宏观旋光效应下微腔光子自旋态的非平庸拓扑几何结构

2021-02-25

01导读

首都师范大学化学系、西安交通大学电子学院与法国克莱蒙大学帕斯卡研究所的科研团队合作,将光学各向异性有机微晶集成到法布里-珀罗(F-P)微腔中,通过打破空间对称性并保持时间反演对称性的方式,构造了包含宏观旋光机制的光子规范场,实现了微腔光子能带的拓扑非平庸几何结构。该实验具有不需要外加磁场,不依赖光子晶格结构,在室温下、可见光波段工作等诸多优点,为进一步实现光子芯片上的自旋与能谷霍尔效应、自旋轨道耦合操控提供了新的方法。

研究成果以“Nontrivial band geometry in an optically active system”为题于1月29日发表在Nature Communications上。

02研究背景

随着集成光子技术的发展,利用光子芯片实现响应速度更快、能耗更小、容量更高的信息处理单元,是光电集成实用化的大趋势。近年来,电子材料的前沿进展与拓扑学密切相关,如自旋和反常量子霍尔效应、拓扑绝缘体等,都有可能成为未来电子芯片新技术的重要物理基础。相应的,在光子芯片上实现与拓扑光子学相关的一系列物理机制,已成为微纳光学领域的重要前沿方向。

在诸多微纳光学系统中,F-P光学微腔中的各类偏振劈裂效应可形成包含光子自旋轨道耦合作用项的等效规范场,是实现片上光学拓扑结构的理想物理体系之一。最近,具有奇异偏振特性的发光体与F-P微腔的集成,正使得微腔自旋光子学向着室温下工作、无需外场、无需光学周期性结构、可全光调控等优势方向迈进。而由宏观旋光性产生的光子自旋轨道耦合,正是微腔与偏振各向异性发光体完美结合的结果。

03研究创新点1

利用微腔和各向异性发光体构造宏观旋光效应

旋光 (optical activity, OA) 现象通常由物质微观结构在空间上的手性对称破缺引起,例如具有手性的分子或晶胞、单分子层的层叠等。研究团队将不具有微观手性的有机微晶α-perylene与F-P微腔相结合(图2a),构造了一种整体的手性结构。α-perylene 是一种具有偏振轴的双折射晶体薄膜,材料本身没有手性,然而,由于微腔中的光子只能在腔面所在的二维平面内运动,当α-perylene的偏振轴与微腔腔面不平行时,偏振轴的存在打破了微腔光子所在的二维空间的左右对称性,使得左旋和右旋圆偏振光成为具有一定能量劈裂的本征态(图1c、d),从而产生了宏观的整体旋光效应。这种旋光效应是建立在时间反演对称性的基础上的,即向前和向后运动的光子,其偏振旋转方向相反(图1b)。这与打破时间反演对称性的法拉第旋光效应完全不同(图1a)。


图1 法拉第旋光效应与整体旋光效应的对比示意图。(a)法拉第旋光效应打破时间反演对称性;(b)整体旋光保持时间反演对称性;(c)光子在微腔中传播和反射路径微观示意图;(d)光子偏振态在传播和反射过程中的变化,只有圆偏振光经过一次传播和反射后能够回到初始态,成为系统的本征态。


图2 旋光微腔的构造与反射光谱表征。(a)微腔构造;(b)光谱系统;(c)微腔中的TE-TM劈裂、线性双折射、整体旋光三种偏振劈裂机制;(d)空腔的光子能带结构,显示腔模TE-TM劈裂;(e)有源腔的光子能带结构,出现反交叉狄拉克锥点。

03研究创新点2

宏观旋光效应下的微腔光子自旋轨道耦合

在微腔中,整体旋光性、腔模TE-TM劈裂(图2d)、材料线性双折射三种偏振劈裂效应并存(图2c),组合起来构成了一个等效光子规范场,微腔光子在场的作用下发生自旋轨道耦合,光子能带在特定位置产生反交叉,出现了打开的狄拉克锥点(图2e)。 研究团队选取图2e中蓝色虚线标示的光子能带,并做出其偏振态在整个二维动量空间中的分布(图3),可以看到在两个打开的狄拉克锥点附近,光子的偏振态从线偏振光逐渐过渡到左旋和右旋的圆偏振光,这正是整体旋光性在光子自旋轨道耦合效应中所起到的作用。


图3 光子能带的偏振度分布。(a-c)实验值,(d-f)理论值。S1、S2、S3分别水平垂直线偏振度、对角向线偏振度和圆偏振度。此处表征的是图2e中蓝色虚线标示的能带。

03研究创新点3

基于微腔光子自旋态的非平庸拓扑几何结构

光子偏振态在狄拉克锥点附近的连续非均匀分布具有重要的拓扑学意义。在以光子偏振度为波函数的量子力学体系中,可以计算动量空间中几何线元的表达式,从而得到相应的量子度规张量 (quantum metric tensor)。此张量的实部为量子度规(quantum metric), 虚部为Berry 曲率(Berry curvature)。图4中显示Berry曲率的分布在狄拉克锥点附近有明显的连续变化,在锥点处达到极值。这说明以光子自旋定义的空间不是平直的,而是弯曲的。其能带具有非平庸的几何结构,出现一正一负两个局域的拓扑能谷态。由于两能谷的拓扑荷相反,光子能带的总拓扑荷为零,这是由系统的时间反演对称性决定的。值得注意的是,这种拓扑能谷的形成完全是依靠光学偏振效应,不依赖于任何光学周期性结构和外场作用。


图4 光子能带的Berry曲率和量子度规。(a)(c) Berry曲率z向分量的实验值和理论值;(b)(d)量子度规的迹的实验值和理论值。

总结与展望

光子自旋态的拓扑非平庸能谷几何结构具有重要的研究意义和潜在的应用价值。通过在旋光方向相反的两微腔之间构造边界,可实现单向流动的光子自旋流和光子能谷霍尔效应。通过在微腔中引入一个均匀的旋光性梯度,可实现光子朗道能级,观测到片上光子的量子霍尔效应。在不久的未来,更多的片上光子拓扑学效应将以此为基础被实现。

该工作由首都师范大学、西安交通大学、天津大学、法国克莱蒙大学合作完成。首都师范大学廖清教授、付红兵教授、西安交通大学李峰教授、法国克莱蒙大学D. Solnyshkov教授为论文通讯作者,博士研究生任佳欢为论文第一作者。首都师范大学为第一研究单位。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-020-20845-2