Добавить новость
ru24.net
News in English
Сентябрь
2024

Photonic topological phase transition achieved by material phase transition Promising for reconfigurable functional photonic integrated circuit technologies

0

A collaborating team of NTT Corporation (NTT) and Tokyo Institute of Technology (Prof. Masaya Notomi in Physics Department) has succeeded in achieving photonic topological phase transition by material phase transition by employing novel hybrid nanostructures consisting of a phase-change material and a semiconductor nanostructure.

Figure 1.
Summary of this work. Achievement of photonic topological phase transition induced by the material phase transition using hybrid photonic crystal structures.

The wired topological properties found in solid-state materials were awarded the Nobel Prize in 1996, and this mechanism has recently been introduced into light waves in nanostructures, leading to extensive studies to explore new degrees of freedom in photonics. These photonic topological properties are generally fixed in the fabricated structures, and therefore they cannot be changed after the nanostructures are fabricated. The present achievement by NTT and Tokyo Institute of Technology has demonstrated that it is possible to change the photonic topological phase by using material phase transition in a reconfigurable manner. This achievement paves the way for novel research fields of combining material phase transition and photonic topological phase transition, and is promising for reconfigurable functional photonic integrated circuits which may lead to novel photonic information processing technologies. This result has been just published in Science Advances on 23rd August in 2024.

Background

Topology is originally a concept in mathematics, and has been discussed in terms of certain discrete numbers called topological invariants[1]. An example of topological invariants is the genus, which is merely a number of holes in geometric structures. Such topological invariants are not changed by continuous deformation. This concept was introduced into solid-state physics some time ago, and in 1996 the Novel Prize was awarded to three physicists who found topological properties hidden in the electronic wavefunctions of solid-state materials. Their studies clarified various topological properties emerging from a topological invariant called the Chern number[2], which is defined for the electronic wavefunction in solids. As one of the most notable topological properties, the topological insulator[3] was found and demonstrated. Recently, similar topological properties have been found in the optical properties of photonic crystals[4] which are artificial dielectric structures with periodic modulation of the refractive index, leading to the emergence of a novel research field in optics called topological photonics. When a given photonic crystal or artificial dielectric structure has non-zero Chern number, it becomes a photonic topological insulator[5] in which light propagation is inhibited, but optical waveguides are automatically created at boundaries between media having different Chern numbers. These boundary waveguides have several interesting properties, such as one-way propagation and suppression of backward scattering, and they are therefore expected to be applied to future photonic integrated circuits.

In general, a phenomenon where the material properties abruptly change is called a phase transition, such as the solid-liquid or liquid-vapor phase transition. If one achieves a phase transition between the photonic topological insulating phase and the normal phase, one can create these boundaries of the Chern number. This means that one can create topological optical waveguides at an arbitrary place on-demand. However, the topological properties were fixed in the fabricated structures, and it was impossible to change them after the fabrication of nanostructures. As one of examples, Figure 2 shows how to create a photonic topological insulator employing a honeycomb-lattice photonic crystal. When six triangular holes are shifted inwards, it becomes a normal photonic insulator. When six triangular holes are shifted outwards, it becomes a photonic topological insulator having a non-zero Chern number. As shown in Figure 2, the positions of the p- and d-bands are reversed. It has been shown that this band inversion creates a non-zero Chern number. Therefore, the band inversion is essentially required for the topological phase transition. Previously, there have been many studies to manipulate the photonic topological properties in a variety of ways, but none of them achieved the photonic topological phase transition because of the difficulty of band inversion.

Figure 2.
A way to create a honeycomb-lattice photonic topological insulator (top) and its band structure (bottom).

Notable points of this work

Novel structure enabling photonic topological phase transition with phase-change material.

