вблизи интерфейса.
А темная линия интерпретируется с помощью искусственного распределения орбитального поля pd путем подробного анализа смоделированных топологических краевых состояний. Они обнаружили, что энергия топологического краевого состояния Z 2 локализована на границе раздела и постепенно спадает в область окрестности, а пропорции p- и d-орбиталей различны в зависимости от расстояния до границы раздела. Это приводит к различным характеристикам излучения топологических краевых состояний Z 2 в разных положениях. Темные линии в соседней нетривиальной области элементарной ячейки вблизи интерфейса состоят в основном из d-орбитальных компонент, поэтому излучение топологического краевого состояния Z 2 в этой области слабое.
Это может быть непосредственно использовано либо для повышения квантовой эффективности генерации в топологическом краевом состоянии (p-орбитальная компонента), либо для подавления квантового излучения (d-орбитальная компонента). Более того, эта характеристика CL с глубоким субволновым разрешением может быть адаптирована к анализу любого другого фотонного топологического режима. Эта работа укрепляет детальное понимание топологических краевых состояний Z 2 и является важной инструкцией по исследованию и проектированию встроенных топологических устройств, что принесет пользу развитию будущих оптических коммуникаций и квантовой оптики.
В области микро-нанофотоники исследовательская группа профессора Чжэю Фана из Пекинского университета занимается теориями, материалами, приложениями, конструкциями искусственного интеллекта и методами определения характеристик катодолюминесценции. Они изучали подготовку и определение характеристик плазмонных наноструктур, наномасштабную оптическую фокусировку и конструкцию волновода, легирование и обнаружение интерфейса горячих электронов, поведение двумерных экситонов и характеристики люминесценции материала и т. д. Многие инновационные результаты исследований были достигнуты по ключевым научным вопросам как миниатюризация высокоэффективных фотоприемников и модуляция фотоэлектрических характеристик плазмонных структур под действием внешнего поля.
