超材料前沿研究”一周精选 2019年2月11日-2月17日

1、声学外尔系统中轴向场诱导的手性朗道能级 

外尔费米子（Weyl fermions）系统能带的一个显著特征是两条非兼并的布洛赫能带。这是由于外尔方程（Weyl equations）本身具有手性对称性的特征，导致两条不同对称性的能带具有独立的规范自由度。相较于量子电动力学中的反手性，这一自由度的存在虽然导致了量子异常，但对其与轴向背景场耦合特性的报道一直存在空白。近期，来自苏黎世联邦理工学院的Valerio Peri等人利用非均匀势场在声学外尔系统中引入了等效轴向场，并在实验中首次观测到了轴向场诱导的手性朗道能级以及表面费米弧。这一工作表明高能物理中的轴向场可以应用于凝聚态系统中，并以三维声学系统为例，在其中引入了规范场。以此为基础，更多理论预测现象（如手性磁效应、手性涡旋效应、应力诱导的量子震荡）的实验观测成为了可能，为接下来的实验工作提供了启示。相关工作发表在近期的《Nature Physics》杂志上。

文章链接：Peri V, Serra-Garcia M,Ilan R, et al. Axial-field-induced chiral channels in an acoustic Weyl system[J]. Nature Physics, 2019: 

https://doi.org/10.1038/s41567-019-0415-x

2、PNAS：水溶液中石墨微粒的磁控制

微粒在溶液中的受控输运广泛应用于微流体和实验室芯片技术中。其中包括用于化学分析和微型合成的反应器，用于药物开发和临床诊断的生物传感平台，以及用于混合物中细胞、细菌和/或病毒的分离和分类。对于静态液体中微米大小的颗粒，颗粒需要克服较大的、主要的粘性阻力（低雷诺数范围）时才能运动。

磁输运是在生物医学/化学应用中首选的粒子输运技术，因为它对溶液的导电性和离子组成不敏感，不会诱发电化学反应，也不会干扰生物功能。目前微粒的磁操纵和驱动方案主要使用铁磁、顺磁和超顺磁粒子。然而，这些方案都存在一些局限性：1.对磁场源的吸引力妨碍了非接触式传输；2.粒子不能在静态磁场下稳定地被束缚在3维空间中；3.在定量传感的应用上，磁矩的量化具有挑战性。

然而反磁性微粒可以在远离磁场的地方遵循严格的最小磁场路径，并且可以被限制在静态的三维磁场中。另一个优点是，其感应磁矩几乎与粒子形状无关，大大简化了磁势能、力和转矩的量化。近期来自伦敦大学学院（University College London）的Isabel Llorente Garcia教授研究了无标签的抗磁性石墨微片在无流体流动的情况下的磁控输运。

图2-1 石墨微片在溶液中的磁控输运。A：NdFeB永磁体通过钢楔实现聚焦，以及在玻璃毛细管内流动的高取向热解石墨。石墨微片主要沿X（黄色箭头）方向运动，由磁场梯度驱动；B：石墨微片的结构和尺寸；C：由计算得到的磁场强度分布图（俯视图），黑色箭头表示石墨微片的输运方向。D,E：在XY平面上，计算的B₀(▽B₀)_X和B₀(▽B₀)_Y。F：沿x计算的磁场强度（y=0时）。G：计算的磁势能（左轴，实线，单位为K_BT）和沿X方向的磁力（右轴，虚线）,施加在半尺寸为3 mm、2 mm和1mm的典型的石墨微片上。 

图2-2 石墨微片的磁输运。A：聚焦毛细管石墨微片的明场图像，B：运输过程中不同帧（间隔2.5 s），C：作为时间函数粒子在x和y方向的位置。D：沿x和y方向的相应粒子速度。

石墨作为一种价格低廉的材料，具有优良的电、磁和光学性质。而且它也具有良好的生物相容性，广泛用作基底。在此，本文利用石墨的抗磁性，论证了在抗磁性水溶液中石墨微片可以实现非接触磁定位。同时也建立了一个石墨微片磁操纵的理论模型，并在非均匀磁场中以约15 mm/s的峰值速度，在约200 mm的距离上实验性地证明了这类粒子的磁输运。在随后的研究中，本文在NaCl水溶液中实现了脂质涂层石墨微片的完全生物相容性输运，为以前未被发现的生物医学应用铺平了道路。实验结果表明，微米级石墨在液体介质中可以进行磁操纵。 

