一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，由PCI压缩晶格和PCII扩展晶格组成，PCI压缩晶格的本征态p

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导
本专利技术涉及太赫兹功能器件领域，尤其涉及一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导。
技术介绍
随着5G通讯正式进入商用，使物联网、虚拟现实、网络支付等应用的实现成为可能。然而，远程医疗和自动驾驶等高精度领域往往需要更高的传输速度，为了进一步提高传输速度需要对6G通讯做进一步的前瞻性研究。太赫兹波段就是6G无线通信的关键，太赫兹电磁波[1]介于微波和红外波段之间，其频率范围在0.1-10THz(对应的波长范围为0.03-3mm)，其极高的频率大大的提高了传输速度。但太赫兹功能器件的匮乏极大地限制了太赫兹科学技术的发展，因此太赫兹波导等功能器件的研发对推动太赫兹技术发展有着至关重要的作用。随着量子霍尔效应在凝聚态物理中的深入研究，一种在边界上支持能量传输，内部却表现为绝缘体性质的拓扑绝缘体引起了极大的关注。同时，随着人工超材料的发展，为一类可以产生受拓扑保护的单向传播边缘态的新型拓扑传输波导提供了重要契机。量子霍尔效应是拓扑在凝聚态物理中的第一个应用例子，德国物理学家VonKlitzin在1980年发现在低温强磁场的条件下，二维电子气被限制在一层极薄的平面内，且电导率呈现在一层层整数的台阶上的量子霍尔效应[2]。1988年，美国加州大学的D.H.Haldane意识到实现量子化平台的本质是打破时间反演对称性，并首次提出了不需要外加磁场的量子霍尔效应[3]。2005年美国宾夕法尼亚大学的E.J.Mele和C.L.Kane等人理论上提出了石墨烯结构可实现量子自旋霍尔效应[4]，但由于石墨烯结构的能带隙太小一直无法实验验证。2006年，美国华人物理学家张首晟也同时独立提出了在HgTe/CdTe量子阱体系中可能存在量子自旋霍尔效应，即，在无外加磁场的情况下，考虑系统的自旋轨道耦合效应，得到一对共轭的自旋相反的边缘态[5,6]。近年来，随着人工超材料的不断发展和光子晶体体系的日益完善，拓扑态的概念逐渐延伸到光子领域。2008年，美国普林斯顿大学的F.D.M.Haldance和S.Raghu首次将拓扑的概念引入到光子学领域，提出了使用旋电材料的光子晶体可实现类似的量子霍尔效应[7,8]。通过外加磁场会打破光子晶体的时间反演对称性，打开位于动量空间布里渊区的K(K’)的Dirac点，并产生一条完整的带隙，形成TE偏振模式(只有垂直平面的磁场分量，其他分量为零)的单向传播表面态。同年，麻省理工学院的ZhengWang等人提出在旋磁材料的四方晶格组成的光子晶体存在类似的光学量子霍尔边缘态[9,10]。光学量子霍尔边缘态的发现，让学者们开始考虑如何实现光学量子自旋霍尔边缘态。通过大量的研究发现，在光子体系下引入“赝自旋”来模拟电子自旋相关的Kramers简并成为实现边缘态的关键。2011年，马克兰大学的Hafezi等人首次提出了光学自旋霍尔效应[11,12]。光学系统由二维环形谐振腔构成，谐振腔之间通过耦合器来连接。利用谐振腔内两种顺时针和逆时针的传播模式来构成系统的赝自旋。2013年，德克萨斯大学奥斯汀分校A.B.Khanikaev理论上提出利用双各向异性超材料将TE±TM偏振模式作为赝自旋：ψ±＝Ez±Hz，将电磁耦合类比电子自旋轨道效应来实现量子自旋霍尔效应[13]。但上述讨论的光学量子自旋霍尔边缘态都需要使用特殊材料通过精心设计的复杂结构来实现，因其需要的材料较特殊，结构较复杂而很难在实验上实现。2015年，日本国立材料研究所Long-HuaWu等人首次基于类石墨烯晶格的C6v对称性，在保持时间对称性的前提下，提出了一种拓扑光子晶体[14]，该光子晶体通过堆叠具有相反拓扑特性的结构，在其边界处实现受拓扑保护的单向传播边缘态。综合以上的
技术介绍
，本专利技术基于光学量子自旋霍尔效应和点群理论，利用布洛赫态间的模式自由度来类比系统的赝自旋态，实现太赫兹波段的传输波导。[1]BaxterJB,GugliettaGW.Terahertzspectroscopy[J].AnalChem,2011,83(12):4342-68.[2]VonKlitzingK.ThequantizedHalleffect[J].ReviewsofModernPhysics,1986,58(3):519-531.[3]HaldaneFD.ModelforaquantumHalleffectwithoutLandaulevels:Condensed-matterrealizationofthe"parityanomaly"[J].PhysRevLett,1988,61(18):2015-2018.[4]KaneCL,MeleEJ.QuantumspinHalleffectingraphene[J].PhysRevLett,2005,95(22):226801.[5]BernevigBA,HughesTL,ZhangS-C.QuantumspinHalleffectandtopologicalphasetransitioninHgTequantumwells[J].science,2006,314(5806):1757-1761.[6]BernevigBA,ZhangS-C.QuantumspinHalleffect[J].Physicalreviewletters,2006,96(10):106802.[7]HaldaneFD,RaghuS.Possiblerealizationofdirectionalopticalwaveguidesinphotoniccrystalswithbrokentime-reversalsymmetry[J].PhysRevLett,2008,100(1):013904.[8]RaghuS,HaldaneFDM.Analogsofquantum-Hall-effectedgestatesinphotoniccrystals[J].PhysicalReviewA,2008,78(3).[9]WangZ,ChongYD,JoannopoulosJD,etal.Reflection-FreeOne-WayEdgeModesinaGyromagneticPhotonicCrystal[J].PhysicalReviewLetters,2008,100(1).[10]WangZ,ChongY,JoannopoulosJD,etal.Observationofunidirectionalbackscattering-immunetopologicalelectromagneticstates[J].Nature,2009,461(7265):772-775.[11]HafeziM,MittalS,FanJ,etal.Imagingtopologicaledgestatesinsiliconphotonics[J].NaturePhotonics,2013,7(12):1001-1005.[12]Haf本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导由PCI压缩晶格和PCII扩展晶格组成，/nPCI压缩晶格的本征态p

【技术特征摘要】
1.一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导由PCI压缩晶格和PCII扩展晶格组成，
PCI压缩晶格的本征态p±位于光子带隙的上方，本征态d±位于光子带隙的下方；
PCII扩展晶格的本征态p±位于光子带隙的下方，本征态d±位于光子带隙的上方；
从PCI压缩晶格到PCII扩展晶格出现能带反转；
使用超原胞的方法将PCI压缩晶格和PCII扩展晶格堆叠在一起形成波导结构，在波导结构的布里渊区的光子带隙中出现缺陷边缘态，在PCI压缩晶格和PCII扩展晶格的交界处传输受拓扑保护的电磁波。


2.根据权利要求1所述的一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑传输波导，其特征在于，所述波导包括：金属基底和金属圆柱型结构：
使用Comsol软件计算PCI压缩晶格和PCII...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳春梅，马家军，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12