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                      作者:熊啟華等 來源:《科學進展》 發布時間:2021/5/31 16:48:21
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                      鈣鈦礦極化晶格中拓撲相光學調控實現

                       

                      北京量子信息科學研究院“超快光譜學”團隊負責人、清華大學教授熊啟華課題組和新加坡南洋理工大學合作,開展了“鈣鈦礦極化晶格中拓撲相的光學調控”攻關,相關成果近日發表在Science Advances上。

                      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,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。

                      在研究中,研究人員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。同時,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。

                      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。研究人員巧妙的將“鋸齒(Zigzag)型”周期性勢場沿著鈣鈦礦晶軸呈45°方向排列,致使“鋸齒(Zigzag)型”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。

                      研究人員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,在打開的帶隙中觀測到了邊界態的存在。(來源:中國科學報 鄭金武)

                      相關論文信息:

                      https://doi.org/10.1126/sciadv.abf8049

                      https://doi.org/10.1126/sciadv.abf8049

                       
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