“超材料前沿研究”一周精选 [2018.5.14-5.20]

基于通用时空对称性条件的传感器遥测增强

基于微机械可调谐振器的无线传感器在多种场合中都有着很重要的应用，包括从医疗诊断到工业与环境监测领域。然而，核心器件或设备的灵敏度往往受到其较低的品质因子Q的限制。最近，来自纽约市立学院的AndreaAlù教授、韦恩州立大学Pai-YenChen课题组以及密歇根理工大学的RamyEl-Ganainy等人提出了更具普适意义的isospectralparty–time–reciprocal scaling (PTX)对称性的概念，并将其应用于构建一个新型射频无线微传感器；该传感器展现出了超灵敏的响应特征和超高分辨率，在关键性能上远远超越了传统的无源传感器。他们从理论和实验上验证：虽然PTX对称电子系统与其所对应的时空（parity–time，PT）对称的电子系统共享相同的本征频率（eigenfrequency），但更为重要的是基于微机电系统（microelectromechanical）的无线压力传感器具有不同的电路配置和本征模式，使得在简化了电子电路设计及其体积的同时，进一步增强了传感器的外部品质因子Q。在物联网和大数据时代，这种微型化、高灵敏度、高分辨力的网络架构方式将对健康管理、智慧城市及其相关的数据分析网络物理系统产生重要的影响。该研究工作发表在近期的NatureElectronics上。

文章链接：Pai-Yen Chen,Maryam Sakhdari, Mehdi Hajizadegan, Qingsong Cui, Mark Ming-Cheng Cheng, RamyEl-Ganainy, Andrea Alù. Generalized parity–time symmetry condition for enhancedsensor telemetry. Nature Electronics, 2018; 1 (5): 297 DOI:10.1038/s41928-018-0072-6.

表面等离子体场梯度增强的光学三阶非线性效应

能够在足够小的空间内实现高效非线性光学混频效应（Optical FrequencyMixing）是未来集成光子器件的关键因素。然而，通常较低的转换效率严重制约了纳米级尺寸下的器件微型化。近日，来自科罗拉多大学波尔得分校和德克萨斯A&M大学的研究人员通过实验证实：梯度场效应可以提供高效的、突破传统偶极子限制（dipole-forbidden）的非线性光学响应。他们以具有渐变结构的金针尖结构为实验体系，表明纵向的非线性源电流在自由电子响应的三阶光学非线性现象中占据主导地位，并且在应用意义更为重要的近红外光学频率范围内起到至关重要的影响。使用绝热性纳米聚焦对激励光场的空间限制，他们测量得到了高达10^-5的四波混频转换效率，并且测量结果与基于等离子流体动力学和电子动力学的理论非常吻合。随着样品尺寸减小，非线性转换效率将随之增加，这在一定程度上补偿了体积减小所引起的性能劣化，为增强型非线性纳米光学提供了新的方法。这个工作有望将更为高效的非线性光学器件和相干多维光谱延伸到纳米尺度，使得高性能的集成光子学器件成为可能。相关研究发表在近期的Physical ReviewLetters上。

文章链接：VasilyKravtsov, Sultan AlMutairi, Ronald Ulbricht, A. Ryan Kutayiah, Alexey Belyanin,and Markus B. Raschke, Enhanced Third-Order Optical Nonlinearity Driven bySurface-Plasmon Field Gradients, Phys. Rev. Lett. 120, 203903 – Published 18May 2018.

