Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers

极化子 光子晶体 物理 光子学 凝聚态物理 纳米光子学 魔法角 激子 拓扑绝缘体 拓扑(电路) 光学 量子力学 谱线 数学 组合数学
作者
Guangwei Hu,Qingdong Ou,Guangyuan Si,Yingjie Wu,Jing Wu,Zhenhong Dai,Alex Krasnok,Yarden Mazor,Qing Zhang,Qiaoliang Bao,Cheng Qiu,Andrea Alù
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:582 (7811): 209-213 被引量:400
标识
DOI:10.1038/s41586-020-2359-9
摘要

Twisted two-dimensional bi-layers offer exquisite control on the electronic bandstructure through the interlayer rotation and coupling, enabling magic-angle flat-band superconductivity and moir\'e excitons. Here, we demonstrate how analogous principles, combined with large anisotropy, enable extreme control and manipulation of the photonic dispersion of phonon polaritons (PhPs) in van der Waals (vdW) bi-layers. We experimentally observe tunable topological transitions from open (hyperbolic) to closed (elliptic) dispersion contours in twisted bi-layered {\alpha}-MoO3 at photonic magic angles, induced by polariton hybridization and robustly controlled by a topological quantity. At these transitions the bilayer dispersion flattens, exhibiting low-loss tunable polariton canalization and diffractionless propagation with resolution below {\lambda}0/40. Our findings extend twistronics and moir\'e physics to nanophotonics and polaritonics, with great potential for nano-imaging, nanoscale light propagation, energy transfer and quantum applications.
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