JP2016156971A - Topological photonic crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はトポロジカルフォトニック結晶に関し、特にシリコン等の通常の材料を使用して作製できるトポロジカルフォトニック結晶に関する。 The present invention relates to a topological photonic crystal, and more particularly to a topological photonic crystal that can be produced using a normal material such as silicon.
量子ホール効果(quantum Hall effect、QHE)の発見により、トポロジーを中心概念とした物性研究の新たな進展が見られた(非特許文献1〜11)。トポロジカル状態は学術的な観点で興味深いものであるというだけではなく、応用面にも重大な影響を及ぼすものと期待されている。それは、バルクトポロジーによって保護される強靭な表面(あるいエッジ)状態により、スピントロニクス及び量子計算に新たな可能性がもたらされるからである(非特許文献12〜17)。 With the discovery of the quantum Hall effect (QHE), new progress in physical property research centered on topology has been made (Non-Patent Documents 1 to 11). The topological state is not only interesting from an academic point of view, but is also expected to have a significant impact on applications. This is because the strong surface (or edge) state protected by the bulk topology provides new possibilities for spintronics and quantum computation (Non-Patent Documents 12 to 17).
しかしながら、現在までにトポロジカル状態が確認されている物質はごく少数であり、またそのほとんどのものは非常に低い温度のみでトポロジカルな性質を示す。この問題により、実際の応用に必須である材料の詳細な研究や操作が妨げられていた。 However, only a few substances have been confirmed to have a topological state so far, and most of them exhibit topological properties only at very low temperatures. This problem hindered detailed research and manipulation of materials essential for practical applications.
本発明の課題は、特殊な材料やプロセスを使用することなく作成できるトポロジカルフォトニック結晶を設計することにある。 An object of the present invention is to design a topological photonic crystal that can be formed without using a special material or process.
本発明の一側面によれば、平面上に互いに平行に立設された複数の誘電体円柱を有すると共に前記誘電体円柱の周囲が前記誘電体円柱を構成する誘電体とは異なる誘電率を有する誘電体で埋められた領域において、前記複数の誘電体円柱は同じ大きさの正六角形に配置された誘電体円柱の複数の組に分けられ、前記誘電体円柱の複数の組に対応する複数の前記正六角形の中心は三角格子の格子点に配置されるとともに、前記正六角形の頂点は隣接する二つの前記格子点間を結ぶ格子線上に配置され、前記正六角形の対角線の長さを2Rとし、前記正六角形とそれに隣接する前記正六角形との中心間の距離をa0とするとき、a0/R<3が成立するトポロジカルフォトニック結晶が与えられる。
ここで、前記領域は2枚の互いに平行な金属板で挟まれてよい。
また、前記金属板は金からなってよい。
また、前記誘電体円柱はシリコンからなってよい。
また、前記誘電体円柱の周囲を埋める誘電体は空気または真空であってよい。
According to one aspect of the present invention, the dielectric cylinder includes a plurality of dielectric cylinders standing parallel to each other on a plane, and the periphery of the dielectric cylinder has a dielectric constant different from that of the dielectric constituting the dielectric cylinder. In the region filled with the dielectric, the plurality of dielectric cylinders are divided into a plurality of sets of dielectric cylinders arranged in a regular hexagon of the same size, and a plurality of pairs corresponding to the plurality of sets of dielectric cylinders The center of the regular hexagon is disposed at a lattice point of a triangular lattice, the vertex of the regular hexagon is disposed on a lattice line connecting two adjacent lattice points, and the diagonal length of the regular hexagon is 2R. , when the distance between the centers of the regular hexagon and the regular hexagon adjacent thereto and a 0, a 0 / R <topological photonic crystal 3 is satisfied is provided.
Here, the region may be sandwiched between two parallel metal plates.
The metal plate may be made of gold.
The dielectric cylinder may be made of silicon.
The dielectric filling the periphery of the dielectric cylinder may be air or vacuum.
本発明によれば、シリコン等のありふれた材料を使用し、また特殊で制御が困難なプロセスを要することなく作成できるトポロジカルフォトニック結晶が与えられる。 According to the present invention, a topological photonic crystal can be provided that uses a common material such as silicon and can be formed without requiring a special and difficult-to-control process.
フォトニック軌道の電界Ezの分布を示す図。(b)正及び負の角運動量を持つ電界Ezの分布
及び
を示す図。
(黒い矢印)である。
It shows the distribution of the electric field E z photonic trajectory. (B) Distribution of the electric field E z having positive and negative angular momentum
as well as
FIG.
(Black arrow).
