Karakterisering av Z2-topologiska kanttillståndet och dess mörka linje. Kredit:Compuscript Ltd
En ny publikation från Opto-Electronic Advances överväger forskning om fotoniska kristalltopologiska tillstånd bortom den optiska diffraktionsgränsen.
Det allestädes närvarande ljuset visar olika egenskaper i olika material. Om materialet selektivt periodiskt arrangeras på ljusets våglängdsnivå, vilket orsakar regelbundet upprepade områden med hög och låg dielektricitetskonstant, kan ljusets utbredningsbeteende kontrolleras. Dessa periodiska strukturer kallas fotoniska kristaller, och våglängder som utbreder sig kallas moder. Baserat på fotonkristall finns det många applikationer såsom låg- och högreflektionsbeläggningar på linser och speglar, fotoniska kristallfibrer, optiska sensorer, etc.
En av de stora svårigheterna i tillverkningsprocessen för fotoniska kristaller är defekten, som kan orsaka spridning av ljus som sprids i fotoniska kristaller. Dessa defekter är svåra att undvika, eftersom det alltid finns vissa brister i tillverkningsprocessen. För att övervinna detta problem introducerades topologi som ett matematiskt koncept som handlar om oföränderliga egenskaper under kontinuerlig deformation i fotonik för att beskriva fotonkristallers globala egenskap. Topologiska fotoniska kristaller fokuserar på övergripande egenskaper och är inte känsliga för lokala defekter. Och om den fotoniska kristallen är topologisk icke-trivial, stöder den optiska tillstånd vid sin gräns, som inte heller är känsliga för lokala defekter. Dessa robusta gränstillstånd kan möjliggöra fantastiska tillämpningar för optisk kommunikation och kvantemissioner, såsom enkelriktad vågledare och singelmodslaser.
Men på grund av ljusets diffraktionsgräns är detaljer om optiska tillstånd med en utvald längd runt 300 nm eller kortare svåra att få fram. Vissa nya fysikaliska fenomen har inte studerats fullt ut med traditionell optisk mikroskopi, såsom en mörk linje som finns med det kristallina symmetriskyddade topologiska kanttillståndet.
Nyligen visade forskargruppen av professor Zheyu Fang från Peking University forskning om fotonkristallens topologiska kanttillstånd. I denna forskning bryts den optiska diffraktionsgränsen genom att använda katodoluminescens (CL) nanoskopi. Den mörka linjen avbildas med djup-subvåglängdsupplösning och mekanismen för den mörka linjen belyses med den elektromagnetiska fältfördelningen som beräknas genom numerisk simulering. Deras undersökning ger en djupare förståelse av topologiska kanttillstånd och kan ha stor betydelse för utformningen av framtida on-chip topologiska enheter.
Forskargruppen av professor Zheyu Fang från Peking University realiserade Z2 topologiskt kanttillstånd i det synliga området och karakteriserar dess mörka linje med katodoluminescens (CL) nanoskopi. Deras struktur är sammansatt av en yttre topologisk trivial fotonisk kristallregion och en inre topologisk icke-trivial fotonisk kristallregion. Det topologiska kanttillståndet är begränsat vid gränssnittet mellan dessa två typer av fotoniska kristaller.
Det topologiska kanttillståndet avbildas direkt från den designade fotoniska kristallstrukturen med den förbättrade fotoluminescensen (PL) hos WSe2 monolager som täckte på toppen. Den radiativa optiska lokala tätheten av tillstånden i kanttillståndet kännetecknas ytterligare av att använda CL-nanoskopi med en upplösning runt 10 nm-nivån, vilket bryter den optiska diffraktionsgränsen. Det är grundat att den mörka linjen i kanttillståndet är exakt lokaliserad till den angränsande icke-triviala enhetscellregionen nära gränssnittet.
Och den mörka linjen tolkas med den artificiella p-d orbitalfältsfördelningen genom att analysera simulerade topologiska kanttillstånd i detalj. De fann att energin hos Z2 topologiskt kanttillstånd är lokaliserat vid gränsytan och avklingar gradvis in i närområdet, medan proportionerna av p- och d-orbitaler är olika beroende på avstånden till gränsytan. Detta leder till olika strålningsegenskaper hos Z2 topologiska kanttillstånd vid olika positioner. De mörka linjerna vid den angränsande icke-triviala enhetscellregionen nära gränssnittet består huvudsakligen av d orbitalkomponenter, så strålningen från Z2 topologiska kanttillståndet är svagt i denna region.
Detta kan användas direkt för att antingen förbättra kvanteffektiviteten för topologisk kanttillståndslasring (p orbital komponent) eller hämma kvantemissionen (d orbital komponent). Dessutom kan denna djupa subvåglängdsupplösta CL-karakterisering anpassas till alla andra fotoniska topologiska lägesanalyser. Detta arbete stärker den detaljerade förståelsen av Z2 topologisk kant anger och gör en viktig instruktion för utforskning och design av on-chip topologiska enheter, vilket gynnar utvecklingen av framtida optisk kommunikation och kvantoptik.
Inom området mikro-nanofotonik fokuserar forskargruppen till professor Zheyu Fang från Peking University på teorier, material, tillämpningar, AI-designer och metoder för karakterisering av katodoluminescens. De studerade beredningen och karakteriseringen av plasmoniska nanostrukturer, optisk fokusering och vågledardesign i nanoskala, dopning och detektering av hetelektrongränssnitt, tvådimensionellt materialexcitonbeteende och luminescensegenskaper, etc. Många innovativa forskningsresultat har uppnåtts i viktiga vetenskapliga frågor som miniatyrisering av högeffektiva fotodetektorer och modulering av plasmoniska strukturers fotoelektriska egenskaper under det yttre fältet. + Utforska vidare
