超材料前沿研究一周精选 2020年6月8日-2020年6月14日

在过去的几十年里，人工光学材料为任意控制光的行为和设计新型光子器件提供了新的可能而受到了广泛关注。目前，以其固有的几何尺度区分，这些材料包括超材料和光子晶体。对于超材料，单位元素的特征尺寸远小于工作波长，这些结构材料可以看作是均匀介质。因此，基于有效介质理论(EMT)，它们的光学性质可以用有效介电常数和磁导率张量来描述。对于光子晶体，其特征尺寸与波长相当，需要计算和分析光子带图来揭示其光学特性。今天，超材料的挑战之一是实验实现。由于其结构复杂，大多数光学超材料无法实现。这意味着在设计超材料时，相对简单且易于实现的结构是可取的。然而，简单的结构可能会导致微不足道的光学特性。这就需要探索超越传统方法的光控制新方法。

最近，来自中国上海微系统与信息技术研究所，苏州大学，厦门大学和中国科学院大学的研究人员设计并研究了一种基于简单光学超材料的新型光子界面。该界面由一个曲折的多层结构组成，通过分别顺时针和逆时针旋转多层双曲超材料(HMMs)，并将它们一起构建而获得的，称之为结构超材料(SMM)。这种看似简单的表面调制方法，虽然周期处于深亚波长区，但由于其周期依赖的光学性质既不能从均匀场的EMT中预测，也不能用能带结构图进行清晰的分析，因此实际上是极不平庸的。相反，我们发现SMMs内部的HMM/HMM接口(即超界面)的光子带结构对SMMs的光学特性起着重要的作用。此外，超界面处的光子带结构可以通过调整其几何结构和相关的HMM特征来任意调整。文章以Photonic hyperinterfaces for light manipulations为题发表在Optica上。（鲁强兵）

(a) HMMs的深亚波长银/硅多层膜结构；(b) 左：通过旋转初始HMM设计的SMM结构，右：基于EMT的旋转HMM等效为MA和MB两种均匀介质； (c) 初始HMMs有效介电常数；(d) 2英寸晶圆级锯齿形基板的图像；(e) 锯齿形图案的横截面透射电镜图像；(f)不同位置的自上而下扫描电镜图像；(g) 制备的超界面的横截面TEM图像。

文章链接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-6-687 

DOI：10.1364/OPTICA.392356 

超高品质因数(Q)微谐振器的发展，推动了谐振腔量子电动力学(QED)、高精度传感、光力学和光频率梳的产生等技术的发展。在过去的几十年里，超高Q晶体微谐振器被用作研究非线性和量子光学强有力的手段。特别是，通过自注入锁定实现激光稳定性和产生克尔光频率梳是潜在的应用，目的是实现光频率合成器和低噪声、紧凑的光子器件。通过对高Q值的微谐振腔(WGM)的注入锁定，可以将激光线宽减小到小于数百赫兹。此外，Kerr频率梳提供高光谱纯度的射频振荡器和高重复率的光脉冲序列。这些应用依赖于晶体微谐振器的高Q值。

近日，日本庆应大学Shun Fujii等人报道了Q超过10⁸的超高Q晶体微谐振器的加工制造，这是到目前为止首次报道完全由计算机控制的超精密加工实现。该机械加工方法很容易通过编程的机器运动实现分散工程和对加工器件的尺寸控制，这是通过传统的手工抛光方法所无法企及的。此外，研究人员无需后续的精细抛光即可实现超高的Q值，而抛光通常需要确保表面完整性。实验中研究人员仔细地处理切削条件和晶体各向异性，以克服较大的表面粗糙度，这也是导致以前在加工过程中低Q的主要原因。该研究结果为利用超高Q晶体微谐振器在各种光子应用中的可靠的加工制造铺平了道路。相关研究发表在《Optica》上。（丁雷）

文章链接：

Shun Fujii et al, All-precision-machining fabrication of ultrahigh-Q crystalline optical microresonators,Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.394244.

