Forskning i den fotoniske krystaltopologiske tilstand ud over den optiske diffraktionsgrænse

En ny publikation fra Opto-Electronic Advances overvejer forskning i fotoniske krystaltopologiske tilstande ud over den optiske diffraktionsgrænse.

Det allestedsnærværende lys viser forskellige egenskaber i forskellige materialer. Hvis materialet selektivt periodisk arrangeres på lysets bølgelængdeniveau, hvilket forårsager regelmæssigt gentagne områder med høj og lav dielektrisk konstant, kan lysets udbredelsesadfærd kontrolleres. Disse periodiske strukturer kaldes fotoniske krystaller, og bølgelængder, der forplanter sig, kaldes tilstande. Baseret på fotonisk krystal er der masser af anvendelser såsom lav- og højreflektionsbelægninger på linser og spejle, fotoniske krystalfibre, optiske sensorer osv.

En af de største vanskeligheder i fremstillingsprocessen for fotoniske krystaller er defekten, som kan forårsage spredning af lys, der forplantes i fotoniske krystaller. Disse defekter er svære at undgå, da der altid er nogle ufuldkommenheder i fremstillingsprocessen. For at overvinde dette problem blev topologi som et matematisk begreb, der beskæftiger sig med invariante egenskaber under kontinuerlig deformation, introduceret i fotonik for at beskrive den globale egenskab af fotoniske krystaller. Topologiske fotoniske krystaller fokuserer på overordnede egenskaber og er ikke følsomme over for lokale defekter. Og hvis den fotoniske krystal er topologisk ikke-triviel, understøtter den optiske tilstande ved sin grænse, som heller ikke er følsomme over for lokale defekter. Disse robuste grænsetilstande kan muliggøre fantastiske applikationer til optisk kommunikation og kvantemissioner, såsom ensrettet bølgeleder og single-mode laser.

Men på grund af lysets diffraktionsgrænse er detaljer om optiske tilstande med en fremhævet længde omkring 300 nm eller kortere svære at opnå. Nogle nye fysiske fænomener er ikke blevet fuldt ud undersøgt ved brug af traditionel optisk mikroskopi, såsom en mørk linje, der eksisterer med den krystallinske symmetri-beskyttede topologiske kanttilstand.

For nylig viste forskergruppen af ​​professor Zheyu Fang fra Peking University forskning i den fotoniske krystaltopologiske kanttilstand. I denne forskning brydes den optiske diffraktionsgrænse ved at bruge katodoluminescens (CL) nanoskopi. Den mørke linje afbildes ved dyb-subbølgelængdeopløsning, og mekanismen for den mørke linje belyses med den elektromagnetiske feltfordeling, som beregnes ved numerisk simulering. Deres undersøgelse giver en dybere forståelse af topologiske kanttilstande og kan have stor betydning for designet af fremtidige on-chip topologiske enheder.

Forskergruppen af ​​professor Zheyu Fang fra Peking University realiserede Z₂ topologisk kanttilstand i det synlige område og karakteriserer dens mørke linje med katodoluminescens (CL) nanoskopi. Deres struktur er sammensat af et ydre topologisk trivielt fotonisk krystalområde og et indre topologisk ikke-trivielt fotonisk krystalområde. Den topologiske kanttilstand er begrænset ved grænsefladen mellem disse to typer fotoniske krystaller.

Den topologiske kanttilstand afbildes direkte fra den designede fotoniske krystalstruktur med den forbedrede fotoluminescens (PL) af WSe₂ monolag, der dækkede på toppen. Den radiative optiske lokale tæthed af tilstande i kanttilstanden er yderligere karakteriseret ved at bruge CL-nanoskopi med en opløsning på omkring 10 nm-niveau, hvilket bryder den optiske diffraktionsgrænse. Det er grundlagt, at den mørke linje i kanttilstanden er nøjagtigt lokaliseret ved den tilstødende ikke-trivielle enhedscelleregion nær grænsefladen.

Og den mørke linje fortolkes med den kunstige p-d orbitale feltfordeling ved at analysere simulerede topologiske kanttilstande i detaljer. De fandt ud af, at energien i Z₂ topologisk kanttilstand er lokaliseret ved grænsefladen og henfalder gradvist ind i nærområdet, mens proportionerne af p- og d-orbitaler er forskellige afhængigt af afstandene til grænsefladen. Dette fører til forskellige strålingskarakteristika for Z₂ topologiske kanttilstande i forskellige positioner. De mørke linjer ved det tilstødende ikke-trivielle enhedscelleområde nær grænsefladen er hovedsageligt sammensat af d orbitale komponenter, så strålingen fra Z₂ topologisk kanttilstand er svag i denne region.

Dette kan bruges direkte til enten at øge kvanteeffektiviteten af ​​topologisk kanttilstandslasing (p orbital komponent) eller hæmme kvantemissionen (d orbital komponent). Desuden kan denne dybe subbølgelængde-opløste CL-karakterisering tilpasses til enhver anden fotonisk topologisk tilstandsanalyse. Dette arbejde styrker den detaljerede forståelse af Z₂ topologisk kant angiver og giver en vital instruktion for udforskning og design af on-chip topologiske enheder, hvilket gavner udviklingen af ​​fremtidig optisk kommunikation og kvanteoptik.

Inden for mikro-nano-fotonik fokuserer forskningsgruppen af ​​prof. Zheyu Fang fra Peking University på teorier, materialer, applikationer, AI-design og metoder til karakterisering af katodoluminescens. De undersøgte forberedelsen og karakteriseringen af ​​plasmoniske nanostrukturer, optisk fokusering og bølgelederdesign i nanoskala, doping og detektion af hot-elektrongrænseflader, todimensionel materialeexcitonadfærd og luminescensegenskaber osv. Mange innovative forskningsresultater er blevet opnået på centrale videnskabelige spørgsmål som miniaturisering af højeffektive fotodetektorer og modulering af plasmoniske strukturers fotoelektriske egenskaber under det eksterne felt. + Udforsk yderligere

Topologiske nanolasere med lav tærskel baseret på andenordens hjørnetilstand