拓扑光子晶体边界态中打破纳米尺度自旋-螺旋锁定

       具有相干和高效光物质耦合的光子态的鲁棒单向输运是大规模片上量子网络的一个吸引人的课题。一般来说，单向光子发射是通过支持圆偏振偶极矩的量子发射体与具有相应的局部偏振方向（螺旋）的光子态的强耦合来实现的。由于自旋动量锁定，这导致了一个手性量子光学界面。然而，许多对这种手性界面的实际实现只表现出有限的自旋-方向耦合。这很容易受到无序和缺陷的影响。更重要的是，来自手性发射体的量子信息的明确自旋相关输运需要清楚地描述边界态的光学自旋密度分布的局部结构，以实现高定向耦合。

       在鲁棒自旋相关输运的背景下提出的一类基于光子晶体的拓扑绝缘体的模拟系统，它模拟了量子自旋霍尔效应(QSHE)。它们的特征是在拓扑平庸晶格和非平庸晶格之间的界面上有两个对称保护的边界态。实验和数值实现表明，由于支撑体带的不同拓扑不变量，这两个边界态各表现出独特的赝自旋，这使得光子输运对缺陷和尖角具有鲁棒性。这种传输依赖于赝自旋与远场(FF)螺旋度的耦合，以确保和最大化光子的单向性。利用这些系统支持的螺旋度，丰富了量子纠缠和量子自旋电路的应用。然而，确定场螺旋度与边界态赝自旋之间的确切关系至关重要。

       近日，荷兰代尔夫特理工大学的S. Arora等人研究了拓扑光子晶体(TPCs)中边界态的近场，以全面研究（局部）手性信息。利用基于孔径的相位和偏振分辨近场光学显微镜(NSOM)，作者使用外差检测方案收集电场的正交平面内偏振分量，并确定潜在的空间变化的自旋密度。作者通过实验验证了光自旋密度的不均匀性遵循晶格的布洛赫周期性。通过实验获取共同形成对称保护边界态的不同布洛赫谐波(BHs)，作者表明，对每个高阶布洛赫谐波的单独贡献打破了边界态的赝自旋和螺旋度之间的耦合。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

       文章链接：10.1103/PhysRevLett.128.203903