“超材料前​沿研究”一周精选 [2018.6.25-7.1]

1、错位缺陷上的拓扑光捕获

拓扑绝缘体（Topological Insulator）具有非平庸的无能隙边界态（edge state），可以有效地抑制无序结构所引起的背散射（back-scattering），导致拓扑边界态比传统光学模式更加稳健（robust）。在光子学中，这种实现光捕获（light-trapping）的边界态可以作为光子集成器件中的单向波导（unidirectional waveguide）。 一般而言，二维光子系统中存在一维（1D）的拓扑边界态，但却很难在其中实现受拓扑保护的零维（0D）腔模（cavity mode）。最近，来自南京大学的蒲殷副教授、伍瑞新教授，与苏州大学的蒋建华教授课题组和加拿大多伦多大学的Sajeev John教授合作，向我们证明在被称为双拓扑结构（dual-topology）的并行波矢空间（concurrent wavevector space）和实空间（real-space）拓扑中，可能会导致较低维度的光捕获light-trapping效应。他们从理论上提出并通过微波实验研究发现，在二维光子晶体位错（dislocation）位置上所得到的光子束缚态是以Jackiw-Rebbi光孤子模式出现的，这种强约束的腔模式是稳健的、不受微扰影响。该研究揭示了一种低维拓扑光捕获机制，有可能对厄密/费厄密系统中的拓扑激光、时空对称性研究、三维光子晶体中的一维拓扑位错态、准周期光子晶体等方面有着重要的启发意义。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

本文在D维光子系统中，实现了D-2维的光学拓扑态，这对于在更低维度上实现和利用“鲁棒”的拓扑态具有重要的研究意义。

文章链接：Fei-Fei Li, Hai-Xiao Wang, Zhan Xiong, Qun Lou, Ping Chen, Rui-Xin Wu, Yin Poo, Jian-Hua Jiang & Sajeev John, Topological light-trapping on a dislocation, Nature Communications 9, Article number: 2462 (2018).

2、光的磁性“自旋-轨道”相互作用

在光与物质的相互作用中，光的磁场分量通常被认为是影响甚微、可以忽略不计的。然而，随着具有左手特性（left-hand）的超材料出现，纳米结构中的磁学响应最近受到纳米光子学领域的广泛研究，以往被忽略的光学磁场贡献得以展示：例如，实现负折射率、物质中磁性转换的控制、光学磁场成像和光频下的磁效应。近日，来自法国勃艮第大学的Thierry Grosjean教授与暨南大学的卢惠辉副教授领衔的科研团队表明：光的磁场也具有控制光表面波与光场耦合的能力。他们从理论上预测旋转磁偶极子（spinning magnetic dipole）会产生光与横向TE电场极化布洛赫表面波（Bloch surface wave）的可调单向耦合。实验表明，在一维光子晶体亚波长凹槽中，光的螺旋性（helicity）可以控制凹槽两侧激发的布洛赫表面波的功率分布，并且该现象仅由磁性光学场的螺旋性产生，揭示了光的磁性“自旋-轨道”相互作用（spin-orbit interaction）。这个工作为操作光提供了新的自由度，并为集成光学功能的开发提供了全新的机会。相关研究发表在近期的《Light: Science & Applications》上。

在考虑常规材料的光与物质相互作用时，我们往往会忽略电磁波的磁场分量的存在；而超材料独特的共振机制则能够尽可能地增强磁场分量的相互作用，从而为实现诸如“负介电常数-负磁导率”的非常规左手材料提供了可能。

文章链接：Mengjia Wang, Hongyi Zhang, Tatiana Kovalevich, Roland Salut, Myun-Sik Kim, Miguel Angel Suarez, Maria-Pilar Bernal, Hans-Peter Herzig, Huihui Lu & Thierry Grosjean, Magnetic spin–orbit interaction of light, Light: Science & Applications 7, Article number: 24 (2018).

