2021年

熊啟華課題組及合作者在準粒子拓撲非平庸相的光學調控取得進展

2021-05-28    點擊:

拓撲絕緣體是一類新奇的量子物態,展現出內部絕緣、表面或邊界導電的特征,同時其表面或邊界態具有對局域缺陷和無序微擾的拓撲魯棒性,在新型電子器件中展現出了巨大的應用前景。受凝聚態體系中電子態拓撲現象的啟發,拓撲絕緣體和相變的概念被廣泛延伸到光子學體系中。通過對光場的有效調控來實現拓撲平庸相到拓撲非平庸相的轉變從而產生拓撲保護的光學邊界態,在發展具有抗缺陷能力的高性能新型光子學器件,如拓撲激光器、光通訊中扮演了重要角色。前期拓撲光子學的研究大多集中在長波頻段(如微波),短波頻段(如可見光)的發展對微納結構的加工提出了更高的要求。同時,單一拓撲光學器件一般只會展現出一種拓撲相,而拓撲相的可調控性對于發展高度可控的新型拓撲光學器件具有重要意義。

激子極化激元是半導體中的元激發激子和光子耦合產生的相干疊加態。這種準粒子同時具有物質和光的屬性,是連接凝聚態體系和純光子體系的重要橋梁。光學微腔的引入可以進一步增強耦合強度、提高激子極化激元壽命和態密度,從而為研究激子極化激元的凝聚、激射和非線性性質奠定基礎。激子極化激元本質上可視為被激子修飾后的光子態,繼承了激子的強非線性性質和對外場條件的敏感性,如電場和磁場等等,便于實現多場調控;同時又具有有效質量極低的特性,是構筑易調控、非線性有源拓撲光學絕緣體的合適選擇。

近日,清華大學的熊啟華課題組和新加坡南洋理工大學合作者基于前期鈣鈦礦體系室溫人工晶格調控激子極化激元的實現,進一步引入鋸齒(Zigzag)周期勢場調控激子極化激元,有效模擬一維Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型哈密頓量。利用鈣鈦礦微腔獨特的光學自旋軌道耦合效應和各向異性,實現了光偏振對拓撲平庸相和拓撲非平庸相的主動可調控性。此外,作者還進一步展示了拓撲非平庸相中邊界態的拓撲魯棒性以及在室溫通過光泵浦條件實現了拓撲邊界態的激子極化激元激射。相關成果以“Optical switching of topological phase in a perovskite polariton lattice”為題發表在Science Advances上。新加坡南洋理工大學博士后蘇銳和Sanjib Ghosh為該文章共同第一作者,清華大學熊啟華教授、新加坡南洋理工大學Timothy Liew教授和蘇銳博士為該文的通訊作者。Sanjib Ghosh博士即將加入北京量子信息科學研究院熊啟華教授領導的超快光譜學團隊,成為一名全職助理研究員。

 

說明: ChartDescription automatically generated with medium confidence

1. 鈣鈦礦微腔SSH模型結構示意圖和拓撲相調控原理

 

該研究使用的半導體微腔是由底部分布式布拉格反射鏡(DBR)、CsPbBr3鈣鈦礦增益層、聚甲基丙烯酸甲酯空間層(PMMA)和頂部DBR組成(圖1A.其中SSH模型的引入是通過電子束曝光刻蝕PMMA空間層形成“鋸齒(Zigzag)型”周期性勢場來有效調控激子極化激元。鈣鈦礦晶體獨特的光學雙折射效應和微腔的光學自旋軌道耦合效應使得激子極化激元沿著不同晶軸和在不同偏振下的有效質量皆呈各向異性(圖1C1D),作者巧妙的將“鋸齒(Zigzag)型”周期性勢場沿著鈣鈦礦晶軸呈45°方向排列(圖1A),致使“鋸齒(Zigzag)晶格元胞內部、元胞與元胞之間的躍遷強度具有偏振依賴的特點,繼而在不同線性偏振下展現出不同的拓撲相(1E1F)

 

說明: DiagramDescription automatically generated

2. 鈣鈦礦微腔SSH模型光偏振調控拓撲相的實驗展示

 

如圖2所示,作者利用自行搭建的具有空間分辨和角分辨能力的熒光探測系統來探測晶格中激子極化激元能量分辨的色散關系和實空間圖像,揭示了在X線性偏振下,晶格處于拓撲平庸相,展現出常規絕緣體的帶隙,而在Y線性偏振下,晶格處于拓撲非平庸相,展現出拓撲絕緣體的特征,在打開的帶隙(~10 meV)中觀測到了邊界態的存在,同時其實空間圖像也證實了該拓撲態邊界局域特性(圖2H)。

說明: A picture containing chartDescription automatically generated

3. 激子極化激元拓撲邊界態的拓撲魯棒性

 

拓撲非平庸相中邊界態的一個重要優勢在于其抗缺陷、受拓撲保護的魯棒性。而一維SSH模型中拓撲邊界態主要受手性對稱性保護,使得邊界態始終位于帶隙中心形成零能邊界態,免于部分微擾如躍遷強度微擾的影響。如圖3所示,作者進一步在晶格格點中對光學模式的本征頻率引入高達的微擾來打破手性對稱性,在此條件下,體系中激子極化激元拓撲邊界態的能量向帶隙上沿偏離但仍然保持局域在邊界的狀態(圖3B),展示了系統的抗缺陷能力和拓撲魯棒性。

 

說明: Graphical user interface, chartDescription automatically generated

4. 室溫激子極化激元拓撲邊界態凝聚和激射

 

激子極化激元作為具有低有效質量和強非線性特性的新型玻色子,其重要特點在于可在室溫臨界閾值以上實現非平衡態玻色愛因斯坦凝聚(BEC),同時伴隨著低閾值無粒子數反轉的激射現象。由于激子極化激元自身非平衡態驅動-耗散的特性,該現象調控在基態或激發態產生。作者進一步通過光泵浦在室溫實現了拓撲邊界態的激子極化激元的凝聚和激射現象。如圖4所示,當泵浦功率密度超過閾值時,拓撲邊界態極化激元的熒光強度超線性的增加了三個數量級,其線寬相應的降低了三倍,由于激子極化激元間的排斥相互作用,其能量隨著粒子數的增加展現出持續的藍移現象,同時通過能量分辨實空間像的測量證實了熒光邊界局域的特性,這些證據都表明拓撲邊界態凝聚及激射的實現。

該研究得到了國家自然科學基金重點國際合作項目的支持。


文章信息:

Rui Su, Sanjib Ghosh, Timothy C. H. Liew, Qihua Xiong. Optical switching of topological phase in a perovskite polariton lattice. Sci. Adv. 7, eabf8049 (2021)

 

文章地址:https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabf8049.full



无码国产精品一区二区免费,欧美日韩精品视频一区二区