Die topologische Photonik ist ein aufstrebendes Gebiet, das beispiellose Möglichkeiten zur Steuerung des Lichtflusses in photonischen integrierten Schaltungen bietet. Mit der Einführung nicht-trivialer topologischer Phasen ist eine Einbahnstraße für Licht in photonischen Kristallen (PhCs) und anderen Plattformen realisierbar. Wie bei einer streng regulierten Einbahnstraße kann Licht in diesen exotischen Strukturen nicht zurückgeworfen werden.
Jedoch ist ein derartiger Einwegtransport von Licht bei Wellenlängen im sichtbaren und nahen Infrarot möglicherweise nicht robust gegenüber starken Fabrikationsfehlern aufgrund eines unzureichenden topologischen Schutzes. Darüber hinaus behindern eine schlechte Modenbeschränkung und eine begrenzte Bandbreite die zukünftige Entwicklung topologischer photonischer integrierter Schaltungen mit hoher Dichte.
Um diese Probleme zu lösen, wurde in einer kürzlich veröffentlichten Studie in ACS Photonikdemonstrierte Liu Tianji vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinese Academy of Sciences in Zusammenarbeit mit Satoshi Iwamoto von der University of Tokyo und Yasutomo Ota von der Keio University numerisch die obige 1.000-fache Vergrößerung von topological Bandlücken in Epsilon-near-zero (ENZ) magneto-optischen (MO) PhCs im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen.
Das vorgeschlagene zweidimensionale MO-PhC besteht aus dreieckigen MO-Prismen mit einem Wabengitter, das in eine Siliziumplatte eingebettet ist. Mit einem angelegten Magnetfeld werden den sich öffnenden photonischen Bandlücken nicht-triviale topologische Eigenschaften verliehen. Im Allgemeinen ist die Größe der topologischen Lücke bei Wellenlängen im sichtbaren und nahen Infrarot extrem klein, was auf sehr schwache Reaktionen in natürlich vorkommenden MO-Materialien zurückzuführen ist.
Umgekehrt können MO-Antworten verbessert werden, indem diagonale Dielektrizitätskonstantenelemente von MO-Materialien mit Hilfe künstlicher Metamaterialien reduziert werden. Als Extremfall führen MO-PhCs mit diagonalen ENZ-Permittivitätselementen zu einer starken Vergrößerung der topologischen Lückengrößen.
Durch die Kombination von zwei ENZ-MO-PhCs mit entgegengesetzter Magnetisierung wurde eine Einbahnstraße für Licht gebaut. Unidirektionaler und rückstreuender Immuntransport von Licht wurde numerisch an der Schnittstelle zwischen zwei PhCs erhalten. Und selbst bei großflächigen Defekten und scharfen Kurven blieb die Transportleistung unverändert.
Tianji Liu et al, Vergrößerte topologische Bandlücken in magneto-optischen photonischen Epsilon-Near-Zero-Kristallen, ACS Photonik (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01942