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Aislante topológico fotónico

Los aislantes topológicos fotónicos son materiales electromagnéticos artificiales que admiten estados de luz unidireccionales y topológicamente no triviales. [1] Las fases topológicas fotónicas son análogos de ondas electromagnéticas clásicas de las fases topológicas electrónicas estudiadas en la física de la materia condensada . De manera similar a sus contrapartes electrónicas, pueden proporcionar canales unidireccionales robustos para la propagación de la luz. [2] El campo que estudia estas fases de la luz se conoce como fotónica topológica .

Historia

El orden topológico en sistemas de estado sólido ha sido estudiado en física de materia condensada desde el descubrimiento del efecto Hall cuántico entero . Pero la materia topológica atrajo un interés considerable de la comunidad de físicos después de las propuestas para la posible observación de fases topológicas protegidas por simetría (o los llamados aislantes topológicos ) en grafeno [3] y la observación experimental de un aislante topológico 2D en pozos cuánticos de CdTe/HgTe/CdTe en 2007. [4] [5]

En 2008, Haldane y Raghu propusieron que los estados electromagnéticos unidireccionales análogos a los estados Hall cuánticos (enteros) se pueden realizar en cristales fotónicos magnéticos no recíprocos . [6] Esta predicción se realizó por primera vez en 2009 en el régimen de frecuencia de microondas. [7] A esto le siguieron las propuestas de estados Hall de espín cuántico análogos de ondas electromagnéticas que ahora se conocen como aislantes topológicos fotónicos. [8] [9] Más tarde se descubrió que los estados electromagnéticos topológicos también pueden existir en medios continuos: el estudio teórico y numérico ha confirmado la existencia de ondas Langmuir-ciclotrón topológicas en plasmas magnetizados continuos. [10] [11]

Plataformas

Los aisladores topológicos fotónicos se diseñan utilizando varias plataformas fotónicas, incluyendo matrices de guías de ondas ópticas, [12] resonadores de anillo acoplados, [13] metamateriales bianisótropos y cristales fotónicos. [14] Más recientemente, se han realizado en metasuperficies dieléctricas 2D [15] y plasmónicas [16] . A pesar de la predicción teórica, [10] [11] no se ha informado de ninguna demostración experimental de aisladores topológicos fotónicos en medios continuos.

Número de Chern

Como una figura de mérito importante para caracterizar los comportamientos colectivos cuantizados de la función de onda, el número de Chern es el invariante topológico de los aisladores Hall cuánticos. El número de Chern también identifica las propiedades topológicas de los aisladores topológicos fotónicos (PTI), por lo que es de importancia crucial en el diseño de PTI. Se ha escrito el programa MATLAB basado en el método de diferencia finita de onda completa en el dominio de la frecuencia (FDFD) para calcular el número de Chern. [17] Recientemente, el método de diferencia finita se ha ampliado para analizar el invariante topológico de cristales fotónicos dieléctricos topológicos no hermíticos mediante el cálculo del bucle de Wilson de primer principio. [18] Todos los códigos MATLAB se pueden encontrar en el sitio web de GitHub. [19]