フォトニック結晶は固体の中で並んでいる原子が周期的な誘電率及び/または透磁率を有する媒体で置き換えられている光学的材料である(非特許文献18)。負の屈折率、磁気レンズ等の自然界では得られない電磁的性質を実現する等、メタマテリアル(meta-material)と呼ばれている(非特許文献19)。最近、電磁波のユニークなエッジ伝播モードで特徴付けられるトポロジカルフォトニック状態が、外部磁界下にある磁気回転材料(gyromagnetic material)、電界と磁界とが結合する双異方性(bi-anisotropic)メタマテリアル、また結合共振器光学導波管(coupled resonator optical waveguide、CROW)で実現できるということがわかってきた(非特許文献20〜32)。 A photonic crystal is an optical material in which atoms arranged in a solid are replaced by a medium having a periodic dielectric constant and / or magnetic permeability (Non-patent Document 18). It is called a meta-material, such as a negative refractive index and an electromagnetic property that cannot be obtained in nature such as a magnetic lens (Non-patent Document 19). Recently, the topological photonic state characterized by the unique edge propagation mode of electromagnetic waves is a gyromagnetic material under an external magnetic field, and a bi-anisotropic metamaterial that combines an electric field and a magnetic field. It has also been found that this can be realized by a coupled resonator optical waveguide (CROW) (Non-Patent Documents 20 to 32).
本発明の一態様によれば、シリコン等の通常の誘電体だけでできた二次元(2D)フォトニック結晶が与えられる。なお、以下では代表例としてこのような誘電体としてもっぱらシリコンを使用した構成を説明するが、当然一般性を失うものではないことを注意しておく。 According to one aspect of the present invention, a two-dimensional (2D) photonic crystal made only of a normal dielectric such as silicon is provided. In the following, a configuration using silicon exclusively as such a dielectric will be described as a representative example, but it should be noted that the generality is not lost.
ハニカム格子は6つの近隣サイトで構成される正六角形のクラスタの三角格子と同等であり、また、二つのサイトで構成されるひし型の単位セルの代わりに当該大きな正六角形の単位セルで考えることにより、ハニカム格子の第1のブリルアンゾーン(Brillouin zone)中のK及びK’点におけるDiracコーン(Dirac cone)が折りたたまれてΓ点でDiracコーンに二重に縮退する。ここで、C6対称群のΓ点における空間的な反転操作における奇及び偶パリティに対応する二つの2D既約表現が存在することを検討するのは興味深いことである。これらの性質に基づいて、本発明者は図1(a)に示すように、正六角形クラスタの形状及びサイズ、さらにこれらが満たすC6対称性を保つようにハニカム格子を変形することにより、トポロジカル非自明状態(topological nontrivial state)を実現した。厳密に言えば、Maxwell方程式を解くことにより、本発明者は、本発明の構成において「人工原子(artificial atom)」として動作する六角形クラスタでの電磁モードは、固体中の電子軌道と同様にs−波形、d−波形及びp−波形を呈してフォトニックバンドを形成することを見出した。また、Maxwell方程式が一般的に持つ時間反転対称性(time reversal(TR)symmetry)及び設計によるC6結晶対称性を組み合わせることによって生まれる擬TR対称性を明らかにした。この擬TR対称性は電子系でのTR対称性と同じ挙動を示し、本発明のフォトニック系でKramers二重化(Kramers doubling)を引き起こす。このことは、三次元系について提案されたトポロジカル結晶絶縁体の場合と類似している(非特許文献33)。このことはTMモードにおける右手/左手回転偏光と電子の上向き/下向きスピンとの間の一対一対応に密接に関連する。フォトニックバンドのBerry曲率(Berry curvature)及び有限系のエッジ状態を評価することを通じて、「人工原子」の三角形格子の格子定数がシリコン円柱の元のハニカム格子に対応する値から縮小したときにトポロジカル状態が出現することを示すことに成功した。いかなる外部強磁場もまた回転磁界あるいは双異方性の材料も必要としない、シリコンだけで作製できる本発明のトポロジカル状態は、将来の応用に非常に有望である。 A honeycomb lattice is equivalent to a triangular lattice of regular hexagonal clusters composed of six neighboring sites, and the large regular hexagonal unit cells should be considered instead of the diamond-shaped unit cells composed of two sites. As a result, the Dirac cone at the K and K ′ points in the first Brillouin zone of the honeycomb lattice is folded and double degenerates to the Dirac cone at the Γ point. Here, it is interesting to consider that the two 2D irreducible representation corresponding to the odd and even parity in spatial inversion operation in Γ point of the C 6 symmetry group is present. Based on these properties, the inventor modified the honeycomb lattice so as to maintain the shape and size of regular hexagonal clusters and the C 6 symmetry that they satisfy, as shown in FIG. Realized a topological nontrivial state. Strictly speaking, by solving the Maxwell equation, the inventor found that the electromagnetic modes in hexagonal clusters operating as “artificial atoms” in the configuration of the present invention are similar to the electron orbits in solids. It has been found that a photonic band is formed with an s-waveform, a d-waveform and a p-waveform. Also revealed pseudo TR symmetry born by the Maxwell equations combine C 6 crystal symmetry by generally having time-reversal symmetry (time reversal (TR) symmetry) and design. This pseudo-TR symmetry exhibits the same behavior as TR symmetry in an electronic system, and causes Kramers doubling in the photonic system of the present invention. This is similar to the case of the topological crystal insulator proposed for the three-dimensional system (Non-patent Document 33). This is closely related to the one-to-one correspondence between right-handed / left-handed rotational polarization and electron up / down spin in TM mode. Through evaluating the Berry curvature of the photonic band and the edge state of the finite system, the lattice constant of the “artificial atom” triangular lattice is reduced topologically from the value corresponding to the original honeycomb lattice of the silicon cylinder. Succeeded to show that the condition appears. The topological state of the present invention, which can be made of silicon alone, which does not require any external strong magnetic field nor rotating magnetic field or bi-anisotropic material, is very promising for future applications.
