• Українська
  • English
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Дисперсійні властивості штучних топологічних ізоляторів на основі нескінченного двоперіодичного масиву еліптичних кварцових елементів

Рубрика: 
РАДІОФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА ТА ПЛАЗМИ
Івженко, ЛІ, Полевой, СЮ, Одаренко, ЄМ, Тарапов, СІ
Organization: 

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України
12, вул. Акад. Проскури, Харків, 61085, Україна

Харківський національний університет радіоелектроніки
14, просп. Науки, Харків, 61166, Україна

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна
4, майдан Свободи, Харків, 61022, Україна

E-mail: polevoy@ire.kharkov.ua
https://doi.org/10.15407/rej2021.03.011
Мова: english
Анотація: 

Предмет і мета роботи. У роботі розглянуто особливості електромагнітних властивостей повністю діелектричних електромагнітних аналогів топологічних ізоляторів (ТІ) у мікрохвильовому діапазоні. Метою роботи є визначення впливу параметрів елементів (геометрії та властивостей матеріалу) на дисперсійні властивості TI на основі двовимірного двоперіодичного масиву діелектричних елементів.

Методи і методологія роботи. Розрахунки дисперсійних властивостей, а також картин просторового розподілу електромагнітного (ЕМ) поля для TI були виконані за допомогою програм чисельного моделювання.

Результати роботи. Досліджено електромагнітний ТІ, основу якого становить двоперіодичний масив еліптичних циліндрів з кварцу. За допомогою чисельного моделювання показано можливість регулювання ЕМ властивостей ТІ шляхом зміни напрямку одновісної анізотропії кварцу без змінення інших параметрів структури. Розглянуто комбінований штучний TI, що складається з двох різних за формою елементарної комірки ТІ, які межують між собою. Чисельно продемонстровано можливість керування частотою поверхневих станів для комбінованого ТІ шляхом вибору напрямку одновісної анізотропії кварцу. Показано, що концентрація ЕМ-поля спостерігається саме на межі двох різних за формою елементарної комірки ТІ на частоті поверхневого стану.

Висновок. Продемонстровано можливість керувати електромагнітними властивостями ТІ мікрохвильового діапазону шляхом зміни його геометричних параметрів, а також діелектричної проникності складових його елементів. На практиці ТІ можуть знайти застосування як елементи мікрохвильових ліній передачі та приладів, які мають дуже малі втрати на розповсюдження хвиль.
Ключові слова: мікрохвильовий діапазон, одновісна анізотропія, топологічний ізолятор, фотонний кристал

Стаття надійшла до редакції 17.06.2021
УДК 537.86; 537.874
Radiofiz. elektron. 2021, 26(3): 11-17
Повний текст (PDF)

References: 
  1. Thouless, D.J., Kohmoto, M., Nightingale, M.P., Nijs, M. den, 1982. Quantized Hall Conductance in a Two-Dimensional Periodic Potential. Phys. Rev. Lett., 49(6), pp. 405–408. DOI: 10.1103/PhysRevLett.49.405.
  2. Haldane, F.D.M., 1988. Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the "Parity Anomaly". Phys. Rev. Lett., 61(18), pp. 2015–2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.61.2015.
  3. Navabi, A., Liu, Y., Upadhyaya. P., Murata, K., Ebrahimi, F., Yu, G., Ma, Bo, Rao, Y., Yazdani, M., Montazeri, M., Pan, L., Krivorotov, I.N., Barsukov, I., Yang, Q., Amiri, P.K., Tserkovnyak, Ya., and Wang, K.L., 2019. Control of Spin-Wave Damping in YIG Using Spin Currents from Topological Insulators. Phys. Rev. Applied., 11(3), pp. 034046(1–7). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.034046.
  4. Khanikaev, A.B., Shvets, G., 2017. Two-dimensional topological photonics. Nature Photon., 11(12), pp. 763–773. DOI: 10.1038/s41566-017-0048-5.
  5. Khanikaev, A., Mousavi, S.H., Tse, W-K., Kargarian, M., MacDonald, A.H., Shvets, G., 2013. Photonic topological insulators. Nature Mater., 12(3), pp. 233–239. DOI: 10.1038/nmat3520.
  6. Lu, L., Joannopoulos, J., Soljačić, M., 2014. Topological photonics. Nature Photon., 8(11), pp. 821–829. DOI: 10.1038/nphoton.2014.248.
  7. Rechtsman, M., Zeuner, J., Plotnik, Y., Lumer, Ya., Podolsky, D., Dreisow, F., Nolte, S., Segev, M., Szameit, A., 2013. Photonic Floquet topological insulators. Nature, 496(7444), pp. 196–200. DOI: 10.1038/nature12066.
  8. Shalaev, M.I., Walasik, W., Tsukernik, A., Xu, Y., Litchinitser, N.M., 2019. Robust topologically protected transport in photonic crystals at telecommunication wavelengths. Nature Nanotech., 14(1), pp. 31–34. DOI: 10.1038/s41565-018-0297-6.
  9. Lai, K., Ma, T., Bo, X., Anlage, S., Shvets, G., 2016. Experimental Realization of a Reflections-Free Compact Delay Line Based on a Photonic Topological Insulator. Sci. Rep., 6, pp. 28453(1–7). DOI: 10.1038/srep28453.
  10. He, M., Zhang, L., Wang, H., 2019. Two-dimensional photonic crystal with ring degeneracy and its topological protected edge states. Sci. Rep., 9. pp. 3815(1–6). DOI: 10.1038/s41598-019-40677-5.
  11. Huang, H., Huo, S., Chen, J., 2019. Reconfigurable Topological Phases in Two-Dimensional Dielectric Photonic Crystals. Crystals, 9(4), pp. 221(1–9). DOI: 10.3390/cryst9040221.
  12. Yang, Y., Xu, Y.F., Xu, T., Wang, H.-X., Jiang, J.-H., Hu, X. and Hang, Z.H., 2018. Visualization of a Unidirectional Electromagnetic Waveguide Using Topological Photonic Crystals Made of Dielectric Materials. Phys. Rev. Lett., 120(21), pp. 217401(1–7). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.217401.
  13. Slobozhanyuk, A., Shchelokova, A.V., Ni, X., Hossein Mousavi, S., Smirnova, Daria A., Belov, P.A., Alù, A., Kivshar, Y.S., Khanikaev, A.B. , 2019. Near-field imaging of spin-locked edge states in all-dielectric topological metasurfaces. Appl. Phys. Lett., 114(3), pp. 031103(1–6). DOI: 10.1063/1.5055601.
  14. Wang, Z., Chong, Y., Joannopoulos, J., Soljacic, J.M., 2009. Observation of unidirectional backscattering-immune topological electromagnetic states. Nature, 461(7265), pp. 772–775. DOI: 10.1038/nature08293.
  15. Johnson, S.G., Joannopoulos, J.D., 2001. Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell’s equations in a planewave basis. Opt. Express, 8(3), pp. 173–190. DOI: 10.1364/OE.8.000173.
  16. Blanco, M. de Paz, Vergniory, M.G., Bercioux, D., García-Etxarri A., Bradlyn B., 2019. Engineering fragile topology in photonic crystals: Topological quantum chemistry of light. Phys. Rev. Research, 1(3), 032005(R). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.1.032005.
  17. Jiang, Z., Gao, Y.-F., He, L., Sun, J.-P., Songa, H., Wang, Q., 2019. Manipulation of pseudo-spin guiding and flat bands for topological edge states. Phys. Chem. Chem. Phys., 21(21), pp. 11367-11375. DOI: 10.1039/C9CP00789J.