Een nieuwe publicatie van Opto-Electronic Advances beschouwt onderzoek naar topologische toestanden van fotonische kristallen buiten de optische diffractielimiet.

Het alomtegenwoordige licht vertoont verschillende eigenschappen in verschillende materialen. Als het materiaal selectief periodiek wordt gerangschikt op het golflengteniveau van het licht, waardoor regelmatig herhalende gebieden met hoge en lage diëlektrische constante ontstaan, kan het voortplantingsgedrag van het licht worden gecontroleerd. Deze periodieke structuren worden fotonische kristallen genoemd en golflengten die zich voortplanten, worden modi genoemd. Op basis van fotonisch kristal zijn er tal van toepassingen zoals coatings met lage en hoge reflectie op lenzen en spiegels, fotonische kristalvezels, optische sensoren, enz.

Een van de grootste problemen bij het productieproces van fotonische kristallen is het defect, dat kan leiden tot verstrooiing van licht dat zich in fotonische kristallen voortplant. Deze defecten zijn moeilijk te vermijden, omdat er altijd enkele onvolkomenheden zijn in het fabricageproces. Om dit probleem op te lossen, werd topologie als een wiskundig concept dat zich bezighoudt met invariante eigenschappen onder continue vervorming in de fotonica geïntroduceerd om de globale eigenschap van fotonische kristallen te beschrijven. Topologische fotonische kristallen richten zich op algemene kenmerken en zijn niet gevoelig voor lokale defecten. En als het fotonische kristal topologisch niet-triviaal is, ondersteunt het optische toestanden aan zijn grens, die ook niet gevoelig zijn voor lokale defecten. Deze robuuste grenstoestanden kunnen geweldige toepassingen mogelijk maken voor optische communicatie en kwantumemissies, zoals unidirectionele golfgeleider en single-mode laser.

Vanwege de diffractielimiet van licht zijn details van optische toestanden met een aanbevolen lengte van ongeveer 300 nm of korter echter moeilijk te verkrijgen. Sommige nieuwe fysische fenomenen zijn niet volledig bestudeerd met behulp van traditionele optische microscopie, zoals een donkere lijn die bestaat met de kristallijne symmetrie-beschermde topologische randtoestand.

Onlangs toonde de onderzoeksgroep van professor Zheyu Fang van de Universiteit van Peking onderzoek naar de topologische randtoestand van fotonische kristallen. In dit onderzoek wordt de optische diffractielimiet doorbroken door gebruik te maken van de kathodoluminescentie (CL) nanoscopie. De donkere lijn wordt afgebeeld met een resolutie van diepe subgolflengte en het mechanisme van de donkere lijn wordt opgehelderd met de elektromagnetische veldverdeling die is berekend door numerieke simulatie. Hun onderzoek biedt een dieper begrip van topologische randtoestanden en kan van grote betekenis zijn voor het ontwerp van toekomstige topologische apparaten op de chip.

De onderzoeksgroep van professor Zheyu Fang van de Universiteit van Peking realiseerde de Z₂ topologische randtoestand in het zichtbare bereik en karakteriseert de donkere lijn met de kathodoluminescentie (CL) nanoscopie. Hun structuur is samengesteld uit een buitenste topologisch triviaal fotonisch kristalgebied en een binnenste topologisch niet-triviaal fotonisch kristalgebied. De topologische randtoestand is beperkt tot het grensvlak tussen deze twee soorten fotonische kristallen.

De topologische randtoestand wordt rechtstreeks afgebeeld vanuit de ontworpen fotonische kristalstructuur met de verbeterde fotoluminescentie (PL) van de WSe₂ monolaag die aan de bovenkant bedekt is. De stralingsoptische lokale dichtheid van toestanden van de randtoestand wordt verder gekenmerkt door het gebruik van CL-nanoscopie met een resolutie rond het 10-nm-niveau, waardoor de optische diffractielimiet wordt overschreden. Het is gebaseerd op het feit dat de donkere lijn van de randtoestand precies is gelokaliseerd in het aangrenzende niet-triviale eenheidscelgebied nabij het grensvlak.

En de donkere lijn wordt geïnterpreteerd met de kunstmatige p-d orbitale veldverdeling door gesimuleerde topologische randtoestanden in detail te analyseren. Ze ontdekten dat de energie van de Z₂ topologische randtoestand is gelokaliseerd op het grensvlak en vervalt geleidelijk in het nabije gebied, terwijl de verhoudingen van p- en d-orbitalen verschillend zijn, afhankelijk van de afstanden tot het grensvlak. Dit leidt tot verschillende stralingskenmerken van de Z₂ topologische randtoestanden op verschillende posities. De donkere lijnen in het aangrenzende niet-triviale eenheidscelgebied nabij het grensvlak bestaan ​​voornamelijk uit d-orbitale componenten, dus de straling van de Z₂ topologische randtoestand is zwak in deze regio.

Dit kan direct worden gebruikt om ofwel de kwantumefficiëntie van topologische randtoestandlasing te verbeteren (p-orbitale component) of de kwantumemissie te remmen (d-orbitale component). Bovendien kan deze diepe subgolflengte opgeloste CL-karakterisering worden aangepast aan elke andere fotonische topologische modusanalyse. Dit werk versterkt het gedetailleerde begrip van Z₂ topologische randtoestanden en geeft een essentiële instructie voor de verkenning en het ontwerp van topologische apparaten op de chip, wat de ontwikkeling van toekomstige optische communicatie en kwantumoptica ten goede komt.

Op het gebied van micro-nano-fotonica richt de onderzoeksgroep van prof. Zheyu Fang van de Universiteit van Peking zich op de theorieën, materialen, toepassingen, AI-ontwerpen en kathodoluminescentie-karakteriseringsmethoden. Ze bestudeerden de voorbereiding en karakterisering van plasmonische nanostructuren, optische focussering en golfgeleiderontwerp op nanoschaal, dotering en detectie van hete-elektroneninterface, tweedimensionaal materiaalexcitongedrag en luminescentiekenmerken, enz. Er zijn veel innovatieve onderzoeksresultaten bereikt over belangrijke wetenschappelijke kwesties zoals de miniaturisatie van hoogrenderende fotodetectoren en de modulatie van foto-elektrische eigenschappen van plasmonische structuren onder het externe veld. + Verder verkennen

Laagdrempelige topologische nanolasers gebaseerd op de tweede-orde hoektoestand