<人工原子及び擬スピン>
誘電材料中の電磁波のTMモード(つまり、有限の平面内Hx、Hy及び面外Ex成分;他はゼロ)について検討する。簡単化のため、考慮している周波数領域における誘電率は周波数に依存しない実数とみなす。この場合、周波数ωの電磁波モードについてのマスター方程式は、Maxwell方程式より以下のように与えられる(非特許文献34):
<Artificial atoms and pseudospin>
Consider the TM mode of electromagnetic waves in a dielectric material (ie, finite in-plane H x , H y and out-of-plane E x components; others are zero). For simplicity, the dielectric constant in the frequency range considered is considered a real number independent of frequency. In this case, the master equation for the electromagnetic wave mode at the frequency ω is given as follows from the Maxwell equation (Non-patent Document 34):
ここで、ε(r)は位置依存の誘電率であり、cは光の速度である。磁界の横方向成分はFaraday関係 Here, ε (r) is a position-dependent dielectric constant, and c is the speed of light. The transverse component of the magnetic field is Faraday related
により与えられる。ここで透磁率μ0は真空の透磁率を仮定している。上記マスター方程式(1)は一般化されたSchroedinger方程式と考えることができ、従って電子系上におけるBloch理論は、ε(r)が図1(a)に図式的に示すように空間中で周期的である場合には、本発明の系に適用される。しかしながら、マスター方程式(1)は、スピン自由度を持つ電子ではなく、電磁波を記述していることに注意する必要がある。その最も際立った相違点は、時間反転操作に対する応答にある。 Given by. Here, the permeability μ 0 assumes a vacuum permeability. The master equation (1) can be considered as a generalized Schroedinger equation, and therefore Bloch theory on the electronic system is periodic in space as ε (r) is schematically shown in FIG. Is applied to the system of the present invention. However, it should be noted that the master equation (1) describes an electromagnetic wave, not an electron having a spin degree of freedom. The most significant difference is in the response to the time reversal operation.
本発明に係る2Dフォトニック結晶では、図1(a)に示すように、z軸に平行な方向の比誘電率εdを有する誘電体(例えばシリコン)がそれとは異なる誘電率εAを有する誘電材料(例えば空気)中に埋め込まれている。以下の議論はz軸に沿って一様である状態についてのものであって、この想定により問題は2Dに還元される。 In the 2D photonic crystal according to the present invention, as shown in FIG. 1A, a dielectric (for example, silicon) having a relative dielectric constant ε d in a direction parallel to the z-axis has a different dielectric constant ε A. Embedded in a dielectric material (eg air). The following discussion is for a state that is uniform along the z-axis, and this assumption reduces the problem to 2D.
ハニカム格子状に配列された複数の誘電体円柱から出発し、6本の隣接する円柱からなる正六角形クラスタ及びC6対称性が維持されるようにこの配列を変形する。このような変形が行なわれると、誘電体円柱の整列の態様は、正六角形の「人工原子」の三角形状格子と考える方がより好都合である。当該三角形状格子に付随するC6対称群について、2つの2D既約表現E’及びE”が存在する。E’及びE”は単純関数x/y及びxy/(x2−y2)のような奇及び偶空間パリティに対応する(非特許文献35)。マスター方程式(1)を解くことによって得られる図2(a)の電界Ezからわかるように、人工原子は固体中の通常の原子の電子軌道の対称性と同じ対称性をもつpx/py及び Starting from a plurality of dielectric cylinders arranged in a honeycomb grid, this arrangement is modified so that regular hexagonal clusters of 6 adjacent cylinders and C 6 symmetry are maintained. When such a deformation is performed, it is more convenient to consider the arrangement of the dielectric cylinders as a regular hexagonal “artificial atom” triangular lattice. There are two 2D irreducible representations E ′ and E ″ for the C 6 symmetry group associated with the triangular lattice. E ′ and E ″ are the simple functions x / y and xy / (x 2 −y 2 ). It corresponds to such odd and even space parity (Non-patent Document 35). As can be seen from the electric field E z in Fig obtained by solving the master equation (1) 2 (a), p x / p artificial atoms with the same symmetry as the symmetry of the electron orbit normal atoms in solids y and
軌道を有している。 Has an orbit.
