プログラム可能なトポロジーフォトニックチップの研究進展

研究背景

近年、トポロジー絶縁体（Topological Insulators, TI）は物理学界で大きな注目を集め、その豊富な物理メカニズムとトポロジー境界モードの潜在的な応用が、この分野を急速に発展させました。量子ホール効果（Quantum Hall Effect）の発見以来、トポロジー相（Topological Phase）の研究は大きな進歩を遂げ、次元性、対称性、非エルミート性、欠陥など多岐にわたる内容が含まれます。トポロジーとフォトニクスが出会うと、トポロジーフォトニクス分野が急速に台頭し、独立した研究方向となり、光学科学と技術の発展を革新的に促進しました。トポロジーフォトニクスシステムは、雑音が少なく、格子幾何の制約が少なく、光学材料の多様性が高く、光学装置の制御性が高く、非線形光学効果が広範に適用できるなど、多くの利点を提供します。

研究問題

トポロジーフォトニックデバイスは多くのトポロジー現象とその実用性の潜在的な応用を示していますが、実際の応用では高いレベルのプログラマビリティが緊急に求められています。光のトポロジー相態を制御することで、豊富なトポロジー現象を観察し、ロバスト性のあるフォトニックデバイスを開発することができます。これを実現するためには、高いプログラマビリティを持つデバイスが必要です。

研究目的

本研究は、完全にプログラム可能な大規模集積シリコンフォトニックナノ回路とマイクロキャビティのトポロジーフォトニックチップを展示することを目的としています。私たちの複合システム内のフォトニック人工原子とその相互作用の個別アドレッシングと制御を通じて、構造パラメータや幾何配置を任意に調整し、動的なトポロジー相変とさまざまなフォトニックトポロジー絶縁体を観察できます。この汎用トポロジーフォトニックチップは、迅速に再プログラムして多機能を実現し、基礎科学とトポロジー技術の広範な応用に柔軟かつ多機能なプラットフォームを提供します。

論文の出典

この論文の主要著者には、Tianxiang Dai、Anqi Ma、Jun Maoなどが含まれており、彼らはそれぞれ北京大学物理学院中観物理国家重点実験室、シンガポール南洋理工大学物理・応用物理部、中国科学院微電子研究所など複数の研究機関に所属しています。この研究成果は2024年4月19日に『Nature Materials』誌に掲載され、2024年にオンラインで発表されました。

研究過程と方法

流程ステップ

1. チップ設計と統合

   • トポロジーフォトニックチップは、循環フォトニック回路に基づき、前進および後退操作の光態が可能です。
   • 各マイクロリングは1つの「原子」を模倣し、Mach–Zehnder干渉計（MZI）は調節可能な原子-原子相互作用を模倣し、フォトニックチップは人工原子格子を模倣します。

2. 実験設定

   • 6×6セルの正方格子に96個の同じ周長のマイクロリングが埋め込まれ、各マイクロリングの固有Qファクターは約105です。
   • マイクロリング間の結合（結合強度および位相）はMZIを通じて任意に制御できます。

3. トポロジー相変テスト

   • 結合強度と共振位相の2つのパラメータを調整し、それぞれ異なるタイプのFloquetトポロジー相変を駆動します。

4. 統計トポロジー現象の検証

   • すべてのマイクロリングにランダム位相擾乱を追加し、正確に制御された無秩序な100個のサンプルを生成およびテストします。

5. さまざまな格子構造の比較

   • 1次元Su–Schrieffer–Heegerトポロジー絶縁体、2次元Floquetトポロジー絶縁体など、異なる格子構造での電子態分布とバンドギャップ構造をテストおよびシミュレーションします。

実験方法と装置の革新

研究で使用されるトポロジーフォトニックチップは、大量のシリコンフォトニックナノ導波路回路とマイクロリング共振器を内蔵し、CMOS技術に基づいて製造されています。各マイクロリングは人工原子として機能し、その共振位相と隣接原子間の結合強度とジャンプ位相を個別に制御できます。実験は高いレベルの制御性とプログラマビリティを示し、動的なトポロジー相変、統計トポロジープロセス、多様なトポロジー格子の実現を可能にします。

研究結果

1. Floquetトポロジー相変

   • 結合パラメータθ1−4および共振位相パラメータφを調整することで、三帯構造下でのFloat相変の実現に成功しました。
   • 結合強度駆動のトポロジー相変では、θが臨界点に達するとバンドギャップが閉じて再び開き、トポロジーエッジモードが消失することを確認しました。
   • 共振位相φを調整する際、位相φsを変更することで、異なるバンドギャップ中のトポロジーエッジモードの消失と再現が観察されました。

2. 統計検証

   • ランダム位相擾乱条件下で100個のサンプルをテストし、トポロジーエッジモードのロバスト性を検証しました。
   • 実験結果は、無秩序がトポロジーエッジモードの高伝送安定性にほとんど影響を与えず、バルクモードには明らかに影響を与えることを示しました。

3. トポロジーAnderson相変

   • 強い無秩序下で、精密に制御された位相無秩序により、トポロジーAnderson相変が観察され、低伝送帯域中に非凡な相変が次第に出現することが示されました。

4. 多格子構造テスト

   • デバイスの再配置により、等価な六角形格子中のFloquetトポロジーモードが展示され、積層されたバンドギャップとエッジモードが観察されました。

研究意義

本研究は、高度にプログラム可能なトポロジーフォトニックチップを展示し、動的なトポロジー相変、統計トポロジー現象の観察、多様なトポロジー格子の実現に柔軟で効率的なプラットフォームを提供しました。このプロトタイプは、柔軟かつ多機能で即時にプログラム可能なトポロジーフォトニックプラットフォームを提供し、トポロジー光学科学の基礎研究だけでなく、古典および量子情報処理や計算タスクに新しい解決策を提供します。

独自の双方向操作機能を持つ大規模光学共振器格子を通じて、実際の材料の複雑な性質をシミュレートでき、複雑なトポロジー材料の研究とその物理特性の予測に柔軟なハードウェアプラットフォームを提供します。

将来、その拡張性と集積性は、より精巧な循環フォトニック回路と回路配線回路の設計を通じて、さらに大規模なトポロジーチップを実現し、フォトニクス技術のより広範な応用を促進する可能性があります。