Фотонический топологический изолятор

Фотонные топологические изоляторы -это искусственные электромагнитные материалы, которые поддерживают топологически нетривиальные, однонаправленные состояния света. ^{[ 1 ]} Фотонные топологические фазы представляют собой классические аналоги электромагнитных волн электронных топологических фаз, изученных на физике конденсированных веществ . Подобно их электронным аналогам, они могут обеспечить надежные однонаправленные каналы для распространения света. ^{[ 2 ]} Поле, которое изучает эти фазы света, называется топологической фотоникой .

История

Топологический порядок в твердотельных системах был изучен на физике конденсированного вещества с момента обнаружения эффекта целочисленного квантового зала . Но топологическая вещество вызвало значительный интерес физического сообщества после предложений о возможном наблюдении за топологическими фазами, защищенными симметрией (или так называемыми топологическими изоляторами ) в графене , ^{[ 3 ]} и экспериментальное наблюдение 2D топологического изолятора в квантовых скважинах CDTE/HGTE/CDTE в 2007 году. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

В 2008 году Haldane и Raghu предположили, что однонаправленные электромагнитные состояния, аналогичные (целочисленным) состояниям квантовых залов, могут быть реализованы в нереципрокальных магнитных фотонных кристаллах . ^{[ 6 ]} Этот прогноз впервые был реализован в 2009 году в режиме микроволновой частоты. ^{[ 7 ]} За этим последовали предложения для аналогичных состояний квантового спинового зала электромагнитных волн, которые в настоящее время известны как фотологические топологические изоляторы. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Позже было обнаружено, что топологические электромагнитные состояния также могут существовать и в непрерывных средах-теоретическое и численное исследование подтвердило существование топологических волн Langmuir-циклотрон в непрерывных намагниченных плазмах. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}

Платформы

Фотонные топологические изоляторы разработаны с использованием различных фотонных платформ, включая оптические волноводные массивы, ^{[ 12 ]} связанные кольцевые резонаторы, ^{[ 13 ]} Би-анизотропные метаматериалы и фотонные кристаллы. ^{[ 14 ]} Совсем недавно они были реализованы в 2D Dielectric ^{[ 15 ]} и плазмонный ^{[ 16 ]} Мета-заводы. Несмотря на теоретический прогноз, ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Экспериментальной демонстрации фотонного топологического изолятора в непрерывных средах не сообщалось.