ここで2組の固有波動関数を以下のように定義する。 Here, two sets of eigenwave functions are defined as follows.
これらの波動関数の「角運動量」jzは±1及び±2である。以下の反ユニタリ演算子によって定義される擬TR操作を構成する。 The “angular momentum” j z of these wave functions is ± 1 and ± 2. The pseudo-TR operation defined by the following anti-unitary operator is constructed.
ここで、Kは複素共役演算子であって、マスター方程式(1)によって支配されるTMモード上のTR操作に対応する。また、σzは2×2 Pauli行列である。 Here, K is a complex conjugate operator and corresponds to the TR operation on the TM mode governed by the master equation (1). Σ z is a 2 × 2 Pauli matrix.
及び as well as
であることを示すことができ、これにより式(2)に示される2セットの固有波動関数の下で So that under the two sets of eigenwave functions shown in equation (2)
がもたらされる。ここで強調しておくことは、一般的にはMaxwell方程式が持つTR対称性は、典型的にはボソン(boson)的なもので、K2=1によって特徴付けられるが、本系には、典型的にはフェルミオン(fermion)的で、式(3)によって定義され式(4)を満たすTR演算子Tに特徴づけられる、隠された創成TR対称性が存在する。擬TR演算子Tにより、本Maxwell系におけるKramers二重化が電子系のKramers二重化(非特許文献35)に良く似ていることが保証される。式(2)中の固有波動関数から、2つの擬スピン状態は電界Ezフィールドの正及び負の角運動量によって、あるいは等価なこととして、図1(b)及び図2(b)に示されるようにHx±iHyによって定義される面内磁界の左手及び右手回転偏光によって与えられることが明らかである。 Is brought about. It should be emphasized that the TR symmetry of the Maxwell equation is typically boson-like and is characterized by K 2 = 1. There is a hidden creation TR symmetry that is typically fermion-like and characterized by the TR operator T defined by equation (3) and satisfying equation (4). The pseudo-TR operator T ensures that Kramers duplication in this Maxwell system is very similar to Kramers duplication in electronic systems (Non-patent Document 35). From the eigenwave function in equation (2), the two quasi-spin states are shown in FIG. 1 (b) and FIG. 2 (b) by positive and negative angular momentum of the electric field Ez field, or equivalently. It is evident that the in-plane magnetic field defined by H x ± iH y is given by left-handed and right-handed rotational polarization.
フォトニック系では、今まで議論された擬スピンは電界及び磁界の結合/反結合状態(bonding/antibonding states)(非特許文献24、25)、電磁波の左手/右手回転偏光(非特許文献28)及びCROW中での光の時計回り/反時計回り循環(非特許文献29、30)を含む。有効スピン軌道結合(spin-orbit coupling、SOC)は、分割リング共振器(split-ring resonator)及びΩ粒子に基づくメタマテリアルにより、圧電・圧磁材料超格子により、またCROW中の結合ループの非対称位置により、それぞれ拠出される。これらのうちの最初の二つの実装は込み入ったメタマテリアル構造を伴うので、微妙な製造工程が必要とされる。最後の一つはシリコン等の誘電体ファイバーだけを使用するので作成しやすいが、結合ループのうちの一つでも壊れれば、それが磁気的不純物(magnetic impurity)として働き、量子スピンホール効果(QSHE)のヘリカルエッジ状態を破壊する。 In the photonic system, the pseudo-spins that have been discussed so far are the electric field and magnetic field bonding / antibonding states (Non-Patent Documents 24 and 25), and the left / right-handed polarization of electromagnetic waves (Non-Patent Document 28). And clockwise / counterclockwise circulation of light in CROW (Non-Patent Documents 29 and 30). Effective spin-orbit coupling (SOC) is achieved by split-ring resonators and metamaterials based on Ω particles, by piezoelectric / piezomagnetic superlattices, and asymmetry of coupling loops in CROW. Each position contributes. The first two of these implementations involve a complicated metamaterial structure, so a delicate manufacturing process is required. The last one uses only dielectric fiber such as silicon, so it is easy to make, but if one of the coupling loops breaks, it works as a magnetic impurity and the quantum spin Hall effect ( QSHE) Helical edge state is destroyed.
<トポロジカルフォトニック結晶>
本発明者は、図1(a)により与えられる単位ベクトル
<Topological photonic crystal>
The inventor has determined that the unit vector given by FIG.