Véase también

Referencias

  1. ^ Lu, Ling; Joannopoulos, John D.; Soljačić, Marin (noviembre de 2014). "Fotónica topológica". Nature Photonics . 8 (11): 821–829. arXiv : 1408.6730 . Código Bibliográfico :2014NaPho...8..821L. doi :10.1038/nphoton.2014.248. ISSN  1749-4893. S2CID  119191655.
  2. ^ Ozawa, Tomoki; Price, Hannah M.; Amo, Alberto; Goldman, Nathan; Hafezi, Mohammad; Lu, Ling; Rechtsman, Mikael C.; Schuster, David; Simon, Jonathan; Zilberberg, Oded; Carusotto, Iacopo (25 de marzo de 2019). "Fotónica topológica". Reseñas de Física Moderna . 91 (1): 015006. arXiv : 1802.04173 . Código Bibliográfico :2019RvMP...91a5006O. doi :10.1103/RevModPhys.91.015006. S2CID  10969735.
  3. ^ Kane, CL; Mele, EJ (23 de noviembre de 2005). "Efecto Hall de espín cuántico en grafeno". Physical Review Letters . 95 (22): 226801. arXiv : cond-mat/0411737 . Bibcode :2005PhRvL..95v6801K. doi :10.1103/PhysRevLett.95.226801. PMID  16384250. S2CID  6080059.
  4. ^ Bernevig, B. Andrei; Hughes, Taylor L.; Zhang, Shou-Cheng (15 de diciembre de 2006). "Efecto Hall de espín cuántico y transición de fase topológica en pozos cuánticos de HgTe". Science . 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. ^ Hasan, MZ; Kane, CL (8 de noviembre de 2010). "Coloquio: aislantes topológicos". Reseñas de Física Moderna . 82 (4): 3045–3067. arXiv : 1002.3895 . Código Bibliográfico :2010RvMP...82.3045H. doi :10.1103/RevModPhys.82.3045. S2CID  16066223.
  6. ^ Haldane, FDM; Raghu, S. (10 de enero de 2008). "Posible realización de guías de ondas ópticas direccionales en cristales fotónicos con simetría de inversión temporal rota". Physical Review Letters . 100 (1): 013904. arXiv : cond-mat/0503588 . Bibcode :2008PhRvL.100a3904H. doi :10.1103/PhysRevLett.100.013904. PMID  18232766. S2CID  44745453.
  7. ^ Wang, Zheng; et al. (2009). "Observación de estados electromagnéticos topológicos inmunes a la retrodispersión unidireccional". Nature . 461 (7265): 772–775. Bibcode :2009Natur.461..772W. doi :10.1038/nature08293. hdl : 1721.1/88469 . PMID  19812669. S2CID  4427789.
  8. ^ Hafezi, Mohammad; Demler, Eugene A.; Lukin, Mikhail D.; Taylor, Jacob M. (noviembre de 2011). "Líneas de retardo ópticas robustas con protección topológica". Nature Physics . 7 (11): 907–912. arXiv : 1102.3256 . Bibcode :2011NatPh...7..907H. doi :10.1038/nphys2063. ISSN  1745-2481. S2CID  2008767.
  9. ^ Khanikaev, Alexander B.; Hossein Mousavi, S.; Tse, Wang-Kong; Kargarian, Mehdi; MacDonald, Allan H.; Shvets, Gennady (marzo de 2013). "Aislantes topológicos fotónicos". Nature Materials . 12 (3): 233–239. arXiv : 1204.5700 . Código Bibliográfico :2013NatMa..12..233K. doi :10.1038/nmat3520. ISSN  1476-4660. PMID  23241532.
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  11. ^ ab Fu, Yichen; Qin, Hong (24 de junio de 2021). "Fases topológicas y correspondencia masa-borde de plasmas fríos magnetizados". Nature Communications . 12 (1): 3924. doi :10.1038/s41467-021-24189-3. ISSN  2041-1723. PMC 8225675 . PMID  34168159. 
  12. ^ Rechtsman, Mikael; et al. (10 de abril de 2013). "Aislantes topológicos fotónicos de floquet". Nature . 496 (7444): 196–200. arXiv : 1212.3146 . Bibcode :2013Natur.496..196R. doi :10.1038/nature12066. PMID  23579677. S2CID  4349770.
  13. ^ Hafezi, M.; Mittal, S.; Fan, J.; Migdall, A.; Taylor, JM (diciembre de 2013). "Obtención de imágenes de estados de borde topológicos en fotónica de silicio". Nature Photonics . 7 (12): 1001–1005. arXiv : 1302.2153 . Código Bibliográfico :2013NaPho...7.1001H. doi :10.1038/nphoton.2013.274. ISSN  1749-4893. S2CID  14394865.
  14. ^ Wu, Long-Hua; Hu, Xiao (3 de junio de 2015). "Esquema para lograr un cristal fotónico topológico mediante el uso de material dieléctrico". Physical Review Letters . 114 (22): 223901. arXiv : 1503.00416 . Código Bibliográfico :2015PhRvL.114v3901W. doi :10.1103/PhysRevLett.114.223901. PMID  26196622.
  15. ^ Gorlach, Maxim A.; Ni, Xiang; Smirnova, Daria A.; Korobkin, Dmitry; Zhirihin, Dmitry; Slobozhanyuk, Alexey P.; Belov, Pavel A.; Alù, Andrea; Khanikaev, Alexander B. (2 de marzo de 2018). "Sondeo de campo lejano de estados topológicos con fugas en metasuperficies totalmente dieléctricas". Nature Communications . 9 (1): 909. Bibcode :2018NatCo...9..909G. doi : 10.1038/s41467-018-03330-9 . ISSN  2041-1723. PMC 5834506 . PMID  29500466. 
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  17. ^ Zhao, Ran; Xie, Guo-Da; Chen, Menglin LN; Lan, Zhihao; Huang, Zhixiang; Sha, Wei EI (17 de febrero de 2020). "Cálculo del primer principio del número de Chern en cristales fotónicos girotrópicos". Optics Express . 28 (4): 4638–4649. arXiv : 2001.08913 . Código Bibliográfico :2020OExpr..28.4638Z. doi :10.1364/OE.380077. ISSN  1094-4087. PMID  32121697. S2CID  210911652.
  18. ^ Chen, Menglin LN; Jiang, Li Jun; Zhang, Shuang; Zhao, Ran; Lan, Zhihao; Sha, Wei EI (1 de septiembre de 2021). "Estudio comparativo de cristales fotónicos dieléctricos topológicos hermíticos y no hermíticos". Physical Review A . 104 (3): 033501. arXiv : 2109.05498 . Código Bibliográfico :2021PhRvA.104c3501C. doi :10.1103/PhysRevA.104.033501. S2CID  237492242.
  19. ^ Óptica topológica invariante