3、无需墨水、可重复擦写的纸张——电活性形状记忆纳米光子晶体聚合物

即使可持续和可重复使用的纸张替代品（如Kindle）已经引起越来越多的使用，“纸”仍然是世界上可获得性最广泛的信息媒介。近年来，为减轻传统制浆造纸业给环境带来的沉重负担，“可擦写纸”（rewritable paper）逐渐成为人们关注的热点。最近，来自加州大学洛杉矶分校UCLA的裴启兵教授课题组和哈尔滨工业大学的冷劲松教授课题组开发了一种无需墨水、可重复擦写的纸张。该技术结合了光子晶体（photonic crystal）、形状记忆聚合物（shape memory polymer）和电活性聚合物（electroactive polymer）在纳米复合材料中的最新发展，即利用了纸张的零能量、长期数据存储介质的优点，有提供了可重复书写的额外优势。可擦写纸由嵌入双稳态电活性聚合物（BSEP）中的四氧化三铁-碳（Fe₃O₄ @ C）“核-壳”结构纳米粒子的光子晶体组成；在外界电场的驱动下，会引起纳米复合材料的z轴较大形变，从而产生明显的颜色变化。这种纳米复合材料可存储高保真彩色图像，不含油墨，在常规环境条件下储存一年以上也能保持图像的稳定，所存储的图像重写超过500次都不会降解。这一研究在长期信息显示但刷新频率较低的场合有着独到的应用，如广告牌和标签等，可为我们的生活带来极大的便利。相关的研究发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

这是一类基于光子晶体的结构取向对其光学特性产生影响的无墨纸张，其优点就是能够在不消耗能量的前提下长时间保持其显示特性，是一个很“炫酷”的工作。

文章链接：Y. Xie, Y. Meng, W. X. Wang, E. Zhang, J. S. Leng, Q. B. Pei, Bistable and Reconfigurable Photonic Crystals—Electroactive Shape Memory Polymer Nanocomposite for Ink‐Free Rewritable Paper, Adv. Funct. Mater. 2018, 1802430. https://doi.org/10.1002/adfm.201802430.

4、用于全息记录和分层表面图形化的亚微米柱状偶极分子阵列

自从1948年Gabor记录并报道了第一张全息图以来，光学全息术（optical holography）已经广泛用于数据存储、成像、光学器件和实时干涉测量等各种应用。通过捕获和存储由相干光干涉产生的图案，全息图可以同时记录光波的相位和幅度。在过去的几十年中，不同种类的材料都被用来记录全息图，包括照相材料、感光聚合物、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光热塑性材料和光折变材料等。最近，来自清华大学的王晓工教授课题组和北京航空航天大学的徐则达副教授，成功制备了偶极分子玻璃（Azo Molecular Glass）组成的周期性亚微米柱体阵列，利用偏振光照射实现了全息记录（Holographic Recording）和分层表面图形化（Hierarchical Surface Patterning）。周期性亚微米柱阵列是由光敏偶氮分子玻璃（IA-Chol）构成，是通过使用PDMS模板的软平版印刷热压方法制成。响应于叠加电波的局部振幅和偏振，通过每个亚微米柱对电磁波局部振幅和偏振的响应变形，光学全息信息就记录在了IA-Chol柱阵列上。通过对干涉光强度和偏振的调制，研究人员成功开发了具有不同分层配置的各种有序表面图案，这就为制作各种复杂表面图案（如上图中的熊猫）提供了强大的实现平台。亚微米柱阵列也可用于记录偏振全息图，其图像由衍射斑点中的参考光重建得到。相关的研究发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

在全息光学“照相”中，高质量、高分辨率的“底片”是保证成像质量的关键因素之一；这里介绍了一种基于PDMS的软模板和热压工艺，为亚微米周期性结构的大面积制备提供了一种可行性方法。

文章链接： C. E. Hsu, Z. D. Xu, X. G. Wang, Holographic Recording and Hierarchical Surface Patterning on Periodic Submicrometer Pillar Arrays of Azo Molecular Glass via Polarized Light Irradiation, Adv. Funct. Mater. 2018, 1802506. https://doi.org/10.1002/adfm.201802506.