Ge2Sb2Te5 (GST)[6] is one of the best-known phase-change materials, which exhibits the phase transition between the crystalline and amorphous phases (c- and a-phases) by temperature control or optical pulse irradiation. Since the refractive index of GST changes drastically at the phase transition and the switched phase is stable for a long time without any power consumption, GST has been applied to various optical devices, such as rewritable DVDs. Recently, extensive studies have been carried out on GST for optical memories and circuits. The basic idea of the present study is to load a GST film on a Si photonic crystal to exploit the large refractive index change of GST at the phase transition to induce the photonic topological phase transition in photonic crystals without changing the structure. However, it was found that it is impossible to induce the band inversion, that is, to change the Chern number, by naively loading a homogenous GST film. The team from NTT and Tokyo Tech found that it is indeed possible to induce band inversion by placing an appropriately-patterned GST film on a Si photonic crystal, as shown in Fig.3(left). With this structure, when the GST undergoes the phase transition from the crystalline phase to the amorphous phase, the photonic bands are inverted, leading to the photonic topological phase transition from the normal phase to the topological phase (Fig. 3 (right)). Such a mechanism has not been reported before.

Figure 3.
A schematic of the proposed hybrid photonic crystal structure (left). Calculated photonic band structures. When GST is in the c-phase (a-phase), it is in the normal (topological) phase.

Accurate nanofabrication of hybrid photonic crystals.

In order to fabricate the structure proposed in Figure 3, it is necessary to fabricate different patterns for the silicon and GST layers separately. In most of previous photonic crystals consisting of multiple materials, the pattern is the same for all materials, which does not meet the requirement. The NTT-Tokyo Tech team has succeeded in accurately fabricating the proposed structure by establishing a fine two-step electron-beam lithography technology that can create an arbitrary pattern of a thin film on a semiconductor photonic crystal. This was achieved by combining ultra-fine electron-beam lithography with an accurate position alignment technique. The actual fabrication process is illustrated in Fig. 4(top). Figure 4(bottom) shows two scanning electron microscope images and one atomic force microscope image for the hybrid photonic crystal fabricated using this technology. As can be seen from these images, two different deep sub-micron patterns for the silicon and GST layers are appropriately formed, and the structure proposed in Figure 3 is successfully and accurately fabricated.

Figure 4.
Schematic of the fabrication process for the hybrid photonic crystals (top). Scanning microscope images and an atomic force microscope image for the fabricated sample (bottom).

Experimental results

Figure 5 shows the measured photonic band structure for the fabricated hybrid photonic crystal. The photonic band measurement was performed using the angle-resolved reflection spectroscopy[7]. The data on the left was taken for the hybrid photonic crystal when GST is in the crystalline phase, and the data on the right was taken when GST is in the amorphous phase. Note that both data were taken for the identical sample. Two parabolic curves with opposite directions correspond to the photonic bands. An important point is that the bottom of the upper band is brighter in the left data, but the top of the lower band is brighter in the right data. This inversion of the brightness proves that the band inversion between two bands, that is, the topological phase transition, occurs during the GST phase transition. More detailed experiments show that when GST is in the crystalline phase, this photonic crystal is in the normal phase with the Chern number is 0, and when GST is in the amorphous phase, it is in the topological phase with the Chern number is 1. These experimental results have clarified that the photonic topological phase transition takes place as a result of the material phase transition of GST.

Figure 5.
Photonic band structures measured by the angle-resolved reflection spectroscopy. As a result of the material phase transition of GST, the brightness of two bands is reversed, showing that the photonic topological phase transition takes place.

This is the first demonstration of the photonic topological phase transition caused by the material phase transition. This work also succeeds in linking two fundamentally different phase transitions in a unique way, which may pave the way for novel research directions. Furthermore, the present result indicates that one can set a photonic crystal in the normal or topological phase arbitrarily. Since the material phase of GST can be altered in both directions by optical or electric pulse excitation, one can change the photonic phase of an arbitrary region of the prefabricated photonic crystal by such local excitations, which means that one can create topological boundary waveguides with different Chern numbers at any place in the circuit in a reconfigurable manner. Thus, the present result is an important step towards reconfigurable photonic topological circuit technologies, as illustrated in Figure 6.

