来自拓扑结元表面附近各向同性光源的光的远场特性。(A) 来自各向同性的发射器阵列的远场辐射模式|Ey|2，这些发射器均匀地放置在设备区域内x=-5至5μm处，z=0。(B和C)分别为自由空间中发射角θ的归一化定位包络函数f(x)及其空间傅里叶变换F(kx)。(D) 根据带隙大小g的泄漏JR状态的位置-波矢量不确定性关系。资料来源：《科学进展》，doi: 10.1126/sciadv.add8349
纳米光子发射器是一种紧凑和多功能的设备，在应用物理学中有着广泛的应用。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，Ki Young Lee和一个在中国和英国的物理学和工程学研究小组，提出了开发一种亚微米尺寸和高效率的拓扑光束发射器结构，并具有可适应的光束整形能力。
所提出的装置促进了高度理想和高效的微光发射器，以检测各种应用，包括显示器、固态光检测、光互连和电信。
光子拓扑现象
拓扑界面状态对环境干扰具有明显的高鲁棒性，具有独特的物理特性。由于光子拓扑现象在电信、数据处理和传感器方面的应用前景广阔，许多数学和光子学研究人员已经对其进行了广泛的研究。
在这项研究中，Lee及其同事探索了与非赫米特拓扑光子学有关的新的远场光学特性。他们展示了两个导引模式共振光栅的拓扑结元表面如何作为高效的亚微米级光发射器，具有高量子效率和可适应的光束整形能力。
在实验过程中，研究小组使用了一个包含两个不同的导引模式共振光栅的结，在没有光圈的情况下直接相邻。在这样的结构中，结点上的泄漏的Jackiw-Rebbi（JR）状态；对应于一个历史上重要的相对论模型，发射出一束狭窄的光。这一过程是由腔体-量子电动力学耦合和电磁漏斗效应驱动的。研究小组探索了拓扑光束发射的基本理论，并在研究期间进行了严格的数值分析。
拓扑结元表面中漏电JR状态的基本特性。(A) 由两个不同的薄膜亚波长光栅组成的拓扑结的示意图。(B) 左边单元格在拓扑相位（左边），右边单元格在琐碎相位（右边），以及它们的结（中间）的角度依赖的反射光谱。(C) 波长为λJR = 633 nm的漏电JR状态的电场振幅Ey。我们使用有限元方法（Comsol Multiphysics）进行计算。资料来源：《科学进展》，DOI：10.1126/sciadv.add8349
来自Jackiw-Rebbi（JR）状态的泄漏辐射
Lee等人探索了位于光子拓扑结元表面的泄漏JR态，该结构保持了高指数膜。在特定条件下，来自JR态的一阶衍射导致了对周围背景的光束漏辐射，使漏辐射的特征在研究中得到了收集。
基于与漏电JR状态相关的窄光束发射，该团队研究了拓扑结附近光源的发射特性。他们用有限元方法计算了辐射模式，显示出在光学远场发射的窄光束。该团队接下来披露了设计适当结构的可能性，其中两个光栅区域将具有相同的狄拉克质量，以实现发射光束的理想对称性。
在这些实验中，来自各向同性的光源的窄光束发射遵循了JR状态的辐射泄漏的精确衍射特性。该团队还考虑了所提出的光束效应的外部来源，他们通过对实验装置进行修改来完成，包括降低指数对比度和垂直耦合的多层波导，以及其他的修改。
电磁漏斗和内部源的Purcell增强。(A) 带隙大小为g = 40 nm的拓扑结的光功率流（时间平均Poynting矢量〈S〉t；红色箭头）分布，参考近场强度分布（灰阶密度）。(B和C)分别由距离结点1和2μm的单一各向同性光源激发的光功率流（xP=1和2μm）。(D) 源头位置(xP)相关的远场强度分布在光栅表面以上3.5微米的观察平面上，是xP的函数。(E) 与JR状态相关的近场强度分布相比，Purcell因子分布。资料来源：《科学进展》，DOI：10.1126/sciadv.add8349
通过狄拉克质量控制产生平顶光束。(A）用于平顶光束产生的狄拉克质量m（x）分布。它在m′=-0.634、0和+0.635μm-1处有三个高原，相关的JR状态强度分布和发射的光束分布被画在一起作为参考。(B) 基于(A)中狄拉克质量分布的结构设计的电场强度|Ey|2模式。该模拟中的器件结构有三个不同填充系数的光栅区域，分别为F=0.264、0.46和0.7，对应于三个狄拉克质量高原点。资料来源：《科学进展》，DOI：10.1126/sciadv.add8349
适应性强的光束整形
光束整形的概念对于光源的许多一般应用是很重要的。所描述的拓扑光束效应提供了一种直接从源头调节光束形状的可能性。科学家们描述了产生预期光束轮廓所需的狄拉克质量分布。
例如，为了产生一个平坦的顶部光束，一个零狄拉克质量区域可以被扩展--穿过所需的宽度，并围绕设备的结点。导向模式共振狄拉克质量调节的结果可以因此有效地促进光束整形的应用。
展望
这样，Ki Young Lee及其同事提出了一种用于高效光束发射的拓扑结元表面。他们在结上模拟了泄漏的Jackiw-Rabbi状态的特征场分布，通过整合空穴-量子电动力学耦合与电磁漏斗效应，实现内部发射器的高效光束。
所提出的架构对于创建高效的微光发射器具有重要意义，它具有很强的定位能力、高量子效率和可适应的光束整形能力。这些特性对许多应用都很重要，包括显示像素的开发、激光加工和电信应用。原则上，由于其作为时间反转发射器的作用范围，拟议的装置也能够作为高效的光学探测器发挥作用。科学家们建议进一步优化研究结果，以开发新的光学效应和相应的设备应用，从而超越任何现有的技术限制。
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