超材料前沿研究”一周精选 2019年3月4日-3月10日- 大数跨境

超材料前沿研究”一周精选 2019年3月4日-3月10日

两江科技评论

2019-03-11

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及Mach-Zehnder调制器、拓扑增强谐波、“彩虹”超材料中的能带展宽、增益介导的超材料中的异常共振、第二类外尔半金属中的非线性光电响应、准周

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及Mach-Zehnder调制器、拓扑增强谐波、“彩虹”超材料中的能带展宽、增益介导的超材料中的异常共振、第二类外尔半金属中的非线性光电响应、准周期声波导中拓扑边界模的观测、人造复眼技术和石墨烯等离激元用于气体识别等，敬请关注！

索引

1、基于混合硅和铌酸锂的高速率Mach-Zehnder调制器

2、非线性传输线路超材料中拓扑增强谐波的产生

3、APL：“彩虹”超材料中的无序排列带来的能带展宽

4、增益介导的超材料中的异常共振

5、第二类外尔半金属中的非线性光电响应

6、PRL：准周期声波导中拓扑边界模的观测

7、基于蓝宝石衬底快速雕刻人造复眼技术

8、石墨烯等离激元用于气体识别

1、基于混合硅和铌酸锂的高速率Mach-Zehnder调制器

当今时代是一个信息爆炸的时代，全球数据流量在过去三十年中持续增长。信息的快速增长对于各级光网络中的收发器提出了越来越高的要求。如何在降低能耗和成本的同时，提高数据传输和调制的速率，是现今光通讯领域面临的严峻挑战。为了应对这一挑战，基于绝缘体上硅（SOI）平台上的硅光子学已经成为人们研究的热点。得益于COMS技术的成熟，晶圆厂能够低成本、大批量的生产光子集成电路，因而硅光子学领域成为低成本、高速率信息传输技术的核心领域。

光调制器是光通信链路的核心部件，是电域到光域信息编码的关键部件。理想情况下，它应具有低损耗，低驱动电压，大带宽，高线性度，紧凑的占位面积和低制造成本。但是硅中的光调制主要依赖于自由载流子色散效应，而自由载流子色散本质上是吸收性的和非线性的，这会降低光调制幅度（OMA），并且当使用高级调制格式时可能导致信号失真。因而，现阶段光调制器的技术难以同时满足这些标准。

近日，来自中山大学的Xinlun Cai教授及其联合研究团队，基于硅和铌酸锂混合集成平台，展示了同时满足这些标准的Mach-Zehnder调制器。该器件的插入损耗为2.5 dB，单驱动推拉操作的电压长度乘积为2.2 V cm，线性度高，电光带宽至少为70 GHz，调制速率高达112 Gbit s^-1 。这种高性能调制器的实现主要得益于高对比度铌酸锂波导与紧凑的低损耗硅电路的无缝集成。这种混合平台实现了有源和无源组件的“无缝衔接”，为未来的高速、节能和经济高效的光通信网络开辟了新的途径。

文章链接: M. He, M. Xu,Y. Ren, J. Jian, Z. Ruan, Y. Xu, S. Gao, S. Sun, X. Wen, L. Zhou, L. Liu, C.Guo, H. Chen, S. Yu, L. Liu, and X. Cai, High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbits−1 and beyond, Nat. Photon (2019)

DOI: 10.1038/s41566-019-0378-6.

2、非线性传输线路超材料中拓扑增强谐波的产生

——基于左手非线性传输线的非线性SSH链的实现，其拓扑边界态可诱发高效的谐波产生。

拓扑边界态（Topological edge states）最早发现于凝聚态物理领域。最近，电子LC电路已经成为实现这些标志性现象的非常有前景的方法。非线性传输线（nonlinear transmission lines, NLTLs）是用于参量放大和脉冲生成的非线性电子电路，并且已知左手NLTLs在抑制冲击波形成的同时支持增强的谐波产生。以前的研究主要集中在非线性引起的基谐波中的局域自相互作用，近期，来自新加坡南洋理工大学的研究团队设计了一种电子电路，实现了基于左手非线性NLTLs的非线性Su-Schrieffer-Heeger（SSH）链的实现，其中拓扑边界态诱发了高效的谐波产生。该电路的一个重要特征是高次谐波信号在调制一次谐波模式中的决定性作用。它们可以驱动整个晶格，而不仅仅是边缘，深入到一次谐波频率的非平庸态。实验表明，一次谐波的拓扑边界模式可以产生强传播的高次谐波信号，充当非局域交叉相位非线性。实验测得三次谐波信号最大强度是传统左手NLTL的五倍，而拓扑非平庸和平庸基阵之间的强度差异为250倍。这项工作推进了对非线性拓扑状态的基础理解，并可能应用于紧凑型电子频率发生器。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：You Wang, Li-Jun Lang, Ching Hua Lee, et al. Topologically enhanced harmonic generation in a nonlinear transmission line metamaterial,Nature Communications, 10: 1102 (2019).

