Caratterizzazione dello stato del bordo topologico Z2 e della sua linea scura. Credito:Compuscript Ltd
Una nuova pubblicazione da Opto-Electronic Advances considera la ricerca sugli stati topologici dei cristalli fotonici oltre il limite di diffrazione ottica.
La luce onnipresente mostra caratteristiche diverse in diversi materiali. Se il materiale è periodicamente disposto selettivamente al livello di lunghezza d'onda della luce, provocando regioni ripetute regolarmente di alta e bassa costante dielettrica, il comportamento di propagazione della luce può essere controllato. Queste strutture periodiche sono chiamate cristalli fotonici e le lunghezze d'onda che si propagano sono chiamate modi. Basato sul cristallo fotonico, ci sono molte applicazioni come rivestimenti a bassa e alta riflessione su lenti e specchi, fibre di cristalli fotonici, sensori ottici, ecc.
Una delle maggiori difficoltà nel processo di fabbricazione dei cristalli fotonici è il difetto, che può causare la diffusione della luce che si propaga nei cristalli fotonici. Questi difetti sono difficili da evitare, poiché ci sono sempre alcune imperfezioni nel processo di fabbricazione. Per superare questo problema, la topologia come concetto matematico che riguarda le proprietà invarianti sotto deformazione continua è stata introdotta nella fotonica per descrivere la proprietà globale dei cristalli fotonici. I cristalli fotonici topologici si concentrano sulle caratteristiche generali e non sono sensibili ai difetti locali. E se il cristallo fotonico è topologico non banale, supporta stati ottici al suo confine, che non sono nemmeno sensibili ai difetti locali. Questi robusti stati limite possono consentire grandi applicazioni per la comunicazione ottica e le emissioni quantistiche, come la guida d'onda unidirezionale e il laser monomodale.
Tuttavia, a causa del limite di diffrazione della luce, i dettagli degli stati ottici con una lunghezza caratteristica di circa 300 nm o inferiore sono difficili da ottenere. Alcuni nuovi fenomeni fisici non sono stati completamente studiati utilizzando la microscopia ottica tradizionale, come una linea scura che esiste con lo stato del bordo topologico protetto dalla simmetria cristallina.
Recentemente il gruppo di ricerca del professor Zheyu Fang dell'Università di Pechino ha mostrato una ricerca sullo stato del bordo topologico del cristallo fotonico. In questa ricerca, il limite di diffrazione ottica viene infranto utilizzando la nanoscopia di catodoluminescenza (CL). La linea scura viene ripresa con una risoluzione della lunghezza d'onda profonda e il meccanismo della linea scura viene chiarito con la distribuzione del campo elettromagnetico calcolata mediante simulazione numerica. La loro indagine fornisce una comprensione più approfondita degli stati marginali topologici e potrebbe avere un grande significato per la progettazione di futuri dispositivi topologici su chip.
Il gruppo di ricerca del professor Zheyu Fang dell'Università di Pechino ha realizzato lo Z2 stato del bordo topologico nel campo del visibile e caratterizza la sua linea scura con la nanoscopia di catodoluminescenza (CL). La loro struttura è composta da una regione di cristallo fotonico topologico esterno e da una regione di cristallo fotonico topologico non banale interno. Lo stato del bordo topologico è confinato all'interfaccia tra questi due tipi di cristalli fotonici.
Lo stato del bordo topologico viene ripreso direttamente dalla struttura a cristalli fotonici progettata con la fotoluminescenza potenziata (PL) di WSe2 monostrato che ricopriva in alto. La densità locale ottica radiativa degli stati dello stato limite è ulteriormente caratterizzata dall'uso della nanoscopia CL con una risoluzione di circa 10 nm, rompendo il limite di diffrazione ottica. È dimostrato che la linea scura dello stato limite è esattamente localizzata nella regione vicina della cella unitaria non banale vicino all'interfaccia.
E la linea scura viene interpretata con la distribuzione del campo orbitale p-d artificiale analizzando in dettaglio gli stati di bordo topologici simulati. Hanno scoperto che l'energia di Z2 lo stato del bordo topologico è localizzato all'interfaccia e decade gradualmente nell'area circostante, mentre le proporzioni degli orbitali p e d sono diverse a seconda delle distanze dall'interfaccia. Ciò porta a diverse caratteristiche di radiazione dello Z2 stati di bordo topologici in posizioni diverse. Le linee scure nella vicina regione della cellula unitaria non banale vicino all'interfaccia sono principalmente composte da componenti orbitali d, quindi la radiazione di Z2 lo stato del bordo topologico è debole in questa regione.
Questo può essere utilizzato direttamente per migliorare l'efficienza quantistica del laser edge state topologico (componente orbitale p) o inibire l'emissione quantistica (componente orbitale d). Inoltre, questa caratterizzazione di CL risolta sotto la lunghezza d'onda profonda può essere adattata a qualsiasi altra analisi della modalità topologica fotonica. Questo lavoro rafforza la comprensione dettagliata di Z2 il bordo topologico afferma e fornisce un'istruzione vitale per l'esplorazione e la progettazione di dispositivi topologici su chip, a vantaggio dello sviluppo della futura comunicazione ottica e dell'ottica quantistica.
Nel campo della micro-nano fotonica, il gruppo di ricerca del Prof. Zheyu Fang dell'Università di Pechino si concentra su teorie, materiali, applicazioni, progetti di IA e metodi di caratterizzazione della catodoluminescenza. Hanno studiato la preparazione e la caratterizzazione di nanostrutture plasmoniche, focalizzazione ottica su nanoscala e progettazione di guide d'onda, drogaggio e rilevamento dell'interfaccia di elettroni caldi, comportamento bidimensionale degli eccitoni e caratteristiche della luminescenza, ecc. Sono stati raggiunti molti risultati di ricerca innovativi su questioni scientifiche chiave come la miniaturizzazione di fotorivelatori ad alta efficienza e la modulazione delle caratteristiche fotoelettriche delle strutture plasmoniche sotto il campo esterno. + Esplora ulteriormente