文章链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/01/24/1817989116，

doi.org/10.1073/pnas.1817989116

3、可编程等离子体空间光调制器

在自由空间中调控光学波前并产生结构光束，是光子学的一个重要的研究课题。结构光束的产生往往是通过空间光调制器来实现。空间光调制器（SLM）是一类对在自由空间中传播的光束施加空间变化幅度和/或相位调制的装置。目前，商用设备主要是基于液晶和数字化微振镜技术，其调制速度仅限于千赫兹量级。为了实现更高的运行速度，需要新技术和新方法的应用。近日，来自美国加利福尼亚州拉霍亚大学的Yeshaiahu Fainman教授及其团队报道了一种新的方法。他们开发了一种可编程等离子体相位调制器，这种空间光调制器基于表面等离子体和电光响应材料之间的近场相互作用，能够以1GHz的调制速度作用于波长为1,550nm的自由空间光场。具有高二阶非线性和三阶非线性系数的氮化铝或富硅氮化硅的电介质薄膜是可编程等离子体相位调制器（PPPM）阵列中的有源层。PPPM利用线性和二次电光效应来实现薄膜有源层的快速、空间分辨的折射率调制。利用这种方法，研究团队实现了4×4像素的空间光调制。通过偏振对比成像进行空间结构光调制的可视化验证演示，利用可编程化的等离子体相位调制器拼出了“UCSD”的字母。

文章链接: Alexei Smolyaninov, Abdelkrim El Amili, Felipe Vallini, StevePappert and Yeshaiahu Fainman, “Programmable plasmonic phase modulation of free-space wavefronts at gigahertz rates ” Nature Photonics 1749-4893 (2019) doi:10.1038/s41566-019-0360-3

4、用于超灵敏红外光谱的石墨烯声等离子体谐振器 

石墨烯等离激元已被广泛应用于光调制器,光电探测器，超表面，偏振控制装置和传感器中。然而，由于原子级薄的石墨烯中微弱的光--物质相互作用，这些器件的运行主要受限于石墨烯等离激元(GPs)激发的电磁波的深亚波长约束。当石墨烯靠近金属表面时，石墨烯内部的电荷振荡通过异相振荡来平衡，从而产生石墨烯声等离激元(AGPs)，其特征是在短波矢上呈线性色散。AGPs可以在石墨烯和金属之间的间隙处产生超局域的平面外电场。

AGPs带来的严格局域现象在表面增强红外吸收光谱(SEIRA)中有很大的应用前景，但同时也存在着与自由空间光的动量失配非常大，因此耦合效率很低的问题。对于SEIRA的应用，一个高效的远场耦合模式对于从背景噪声中分辨出薄膜分析物的微弱振动至关重要。近年来，AGPs被用来探测场约束的极限，但中红外消光信号相对较弱，这对SEIRA的应用提出了挑战。总之，电磁场约束与自由空间光耦合效率之间的平衡是等离子体学的一个基本问题，这是激发源与等离子体模之间动量不匹配的结果。特别是石墨烯中的声等离激元，具有极高的场约束效应和动量失配现象。

近日，美国明尼苏达大学电子与计算机工程系Sang-Hyun Oh等人不仅克服了这一基本问题而且还向我们证实了石墨烯声等离子体共振腔对于入射的中红外光几乎完美的吸收(94%)。这种高吸收效率是通过利用两级耦合方案实现的:自由空间光耦合到传统石墨烯等离激元，然后再耦合到声等离激元。为了完成这一实验，研究人员将无图案的大块石墨烯转移到模板剥离的超平的金属带上。单片集成的光学间隔器和反射器进一步增强了实验效果。并且作者还验证了该石墨烯声等离激元能够分别对埃厚度的蛋白层和SiO2层的吸收带和表面声子模态进行超灵敏测量。该技术潜在的应用包括光谱学、传感、超表面和光电子学等。相关工作近期发表在《Nature Nanotechnology》上。

图4-1 耦合机理。声等离激元谐振器结构的示意图和耦合到平面的等离子体模式路径。红色和绿色箭头分别代表声学GPs (AGPs)和常规GPs (GPs)。κij表示从i到j模式的耦合系数, i,j ∈{ 0,1,2 }分别代表自由空间波，AGPs和GPs，g为石墨烯层与金属带之间的间隙距离。插图为AGPs和GPs典型的等离子体色散。 

图4-2  制作工艺及谐振腔结构。a，在氧化铝层顶部通过电子束光刻出图案化金带的阵列和沉积在硅衬底上的牺牲金层。b、氧化铝、无定形硅、金薄膜分别按照指数匹配层、光学间隔层和背反射层顺序沉积。c、模板剥离，以光固化环氧树脂为底衬层，暴露氧化铝与牺牲层之间的超界面。d、最终器件结构示意图。e、最终器件横截面的SEM图像。f，谐振腔顶部表面的光学显微图，其表面有不同周期性的金属带阵列。g，为f的局部放大SEM图像。h, AFM得到的条带表面形貌。

文章链接：In-HoLee, Daehan Yoo, Phaedon Avouris,et al.Graphene acoustic plasmon resonator forultra sensitive infrared spectroscopy, Nature Nanotechnology,(2019).

