Uma nova publicação da Avanços Opto-Eletrônicos considera a pesquisa sobre estados topológicos de cristais fotônicos além do limite de difração óptica.
A luz onipresente mostra características diferentes em diferentes materiais. Se o material é disposto seletivamente periodicamente no nível de comprimento de onda da luz, causando regiões regularmente repetidas de alta e baixa constante dielétrica, o comportamento de propagação da luz pode ser controlado. Essas estruturas periódicas são chamadas de cristais fotônicos, e os comprimentos de onda que se propagam são chamados de modos. Com base em cristal fotônico, existem diversas aplicações como revestimentos de baixa e alta reflexão em lentes e espelhos, fibras de cristal fotônico, sensores ópticos, etc.

Uma das grandes dificuldades no processo de fabricação de cristais fotônicos é o defeito, que pode causar o espalhamento da luz que é propagada nos cristais fotônicos. Esses defeitos são difíceis de evitar, pois sempre há algumas imperfeições no processo de fabricação. Para superar esse problema, a topologia como um conceito matemático que se preocupa com propriedades invariantes sob deformação contínua foi introduzida na fotônica para descrever a propriedade global dos cristais fotônicos. Os cristais fotônicos topológicos concentram-se nas características gerais e não são sensíveis a defeitos locais. E se o cristal fotônico for topológico não trivial, ele suporta estados ópticos em seu limite, que também não são sensíveis a defeitos locais. Esses estados limites robustos podem permitir ótimas aplicações para comunicação óptica e emissões quânticas, como guia de ondas unidirecional e laser monomodo.

No entanto, devido ao limite de difração da luz, detalhes de estados ópticos com um comprimento em torno de 300 nm ou menor são difíceis de obter. Alguns fenômenos físicos novos não foram totalmente estudados usando microscopia óptica tradicional, como uma linha escura que existe com o estado de borda topológico protegido por simetria cristalina.

Recentemente, o grupo de pesquisa do professor Zheyu Fang, da Universidade de Pequim, mostrou pesquisas sobre o estado de borda topológica do cristal fotônico. Nesta pesquisa, o limite de difração óptica é quebrado usando a nanoscopia de catodoluminescência (CL). A linha escura é fotografada com resolução de sub-comprimento de onda profundo e o mecanismo da linha escura é elucidado com a distribuição do campo eletromagnético que é calculada por simulação numérica. Sua investigação fornece uma compreensão mais profunda dos estados de borda topológicos e pode ter grande importância para o projeto de futuros dispositivos topológicos on-chip.

O grupo de pesquisa do professor Zheyu Fang da Universidade de Pequim realizou o Z₂ estado de borda topológico na faixa do visível e caracteriza sua linha escura com a nanoscopia de catodoluminescência (CL). Sua estrutura é composta por uma região de cristal fotônico trivial topológica externa e uma região de cristal fotônico não trivial topológica interna. O estado de borda topológico é confinado na interface entre esses dois tipos de cristais fotônicos.

O estado de borda topológico é fotografado diretamente da estrutura de cristal fotônico projetada com a fotoluminescência aprimorada (PL) do WSe₂ monocamada que cobria no topo. A densidade óptica radiativa local de estados do estado de borda é ainda caracterizada pelo uso de nanoscopia CL com resolução em torno de 10 nm, quebrando o limite de difração óptica. Verifica-se que a linha escura do estado de borda está localizada exatamente na região vizinha da célula unitária não trivial próxima à interface.

E a linha escura é interpretada com a distribuição artificial do campo orbital p-d analisando em detalhes os estados de borda topológicos simulados. Eles descobriram que a energia do Z₂ O estado de borda topológico está localizado na interface e gradualmente decai na área de vizinhança, enquanto as proporções dos orbitais p e d são diferentes dependendo das distâncias da interface. Isso leva a diferentes características de radiação do Z₂ estados de borda topológicos em diferentes posições. As linhas escuras na região vizinha da célula unitária não trivial perto da interface são compostas principalmente de componentes do orbital d, então a radiação do Z₂ estado de borda topológico é fraco nesta região.

Isso pode ser usado diretamente para aumentar a eficiência quântica do laser de estado de borda topológico (componente orbital p) ou inibir a emissão quântica (componente orbital d). Além disso, essa caracterização de CL resolvida em subcomprimento de onda profundo pode ser adaptada a qualquer outra análise de modo topológico fotônico. Este trabalho fortalece a compreensão detalhada de Z₂ estados de borda topológica e faz uma instrução vital para a exploração e projeto de dispositivos topológicos on-chip, beneficiando o desenvolvimento da futura comunicação óptica e óptica quântica.

No campo da micro-nano fotônica, o grupo de pesquisa do Prof. Zheyu Fang da Universidade de Pequim concentra-se nas teorias, materiais, aplicações, projetos de IA e métodos de caracterização de catodoluminescência. Eles estudaram a preparação e caracterização de nanoestruturas plasmônicas, focagem óptica em nanoescala e design de guia de onda, dopagem e detecção de interface de elétrons quentes, comportamento de exciton de material bidimensional e características de luminescência, etc. Muitos resultados de pesquisas inovadoras foram alcançados em questões científicas importantes como a miniaturização de fotodetectores de alta eficiência e a modulação das características fotoelétricas das estruturas plasmônicas sob o campo externo. + Explorar mais

Nanolasers topológicos de baixo limiar com base no estado de canto de segunda ordem