及び as well as
に沿った周期境界条件の下でマスター方程式(1)によって記述されるフォトニックバンド分散を計算した。図3に示すように、バンド分散における二重縮退(double degeneracy)がΓ点に現れ、これらはp±及びd±状態であることが確認され、対称性からの考察と一致している。格子定数が大きい場合は、ギャップより下(または上)のフォトニックバンドはp±(またはd±)状態によって占有される(例えば、a0/R=3.16の場合を示す図3(a)を参照)。定量的に言えば、a0=1μmとした場合、Ω=138.6THzにおけるギャップΔω=7.7THzとなる。ここでこれらの周波数は格子定数a0に逆比例する。 The photonic band dispersion described by the master equation (1) under the periodic boundary condition along is calculated. As shown in FIG. 3, double degeneracy in band dispersion appears at the Γ point, which is confirmed to be p ± and d ± states, which is consistent with the consideration from symmetry. When the lattice constant is large, the photonic band below (or above) the gap is occupied by the p ± (or d ± ) state (eg, FIG. 3 (a) showing the case of a 0 /R=3.16. )). Quantitatively speaking, when a 0 = 1 μm, the gap Δω = 7.7 THz at Ω = 138.6 THz is obtained. Wherein these frequencies is inversely proportional to the lattice constant a 0.
格子定数a0/Rを3まで小さくすると、p及びd状態はΓ点において縮退し、図3(b)に示すように、二つのDiracコーンが現れる。これは、格子定数がこのようになったとき、系は個別の円柱がハニカム格子に配列されたものと等価になり、二重に縮退したDiracコーンは、二つのサイトのひし形単位セルに基づくハニカム格子のBrillouinゾーン中のK及びK’点におけるDiracコーンに他ならない。フォトニック系におけるDirac分散はこれまでに正方格子及び三角格子の両者について議論された(非特許文献36、37)。これらの過去の系とは異なり、ここで人工原子の構造に組み込まれた構造によって保障されている擬TR対称性に付随する二つのDiracコーンが存在し、これによって、本系において非自明なトポロジーが可能となる。 When the lattice constant a 0 / R is decreased to 3, the p and d states degenerate at the Γ point, and two Dirac cones appear as shown in FIG. This is because when the lattice constant becomes like this, the system is equivalent to the individual cylinders arranged in a honeycomb lattice, the doubly degenerated Dirac cone is a honeycomb based on rhomboid unit cells at two sites. It is none other than the Dirac cone at the K and K 'points in the Brillouin zone of the grid. Dirac dispersion in photonic systems has been discussed for both square and triangular lattices (Non-Patent Documents 36 and 37). Unlike these past systems, there are two Dirac cones associated with the pseudo-TR symmetry guaranteed here by the structure incorporated in the structure of the artificial atom, which leads to a non-trivial topology in this system. Is possible.
格子定数a0/Rを更に小さくすると、a0/R=2.78の場合について図3(c)に示すように、Brillouinゾーン全体に渡ってバンドギャップ(global band gap)が再び開かれる。Γ点の周りで、バンドギャップの低(高)周波数側における電界Ezがd±(p±)特性を示し、Γ点から遠ざかると順序が逆になる。すなわち、本願のフォトニック格子では、格子定数a0を小さくするとバンド逆転が起こる。 If the lattice constant a 0 / R is further reduced, the band gap (global band gap) is reopened over the entire Brillouin zone as shown in FIG. 3C for the case of a 0 /R=2.78. Around the Γ point, the electric field E z on the low (high) frequency side of the band gap exhibits the d ± (p ± ) characteristics, and the order is reversed as the distance from the Γ point is increased. That is, in the present application of the photonic lattice, band reverse happens when reducing the lattice constant a 0.
バンド逆転前後の系を特徴づけるために、本願の電磁系におけるエネルギーフローを周期τ=2π/ω上で平均したPoyntingベクトル To characterize the system before and after band reversal, the Poynting vector that averages the energy flow in the electromagnetic system of this application over the period τ = 2π / ω
の実空間分布を確認した。a0/R=3.16についての図4(a)(擬スピンアップをもつPoyntingベクトルは明記しない)に示すように、Poyntingベクトルは個別の原子の周りを循環する。この場合、電磁エネルギーは個々の原子の周りに流れるので、これは通常の「絶縁」状態の特徴を示すものである。a0/R=2.78の場合、つまりバンド逆転の後では、図4(b)に示すように、Poyntingベクトルは人工原子の間の領域で大いに増強される。これは図4(a)の場合との際立った違いであり、従来のものではない絶縁状態であることを意味している。 The real space distribution of was confirmed. As shown in FIG. 4 (a) for a 0 /R=3.16 (the Poynting vector with pseudo spin-up is not specified), the Poynting vector circulates around individual atoms. In this case, electromagnetic energy flows around individual atoms, which is characteristic of the normal “insulated” state. In the case of a 0 /R=2.78, that is, after band inversion, the Poynting vector is greatly enhanced in the region between artificial atoms, as shown in FIG. 4 (b). This is a conspicuous difference from the case of FIG. 4A, which means that the insulation state is not a conventional one.