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0363-8.

 5、碳纳米管的实时振动探测 

微型机械振荡器领域的迅速发展，在信号处理、生物检测和量子力学基础测试等方面新的应用越来越广泛。随着机械振荡器的尺寸缩小到分子尺度，例如碳纳米管谐振器，它们的振动耦合和强相互作用变得十分明显，即使有微弱的热扰动，也会使振荡器产生非线性效应。这种尺度下的微器件具有丰富的动力学特性，然而要想观测这种效应还存在诸多困难，关键是缺乏一种实时检测运动的有效方法。

近日，康奈尔大学Michal Lipson和Paul L. Mceuen等人采用高精密微米级氮化硅光学腔作为灵敏的光子显微镜。通过实验直接实时测量了碳纳米管的热振动。该方法具有很高的位移灵敏度（700 fm Hz^−1/2）以及时间分辨率。

研究发现，相干性的差异源于长时间的非平衡动力学系统，类似于非线性系统中出现的Fermi–Pasta–Ulam–Tsingou现象。揭示了一种微弱混合机制，在该机制中，振动能量周期性的存在于几种共振模式中，可以用一个简单的数字模型来重现这种模式。该实验开启了布朗极限下非线性力学系统的研究，为碳纳米管谐振腔提供了一个完整、灵敏、高带宽的纳米光子界面。该研究工作近期发表在《Nature》上。 

图5-1 CNT微腔系统。a, 用一对电接触微镊子将CNT放置在光学微腔上。光腔由光纤锥形波导激发。碳纳米管与逐渐消散的光场相互作用。插图是一个高Q氮化硅光学腔的光学显微图。b，利用可调谐激光器激发光腔，并将光传输记录在光电二极管(PD)上。光场中CNT的存在会诱导光的传输变化，这种变化由示波器记录下来，并通过快速傅里叶变换(FFT)算法进行分析。 

图5-2 CNT谐振时域测量

文章链接：Arthur W. Barnard, Mian Zhang, Gustavo S. Wiederhecker, Michal Lipson & Paul L. Mceuen，Real-time vibrations of a carbonnanotube.

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0861-0

6、非厄米光子系统中的PT对称奇异面

近年来，人们越来越关注在非厄米系统中的新效应。包括宇称时间（PT）对称和非厄米拓扑效应等一系列新的物理现象逐渐成为了研究的热点，这也为非对称传输、高灵敏探测、新型激光器等光子应用打开了新的大门。这些前沿探索的关键之一是奇异点（EP）的特殊属性: 特殊的能带简并，其中两个或多个本征值的实部和虚部重合，并且其特征向量简并。奇异点标记了PT对称和PT破缺的边界，并产生了一系列反直觉的光学现象。此外，奇异点还具有拓扑性质，如具有π Berry相位和涡旋，并且可以在系统的体色散中产生开放的费米弧。然而，迄今为止的大多数研究都集中在单个的孤立点（0维）或连续线（1维）的性质上。这限制了非厄米系统中能带色散的类型。在更高的维度上，非厄米的相变边界很可能具有更丰富的现象和性质。

近日来自哈佛大学和宾夕法尼亚大学的联合团队报道了一项新的研究成果。通过构造三维光子晶体并进行精确的光学设计，实现了非厄米系统相变边界的二维表面，从而大大扩展了非厄米系统的研究空间。研究人员发现，特殊的对称性是构建高维奇异面的关键。通过使用对称性保护的拓扑节点线（nodal lines）的非厄米变形，研究人员成功构造出非厄米光子系统的奇异面，并研究了与之相关的拓扑性质。这为未来探索更高维度的奇异点系统以及相关的光子学应用铺平了道路。

文章链接: Hengyun Zhou, Jong Yeon Lee, Shang Liu, and Bo Zhen,"Exceptional surfaces in PT-symmetric non-Hermitian photonic systems," Optica 6, 190-193 (2019)