5、可见光波长下的极高数值孔径“超透镜”

在芯片光刻和光电子行业，往往需要借助高数值孔径（Numerical Aperture，NA）的透镜和浸液以实现亚波长的超高分辨率成像。在近年来不断发展的超表面（Metasurface）实现高效的光聚焦和光束整形后，这场关于成像分辨率的较量正逐渐向超高数值孔径的光学元器件发展。到目前为止，已证明的最高数值孔径NA = 1.1，主要也是通过TiO₂超透镜（Metalens）和背浸式（back-immersion）光学系统实现。与TiO₂相比，硅的高折射率使我们能够进一步推动NA。近日，来自中山大学的李俊韬副教授课题组、汕头大学的谢向生副教授和英国约克大学的Thomas F. Krauss教授向我们展示了基于晶体硅（c-Si）在可见光范围内具有极高数值孔径和高透射率的光学超透镜。该设计采用几何相位方法，也称为Pancharatnam-Berry（P-B）相，通过使用混合优化算法（HOA）确定纳米砖结构的布局。在空气中，该超透镜具有NA = 0.98、274nm的带宽（Full Width at Half-Maximum, FWHM）和聚焦效率为67％（532nm），接近于TiO₂超透镜的性能。特别的是，该超透镜可以通过前浸入（front-immersed）浸油的方式，实现NA = 1.48的超高数值孔径，在理论上更是可以高达1.73，这是目前所知可见光范围下的数值孔径最高值。同时，该超透镜的制造过程与硅基微电子技术完全兼容，具有良好的技术扩展性；前浸入式设计有利于实现超高数值孔径显微镜以及浸入式双合透镜（doublets），从而有利于将超表面器件推向高分辨率、低成本共焦显微镜和消色差透镜等实际应用中去。相关研究成果发表在近期的《Nano Letters》上。

在芯片制造的核心工艺——光刻，采用数值孔径较大的聚焦透镜是实现10纳米亚波长尺度器件加工能力的关键之一；这里所提出的极高数值孔径超材料，也许能为这一领域的超高分辨成像和聚焦提供一些思路。

文章链接：Haowen Liang, Qiaoling Lin, Xiangsheng Xie, Qian Sun, Yin Wang, Lidan Zhou, Lin Liu, Xiangyang Yu, Jianying Zhou, Thomas F Krauss, and Juntao Li, Ultrahigh Numerical Aperture Metalens at Visible Wavelengths, Nano Letters Article ASAP, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01570.

6、基于“太阳能除冰”的超表面

在生活和生产中的很多场合，如挡风玻璃、汽车、航空、可再生能源发电和基础设施等，玻璃表面在低温下的积冰是一个困扰人们多年的难题，很有可能带来安全隐患或者降低设备的使用性能；而通过简单的电加热、化学制剂或机械清除等方法抑制或除去积冰，则会有高能耗、高成本、破坏性和环境不相容性等问题。最近，来自苏黎世联邦理工学院的科学家利用等离子体超表面材料（plasmonic metasurface）在增强光吸收方面的优势，提出采用超薄的“金属-介电”混合涂层作为被动除冰和防冰的可行方案，其唯一的热源是可再生的太阳能，可广泛应用于需要较高透明度的场合。该涂层是由电介质（二氧化钛）中的金纳米粒子包裹体组成，可在极小的纳米尺度上实现太阳能的宽带吸，并通过合理的纳米涂层工程设计，实现了介质透明度和光吸收的平衡。研究表明，这一涂层设计使其温度增加了 10°C以上，能够在结冰形成初期延迟冻结、降低冰粘附性，从而抑制了霜冻的形成（防冰）。通过精心设计等离子体超表面的结构，能够达到透明度和光吸收的平衡，实现了环境兼容、太阳能驱动的除冰和结冰抑制。相关成果发表在近期的《ACS Nano》上。