この状況を更に明らかにするため、上述のトポロジカルフォトニック結晶をリボン状にしたものを考える。ここで、リボンの外側は同じ周波数領域で自明なバンドギャップを有するフォトニック結晶を置く。これにより、トポロジカルエッジ状態が自由空間へ漏出することが防止される。ここで注意すべきこととして、6本の円柱のクラスタが本願設計の基本ブロックとされるので、意味のある議論においてはこれを壊してはならない。図5(a)に示すように、バルク分散のギャップ内に太い曲線で示され、二重縮退を有するエッジ状態が現れる。Γ点近傍の典型的な波数における電界Ezの実空間分布を調べると(図5(a)中の拡大表示(右側)中の、kx=±0.04×(2π)/a0であるA及びB)、図5(b)に示すように、ギャップ内状態はエッジに位置し、バルクに向かって指数関数的に減衰することがわかる(他の二つの状態はリボンの反対側のエッジに位置するが、ここでは明示的には示されていない)。図5(b)の右側にある差し込み図から分かるように、Poyntingベクトルは、人工原子について平均化した場合でも擬スピンダウン/スピンアップ状態について有限の下向き/上向き電磁エネルギーフローを示す。このことはエッジにおいて二つの擬スピン状態に付随した逆方向での電磁エネルギーフローを曖昧さなく示し、これはQSHE状態の特徴である。リボン系について図5(a)に示すバルクバンド中のPoyntingベクトルの分布は図4に示す無限の系についての分布とそれほど大きくは異なっていない。準古典描像では、QHEは強い外部磁界の下における電子のバルクでの円運動及びエッジでのスキップ運動によって記述されたことがある(非特許文献38)。ここで、Poyntingベクトルは電磁系における物理量であり、従ってフォトニックQSHE状態について図4、5及び6に示される分布は実験で観測できることを強調しておく。本願の系におけるQSHEはまたΓ点近傍で成り立つk・pモデルに基づくZ2トポロジー指数の計算によっても確認できる。 In order to further clarify this situation, let us consider a ribbon-like topological photonic crystal. Here, a photonic crystal having an obvious band gap in the same frequency region is placed outside the ribbon. This prevents the topological edge state from leaking into the free space. It should be noted here that a cluster of 6 cylinders is the basic block of the present design and should not be broken in a meaningful discussion. As shown in FIG. 5A, an edge state having a double degeneracy appears as a thick curve in the bulk dispersion gap. Examining the real space distribution of the electric field E z at a typical wave number near the Γ point (k x = ± 0.04 × (2π) / a 0 in the enlarged display (right side) in FIG. 5A. As shown in FIG. 5 (b), the in-gap state is located at the edge and decays exponentially towards the bulk (the other two states are on the opposite side of the ribbon). Located on the edge, but not explicitly shown here). As can be seen from the inset on the right side of FIG. 5 (b), the Poynting vector shows a finite downward / upward electromagnetic energy flow for the pseudo spin down / spin up state even when averaged for artificial atoms. This unambiguously shows the electromagnetic energy flow in the opposite direction associated with the two pseudo-spin states at the edge, which is characteristic of the QSHE state. The distribution of Poynting vectors in the bulk band shown in FIG. 5A for the ribbon system is not so different from the distribution for the infinite system shown in FIG. In the quasi-classical picture, QHE has been described by a circular motion in the bulk of electrons and a skip motion at the edge under a strong external magnetic field (Non-Patent Document 38). Here, it is emphasized that the Poynting vector is a physical quantity in the electromagnetic system, and therefore the distribution shown in FIGS. 4, 5 and 6 can be observed experimentally for the photonic QSHE state. QSHE in the present system can be confirmed by also calculating the Z 2 topological index based on the k · p model established in the vicinity of point gamma.
本願のトポロジー状態の実験的な実装については、z軸方向に沿ったシリコン円柱の有限の高さを考慮に入れた。距離H=10mmだけ離間した2枚の平行な金の板に挟まれた、正方形状である試料を検討した(図6(a))。トポロジカルな試料のサイズを For the experimental implementation of the topology state of the present application, the finite height of the silicon cylinder along the z-axis direction was taken into account. A square sample sandwiched between two parallel gold plates separated by a distance H = 10 mm was examined (FIG. 6A). Topological sample size
とし、四辺の縁は皆自明なフォトニック結晶で囲む。トポロジカルな領域及び自明な領域についてRをそれぞれ3.65mm及び3mmとした。なお、ここで両領域のRの値が異なっているのは、設計の際の計算の都合上、格子定数a0の値を両領域で一致させたことによって両領域のRが異なることになったためである。また、両領域についてd=2.4mm及びa0=10mmとした。この構造により、トポロジカル周波数は13.47±1.2GHzとなった。周波数ω=13.47GHzの直線偏光を持つ線状電磁波源をシリコン円柱と平行においた。直線偏光を持つ電磁波源は二つの円偏光(二つの擬スピン)に分解することができるので、図6(b)に示すように、系はヘリカルトポロジカルエッジ状態を示す。 And all the edges of the four sides are surrounded by obvious photonic crystals. R was set to 3.65 mm and 3 mm for the topological region and the obvious region, respectively. Note that the R values in the two regions are different from each other because the values of the lattice constant a 0 are matched in both regions for the convenience of calculation at the time of design. This is because. In addition, d = 2.4 mm and a 0 = 10 mm for both regions. With this structure, the topological frequency was 13.47 ± 1.2 GHz. A linear electromagnetic wave source having linearly polarized light with a frequency ω = 13.47 GHz was placed in parallel with the silicon cylinder. Since an electromagnetic wave source having linearly polarized light can be decomposed into two circularly polarized lights (two pseudo spins), the system shows a helical topological edge state as shown in FIG.