高性能超薄手性超材料

手性超材料（Chiral Metamaterial）是一种能够基于光波或声波的手性特征，在更大的自由度上对其进行任意调控的超构材料。其中，主动式的光学手性超材料将有可能应用于新型光学传感器、调制器和光开关等。最近，来自德克萨斯大学奥斯汀分校的Yuebing Zheng、Mingsong Wang以及中山大学的JianwenDong研究团队研制出一种高性能的超薄手性超材料，实现了对光学手性特征的高度可调。他们将两层相同的金纳米孔阵列薄膜相互堆叠并以介质层隔开，形成二维moiré条纹，通过理论模拟和实验证实了近场耦合对手性光的影响。更进一步，他们使用丝素蛋白薄膜（silk fibroin）作为间隔层，通过特定溶剂对丝素蛋白薄膜的溶胀特性调控，实现了近场耦合以及手性光学特征的主动调节。令人印象深刻的是，在单个超薄（1/5波长厚度）结构中即可实现了超过半高宽波长范围的光谱偏移。最后，他们将该超材料作为超灵敏传感器，应用于检测低至200 ppm的痕量溶剂杂质，具有优于10⁵ nm/RIU的超高灵敏度以及品质因子。相关研究在近期的ACS Nano上线。

文章链接：Zilong Wu,Xiaodong Chen, Mingsong Wang, Jianwen Dong, and Yuebing Zheng, High-PerformanceUltrathin Active Chiral Metamaterials, ACS Nano (Article ASAP), DOI:10.1021/acsnano.8b02566.

全介质超表面材料的非线性波前调控

超表面材料（Metasurface）作为一种由纳米级谐振腔构成的二维晶格结构，为功能性平面光学器件的发展提供了良好的研究基础，可实现对光波阵面的透射、反射以及偏振特性的高效控制。近年来，全电介质超表面研究得到了飞速的发展，其效率通常达到或超越了传统光学元器件的性能。对超表面材料的非线性光学响应的研究为非线性光学的发展带来了新的机遇，通过将天然材料非线性响应的增强效应与相位调制手段有机结合，有望进一步丰富亚波长光子学的研究内涵。最近，来自澳大利亚国立大学以及橡树岭国家实验室的研究人员提出了一种新颖而普适的方法，实现了对非线性超表面结构中任意复杂度参数波的有效调制。他们设计了一种全介电非线性超表面，实现了对三次谐波光场的波前高效控制，并展示了在设计角度下所产生的非线性光束以及涡旋光束的非线性聚焦。同时，该结构在整个0-2π相位范围内产生了具有92％衍射效率的相位梯度，为非线性光学、涡旋光子学的发展提供了良好的材料研究平台。相关研究成果近期被Nano Letters接收。

文章链接：Lei Wang,Sergey S. Kruk, Kirill L. Koshelev, Ivan I. Kravchenko, Barry Luther-Davies,and Yuri S. Kivshar, Nonlinear wavefront control with all-dielectricmetasurfaces, Nano Letters (Just Accepted Manuscript), DOI:10.1021/acs.nanolett.8b01460.

基于纳米压印技术的高质量3D光子学器件制备

在过去的几十年中，集成光子器件在通信、传感和能源等领域显示出巨大的前景，在功能、速度、准确性等方面展现出卓越的性能。在实际应用中，制备高质量的光子学元件是技术实用化的前提，在满足优异的表面结构和内部质量的同时，必须实现低成本、小尺寸、兼容性强的2D和3D任意几何形状的大规模生产。最近，来自以色列特拉维夫大学的Jacob Scheuer教授联合卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队提出并论证了一种实现低损耗集成光学元件的方法——两步软纳米压印光刻工艺（dual-stepsoft nano imprint lithography）。该方法简单、快速、价格低廉，并结合快速溶胶凝胶技术提供高度透明的材料，可用于表面光滑的2D和3D几何结构的批量生产。他们以微米级环形谐振器（micro ringresonator）作为一个具体的例子，通过由激光直写技术（direct laserwriting）制成的器件实现了品质因子Q从~10⁵到3*10⁶的极大提升。他们声称，这是基于UV光固化技术制备的微环谐振器的品质因子Q最高记录。该工艺可支持诸如发光、电光、压电等多种材料的器件加工与集成，同时可应用于波导、光学透镜、衍射元件等多种光子学器件。相关研究成果发表在近期的ScientificReports上。

文章链接：Ofer Bar-On,Philipp Brenner, Tobias Siegle, Raz Gvishi, Heinz Kalt, Uli Lemmer & JacobScheuer, High Quality 3D Photonics using Nano Imprint Lithography of FastSol-gel Materials, Scientific Reports 8, Article number: 7833 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26261-3.