Outlook

The NTT-Tokyo Tech team is planning to extend the present study to the optical pulse control of topological boundary waveguides, and aiming at applications in reconfigurable photonic topological circuits. They are also interested in pursuing this controllability of the photonic topological phase as a novel degree of freedom in photonic information processing. Topological photonics is currently an active field of fundamental research where novel phenomena are being discovered one after the other. The present result may offer a way to control such a new aspect of topological photonics, and thus may have a wide applicability in terms of fundamental and applied research.

Figure 6.
A conceptional image for reconfigurable photonic circuits using the photonic topological phase transition induced by the GST phase transition controlled by the laser irradiation.

Terms

[1] Topological invariant : A discrete number (integer or half-integer) representing topological properties, which does not change by continuous deformation.

[2] Chern number : One of topological invariants defined for waves in periodic structures. When Chern number becomes non-zero, topological properties show up.

[3] Topological insulator : It is an insulator as a bulk, but it has propagating states at the surface or boundary with different Chern numbers. These propagating states have several interesting properties, such as one-way propagation fixed by the orientation of spins.

[4] Photonic crystal : An artificial dielectric structure with a periodic refractive-index modulation in a light wavelength scale, which is generally fabricated by modern nanofabrication technologies.

[5] Photonic topological insulator : An optical analog of a topological insulator, which have a non-zero Chern number. It is a photonic insulator as a bulk, but an optical waveguide can be created at a boundary between photonic crystals having different Chern numbers.

[6] GST (Ge2Sb2Te5) : A chalcogenide phase-change material which has two stable states (crystalline and amorphous phases) at room temperature. The phase transition between two phases can be caused by temporal temperature change or current/light pulse injection. Since the refractive indices for two phases are largely different, GST has been applied for various optical memory devices.

[7] Angle-resolved reflection spectroscopy : A method for measuring the photonic band structure of photonic crystals, where one employs angle-resolved reflection at the surface of photonic crystals.

Reference

Authors :
Takahiro Uemura, Yuto Moritake, Taiki Yoda, Hisashi Chiba, Yusuke Tanaka, Masaaki Ono, Eiichi Kuramochi, and Masaya Notomi
Title :
Photonic topological phase transition induced by material phase transition
Journal :
Science Advances 10, eadp7779 (2024)
DOI :

School of Science —Exploring the Truth and Creating Knowledge—
Information on School of Science inaugurated in April 2016

School of Science

Schools, Departments, and Institute for Liberal Arts

Further Information

Professor Masaya Notomi

Department of Physics, School of Science

Email notomi@phys.titech.ac.jp
Tel +81-3-5734-3831

Contact

Public Relations Division, Tokyo Institute of Technology

Email media@jim.titech.ac.jp
Tel +81-3-5734-2975




Moscow.media
Частные объявления сегодня





Rss.plus



Константин Клименко: «Русский язык будут широко изучать в Буркина-Фасо»

Гастроэнтеролог Садыков назвал 3 основные причины непреодолимой тяги к сладкому

EVITA BEAUTY STORE - интернет-магазин косметики премиум-класса!

Поймайте его, если сможете: 17 октября в прокат выходит картина Дмитрия Клепацкого «Схватка»


Неожиданное изменение календаря привело к всплеску цен на туры и пертурбациям у российских туристов

В Москве продолжаются киновечера под открытым небом

Гастроэнтеролог Садыков назвал 3 основные причины непреодолимой тяги к сладкому

Раскрутка Сайта. Раскрутка сайта Москва. SEO раскрутка сайта. Заказать раскрутку сайта. Раскрутка сайта ru. Раскрутка сайта цена. Раскрутка сайта недорого.


