中国科学院 一个方形2D拓扑光子晶体腔的扫描电子显微镜图像
右边的插图显示了拐角处的放大图像
比例尺是1微米
拓扑纳米腔由两个拓扑上不同的光子晶体组成，由红色和蓝色区域表示
它们有不同的单位细胞，如插图所示
D和D是蓝色和红色单位单元格中正方形的长度，其中D = 2d
拓扑角态的电场分布
信用:张、、郝慧明、当、、施、倪海乔、牛志川、、金奎娟、、徐秀来 拓扑光子学的应用已经被深入研究，包括单向波导和拓扑激光器
近年来，拓扑激光器引起了广泛的关注，并在各种系统中被提出和演示，包括二维系统中的一维边缘态、一维晶格中的0维边界态和带边周围的拓扑体态
大多数都是微型的
具有小尺寸、低阈值和高能量效率的拓扑纳米激光器还有待探索
最近，一种新型的具有低维边界态的高阶拓扑绝缘体被提出并在包括二维光子晶体在内的许多系统中得到了验证
在二阶二维拓扑光子晶体平板中，存在带隙的一维边缘态和中间带隙的零维角态
这种局域化的角态为实现拓扑纳米激光器提供了一个新的平台
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室的徐秀来教授及其合作者领导的一组科学家展示了二维拓扑光子晶体纳米腔中的低阈值拓扑纳米激光器
基于二阶角态，设计并制备了拓扑纳米腔
品质因数进一步优化，理论最大值为50，000
角态被证明对体光子晶体中的缺陷是鲁棒的
观察到低阈值和高自发辐射耦合因子(β)的激射行为
其性能与传统半导体激光器相当，显示出拓扑纳米光电路在广泛应用中的巨大前景
拓扑纳米腔由两种具有共同能带结构的光子晶体结构和以二维扎克相为特征的不同拓扑结构组成
根据体-边-角对应关系，量子化的边偶极极化可以诱导中间能隙0-D角态，这种极化高度集中在两个边界的交点处
通过调整平凡和非平凡光子晶体片之间的间隙距离，优化了角态的空间分布
不同g角态的计算Q(红色)和波长(黑色)
插图显示了调Q优化的示意图，其中拓扑光子晶体沿对角线方向从拐角偏移2g
不同g值腔的光致发光光谱
红色虚线表示拐角状态
这些长波长范围内的峰值源自边缘状态
无缺陷腔的光致发光光谱，它显示了由于制造缺陷引起的腔模的变化
如插图所示，具有不同缺陷数的空穴的荧光光谱
这些数字代表光子晶体主体中缺失的方形孔的数量
这里，缺失的方孔距离拐角有几个周期
为了清晰起见，对荧光光谱进行了移动
信用:张、、郝慧明、当、、时、倪海乔、牛志川、、金奎娟、、徐秀来 a = 360纳米，D = 222纳米，g = 30纳米的腔角态的泵浦功率依赖性，以对数标度
插图以线性比例显示了阈值周围的放大曲线
正方形代表实验数据，线代表用半导体激光器模型获得的拟合结果
β估计约为0
25
激射阈值约为1 μW
作为泵浦功率的函数的拐角状态的线宽
插图显示了不同泵浦功率下的归一化光致发光光谱
线宽明显变窄
线宽和强度都是通过用洛伦兹峰函数拟合高分辨率光谱来提取的
信用:张、、郝慧明、当、、时、倪海乔、牛志川、、金奎娟、、徐秀来 将设计的不同参数的拓扑纳米腔制作成高密度铟镓砷量子点的GaAs平板
Q随g的变化趋势与理论预测吻合较好，但由于制造缺陷，其值比理论预测低一个数量级
虽然角态的Q和共振波长容易在角附近无序，但是角态在拓扑上受到体带的非平凡二维扎克相位的保护，并且对体光子晶体中的缺陷是鲁棒的，这已经被实验证明
在4处观察到高性能的激射行为
2 K，以量子点为增益介质
激射阈值约为1 μW，β约为0
25
其性能远优于拓扑边缘激光器，尤其是阈值比大多数拓扑边缘激光器低三个数量级
高性能是由于小模体积和高Q值导致腔内强光学限制的结果
这一结果将拓扑光子学的应用缩小到纳米尺度，对拓扑纳米光子电路的发展具有重要意义
此外，拓扑纳米腔可以极大地增强光-物质的相互作用，从而使腔量子电动力学的研究和在拓扑纳米光器件中的进一步潜在应用成为可能
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