Черт номер

В качестве важной фигуры заслуги для характеристики квантового коллективного поведения волновой функции число является топологическим инвариантом квантовых изоляторов зала. Черт также идентифицирует топологические свойства фотонных топологических изоляторов (PTIS), поэтому он имеет решающее значение в дизайне PTI. Была записана программа MATLAB на основе метода, основанная на полной волне, основанная на доменной доменной (FDFD) (FDFD) для вычисления числа Черна. ^{[ 17 ]} В последнее время метод конечной разности был расширен для анализа топологического инварианта нехимитских топологических диэлектрических фотонных кристаллов с помощью первого принципа расчета петли Уилсона. ^{[ 18 ]} Все коды Matlab можно найти на веб -сайте Github. ^{[ 19 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Лу, Лин; Джоаннопулос, Джон Д.; Солджачич, Марин (ноябрь 2014 г.). «Топологическая фотоника». Природа фотоника . 8 (11): 821–829. Arxiv : 1408.6730 . Bibcode : 2014napho ... 8..821L . doi : 10.1038/nphoton.2014.248 . ISSN 1749-4893 . S2CID 119191655 .
^ Озава, двигаться; Прайс, Ханна М.; Итак, Альберто; Голдман, Тот; Хафези, Мохаммед; Лу, Лин; Рехтман, Микаэль С.; Шузер, Дэвид; Саймон, Джонатан; Зилберверг, ОДед; Крузотто, Якопаж (25 марта 2019 г.). Топологическая фотоника " Обзоры современной физики 91 (1): JEIV : 1802.04173 015006. Bibcode : 2019rvmm . doi : 10.1103/reevmodphys . 10969735S2CID
^ Кейн, кл; Меле, EJ (23 ноября 2005 г.). «Квантовый эффект спин -холла в графене». Письма о физическом обзоре . 95 (22): 226801. Arxiv : Cond-Mat/0411737 . BIBCODE : 2005PHRVL..95V6801K . doi : 10.1103/physrevlett.95.226801 . PMID 16384250 . S2CID 6080059 .
^ Берневиг, Б. Андрей; Хьюз, Тейлор Л.; Чжан, Шоу-Ченг (15 декабря 2006 г.). «Эффект квантового спина и топологический фазовый переход в квантовых скважинах HGTE». Наука . 314 (5806): 1757–1761. arxiv : cond-mat/0611399 . Bibcode : 2006sci ... 314.1757b . doi : 10.1126/science.1133734 . ISSN 0036-8075 . PMID 17170299 . S2CID 7295726 .
^ Хасан, MZ; Кейн, Кл (8 ноября 2010 г.). «Коллоквиум: топологические изоляторы» . Обзоры современной физики . 82 (4): 3045–3067. Arxiv : 1002.3895 . Bibcode : 2010rvmp ... 82.3045H . doi : 10.1103/revmodphys.82.3045 . S2CID 16066223 .
^ Haldane, FDM; Рагху С. (10 января 2008 г.). «Возможная реализация направленных оптических волноводов в фотонных кристаллах с сломанной симметрией обработки времени». Письма о физическом обзоре . 100 (1): 013904. Arxiv : Cond-Mat/0503588 . BIBCODE : 2008 PHRVL.100A3904H . doi : 10.1103/physrevlett.100.013904 . PMID 18232766 . S2CID 44745453 .
^ Ван, Чжэн; и др. (2009). «Наблюдение за однонаправленными топологическими электромагнитными состояниями обратного рассеяния». Природа . 461 (7265): 772–775. Bibcode : 2009natur.461..772W . doi : 10.1038/nature08293 . HDL : 1721.1/88469 . PMID 19812669 . S2CID 4427789 .
^ Хафези, Мохаммед; Демлер, Юджин А.; Лукин, Михаил Д.; Тейлор, Джейкоб М. (ноябрь 2011 г.). «Надежные линии оптической задержки с топологической защитой». Природа Физика . 7 (11): 907–912. Arxiv : 1102.3256 . Bibcode : 2011natph ... 7..907h . doi : 10.1038/nphys2063 . ISSN 1745-2481 . S2CID 2008767 .
^ Ханикаев, Александр Б.; Hossein Mousavi, S.; TSE, Wang-Kong; Каргарский, Мехди; Макдональд, Аллан Х.; Shvets, Gennady (март 2013 г.). «Фотонные топологические изоляторы». Природные материалы . 12 (3): 233–239. Arxiv : 1204.5700 . Bibcode : 2013natma..12..233k . doi : 10.1038/nmat3520 . ISSN 1476-4660 . PMID 23241532 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Цинь, Хонг; Фу, Йихен (2023-03-31). «Топологическая лангмюр-циклотронная волна» . Наука достижения . 9 (13): EADD8041. doi : 10.1126/sciadv.add8041 . ISSN 2375-2548 . PMC 10065437 . PMID 37000869 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Фу, Йихен; Цинь, Хонг (2021-06-24). «Топологические фазы и массовая соответствие намагниченной холодной плазмы» . Природная связь . 12 (1): 3924. DOI : 10.1038/S41467-021-24189-3 . ISSN 2041-1723 . PMC 8225675 . PMID 34168159 .
^ Rechtsman, Mikael; и др. (10 апреля 2013 г.). «Photonic Floquet топологические изоляторы». Природа . 496 (7444): 196–200. Arxiv : 1212.3146 . Bibcode : 2013natur.496..196r . doi : 10.1038/nature12066 . PMID 23579677 . S2CID 4349770 .
^ Hafezi, M.; Миттал, с.; Фанат, J.; Мигдалл, А.; Тейлор, JM (декабрь 2013 г.). «Топологическая топологическая края в кремниевой фотонике». Природа фотоника . 7 (12): 1001–1005. Arxiv : 1302.2153 . Bibcode : 2013napho ... 7.1001h . doi : 10.1038/nphoton.2013.274 . ISSN 1749-4893 . S2CID 14394865 .
^ Ву, Лонг-Хуа; Ху, Сяо (3 июня 2015 г.). «Схема достижения топологического фотонного кристалла с использованием диэлектрического материала». Письма о физическом обзоре . 114 (22): 223901. Arxiv : 1503.00416 . BIBCODE : 2015PHRVL.114V3901W . doi : 10.1103/physrevlett.114.223901 . PMID 26196622 .
^ Горлах, Максим А.; Ни, Сян; Smirnova, Daria A.; Кобрин, Дмитрий; Жирихин, Дмитрий; Слобожаньяк, Алексей П.; Белов, Павел А.; Alù, Andrea; Ханикаев, Александр Б. (2 марта 2018 г.). «Дальние зондирование протекающих топологических состояний в все диэлектрических метасурфасах» . Природная связь . 9 (1): 909. Bibcode : 2018natco ... 9..909g . doi : 10.1038/s41467-018-03330-9 . ISSN 2041-1723 . PMC 5834506 . PMID 29500466 .
^ Honari-Latifpour, Mothafa; Yousefi, Leila (2019). «Топологические плазмонные края состоялись в плоском массиве металлических наночастиц» . Нанофотоника . 8 (5): 799–806. Bibcode : 2019nanop ... 8..230h . doi : 10.1515/nanoph-2018-0230 . ISSN 2192-8614 .
^ Чжао, побежал; Се, Го-да; Чен, Менглин Лн; Лан, Чжихао; Хуан, Жиксиан; Ша, Вей Эй (2020-02-17). «Первое принципиально расчет числа Черна в гиротропных фотонных кристаллах» . Optics Express . 28 (4): 4638–4649. Arxiv : 2001.08913 . Bibcode : 2020oexpr..28.4638z . doi : 10.1364/OE.380077 . ISSN 1094-4087 . PMID 32121697 . S2CID 210911652 .
^ Чен, Менглин Лн; Цзян, Ли Джун; Чжан, Шуан; Чжао, побежал; Лан, Чжихао; Ша, Вей Эй (2021-09-01). «Сравнительное исследование эрмитовых и неэ имитских топологических диэлектрических фотонных кристаллов» . Физический обзор а . 104 (3): 033501. Arxiv : 2109.05498 . Bibcode : 2021phrva.104C3501C . doi : 10.1103/physreva.104.033501 . S2CID 237492242 .
^ Топологическая инвариант-оптика

