“超材料前​沿研究”一周精选 [2018.5.21-5.27]

1 、基于介电体拓扑光子晶体实现单向电磁波导可视化   

“拓扑”这一数学概念的引入揭开了物理学的新篇章。对于物理学来说，拓扑系统提供了独特的边界或界面量子态，而这些量子态有望促进自旋电子学和量子计算的发展。同样，光子系统也可以从拓扑中受益，例如，将麦克斯韦方程与薛定谔方程类比，就可在电磁波系统中实现手性边界态，但迄今为止，在介电体光子晶体中，人们还未能验证电磁波的拓扑传播特性。

近日，来自苏州大学的杭志宏教授领衔的研究团队和日本国家材料科学研究所NIMS的胡晓教授进行了一项实验，成功证明了由氧化铝Al₂O₃圆柱体制成的光子晶体能够展现出拓扑时间反演对称（topological time-reversal symmetric）的电磁波传播，类似于电子系统中的量子自旋霍尔效应（quantum spin Hall effect）。

电磁系统中代表不同轨道角动量状态的赝自旋（pseudospin）自由度是一种理想蜂窝晶格（honeycomb lattice）光子晶体的变形，它能够实现光子系统对电子Kramers pair的类比。通过定性的可视化观察和定量实验测量，研究人员发现在拓扑光子晶体与拓扑平庸（trivial）光子晶体的接界处，具有特定赝自旋的微波只能沿着单一方向传播。人们仅仅通过传统的介电体材料以及对实空间进行局部调控就发现了这一现象，这对于我们扩展到可见光波段以及未来光子学的实际应用带来了新的启示和想法。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Yuting Yang, Yun Fei Xu, Tao Xu, Hai-Xiao Wang, Jian-Hua Jiang, Xiao Hu, and Zhi Hong Hang, Visualization of a Unidirectional Electromagnetic Waveguide Using Topological Photonic Crystals Made of Dielectric Materials, Phys. Rev. Lett. 120, 217401 – Published 22 May 2018.

2、综述：Spoof 等离激元：从超材料概念到拓扑学描述

近几年来，超材料领域飞速发展，人们通过人为调控电磁性能，就能使现有材料的性质达到并且超越其天然性能的极限。一个典型的例子是“欺骗性”的（spoof）表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）,即非传统意义上的金属表面趋肤效应：仅需利用金属表面的周期性波纹(periodic corrugation)对模式的调制作用来“摹拟”（mimic）SPP的特性。在这一类超材料中，SPP模式实际上并不存在，但对于微波以及远红外设备的应用，SPP却具有相当大的潜力。最初的Spoof SPP概念源自对周期性波纹表面的物理描述，主要由具有“等效”等离子体频率的超材料来实现。后来，研究人员尝试严格求解麦克斯韦方程来描述这一类SPP模式的能带结构，其带隙特征主要源于极化波反交叉原理（polaritonic anticrossing principle）或布拉格干涉（Bragg interference）。最近，受凝聚态物理中的拓扑学理论框架的启发,Spoof SPP模式的拓扑描述被逐渐用来阐述受拓扑保护的波导现象。

在近期的《Advanced Materials》中，来自新加坡南洋理工的Baile Zhang、Yu Luo以及浙江大学的Fei Gao等人联合发表了一篇综述，从实际应用和基础研究的角度总结了该领域的发展历史及展望，从事相关研究的科研人员不容错过！

文章链接：Zhen Gao, Lin Wu, Fei Gao, Yu Luo, Baile Zhang, Spoof Plasmonics: From Metamaterial Concept to Topological Description, First published: 21 May 2018 https://doi.org/10.1002/adma.201706683.

3、具有全波操作的混合共振记忆超材料

“记忆超材料”（Memory metamaterials）是一类能够实现对电磁响应持久性调制（persistent tuning）的新兴人工微结构材料，通常由人工构成的谐振元件与自然记忆材料耦合而成，受电场、光线和热量等外部刺激的控制。尽管目前已经有多种自然界的记忆材料得到了应用，但仍缺少人们对基于铁磁材料（ferromagnetic materials）的记忆超材料研究。

近日，来自韩国西江大学Kiejin Lee领衔的研究小组报道了基于“超材料-铁磁”混合共振（hybrid resonance）系统、在微波频段应用的记忆超材料。该研究验证了混合共振能够以输入微波信号的频率和振幅为调制函数，并且可以可逆地调谐（tuned reversibly）。这种持久性混合共振调谐的基本原理是磁畴结构能够基于微波输入信号进行自适应的结构调制。相关研究发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

文章链接：Hanju Lee, Shant Arakelyan, Barry Friedman, Kiejin Lee, Hybrid Resonance Memory Metamaterial with Full‐Wave Operation, First published: 18 May 2018 https://doi.org/10.1002/adfm.201800760.