 表面波(SWs)具有很多有趣的特征，在过去二十年中受到了极大的关注。表面波可以在具有不同介电系数的两种材料的界面处被激发，并沿界面传播，同时沿垂直于界面的方向指数衰减。在光学频率上，这些波被称为表面等离子体。在不同介质的界面上应用SWs设计了许多波导。已有人通过利用导波局部强度对波片进行控制的思想，设计了用于光学信号处理系统的非线性波导。

近日，伊朗科技大学电机工程系Kazem Zafari 和 Homayoon Oraizi两人提出了一种低损耗宽频阻抗界面波导和一种宽频调制技术，将横向电磁(TEM)模式转换为在两个互补阻抗界面处形成的线波(LW)模式。在此基础上，设计了一种基于一维阻抗界面波导的超宽带Y型分流器。宽带宽、低损耗、可调谐模式约束和集成能力是一维阻抗界面波导的优点。然而，该设计可能存在两个问题。其中一个是两个平面之间的界面上可能缺乏纯LW模的激发。另一个限制是一维阻抗界面波导与传统微波波导之间的耦合效率问题。为了验证这种限制，研究人员设计了一种具有Vivaldi转变的宽带锥形槽来激励一维阻抗界面波导。此外，设计、制作并测量了由互补阻抗表面组成的Y型分流器性能。该分流器在4~16 GHz频段能正常工作，120%的带宽，插入损耗约为1 dB。上述一维阻抗界面波导的特性得到了充分的验证。因此，所提出的波导、模匹配技术和Y型分流器可用于其它微波器件的设计如集成光子学、传感、开关、可重构波导和移相器等。相关研究发表在《PhysRevApplied》上。（丁雷）

 文章链接：Kazem Zafari and Homayoon Oraizi，Surface Waveguide and Y Splitter Enabled by Complementary Impedance Surfaces. PhysRevApplied(2020). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.064025.

近年来，人们对纯传导传热下的热隐身进行了深入研究。提出了两种主要方法：变换热力学和双层理论。变换热力学导致热超材料具有相对复杂的非均质和各向异性导热系数的概念。另一方面，双层理论产生了仅依赖于天然散装材料的热斗篷设计。直到最近，强迫对流换热条件下的热隐蔽才开始引起研究人员的兴趣。与纯传导隐身不同，对流隐身还涉及流体流动。因此，在对流背景下进行遮蔽绝不能干扰背景的热场或流体动力场。这样的斗篷不仅为被掩盖的物体提供热保护，而且还提供流体动力保护（例如减阻）。有研究人员在对流条件下对隐身斗篷进行了系统的研究。证明了在多孔介质中蠕变流动的情况下，达西定律和对流-扩散能方程在坐标变换下都是形式不变的。与传导情况一样，多孔斗篷的转化渗透率和有效电导率取决于转化的雅可比行列式。数值仿真证明了该隐身斗篷的完全隐身能力。与热传导隐身的情况一样，具有所需变换特性的隐身衣的构造是一个挑战。相比之下，双层理论不依赖于转换热力学，并且在应用中要简单得多。

近日，来自台湾国立成功大学的研究小组探索了仅使用各向同性材料在强迫对流传热下实现隐身的分析解决方案。结果表明，在均匀流动和温度线性变化的背景下，圆形双层斗篷的内层由不可渗透和绝缘的材料制成，外层由具有恒定渗透率和有效电导率的多孔介质制成，具有不会干扰外部流场和温度场的性质。此外，隐蔽的区域与外部流场和温度场隔离。同时研究人员给出了多孔外层内的分析温度和速度分布，以证明这种双层的流体动力学和热隐蔽作用。最后，根据实际可获得的材料特性给出数值结果，以确认分析模型。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.064030

光物质相互作用的性质受光场和物质波函数的时空结构支配。在长波状态下没有横向相位结构的平面波的常见情况下，人们可以获得偶极子选择规则，这已成功地描述了各种线性光学现象。在金属纳米间隙中，通过倾斜辐照或陡场梯度违反了均匀相条件，已经做出了一些努力来打破选择规则并获得暗电子状态。由于低对称性，这些方法同时激发许多模式，这对于光能收集是优选的。为了选择性地激发一种特定的暗模式，已经使用了非线性光学技术，例如双光子吸收，前提是可以使用强光源。具有轨道角动量（OAM）的涡旋光束是一种新型的理想工具，用于通过线性光学吸收来选择性激发偶极子禁态。它的横向相构造使得推导了与偶极子不同的选择规则。还可以根据从光到材料的OAM跃迁来理解选择性。通过观察单个捕获离子的束缚电子中禁止偶极子从S态到D态跃迁可以清楚地证明这一点，其中电子从涡旋束中吸收了自旋角动量（SAM）和OAM。但是，由于涡旋光束的衍射极限光斑尺寸（〜1000 nm）和电子波函数的空间范围（小于几十nm）之间存在明显的尺寸失配，因此在原子系统中这种跃迁概率非常小。