以下では、図7A〜図7Cを参照して、本実施例におけるトポロジカルフォトニック結晶の自明な領域及びトポロジカル領域を実現するシリコン円柱の配置をより具体的に説明する。これらの図は何れも平面上に立設された多数のシリコン円柱を上から(図1の表記に従えばz方向から)見たものであり、黒色の円がそれぞれのシリコン円柱を現している。また、シリコン円柱の周囲の誘電体は空気である。 Below, with reference to FIG. 7A-FIG. 7C, the arrangement | positioning of the silicon | silicone cylinder which implement | achieves the trivial area | region of a topological photonic crystal and a topological area | region in a present Example is demonstrated more concretely. Each of these figures is a view of a large number of silicon cylinders erected on a plane from above (from the z direction according to the notation of FIG. 1), and a black circle represents each silicon cylinder. . The dielectric around the silicon cylinder is air.
図7Aはシリコン円柱がハニカム格子状に配置されており、これらの円柱は互いに等間隔になっている。つまり、6本のシリコン円柱の組の各シリコン円柱を頂点とする淡色の正六角形の対角線を対角線の長さ(この長さが2Rであることに注意されたい)の半分、つまり正六角形の中心からその頂点までの距離Rだけ延長すると、隣接する6本のシリコン円柱の組に属する最も近いシリコン円柱の中心位置に到達する。この対角線を更にRだけ延長すると当該隣接する6本のシリコン円柱の組の中心に到達する。このような隣接するシリコン円柱の組の中心間の距離はa0であるから、この配置が上で説明したa0/R=3に相当する。 In FIG. 7A, silicon cylinders are arranged in a honeycomb lattice shape, and these cylinders are equally spaced from each other. That is, the diagonal line of a light-colored regular hexagon with each silicon cylinder in the set of 6 silicon cylinders as a vertex is half of the diagonal length (note that this length is 2R), that is, the center of the regular hexagon. When the distance R is extended by a distance R from the top, the center position of the nearest silicon cylinder belonging to the set of six adjacent silicon cylinders is reached. When this diagonal line is further extended by R, it reaches the center of the set of six adjacent silicon cylinders. Since the distance between the centers of such a pair of adjacent silicon cylinders is a 0 , this arrangement corresponds to a 0 / R = 3 described above.
図7Bは図7Aの配置を変形し、6本のシリコン円柱が構成する組のそれぞれにおいて、上述の正六角形の形状及びサイズを維持したままで(つまりRを一定にして)、各組の間の距離a0を大きくすることによって拡大したものである。この場合には明らかにa0/R>3となる。従って、この配置では自明な状態となる。 FIG. 7B is a modification of the arrangement of FIG. 7A, and maintains the regular hexagonal shape and size described above in each of the groups of six silicon cylinders (ie, R is constant). it is an enlargement by increasing the distance a 0 in. In this case, obviously, a 0 / R> 3. Therefore, this arrangement is self-evident.
この距離の拡大を、上記正六角形の中心を格子点とすることで構成される三角格子(正三角格子)を使って説明すれば、以下のようになる。図7Aの配置において、これらの正六角形の中心はそれぞれ上記三角格子の格子点上に位置するとともに、正六角形の各頂点は隣接する格子点を結ぶ格子線上に位置する。この三角格子をこの三角格子の面内で比例拡大(等方向的に拡大)すると、格子点は相互の距離が一様に拡大するように移動する(この移動に当たって正六角形の形状・サイズ・向きは不変)ので、隣接する格子点相互の間隔a0は当初の3Rから大きくなる。また上記正六角形は当初載っていた格子点の移動に伴ってそれと一緒に移動する。これにより、a0/R>3となる。なお、この移動の際に正六角形の向きが変化しない、つまり平行移動が行なわれる。これにより、正六角形の頂点は隣接した格子点を結ぶ格子線上に位置した状態を維持する。 The expansion of this distance can be explained as follows using a triangular lattice (regular triangular lattice) configured by using the center of the regular hexagon as a lattice point. In the arrangement of FIG. 7A, the centers of these regular hexagons are located on the lattice points of the triangular lattice, and the vertices of the regular hexagon are located on lattice lines connecting adjacent lattice points. When this triangular lattice is proportionally expanded (isometrically expanded) in the plane of this triangular lattice, the lattice points move so that the mutual distances are uniformly expanded (in this movement, the shape, size, and orientation of the regular hexagon) Therefore, the interval a 0 between adjacent lattice points becomes larger from the initial 3R. In addition, the regular hexagon moves together with the movement of the lattice point originally placed. As a result, a 0 / R> 3. In this movement, the direction of the regular hexagon does not change, that is, a parallel movement is performed. Thereby, the vertex of a regular hexagon maintains the state located on the lattice line which connects the adjacent lattice point.