4、基于纳米级热辐射的“热二极管”

“热整流器”（Thermal rectifier），通常也被称为“热二极管”（thermal diode），是一种与电子二极管热类似、实现热流非对称传输的热逻辑器件。尽管基于热对流效应（convection）和热传导的热二极管概念早已被提出，但是基于热辐射（thermal radiation）的固态热二极管却很少受到关注。

最近，来自密歇根大学、德国奥登堡大学、法国泰勒斯研究与技术研究院的科研团队向我们展示了掺杂Si与氧化钒VO₂表面之间的纳米级热辐射整流效应。具体来说，当温度梯度的方向发生反转时，VO₂的“金属-绝缘体转变”能够使Si和VO₂之间热辐射效率出现巨大差异，从而导致热流大小因温度梯度方向的改变而产生非对称传输。 进一步研究表明，这种整流效应在纳米级的表面分离时会得到增强，并且在~140nm的间隙和70K温差下达到超过50％的最大整流系数（rectification coefficient）。理论模型表明，这种高整流系数是由于金属态的VO₂与Si表面具有较宽的辐射光谱，而其与绝缘态的VO₂只有较窄的辐射光谱和热传输。这项工作成功证明了基于近场热辐射效应实现热力学整流现象的可行性，为基于纳米辐射的信息处理设备和热管理方法的构建点明了关键的方法和部件。相关研究发表在近期的《ACS Nano》上。

文章链接：Anthony Fiorino, Dakotah Thompson, Linxiao Zhu, Rohith Mittapally, Svend-Age Biehs, Odile Bezencenet, Nadia El-Bondry, Shailendra Bansropun, Philippe Ben-Abdallah, Edgar Meyhofer , and Pramod Reddy, A Thermal Diode Based on Nanoscale Thermal Radiation, ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b01645.

5、基于超表面反射镜的Mie共振外部控制

在半导体纳米结构中，光学共振性质的控制和结构调整能力可对光电探测器、传感器和光伏等光学应用产生深远的影响。一般而言，这类调控通常是通过调整纳米结构的几何形状、材料或电介质环境来获得的。最近，来自斯坦福大学的Jorik van de Groep和Mark L. Brongersma结合相干光学原理和超表面反射镜（metasurface mirror）的思路，以高效的空间调控（spatial control）和偏振依赖的方式，实现了对Mie共振效应的有效开启和关闭。研究人员通过操纵单根Si纳米线光电探测器的光电流谱（放置在超表面反射镜上），展示了集成器件中的这一调制现象。作者认为，该方法基于可设计的超表面结构，无须改变纳米结构本身的几何或材料特性，可以推广到半导体纳米结构中的光谱、角度依赖性、吸收和散射特性的调控研究，便于实现其在纳米光子学、集成电路、半导体光刻工艺等方面的实际应用。相关研究发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Jorik van de Groep and Mark L. Brongersma, Metasurface Mirrors for External Control of Mie Resonances, Nano Lett., Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01148.

6、用于超宽带雷达截面降低和漫散射的非均匀分层编码超材料

雷达散射截面(Radar Cross section, RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念，它代表了目标在雷达波照射下所产生回波强度的物理量：雷达截面积越小，雷达对目标的信号特征就越小，探测距离也越短。为了减少结构的RCS，人们通常在物体表面设计雷达吸收超材料（radar absorbing metamaterials）或是采用180°反相干涉，来消减反射波的强度来增强对雷达微波的吸收，然而这两种方法都需要在较窄的带宽内工作。因此，近年来人们提出一种平面棋盘状超表面结构（planar chessboard-like metasurface）来实现宽带的RCS减弱，特别是基于编码超表面（coding metasurface）或数字超表面（digital metasurface）的概念已经达到了较宽的工作带宽。最近，来自中国传媒大学的李增瑞教授课题组、内布拉斯加大学林肯分校的Yaoqing (Lamar) Yang教授、电磁散射重点实验室的殷红成研究员和北京交通大学的王均宏教授提出了一种新型的非均匀分层编码超材料瓦片（metamaterial tile），可以用来实现超宽带的RCS降低和电磁波漫散射（diffuse scattering）。

超材料瓦片由两种不同层厚的方形环基元（unit cell）组成，两个基元之间在一个超宽频段范围内实现了180°（±37°）的反射相位差；由于基元之间的相位抵消，超材料瓦具有偏离法线方向的四个强波瓣（strong lobes）的散射图案。超材料瓦片及其90度旋转可以被编码为覆盖物体的'0'和'1'元素，并且可以通过优化相位分布的手段来实现漫散射模式，从而实现单体和双静态RCS的同时减少。超材料瓦片在法向入射时可实现从6.2GHz至25.7GHz宽谱范围内的-10dB RCS降低，比例带宽（ratio bandwidth）为4.15：1，该测量结果和模拟结果非常吻合，展现出超材料瓦片在电磁隐身和其他微波应用的巨大潜力。该研究结果发表在最近的《Scientific Reports》上。

文章链接：Jianxun Su, Huan He, Zengrui Li, Yaoqing (Lamar) Yang, Hongcheng Yin & Junhong Wang, Uneven-Layered Coding Metamaterial Tile for Ultra-wideband RCS Reduction and Diffuse Scattering, Scientific Reports volume 8, Article number: 8182 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26386-5.