BBC in last-minute U-turn over decision to show major sport event for free as Great Britain aim to make history

James Toney Names The Only Fighter That Would Beat Both Artur Beterbiev And Dmitry Bivol

NIN-SIM linkage of all phone numbers completed, says NCC

Animal lovers try to counter the deadly risk of Chicago high-rises for migrating birds


Беспроводной сканер штрих-кодов SAOTRON P05i промышленного класса

Более 47 тысяч поездок по Подмосковью совершили пользователи BelkaCar в рамках летнего проекта «Умные путешествия»

Терминал сбора данных (ТСД) промышленного класса SAOTRON RT42G

Теплосети Екатеринбурга и Первоуральска отремонтируют в кредит


Metaphor: ReFantazio стала одной из самых популярных игр ATLUS на релизе

'That's what we're trying to do, be a DM that enables any player's play style:' Check out the upcoming RPG that's trying to do Baldur's Gate 3 in miniature⁠—in more ways than one

Metaphor: ReFantazio tips: 10 things I wish I knew before starting this 100-hour RPG

To mark the launch of Metaphor: ReFantazio, Sega is going to make someone a real-life noble, but there's a catch—you'll be joining the nobility of an illegitimate nation in the North Sea with only one resident



Как Станислав Кондрашов видит баланс между дизайном и функциональностью в веб-разработке

Москва привлекла более двух миллионов туристов в кафе и рестораны за полгода

Беспроводной сканер штрих-кодов SAOTRON P05i промышленного класса

В Москве два человека пострадали при наезде автобуса на канализационную решетку




EVITA BEAUTY STORE - интернет-магазин косметики премиум-класса!

Поймайте его, если сможете: 17 октября в прокат выходит картина Дмитрия Клепацкого «Схватка»

Поймайте его, если сможете: 17 октября в прокат выходит картина Дмитрия Клепацкого «Схватка»

В филиал Московского зоопарка в Великом Устюге доставили краснокнижного зубра


В московском парке «Яуза» появилась экотропа длиной более 2 км

Школьников приглашают на кружки городского проекта «В центре науки»

Федеральные эксперты назвали самые "зажиточные" улицы Барнаула

В Европе стартовали ядерные учения НАТО Steadfast Noon


Анастасия Пивоварова стала ведущим экспертом эксклюзивного шоу про теннис на Betboom, в коллаборации с АТР

В тени победы Медведева над Циципасом: Эрика Андреева неожиданно выбила младшую сестру Мирру с турнира WTA в Ухани

Шанхай (ATP). 1/2 финала. Синнер поборется с Махачем, Джокович – с Фрицем

Технологическая революция в теннисе: Уимблдон заменит линейных судей на искусственный интеллект с 2025 года


Касается всех работающих: суббота станет рабочим днем в ноябре

Врач Романенко: людям старше 50 нужно ежегодно проверять уровень холестерина

"Не соль, а невесть что": эти 5 брендов соли не следует покупать

Стало известно, где установили передвижные камеры фиксации ПДД во Владимирской области


Музыкальные новости

Спевший с P.Diddy Тимати впервые отреагировал на обвинения против рэпера

Лепс заявил, что готов дождаться 18-летнюю Кибу из Лондона и проверить чувства

Кто эта женщина, которая никогда не кричала об отношениях с Высоцким – а ведь он ее безумно любил

«Не пил целый месяц»: Шнуров отказывается отдавать продюсеру 140 млн рублей



В Москве два человека пострадали при наезде автобуса на канализационную решетку

РИА «Новости»: ЯНАО в рейтинге матблагополучия лидировал, Москва — на 8 месте

«С бытовой точки зрения жизнь в Москве удобнее, чем в Монако»

Москва попала в рейтинг регионов-лидеров по материальному благополучию населения


Концерт SHAMAN'а за 16,6 млн рублей в Оренбурге стал самым дорогим выступлением в 2024 году за госсчет

Баскетбольный клуб ЦСКА обыграл "Зенит" со счетом 83:77

Футболисты ЦСКА и «Нижнего Новгорода» сыграли вничью в товарищеском матче

Зима 2024-2025 годов будет в России не такой уж теплой: прогноз погоды для Москвы и других регионов