図7Cは図7Aの配置を図7Bとは逆方向に変形したものである。つまり、6本のシリコン円柱が構成する正六角形の形状及びサイズを維持したままで各組の間の距離a0を小さくすることによって縮小したものである。この場合には明らかにa0/R<3となる。従って、この配置ではトポロジカル状態が現れる。 FIG. 7C is obtained by modifying the arrangement of FIG. 7A in the direction opposite to that of FIG. 7B. That is, it is reduced by reducing the distance a 0 between each set while maintaining the shape and size of the regular hexagon formed by the six silicon cylinders. In this case, it is clearly a 0 / R <3. Therefore, a topological state appears in this arrangement.
図7Bの場合と同じようにこれらの六角形の中心を格子点とする三角格子に基づいて当該縮小を表現すれば、図7Bとは逆にこの三角格子をこの三角格子の面内で比例縮小(等方向的に縮小)すると、格子点は相互の距離が一様に縮小するように移動する(この移動に当たって正六角形の形状・サイズ・向きは不変)ので、隣接する格子点相互の間隔a0は当初の3Rから小さくなる。また上記正六角形は当初載っていた格子点の移動に伴ってそれと一緒に平行移動する。これにより、a0/R<3となる。 As in the case of FIG. 7B, if the reduction is expressed based on the triangular lattice having the hexagonal centers as lattice points, the triangular lattice is proportionally reduced in the plane of the triangular lattice, contrary to FIG. 7B. When (isometrically reduced), the lattice points move so that the mutual distance is uniformly reduced (the shape, size, and orientation of the regular hexagon do not change during this movement), so the distance a between adjacent lattice points a 0 is smaller than the original 3R. In addition, the regular hexagon moves in parallel with the movement of the lattice point originally placed. As a result, a 0 / R <3.
ここで、シリコン円柱(一般には誘電体円柱)のハニカム格子状配置から6本組み円柱で構成される正六角形間距離の縮小を行う場合、a0/R=2に到達すると隣接する正六角形が互いに接触するので、実際には2<a0/R<3とする必要がある。なお、Rは誘電体円柱の中心位置からの距離であるため、円柱の太さが無視できない大きさである場合には、当然のことであるがこの比の値が実際に取り得る範囲が更に狭くなることに注意されたい。 Here, when the distance between regular hexagons composed of six cylinders is reduced from the honeycomb lattice arrangement of silicon cylinders (generally, dielectric cylinders), when a 0 / R = 2 is reached, the adjacent regular hexagons are Since they are in contact with each other, it is actually necessary to satisfy 2 <a 0 / R <3. Since R is the distance from the center position of the dielectric cylinder, it is natural that the range of this ratio can be further increased if the thickness of the cylinder is not negligible. Note that it becomes narrower.
以上詳細に説明したように、本発明によれば通常の半導体デバイスに使用される材料など、ありふれた材料を使用し、また特殊で適切な制御が困難な処理を必要とせずにトポロジカルフォトニック結晶を実現できる。また、このようにして実現されたトポロジカルフォトニック結晶は室温でも動作可能であるため、実用に供するにあたって制限が少ない。 As described above in detail, according to the present invention, a topological photonic crystal is used without using a common material such as a material used for a normal semiconductor device, and without requiring a special and difficult control process. Can be realized. Further, since the topological photonic crystal realized in this way can operate at room temperature, there are few restrictions on practical use.
Claims (5)
前記領域において、前記複数の誘電体円柱は同じ大きさの正六角形に配置された誘電体円柱の複数の組に分けられ、
前記誘電体円柱の複数の組に対応する複数の前記正六角形の中心は三角格子の格子点に配置されるとともに、前記正六角形の頂点は隣接する二つの前記格子点間を結ぶ格子線上に配置され、
前記正六角形の対角線の長さを2Rとし、前記正六角形とそれに隣接する前記正六角形との中心間の距離をa0とするとき、a0/R<3が成立する
トポロジカルフォトニック結晶。 A plurality of dielectric cylinders standing parallel to each other on a plane are provided, and a region where the periphery of the dielectric cylinder is filled with a dielectric having a dielectric constant different from that of the dielectric constituting the dielectric cylinder is provided. ,
In the region, the plurality of dielectric cylinders are divided into a plurality of sets of dielectric cylinders arranged in regular hexagons of the same size,
The centers of the plurality of regular hexagons corresponding to the plurality of sets of the dielectric cylinders are disposed at lattice points of a triangular lattice, and the vertices of the regular hexagons are disposed on lattice lines connecting two adjacent lattice points. And
A topological photonic crystal in which a 0 / R <3 is established, where the diagonal length of the regular hexagon is 2R and the distance between the centers of the regular hexagon and the regular hexagon adjacent thereto is a 0 .
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