[1] Лу, Лин; Джоаннопулос, Джон Д.; Солджачич, Марин (ноябрь 2014 г.). «Топологическая фотоника». Природа фотоника . 8 (11): 821–829. Arxiv : 1408.6730 . Bibcode : 2014napho ... 8..821L . doi : 10.1038/nphoton.2014.248 . ISSN 1749-4893 . S2CID 119191655 .

[2] Озава, двигаться; Прайс, Ханна М.; Итак, Альберто; Голдман, Тот; Хафези, Мохаммед; Лу, Лин; Рехтман, Микаэль С.; Шузер, Дэвид; Саймон, Джонатан; Зилберверг, ОДед; Крузотто, Якопаж (25 марта 2019 г.). Топологическая фотоника " Обзоры современной физики 91 (1): JEIV : 1802.04173 015006. Bibcode : 2019rvmm . doi : 10.1103/reevmodphys . 10969735S2CID

[3] Кейн, кл; Меле, EJ (23 ноября 2005 г.). «Квантовый эффект спин -холла в графене». Письма о физическом обзоре . 95 (22): 226801. Arxiv : Cond-Mat/0411737 . BIBCODE : 2005PHRVL..95V6801K . doi : 10.1103/physrevlett.95.226801 . PMID 16384250 . S2CID 6080059 .

[4] Берневиг, Б. Андрей; Хьюз, Тейлор Л.; Чжан, Шоу-Ченг (15 декабря 2006 г.). «Эффект квантового спина и топологический фазовый переход в квантовых скважинах HGTE». Наука . 314 (5806): 1757–1761. arxiv : cond-mat/0611399 . Bibcode : 2006sci ... 314.1757b . doi : 10.1126/science.1133734 . ISSN 0036-8075 . PMID 17170299 . S2CID 7295726 .

[5] Хасан, MZ; Кейн, Кл (8 ноября 2010 г.). «Коллоквиум: топологические изоляторы» . Обзоры современной физики . 82 (4): 3045–3067. Arxiv : 1002.3895 . Bibcode : 2010rvmp ... 82.3045H . doi : 10.1103/revmodphys.82.3045 . S2CID 16066223 .

[6] Haldane, FDM; Рагху С. (10 января 2008 г.). «Возможная реализация направленных оптических волноводов в фотонных кристаллах с сломанной симметрией обработки времени». Письма о физическом обзоре . 100 (1): 013904. Arxiv : Cond-Mat/0503588 . BIBCODE : 2008 PHRVL.100A3904H . doi : 10.1103/physrevlett.100.013904 . PMID 18232766 . S2CID 44745453 .

[7] Ван, Чжэн; и др. (2009). «Наблюдение за однонаправленными топологическими электромагнитными состояниями обратного рассеяния». Природа . 461 (7265): 772–775. Bibcode : 2009natur.461..772W . doi : 10.1038/nature08293 . HDL : 1721.1/88469 . PMID 19812669 . S2CID 4427789 .