具有轨道角动量（OAM）的涡旋光束的出现提供了可以诱发超出电偶极子相互作用框架的光学跃迁。正如原子系统中电子跃迁所证明的那样，其独特性源于OAM从光到材料的转移。来自日本京都大学的研究小组在报道了迄今为止在固态系统中OAM转移到电子的过程。使用超构材料（周期性织构化的金属盘）显示了太赫兹涡旋束选择性地诱导了表面电磁激发（所谓的沟槽型局部表面等离激元）的多极模式。其结果揭示了由总角动量守恒控制的选择规则，这通过数值模拟得到了证实。在室温下，将光OAM有效转移到固态系统中的元激发，这开辟了OAM操作的新可能性。相关研究发表在杂志《Science Advances》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.aay1977

近年来，基于超材料/超表面的超薄平面透镜成为纳米光学系统的重要组成部分，它具有光波阵面的独特调控能力，有着广阔的应用前景。但是，这些透镜的结构设计往往需要复杂的纳米图案和耗时的纳米加工过程。从实用的角度出发，人们迫切需要低成本的平面透镜加工工艺以及便捷的材料生长方法。

近日，来自深圳大学、斯威本科技大学和莫纳什大学的研究团队及其合作者基于无掩膜飞秒激光直写技术，在二维钙钛矿纳米片上制造了新型的平面透镜。研究人员通过衍射理论模型，系统地研究了光的振幅、相位的有效调制以及二维钙钛矿纳米片平板透镜的聚焦机理，并利用该透镜将光聚焦在0.5-0.9λ的亚波长尺度的三维焦点上。另外，二维钙钛矿的光学性质可以方便地通过离子交换或量子尺寸限制进行调整。因此，钙钛矿纳米片的可变光学性质能实现波长范围可调的聚焦。该工作为光学高分辨成像、片上纳米光子成像和传感提供了新的思路。文章于近日发表在《Advanced Materials》上。（田源）

二维钙钛矿透镜及其聚焦效应的示意图

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202001388

太赫兹波（THz）在无损探测、生物检测和医学影像等领域具有重要的应用潜力。然而，太赫兹波的波长较长（1 THz~300 μm），由于瑞利衍射极限，太赫兹成像的分辨率通常限制在毫米级，这限制了它们在许多领域中的应用。

近日，来自中国工程物理研究院流体物理研究所的研究人员及其合作者研究了一种太赫兹近场显微成像系统。研究人员基于计算鬼成像的原理，使用可重构的自选电子的THz发射器（STE）阵列来照射近场中的物体，然后计算相关性，重建出具有深亚波长分辨率的物体图像。STE是一种新型的太赫兹发射器，它基于铁磁/非磁异质结构中与自旋相关的效应，厚度仅为几纳米。实时可调控的STE近场照明是实现亚波长成像的关键。另外，相干太赫兹脉冲的飞行时间测量可以分辨不同距离或深度的物体，进一步优化的光学投影可以实现亚微米级的分辨率。

该工作促进了太赫兹近场成像的研究，有望应用至细胞成像、超精密形貌成像等领域。文章于近日发表在《Light: Science & Applications》上。（田源）

成像装置示意图

亚波长成像结果图

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0338-4

光学计量领域的高精度位置、旋转和波前传感器是光刻和高分辨率显微镜的基础。然而，要实现与未来纳米技术的完全片上集成，必须通过发展新概念来减少传感的空间占用。实现该目标的一条有希望的途径是，以基本上最小的光发射器（即偶极子）作为传感器的可控定向发射器。

近日，来自德国的Max Planck Institute for the Science of Light的研究人员通过该方案来测量外部光源和光子微芯片之间的相对位置。为了激发，紧密聚焦的径向极化光束照射到硅天线（silicon antenna）上，该硅天线被精确地放置在通过移除单行孔形成的二维光子晶体波导（PCW）六向交叉的中心。根据天线相对于激励光束的圆柱对称三维电磁场的位置，光以较高或较低的效率耦合到器件的单个波导臂中。在实验中，通过对来自远场的六个外耦合器进行成像，来检测耦合到每个臂中的光量，并且将来的设备还可将探测器直接集成其中。定向耦合的强位置依赖性使得该装置可以直接实现二维位移传感器，扩展了纳米计量工具箱。相关成果发表在《Nature communications》上。（张子栋）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16739-y

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