超宽带、角度稳定的反射式超表面偏振转换器件的优化设计

对于电磁波偏振状态的操纵在光学器件、通信、远程环境监测、微波天线、微波环形器和隔离器等应用中具有非常重要的实用价值。通常，它们可通过光栅和二向色晶体实现。近年来，使用超表面结构（Metasurface）在对电磁波的振幅、相位、偏振等多个重要属性的高效操纵方面显示出独特的优势，可通过灵活地设计人造表面获得自然界材料所不具备的特定电磁或光学特性。最近，来自意大利比萨大学的研究人员向我们展示了一种基于反射型超表面的超宽带、线性偏振转换器（polarization converter）。偏振器由印刷在接地介质基片上的小型化金属基元周期排列组成。为了实现宽带偏振转换特性，他们通过采用遗传算法（geneticalgorithm）来对超表面结构进行系统优化，在宽频带上将同极反射系数（co-polarreflection coefficient）的幅度最小化；同时，基于遗传算法增强了小型化转换器的角度稳定性。由此获得的像素化偏振转换器展现出从8.12GHz到25.16GHz的102％相对工作带宽，并且通过进一步精炼优化的遗传算法将相对带宽扩展至117.8％，此时基元周期为0.46毫米，对应于最大工作频率下的λ/ 20。他们的理论模拟和实验测量都证实了超宽带超表面偏振转换器的优异性能。相关工作发表在近期的ScientificReports上。

文章链接：MicheleBorgese, Filippo Costa, Simone Genovesi, Agostino Monorchio & GiulianoManara, Optimal Design of Miniaturized Reflecting Metasurfaces forUltra-Wideband and Angularly Stable Polarization Conversion, Scientific Reports8, Article number: 7651 (2018). doi:10.1038/s41598-018-25934-3.

基于相变超表面的无源温度控制

近年来，利用等离子体超材料（plasmonicmetamaterial）来控制材料的热辐射性能（thermalemission）受到了高度关注。一系列的研究工作表明：可以通过调节超材料的结构参数，改变材料整体的热辐射性质，将红外发射波长调整为大气的透明窗口（transparencywindow of the atmosphere），能够实现基于辐射效应的冷却效果。基于该原理的辐射冷却不需要额外的能量输入和机械传动装置，相对较低的成本更引起了人们的极大研究和产业化兴趣。近日，来自台湾国立东华大学的Chih-Ming Wang教授课题组提出了一种基于二氧化钒VO₂相变材料的可调式中红外超表面结构的温度控制方法。他们构建出一种VO₂/ SiO₂ / VO2的多层超表面材料，通过可实现热切换调节的“法布里-珀罗”共振模式，将超表面的辐射波长调整至大气的透明窗口。从理论上来说，当器件的温度低于/高于VO₂的相变温度时，超表面材料的辐射冷却功率密度可以实现高达四倍的任意切换。除了辐射冷却功能之外，他们也从理论上展现了基于这种制冷切换能力极强的无源温度控制应用，相关的可调式超表面材料可以应用于小型化的辐射冷却和温度控制应用。相关研究发表在近期的ScientificReports上。

文章链接：Sheng-Rui Wu,Kuan-Lin Lai & Chih-Ming Wang, Passive temperature control based on a phasechange metasurface, Scientific Reports 8, Article number: 7684 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26150-9.

作者后记：

此文发布之时，恰逢南京大学116周年校庆。借此机会，祝母校生日快乐、永葆青春与活力！一并致敬南大奋斗在超材料研究第一线的科研工作者们！

（图片来源：南京大学官网）