拓扑纳米结构中产生强烈的非线性光- 大数跨境

两江科技评论

2019-01-04

导读：澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授研究团队对非平庸Z字形介电纳米粒子拓扑阵列的三次谐波信号进行了研究，发现了活跃的非线性光子能够在拓扑边界态下逐渐增强，并产生稳定的光束。这一发现为非线性激发

导读

澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授研究团队对非平庸Z字形介电纳米粒子拓扑阵列的三次谐波信号进行了研究，发现了活跃的非线性光子能够在拓扑边界态下逐渐增强，并产生稳定的光束。这一发现为非线性激发拓扑效应开辟了全新的道路。该研究结果以《Nonlinear light generation in topological nanostructure》为题发表在《Nature Nanotechnology》上。

背景

光学拓扑态是目前抗无序、保护光电路鲁棒性的一种十分有效的途径，包括拓扑保护激光、单光子输运等。非线性光学拓扑结构能够通过改变光强度来改变其拓扑性质，并能打破光学互易性以实现全拓扑保护，近年来已经引起了科研工作者们的广泛关注。然而，非线性光学拓扑结构的实现仍具有一定的局限，目前只有在磁光材料和带有外部磁体的宏观设置中才能实现这种非互易性拓扑状态，这不利于进行纳米尺度上的集成。

创新研究

迄今为止，大多数拓扑光子系统都基于波导几何结构，其构件的尺寸往往大于光的波长。在此项研究工作中，科研人员在介电纳米颗粒的拓扑Z字形阵列上观测到了三次谐波信号，并且证明了在阵列的边界位置有异常强烈的非线性光的生成。目前，Z字形耦合纳米谐振阵列已经成为第一个具有非平庸拓扑态的纳米级系统，该系统对抵抗各种干扰和结构缺陷具有良好的鲁棒性，其强烈的信号增强是硅纳米颗粒的Mie共振与边界电场的拓扑局部化相互作用的结果。

此外，研究人员还发现拓扑结构与双各向同性、非线性之间的相互作用能够产生可调谐的、非互易的参量光，这项研究工作对于把非线性拓扑光子学概念引入纳米科学领域做出了重要贡献。

图1a给出了由拓扑边界态驱动的非线性参数光的概念。在最简单的情况下，边缘状态的形成可以用极化的广义Su-Schrieffer-Heeger（SSH）型模型来描述，该模型具有与量规无关的Z2拓扑不变量。拓扑Z字形纳米磁盘阵列如图1b所示。该纳米盘直径为510nm，高度为300nm，间隔为20nm。研究人员利用电子束光刻在玻璃基板上制造样品，并使用由锁模激光器泵浦的光学参量放大器的飞秒脉冲激发了1,590 nm的锯齿形阵列。对于水平极化泵（对应于沿x轴方向的电场E），图2a给出了11号纳米盘Z字形阵列中的三次谐波场的空间图。在边界处可以观察到三次谐波的产生Third-harmonic generation （THG），表明拓扑驱动的非线性效应在逐渐增强。同时，研究人员作出了Z字阵列的长度与边界态的形成之间的函数关系图象，如图2b所示。对于以上所有情况，Third-harmonic generation （THG）都只在边界处产生，且局部化程度随系统拓扑性质的增加而增加。

图文速览

图1　拓扑z字纳米阵列产生非线性参量光

a.Third-harmonic generation （THG）的概念产生于Z字纳米谐振器的拓扑边界态：当以ω频率的光束照射阵列时，其边界位置将产生3ω的非线性光信号。

b.制备的Mie共振z字介电纳米盘的SEM图片。

图2 实验观察Z字形阵列的三次谐波信号的产生

a.11号z字纳米阵列磁盘产生的三次谐波场的分布b.不同长度的Z字阵列的THG强度的对比c.根据顶部谐振器（红色）和底部谐振器（蓝色）的THG在15号z字纳米盘中的亮度，作出偏振角相对于x轴的函数图象。

图3 边界态抗干扰的拓扑保护

a.Z字角的随机变化-Δφ≤δ≤Δ>φ;b.无序锯齿链状的电镜图像;c.光子DOS与无序参数Δφ的关系 d.边界态的形成与Δφ的关系;e.观察THG在无序Z字形链的分布。

图4 三次谐波热点的频谱和方向控制

a,b. 测量不同波长的Z字纳米颗粒阵列的三次谐波场分布，三次谐波场分别由空气（a）和基板（b）激发。

图５　Z字形阵列中THG热点控制的理论分析

a-c.在空气(a)中或在诱导磁电耦合的基板(b，c)上的隔离纳米级谐振器。 d. z字周期结构中电磁布洛赫模式的分布 e.分析离散偶极子模型预测的11号纳米盘中三次谐波场在两种照射情况下的分布。紫色阴影区域对应于位于电模式和磁模式的间隙中的频率;蓝色阴影区域位于ED模式的间隙但与MD模式的频带重叠。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0324-7

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