7、金刚石中硅空位中心系综的相干控制和波混频

在过去十年中，金刚石中的色心已成为量子信息处理以及量子传感和计量应用的重要系统。带负电的提供了显著的光学性质，例如737nm处的零声子线荧光、对于低发射密度样品的单中心相对共振仅几百MHz的很窄的非均匀展宽。再考虑与金刚石纳米结构的有效耦合、微波以及全光学相干控制，这可能使得使用单个中心实现高效的相干的自旋-光子接口成为可能。

具有反演对称性，其split-vacancy结构使得系统对一阶Stark效应不敏感，这可以解释为什么甚至在非理想的晶体环境中，共振峰的中心非均匀展宽也是比较窄的。再结合上由于强自旋轨道耦合，二重简并的基态和激发态都有较大的level splitting，这些提供了光学精细结构组分的优异的分离，优于其他固态系统，例如NV色心或者量子点。与最常用的稀土掺杂晶体相比，非均匀展宽与基态的splitting之比仍然保有优势，这允许在强相干光-物质相互作用和单光子非线性的领域中进行基础研究和应用。相比之下，即使在小样品体积中， 系综（ensembles） 也能提供较大的与光子相互作用的横截面，因此允许在固态的紧凑、可延展器件中观察到类似效果，适合与波导和片上光子结构集成。

最近来自牛津大学Clarendon实验室的Christian Weinzetl、Jonas Nils Becker、Ian A. Walmsley等人。展示了对中心系综的单光子和双光子相干操作，并显示出光学 Hahn echo方案对进一步修正残余的非均匀展宽带来的影响的潜力。此外，研究人员通过实施受激拉曼绝热过程（STIRAP）以及通过strong seeded off-resonant四波混频(FWM)显示弱相干态的有效吸收和放大，在这个仅300nm厚的系综中展示了强的光-物质相互作用。这概述了系综在实现依赖强光-物质相互作用的集成器件方面的巨大潜力，对中心系综的相干操作的能力将使基于拉曼的光学量子存储器成为可能。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Christian Weinzetl, Johannes Görlitz, Jonas Nils Becker, Ian A.Walmsley, Eilon Poem, Joshua Nunn, and Christoph Becher，Coherent Control and Wave Mixing in an Ensemble of Silicon-Vacancy Centers in Diamond，Phys. Rev. Lett. 122, 063601 –Published 12 February 2019

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.063601 

8、利用等离子体超表面在MoS₂单层中分离谷激子

能量-动量色散的极值被称为谷（valleys）。在一般的电子系统中，谷并没有表现出与外部场的耦合，因而难以加以调控和利用。然而，在单层过渡金属二硫化物（TMD）中发现了一个例外，其反转对称性破缺与时间反演对称性相结合导致K和K'谷处相反的电子自旋，并实现了有效的自旋-谷锁定。这使得它们具有与电荷正负或者电子自旋相类似的谷涡旋自由度，并同样具有成为信息载体的能力。谷极化自由载流子或激子的分离是构建谷电子器件的先决条件，而单层过渡金属二硫化物的谷中的激子可以被具有不同螺旋度的光选择性地激发，这为谷电子学和全光操纵铺平了道路。

近日，来自美国德克萨斯奥斯汀分校的Xiaoqin Li教授及其联合团队，通过将单层MoS2与亚波长不对称凹槽阵列构成的等离子体超表面相耦合，实现了谷极化激子在室温下的空间分离。除了在实空间中分离谷激子之外，谷激子的发射和分离也能够在光子动量空间中实现; 也就是说，光子的螺旋性决定了优先发射方向。这项工作表明，超表面可以促进谷电子输送，并在谷电子和光子器件之间建立接口，从而为谷电子学领域打开了新的大门。

文章链接: Liuyang Sun, Chun-Yuan Wang, Alex Krasnok, Junho Choi, Jinwei Shi,Juan Sebastian Gomez-Diaz,André Zepeda, Shangjr Gwo, Chih-Kang Shih, Andrea Alùand Xiaoqin Li, “Separation of valley excitons in a MoS2 monolayer using a subwavelength asymmetric groove array”, Nature Photonics, 1749-4893 doi:10.1038/s41566-019-0348-z

精彩回顾   

1. Nature：基于铌酸锂的微型集成电光调制器

2. 纳米机电晶格中弹性波的MHz电学调制

3. 科技快讯 |基于相干吸收的全光信号调制光纤器件

4. 声学开放非厄米系统中同时观测拓扑边界态和奇异点

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