7、超表面辅助的轨道角动量“贝塞尔-高斯激光器”：研究方案和理论模拟

描述光束“相位扭曲”（“phase twist” or helical phase front）的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）研究在光学调控和光通信等领域中的潜在应用，近年来获得了越来越多的关注，其中最有希望实现的是在自由空间、光纤或水下光通信中的OAM应用。因此，如何产生具有OAM特性的激光束显得尤为重要。

“贝塞尔-高斯光束”（Bessel-Gaussian beam）携带典型的OAM特性，能够在束腰半径限定的距离上保存近乎完美的电场分布特性，具有较好的实际应用价值。然而，由轴棱锥产生贝塞尔-高斯光束的方法总是存在轴向不均匀性和元器件制造方面的挑战。最近，来自华中科技大学的王健教授提出了基于的超表面辅助（metasurface-assisted）的OAM贝塞尔-高斯激光器。该激光器可以被看作是由一个部分透明的输出平面镜和另一个超表面反射镜（metasurface-based reflector mirror）构成的法布里-珀罗腔（Fabry-Perot cavity），以Nd：YVO4作为1064 nm激光的增益介质，并使用808 nm激光器作为泵浦。超表面的亚波长结构有利于灵活的空间光操纵，其紧凑的结构则提供了锥镜和球面镜的组合相位函数。通过选择适当输出镜的尺寸和激光腔内组件，可实现带有OAM、不同阶数的贝塞尔-高斯激射模式。模拟结果表明该激光器具有良好OAM性能，在OAM相关的通信和其他光学应用展现出了极大的应用价值。相关工作发表在近期的《Scientific Reports》上。

文章链接：Nan Zhou & Jian Wang, Metasurface-assisted orbital angular momentum carrying Bessel-Gaussian Laser: proposal and simulation, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 8038 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26361-0.

8、由3D打印PETG预制棒制成的中红外中空内芯微结构光纤

中红外（Mid-infrared）光纤长期以来以其在安全、生物和化学传感等方面的广泛应用，引起了科研人员的极大兴趣。传统意义上，这类光纤的制备研究主要集中在中红外波段吸收率低的材料，如硫族化合物，然而这些材料往往难以控制并且通常含有高毒性元素。最近，来自英国南安普顿大学和巴西坎皮纳斯州立大学的研究人员向我们演示了在中红外波段具有光学导波特性的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）空心光纤（HCF），通过使用商业的3D打印技术制造具有特定结构的塑料预制棒，然后使用常规的光纤拉伸装置进行拉制，成功制备出外径为466μm、中空直径为225μm的PETG中空内芯微结构光纤，在3.5-5μm波长范围内实现了良好的光学导波效果。相关研究发表在最新一期的《Scientific Reports》上。

文章链接：Wanvisa Talataisong, Rand Ismaeel, Thiago H. R. Marques, Seyedmohammad Abokhamis Mousavi, Martynas Beresna, M. A. Gouveia, Seyed Reza Sandoghchi, Timothy Lee, Cristiano M. B. Cordeiro & Gilberto Brambilla, Mid-IR Hollow-core microstructured fiber drawn from a 3D printed PETG preform, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 8113 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26561-8.

9、可用于微观和宏观3D打印结构的“减材”光刻胶平台

如何通过快速、简单的方法去除多余的打印结构，实现高精度、复杂的几何形状，对于3D打印技术具有十分重要的意义。尽管3D打印技术已经比较成熟，但目前微尺度上复杂结构的制造仍然受多步骤工艺的严格限制。最近，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和澳大利亚昆士兰大学的研究团队报道了一种“减材”光刻胶平台（subtractive photoresist platform），可分别通过激光直写技术（direct laser writing）和立体光刻技术（stereolithography），来实现微观和宏观三维结构的打印成形，其所有使用的抗蚀剂组分都易于获取和替代，人们可以快速地调整抗蚀剂的性能。研究表明，无论是微观结构还是宏观结构，这项技术都可以轻松地将其去除，而不会影响标准光刻胶的打印结构。值得注意的是，研究人员通过在微观尺度上打印具有飞行特征（flying feature）的复杂3D对象，成功验证了这一光刻胶平台在解决这类悬空结构打印问题方面的独特之处。该研究结果发表在近期的《Advanced Functional Materials》。

文章链接：Markus M. Zieger, Patrick Müller, Eva Blasco, Charlotte Petit, Vincent Hahn, Lukas Michalek, Hatice Mutlu, Martin Wegener, Christopher Barner‐Kowollik, A Subtractive Photoresist Platform for Micro‐ and Macroscopic 3D Printed Structures, First published: 22 May 2018 https://doi.org/10.1002/adfm.201801405.

作者：颜学俊

排版： Jane周