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08966-9

3、APL：“彩虹”超材料中的无序排列带来的能带展宽

由于特殊的中尺度结构，超材料能够在亚波长范围内操纵波的传播。这些控制通常是通过均匀排列的共振腔阵列实现的，但也有一些特殊的应用要求具有不同光谱特性的非均匀排列的共振腔群，这引发了对共振腔排布方式的思考。近日，来自明尼苏达大学的Paolo Celli教授等和加州理工学院的Behrooz Yousefzadeh教授等在《Applied Physics Letters》发表文章，介绍了一种通过改变共振腔空间排布从而控制其带隙的方法。作者从非均匀共振腔群出发，研究了共振腔空间排列对带隙宽度的影响。共振腔是由杆和套在杆上的圆锥组成，通过改变圆锥的位置，可以得到六种不同的共振腔。作者研究了三种不同共振腔排列模式，分别是均一排列的共振腔、梯度排列的共振腔和完全随机排列的共振腔，来研究其振动传递谱图。实验结果显示，梯度排列的共振腔带隙明显比均一排列更宽，而随机排列的共振腔有着最大最深的带隙。所以，作者得出的结论是，随机排列的共振腔能够在更大的频率范围内引起波的衰减，但这是以衰减幅值为代价的，越大的带隙，衰减的幅值越小。除了实验，作者还通过有限元模拟的方式证明了实验结果的鲁棒性，并研究了不同结构参数对带隙宽度的影响。

文章链接：Paolo Celli, Behrooz Yousefzadeh, Chiara Daraio,and Stefano Gonella, Bandgap widening by disorder in rainbow metamaterials,Appl. Phys. Lett. 114, 091903 (2019)

4、增益介导的超材料中的异常共振

纳米光子学在过去二十年的进步让我们可以通过控制光的一些相反特征以及其作用介质来操纵光波的运动状态，如电学和磁学内的响应，损耗和增益等，这些研究导致了一些光学科学的新分支比如超材料和PT对称性，让人们可以想象如何充分利用已经广泛应用于电子电路的金属和半导体。近日，来自南开大学的Jing Chen课题组通过研究具有适当增益的杂化超材料对光场的散射，预测耦合的“暗“，”明“模式的超分子在相互作用矩阵中的偶然实数本征值奇异点（Exception point），会产生高Q因子的共振，并在三维的有限元模拟中实现了该现象，明显可以看到在频率为199.98THz，折射率虚部-7.2157时候光场振幅极高，并讨论了这种奇异点与其他共振系统如时间对称系统的散射或传递矩阵的谱奇异性以及连续体中的束缚态的区别，这种奇异点的非厄米性质可以用于某些非线性的应用中。相关研究发表在近期的Optic Express期刊上。

文章链接：Zhang, Y.-R., et al. (2019). "Exceptional singular resonance in gain mediated metamaterials." Optics Express 27(5).

https://doi.org/10.1364/OE.27.006240

5、第二类外尔半金属中的非线性光电响应

对体块材料中拓扑效应的实验观测一直是一个引人注目的领域。在长久的研究过程中人们已颇有建树，然而对k空间中外尔点单极子的直接实验观测一直是一个空白。近日，来自北京大学的Dong Sun团队及其合作者利用偏振分辨的扫描光电流测量方法对第二类外尔半金属TaIrTe₄的光电响应进行了表征。通过光电响应强度的测量，TaIrTe₄中的奇异拓扑性质得以揭示，这与贝里曲率的发散有关。实验中发现在4μm线偏振光激发下，TaIrTe₄由于三阶非线性光响应将产生130.2mA W^-1的巨大光响应强度，已接近商用低温探测器的性能。此外，循环极化电流响应在4μm激发处增强，可能是由于相同的贝里曲率导致奇异性增强。这一工作利用新的表征手段，使用线偏转光对材料进行表征，为外尔费米子手性极化的研究与调控提供了新的思路。相关成果发表在近期出版的《Nature Materials》杂志上。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-019-0296-5

