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螺旋拓扑激子-极化激子的产生

发布:RuiChaoDong    |    2020-10-24 00:35    阅读:903
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认识到拓扑在凝聚态系统中的作用,为理解和创造量子物质的新相,探索新的现象及其应用提供了一条途径。拓扑上不相等的绝缘子不能绝热地转化为另一个绝缘子,除非发生涉及关闭带隙的相变。因此,通过在拓扑不相等绝缘子边界形成的界面态的输运在拓扑上受到保护,并且不受各种缺陷的背散射。根据时间反演对称性的存在,二维拓扑绝缘体可以大致分为两类:支持手性电荷流的量子霍尔(QH)系统和支持螺旋自旋电流的量子自旋霍尔(QSH)系统。随着拓扑形式主义在光子系统中的推广,拓扑光子学已成为一个活跃的研究领域。QH和QSH效应的光子类似物已经被证明可以产生拓扑器件,包括健壮的波导、路由器和激光器。

       极化子已成为一个重要的平台,以探索新的拓扑物质桥梁电子和光子系统。激子-极化激子是半轻半物质的准粒子,是激子与光子之间的相干能量传递速率超过它们的衰变速率时,激子与光子之间的强杂化所产生的准粒子。实现拓扑极化电子态的建议要么利用拓扑非平庸系统中的激子,光子的自旋轨道耦合,要么通过光子-激子杂化过程,允许通过独立控制每个组分来操纵拓扑性质。与裸光子系统相比,极化激子中的激子成分引入了强的粒子间相互作用和增强的对外界刺激的敏感性,这可以用于装配非线性和主动可控的拓扑器件。

       最近,一个二维偏振电子QH系统在非平凡拓扑量子阱晶格中被实验实现,这种拓扑源自光子模式的TE-TM分裂,以及激子的塞曼分裂打开的拓扑带隙。在强磁场和4K操作温度下所开启的小带隙(~0.1 meV)虽然是一种很有希望的拓扑物质新阶段的展示,但限制了其广泛应用。另一方面,在类似的QSH极化电子系统中,有可能避免这些挑战。QSH绝缘子不需要磁场或磁序,它们的光学模拟可以通过利用系统的对称性和与大的拓扑带隙(>10mev)的相互作用来实现,从而提供了高温操作的机会。此外,模拟QSH极化子附加的自旋自由度和螺旋特性可进一步应用于极化子基自旋电子器件。

       近日,来自美国宾夕法尼亚大学的Wenjing Liu等人通过单分子层WS2激子与拓扑非平凡的六方光子晶体的强耦合,证明了类似QSH系统中的螺旋拓扑极化子。由耦合系统的C6v对称产生的伪时间反演对称保护了极化子拓扑。类似于QSH绝缘体的螺旋边界态,该系统中的拓扑激子-极化子不同于它们的平庸对等物。不同螺旋度的极化子在相反的方向传播,在拓扑上不受背散射的影响。单分子层过渡金属双盐基化合物(TMDs)由于其激子振子强度大,且其超薄的几何结构保证了对底层光子晶体带结构的最小扰动,是研究高温下二维极化电子物理的理想材料。相关工作发表在《Science》上。(郑江坡)

文章链接:https://doi.org/10.1126/science.abc4975 (2020).

消息来源:两江科技评论

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