聚焦于拓扑非平庸双曲超表面上的微机械极化基元- 大数跨境

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聚焦于拓扑非平庸双曲超表面上的微机械极化基元

两江科技评论

2024-04-20

导读：近日，南京大学卢明辉教授团队、中山大学郑立洋副教授团队以及马德里材料所的Johan Christensen研究员合作，提出了一种二维微力学超表面来模拟传统具有双曲色散的vdW材料。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

撰稿|由课题组供稿（郑江坡）

导读

双曲材料由于其具有天然的色散调控优势而备受关注，在负折射、亚波长成像、自旋霍尔效应等方面获得了广泛研究和应用。特别是近几年，具有双曲色散的叠层范德瓦尔结构的兴起，为光与物质相互作用的增强和调控提供了新的可能。然而，这些材料的双曲色散通常都不具有拓扑保护，即双曲能带无法用非平庸的拓扑指数或缠绕数来进行表征。也就是说，传统的光学范德华 (vdW) 材料中的双曲极化基元，是建立在完全拓扑平庸的基础上的，这意味着，材料中的无序或材料制造过程中带来的缺陷将严重阻碍它们的光学性能，并限制其调控能力。

近日，南京大学卢明辉教授团队、中山大学郑立洋副教授团队以及马德里材料所的Johan Christensen研究员合作，提出了一种二维微机械超表面来模拟传统具有双曲色散的vdW材料。通过动力学推导以及有限元模拟，理论验证了这种拓扑双曲超表面的色散能带受到手性对称性和镜像对称性的共同保护，并展示了能带结构的节点特征如何实现双曲相变，最后在实验中展示了机械弯曲波极化激元的双曲辐射特性。该工作报道的拓扑辐射不仅具有对缺陷免疫的鲁棒性，也提供了细致操控双曲极化激元发射的手段。该研究成果以“Focusing Micromechanical Polaritons in Topologically Nontrivial Hyperbolic Metasurfaces”为题，发表于《Advanced Materials》。南京大学现代工程学院博士研究生郑江坡为论文第一作者，卢明辉教授、郑立洋副教授以及Johan Christensen研究员为通讯作者，陈延峰教授也对该工作给予了悉心指导。

研究背景

构建振动、声音或光的传输路径有着悠久的历史，可以追溯到瑞利勋爵的全盛时期。近年来，超构材料和超构表面展现出在任意情况下操纵波动特性的卓越能力，因而在基础和应用科学研究中占据了重要地位。除了三维材料之外，垂直堆叠多个原子级薄层催生了备受瞩目的范德华（vdW）材料。与其单层材料不同，多层材料形成的异质结中独特的邻近效应已经被证实可以引发从魔角平带、可调色散、克隆狄拉克锥到激子工程等一系列现象。基于它们高度的模式限制和可调性，vdW 材料已成为光学领域的一个新兴平台。换句话说，得益于它们天然的介电常数和双曲色散，等离子体和声子极化激元可以发生负折射，并为可见光一直到中红外辐射提供增强的光-物质相互作用。此外，据报道扭曲的 vdW 极化子能够实现双曲到椭圆的拓扑转换，用于极端色散工程。然而，必须强调的是，无论是等离子体还是声子双曲极化激元，以及上述转换，都没有基于线性布洛赫能带拓扑的非平庸起源。此外，双曲超构材料中的双曲到椭圆拓扑转换并没有拓扑指数或缠绕数特征。因此，使用线性能带拓扑的Lifshitz Transition相变是拓扑平庸的。

拓扑性质通常用数学不变量或电荷进行量子化，它表征了电子、光学或声学响应的固有特性。例如，表现出非零陈数的材料会产生量子霍尔效应，其霍尔电导被量子化，相关的边界态对无序和杂质表现出异常的鲁棒性。人造光子晶体、声子晶体和机械超晶格中广泛使用了拓扑概念，这意味着对某些保持对称性的扰动具有鲁棒性，从而具有较为优越的导波能力。到目前为止，这种概念在纳米光子vdW极化子中还不存在。

研究亮点

在这篇文章中，作者研究了一种vdW材料的机械模拟物，它是由二维结构的微机械超构表面所构成的。聚焦于接近治疗性的超声波的频段（即MHz频率，<10MHz），利用深硅刻蚀工艺制备了微机械超表面，并实验上观测到了微机械超构表面中的辐射效应。同时，通过模拟与实验，证明了该超构表面具有理想的工作带宽。作者设计了一个模型来讨论拓扑非平庸起源，并展示了能带结构的节点特征如何实现双曲相变。与纳米光子超构材料和vdW极化子的双曲响应相比，该微机械方法完全基于非平庸能带拓扑，正如文章所展示的，显示了拓扑鲁棒的双曲辐射。可以预见，使用微机械方法的拓扑弹性振动，可以使得基于人工微结构材料的超声波器件的商业化应用成为可能。

图文速览

图1 拓扑双曲超表面结构的色散关系和分析模型。a.不同视角下的结构单胞示意图。b.柱状元曲面的能带结构。c.结构哈密顿量的图例模型。箭头表示相互作用方向，当|L_x|=|L_y|时，存在镜像对称性。d.弯曲波动力学模型。近邻柱子间的相互作用包括剪切、弯曲和扭转相互作用。e.第二、三能带的频率面显示双曲色散出现在f₀。

图2 实验样品以及测量的双曲节点线。a-b. 加工的双曲超表面扫描电镜图。c. 实验装置与测量系统。d.在 f₀= 519 kHz 处等频线的测量结果，虚线标出了预测的节点双曲线。e. f₀= 519 kHz 处等频线的模拟结果。

图3 拓扑双曲激元辐射。a. f= 521 kHz时测量和模拟的弯曲波辐射图案。点声源位于样品中心。b.将源置于右下角时的定向发射图案。c.使用四点源调制可激发出丰富的单向传播。

图4 拓扑双曲超表面的缺陷鲁棒性测试。a-c.三个不同频率下的实验和模拟的曲面波传播图。d.支柱位置移动∆导致缺陷示意图。e.当扰动∆=0.35t1时，f0周围的等频色散图。f.无序情况下的拓扑辐射。此时扰动∆在 [-0.35t1, 0.35t1] 范围内均匀分布。

文章信息

Zheng J P, Zheng L Y, Yu S Y, et al. Focusing Micromechanical Polaritons in Topologically Nontrivial Hyperbolic Metasurfaces[J]. Advanced Materials, 2024: 2311599.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202311599

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