В Москве два человека пострадали при наезде автобуса на канализационную решетку

На западе Москвы произошло смертельное ДТП

Открылась автошкола «РЕАЛ» в ТРЦ «Нора»

На «Яндекс Go» приходится более 96 % всех заказов такси в Москве


Путин провел встречу с президентом Ирана за закрытыми дверями

Садыр Жапаров: Запад не должен указывать Бишкеку, сотрудничать ли нам с РФ

Пограничники России покидают КПП на ирано-армянской границе

Почему Токаев отказал Путину и не пришёл на приём? "Атомные игры" и глобальный выбор Казахстана


В Кремле откровенно ответили на информацию о том, что Трамп тайно передавал COVID-тесты Путину




«С бытовой точки зрения жизнь в Москве удобнее, чем в Монако»

Названы болезни, при которых в крови возникает недостаток или переизбыток лейкоцитов

Инфекционист призвал не создавать ажиотаж вокруг лихорадки Марбург

Более 3 тыс. детей с инвалидностью пройдут комплексную реабилитацию за 2024 год


Киев концентрирует силы для атаки на другой регион России, солдатам приходится платить за эвакуацию из зоны конфликта под Курском


Чемпионат Москвы по пауэрлифтингу стал спортсмен из Коломны

Баскетбольный клуб ЦСКА обыграл "Зенит" со счетом 83:77

«С бытовой точки зрения жизнь в Москве удобнее, чем в Монако»

Армения на Олимпийских играх: Путь к олимпийским медалям и ключевые спортсмены


«Белорусский расследовательский центр»: Лукашенко подарили участок земли в Абхазии



Собянин: Москва построит 7 млн кв м жилья по реновации, выделено 1,2 трлн рублей

Сергей Собянин рассказал о строительстве новой ветки в метродепо «Столбово»

Собянин: В кварталах реновации продолжится создание социальной инфраструктуры


Краснокнижный зубр доставлен в филиал Московского зоопарка в Великом Устюге

Орнитолог Коблик: мурмурация нужна птицам для защиты от хищников

В филиал Московского зоопарка в Великом Устюге доставили краснокнижного зубра


В московском парке «Яуза» появилась экотропа длиной более 2 км

Нависнет с обеда. Эксперт раскрыла, чем уникально суперлуние 17 октября

Врач Романенко: людям старше 50 нужно ежегодно проверять уровень холестерина

"Не соль, а невесть что": эти 5 брендов соли не следует покупать


Студент из Архангельска получил стипендию для стажировки в Китае: новые горизонты с Российскими студенческими отрядами

Архангельск на старых гравюрах

В Архангельске горел очередной “расселенный” деревянный дом: из соседних домов эвакуировали людей

Синоптик Ильин: этой зимой не избежать 30-градусных морозов в Подмосковье


Литературный час «Время мое в грядущем...».

В Феодосии оценят ущерб от пожара на нефтебазе

Ждать ли толчков в Крыму после землетрясения в Черном море

Нездоровая ситуация: эксперт оценил взлет цены на красную икру в России


Федеральные эксперты назвали самые "зажиточные" улицы Барнаула

Скандал продолжается: Сергея Косенко подозревают в употреблении запрещенных веществ

Россиян ожидает «короткая» рабочая неделя в ноябре

Стало известно, где установили передвижные камеры фиксации ПДД во Владимирской области












Спорт в России и мире

Новости спорта


Новости тенниса
Анастасия Пивоварова

Анастасия Пивоварова стала ведущим экспертом эксклюзивного шоу про теннис на Betboom, в коллаборации с АТР






В Европе стартовали ядерные учения НАТО Steadfast Noon

В московском парке «Яуза» появилась экотропа длиной более 2 км

Автоэксперт Зиновьев рассказал о двух минусах минивэна Suzuki Ertiga

Рамные внедорожники Tank 300 и Tank 700 обновились, но не в России