在“除冰”应用中，利用太阳能的加热升温作用，是抑制冰层生长的有效途径；基于超材料高度自由的可设计性，在需要保持视觉透明的材料中（如挡风玻璃），是否可以进一步提升红外波段的光吸收加热能力，同时降低对可见光的吸收、保持该波段的透明性呢？

文章链接：Efstratios Mitridis, Thomas M. Schutzius, Alba Sicher, Claudio U. Hail, Hadi Eghlidi, and Dimos Poulikakos, Metasurfaces Leveraging Solar Energy for Icephobicity, ACS Nano Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b02719.

7、全介质超表面的宽带光学混频器

混频器（frequency mixer）是一种通过非线性作用、使得某一频段的电磁波产生新频率的器件。在现代无线电技术和微波信号处理中，混频器是无处不在的；然而，开发光学频段的多功能混频器仍然具有挑战性：这种情况下的非线性光学作用一般较弱，同时必须满足相位匹配条件（phase-matching condition）。最近，来自美国Sandia国家实验室和德国耶拿大学的研究人员基于GaAs的电介质超表面制备了一种光学混频器，能够同时产生11个跨越紫外到近红外的新频率。 在GaAs材料中，晶体的奇/偶非线性使我们能够观察到二次谐波、三次谐波和四次谐波，和它们和频的产生（sum-frequency generation），以及双光子吸收（two-photon absorption）引起的光致发光，四波混频（four-wave mixing）和六波混频等现象。这七个非线性过程的同时发生，受到固体材料中的强非线性、增强电磁场和较宽的相位匹配要求的综合影响。这种超紧凑型的光学混频器可以在生物学、化学、传感、通信和量子光学中有着诸多应用。相关研究发表在近期的《Nature Communications》中。

一个材料中能够同时产生七个不同的光学非线性相互作用，恐怕也只有超材料独特的光局域增强能力才可以实现吧？

文章链接：Sheng Liu, Polina P. Vabishchevich, Aleksandr Vaskin, John L. Reno, Gordon A. Keeler, Michael B. Sinclair, Isabelle Staude & Igal Brener, An all-dielectric metasurface as a broadband optical frequency mixer, Nature Communications 9, Article number: 2507 (2018).

8、静态弹性力学“隐身斗篷”

“隐身斗篷”（Clocking）是《哈利·波特》系列小说中用于隐藏物体的奇幻装置。2006年左右，Pendry和Leonhardt等人介绍了基于变换光学原理的隐身超材料的设计方法，从此开启了超材料隐身在光学、声学、热学和电学等方面的应用。然而，静态力学的隐身研究却相对较少。近日，来自阿根廷利托拉尔国立大学的研究人员提出了一种设计弹性材料位移场的隐身装置的新方法。他们以期望位移场的误差为目标函数（objective function），通过求解非线性优化问题确定了隐身装置内的材料分布特性。为了便于制造，研究人员使用离散材料优化技术，将离散化的材料设计模型转换为实际连续材料。研究表明，其所设计的器件能够以有效地操控位移场，使得内部物体不影响周围弹性体介质的位移场，从而从外部将物体“隐藏”起来。相关研究工作发表在近期的《Scientific Reports》上。

对于包裹在固体内部的物体，我们常常是通过“按压”的方式来确定该物体是否存在；可一旦采用这里的“力学隐身斗篷”，我们“按压”下去后，无论是否存在该物体，所产生的位移场都是一样的，就能够做到将物体“隐身”了！

文章链接：Víctor D. Fachinotti, Ignacio Peralta & Alejandro E. Albanesi, Optimization-based design of an elastostatic cloaking device, Scientific Reports 8, Article number: 9857 (2018).

作者：颜学俊

编辑：方    轲