[3분논문] 제18회 - 광자 위상적 부도체

황용섭의 3분논문 제18회입니다.

총시간은 5분 11초입니다.

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# 논문표지

# 간단한 정보

글쓴이: Alexander B. Khanikaev, S. Hossein Mousavi, Wang-Kong Tse, Mehdi Kargarian,

            Allan H. MacDonald and Gennady Shvets

제목: Photonic topological insulators

학술지: Nature Materials

발행년월: 2012년 12월

이어가기: http://dx.doi.org/10.1038/nmat3520

# 용어

- topological insulator: 위상적 부도체. 3차원 덩어리는 부도체이지만, 그 표면은 도체인 구조물.

- photonic bandgap: 광자 띠간격. 인공적으로 제작한 광자결정에 존재하며, 띠간격에 해당하는 주파수를 

                             가진 빛은 결정 안에 존재할 수 없다.

- metamaterial: 메타물질. 자연 상태에서는 존재하지 않는 성질을 가지도록 인공적으로 만든 물질.

# 발췌

1.

The interfaces of the metacrystals support helical edge states that exhibit spin-polarized one-way propagation of photons, robust against disorder. 

2. 

...the system exhibits a topologically non-trivial phase that is the photonic analogue of the phase of an electronic quantum spin Hall system...

# 그림

Figure 1: Wave propagation in a 2D PTI.

a, Photonic analogue of Kramers partners in a spin-degenerate metamaterial. b, Band structure of a metacrystal comprising a hexagonal lattice of spin-degenerate metamaterials with (dashed lines, χ  =  0.5) and without (solid lines, χ  =  0) optical activity (right inset). The metacrystal becomes a PTI through the opening of the second (topological) bandgap near the K and K′ points of the Brillouin zone for finite optical activity. The left inset shows the Brillouin zone with the K and K′ valleys indicated by blue and red triangles, respectively.

Figure 2: One-way spin-polarized transport of photonic edge states.

b, The absolute value of |ψ_e^±| for right/left-propagating edge states of a bi-anisotropic (χ_xy < 0 to χ_xy > 0) domain wall. The enlarged regions show the difference in the temporal evolution between the spin-up ψ_e⁺ and spin-downψ_e⁻modes. Although the field profiles Re(ψ⁺) and Re(ψ⁻) are identical, the modes propagate in opposite directions and the power flux (black arrows) inside the rods rotates in opposite directions. Field dynamics can be found in the animations of the ψ^± wavefunctions given in the Supplementary Information.

# 결론

위상적 부도체라는 개념을 포토닉스에 적용했다는 데에 매우 의미가 있다. 계산논문인데, 유전율(epsilon)과 투자율(mu)이 한 방향으로는 1, 나머지 방향으로는 14인 물질을 주기적으로 배열해서 만든다는 설정에서, 어떤 메타물질 구조가 위와 같은 값을 주는지 제시하지 않은 것이 아쉬운 점이다.

끝.

2012년 12월 27일