[8] Хафези, Мохаммед; Демлер, Юджин А.; Лукин, Михаил Д.; Тейлор, Джейкоб М. (ноябрь 2011 г.). «Надежные линии оптической задержки с топологической защитой». Природа Физика . 7 (11): 907–912. Arxiv : 1102.3256 . Bibcode : 2011natph ... 7..907h . doi : 10.1038/nphys2063 . ISSN 1745-2481 . S2CID 2008767 .

[khanikaev-9] Ханикаев, Александр Б.; Hossein Mousavi, S.; TSE, Wang-Kong; Каргарский, Мехди; Макдональд, Аллан Х.; Shvets, Gennady (март 2013 г.). «Фотонные топологические изоляторы». Природные материалы . 12 (3): 233–239. Arxiv : 1204.5700 . Bibcode : 2013natma..12..233k . doi : 10.1038/nmat3520 . ISSN 1476-4660 . PMID 23241532 .

[:0-10] Jump up to: ^а ^{беременный} Цинь, Хонг; Фу, Йихен (2023-03-31). «Топологическая лангмюр-циклотронная волна» . Наука достижения . 9 (13): EADD8041. doi : 10.1126/sciadv.add8041 . ISSN 2375-2548 . PMC 10065437 . PMID 37000869 .

[:1-11] Jump up to: ^а ^{беременный} Фу, Йихен; Цинь, Хонг (2021-06-24). «Топологические фазы и массовая соответствие намагниченной холодной плазмы» . Природная связь . 12 (1): 3924. DOI : 10.1038/S41467-021-24189-3 . ISSN 2041-1723 . PMC 8225675 . PMID 34168159 .

[12] Rechtsman, Mikael; и др. (10 апреля 2013 г.). «Photonic Floquet топологические изоляторы». Природа . 496 (7444): 196–200. Arxiv : 1212.3146 . Bibcode : 2013natur.496..196r . doi : 10.1038/nature12066 . PMID 23579677 . S2CID 4349770 .

[13] Hafezi, M.; Миттал, с.; Фанат, J.; Мигдалл, А.; Тейлор, JM (декабрь 2013 г.). «Топологическая топологическая края в кремниевой фотонике». Природа фотоника . 7 (12): 1001–1005. Arxiv : 1302.2153 . Bibcode : 2013napho ... 7.1001h . doi : 10.1038/nphoton.2013.274 . ISSN 1749-4893 . S2CID 14394865 .

[14] Ву, Лонг-Хуа; Ху, Сяо (3 июня 2015 г.). «Схема достижения топологического фотонного кристалла с использованием диэлектрического материала». Письма о физическом обзоре . 114 (22): 223901. Arxiv : 1503.00416 . BIBCODE : 2015PHRVL.114V3901W . doi : 10.1103/physrevlett.114.223901 . PMID 26196622 .

[15] Горлах, Максим А.; Ни, Сян; Smirnova, Daria A.; Кобрин, Дмитрий; Жирихин, Дмитрий; Слобожаньяк, Алексей П.; Белов, Павел А.; Alù, Andrea; Ханикаев, Александр Б. (2 марта 2018 г.). «Дальние зондирование протекающих топологических состояний в все диэлектрических метасурфасах» . Природная связь . 9 (1): 909. Bibcode : 2018natco ... 9..909g . doi : 10.1038/s41467-018-03330-9 . ISSN 2041-1723 . PMC 5834506 . PMID 29500466 .

[16] Honari-Latifpour, Mothafa; Yousefi, Leila (2019). «Топологические плазмонные края состоялись в плоском массиве металлических наночастиц» . Нанофотоника . 8 (5): 799–806. Bibcode : 2019nanop ... 8..230h . doi : 10.1515/nanoph-2018-0230 . ISSN 2192-8614 .

[17] Чжао, побежал; Се, Го-да; Чен, Менглин Лн; Лан, Чжихао; Хуан, Жиксиан; Ша, Вей Эй (2020-02-17). «Первое принципиально расчет числа Черна в гиротропных фотонных кристаллах» . Optics Express . 28 (4): 4638–4649. Arxiv : 2001.08913 . Bibcode : 2020oexpr..28.4638z . doi : 10.1364/OE.380077 . ISSN 1094-4087 . PMID 32121697 . S2CID 210911652 .

[18] Чен, Менглин Лн; Цзян, Ли Джун; Чжан, Шуан; Чжао, побежал; Лан, Чжихао; Ша, Вей Эй (2021-09-01). «Сравнительное исследование эрмитовых и неэ имитских топологических диэлектрических фотонных кристаллов» . Физический обзор а . 104 (3): 033501. Arxiv : 2109.05498 . Bibcode : 2021phrva.104C3501C . doi : 10.1103/physreva.104.033501 . S2CID 237492242 .

[19] Топологическая инвариант-оптика

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]