Une nouvelle publication de Opto-Electronic Advances considère la recherche sur les états topologiques des cristaux photoniques au-delà de la limite de diffraction optique.

La lumière omniprésente présente différentes caractéristiques dans différents matériaux. Si le matériau est agencé périodiquement de manière sélective au niveau de la longueur d'onde de la lumière, provoquant des régions régulièrement répétées de constante diélectrique élevée et faible, le comportement de propagation de la lumière peut être contrôlé. Ces structures périodiques sont appelées cristaux photoniques et les longueurs d'onde qui se propagent sont appelées modes. Basé sur le cristal photonique, il existe de nombreuses applications telles que les revêtements à faible et haute réflexion sur les lentilles et les miroirs, les fibres de cristal photonique, les capteurs optiques, etc.

L'une des difficultés majeures du procédé de fabrication des cristaux photoniques est le défaut, qui peut provoquer la diffusion de la lumière qui se propage dans les cristaux photoniques. Ces défauts sont difficiles à éviter, car il y a toujours des imperfections dans le processus de fabrication. Pour surmonter ce problème, la topologie en tant que concept mathématique qui concerne les propriétés invariantes sous déformation continue a été introduite en photonique pour décrire la propriété globale des cristaux photoniques. Les cristaux photoniques topologiques se concentrent sur les caractéristiques globales et ne sont pas sensibles aux défauts locaux. Et si le cristal photonique est topologiquement non trivial, il supporte des états optiques à sa frontière, qui ne sont pas non plus sensibles aux défauts locaux. Ces états limites robustes peuvent permettre d'excellentes applications pour la communication optique et les émissions quantiques, telles que les guides d'ondes unidirectionnels et les lasers monomodes.

Cependant, en raison de la limite de diffraction de la lumière, les détails des états optiques avec une longueur caractéristique d'environ 300 nm ou moins sont difficiles à obtenir. Certains nouveaux phénomènes physiques n'ont pas été entièrement étudiés à l'aide de la microscopie optique traditionnelle, comme une ligne sombre qui existe avec l'état de bord topologique protégé par la symétrie cristalline.

Récemment, le groupe de recherche du professeur Zheyu Fang de l'Université de Pékin a montré des recherches sur l'état de bord topologique des cristaux photoniques. Dans cette recherche, la limite de diffraction optique est brisée en utilisant la nanoscopie par cathodoluminescence (CL). La ligne sombre est imagée à une résolution profonde sous la longueur d'onde et le mécanisme de la ligne sombre est élucidé avec la distribution du champ électromagnétique calculée par simulation numérique. Leur enquête fournit une compréhension plus approfondie des états de bord topologiques et peut avoir une grande importance pour la conception de futurs dispositifs topologiques sur puce.

Le groupe de recherche du professeur Zheyu Fang de l'Université de Pékin a réalisé le Z₂ état de bord topologique dans le domaine visible et caractérise sa ligne sombre avec la nanoscopie par cathodoluminescence (CL). Leur structure est composée d'une région cristalline photonique triviale topologique externe et d'une région cristalline photonique non triviale topologique interne. L'état de bord topologique est confiné à l'interface entre ces deux types de cristaux photoniques.

L'état de bord topologique est directement imagé à partir de la structure cristalline photonique conçue avec la photoluminescence (PL) améliorée du WSe₂ monocouche qui couvrait sur le dessus. La densité locale optique radiative des états de l'état de bord est en outre caractérisée en utilisant la nanoscopie CL avec une résolution d'environ 10 nm, brisant la limite de diffraction optique. Il est fondé que la ligne sombre de l'état de bord est exactement localisée dans la région de cellule unitaire non triviale voisine près de l'interface.

Et la ligne sombre est interprétée avec la distribution artificielle du champ orbital pd en analysant en détail les états de bord topologiques simulés. Ils ont découvert que l'énergie du Z₂ L'état de bord topologique est localisé à l'interface et se désintègre progressivement dans la zone de voisinage, tandis que les proportions d'orbitales p et d sont différentes en fonction des distances à l'interface. Cela conduit à différentes caractéristiques de rayonnement du Z₂ états de bord topologiques à différentes positions. Les lignes sombres de la région voisine de la cellule unitaire non triviale près de l'interface sont principalement composées de composants orbitaux d, de sorte que le rayonnement du Z₂ l'état de bord topologique est faible dans cette région.

Cela peut être directement utilisé pour améliorer l'efficacité quantique du laser à état de bord topologique (composante orbitale p) ou inhiber l'émission quantique (composante orbitale d). De plus, cette caractérisation CL résolue en sous-longueur d'onde profonde peut être adaptée à toute autre analyse de mode topologique photonique. Ce travail renforce la compréhension détaillée de Z₂ les états de bord topologiques et constitue une instruction vitale pour l'exploration et la conception de dispositifs topologiques sur puce, bénéficiant au développement de la future communication optique et de l'optique quantique.

Dans le domaine de la micro-nano photonique, le groupe de recherche du professeur Zheyu Fang de l'Université de Pékin se concentre sur les théories, les matériaux, les applications, les conceptions d'IA et les méthodes de caractérisation par cathodoluminescence. Ils ont étudié la préparation et la caractérisation de nanostructures plasmoniques, la focalisation optique à l'échelle nanométrique et la conception de guides d'ondes, le dopage et la détection d'interfaces d'électrons chauds, le comportement d'exciton de matériaux bidimensionnels et les caractéristiques de luminescence, etc. De nombreux résultats de recherche innovants ont été obtenus sur des questions scientifiques clés. comme la miniaturisation des photodétecteurs à haut rendement et la modulation des caractéristiques photoélectriques des structures plasmoniques sous le champ extérieur. + Explorer plus loin

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