TaIrTe₄的能带结构与实验系统示意图

TaIrTe₄中的非线性光电响应及其各向异性

TaIrTe₄中的循环光电响应

6、PRL：准周期声波导中拓扑边界模的观测

基于拓扑概念的思想已经彻底改变了凝聚态物理领域，并导致了拓扑绝缘体和超导体的发现。声学系统在过去已经成功地用于生成拓扑边界模式，但是现有报道的声学共振结构一般是通过薄桥连接，并密封在声学腔内，他们具有独立的共振模式。这些声学结构不透气的特点阻碍了系统本身的应用，毕竟大多数情况下声学结构是在一个开放的环境下使用。

近期来自美国新泽西理工学院（New Jersey Institute of Technology）的研究人员提出了一种，在不阻碍气流的情况下对声波波导的壁进行结构设计来生成边缘和界面的拓扑模式。文章以“Observation of Topological Edge Modes in a Quasiperiodic Acoustic Waveguide”为题发表在PRL上。

上图：波导管的结构设计。

左图：拓扑边缘谱：（a）理论预测针对相位参数的频谱，证明手性带的存在。红色（蓝色）标记与波导管的左（右）边缘。（b）实验证实了手性带的存在。（c）体谱测量值，给出了体带隙的边界位置。

右图：（a）拓扑边界模式。边界模式的空间分布通过扬声器和麦克风扫场得到。（b）拓扑界面模式也在Comsol中模拟得到。红色、蓝色和绿色分别代表高，低压和零压力变化

文章链接：Observation of Topological Edge Modes in a Quasiperiodic Acoustic Waveguide

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.095501

7、基于蓝宝石衬底快速雕刻人造复眼技术

昆虫的天然复眼(如果蝇、蝴蝶、蜻蜓等)具有出色的无畸变的成像特性，同时具有视野广(FOV)和能够快速移动侦察的特点，复眼是由数千个直径为数十微米紧密排列的微球阵列组成。其“单眼”的均匀性和平滑度对复眼光学性能起着至关重要的作用。受天然复眼的启发，具有这些特性的人造复眼由于其在军事领域(导弹制导和雷达探测)，工业领域（显微摄影、机器人视觉），及临床医学(内窥镜)的潜在应用一直备受关注。虽然光刻技术可以灵活制备各种各样的二维平面微透镜阵列，但很难制作出立体的(3D)弯曲复眼。目前，虽然飞秒激光加工被证实可以用来制备复杂的三维结构上材料，但他们所选的材料是在一些苛刻条件下（如高温高压）易发生变形的高分子材料，

相比之下，由于具备高热稳定性和机械稳定性的特点，玻璃人工复眼在广视角（FOV）成像和快速移动监测中具有很大的潜在应用价值。但是，快速制造大面积，高度集成，均匀的三维（3D）玻璃复眼仍然具有很大的挑战。近日，清华大学的Hong-Bo Sun课题组和吉林大学的Qi-Dai Chen课题组合作，报道了一种干蚀刻辅助的飞秒激光器加工（DE-FsLM）技术，该技术可以从弯曲的蓝宝石衬底上直接刻蚀出厘米尺寸的凹形复眼，与直接激光剥蚀相比，效率提高了两个数量级。蓝宝石凹面复眼具有较高的硬度和热稳定性，可作为K9玻璃凸面复眼的高温硬铸模板。复制出的cm²尺寸的全玻璃复眼由球形超近摄物镜（直径1 cm，高2.3 mm）和超过190 000个密堆的“单眼”（直径约20 μm，高1.5 μm）组成。该复眼具有高广角（高达90°）的成像和聚焦的光学特性。研究结果表明DE-FsLM和铸造复制技术将会为硬质材料的微/纳米加工带来了新的机遇。相关研究工作发表在《Advanced functional materials》上。

微透镜的制备和表征

复眼的制备和形貌

文章链接：Xue-Qing Liu, Shuang-Ning Yang, Lei Yu,et al.Rapid Engraving of Artifcial Compound Eyes from Curved Sapphire Substrate.(2019).https://doi.org/10.1002/adfm.201900037.

8、石墨烯等离激元用于气体识别

无标记气体分子的识别技术在如半导体行业中的高质量芯片制造，爆炸检测，医学诊断等领域中扮演者非常重要的角色。例如，对医学诊断来说，患者呼吸中的NO含量通常与慢性阻塞性肺病有关，而异丙醇、氨的含量通常分别与肺癌和肾衰竭有关。近年来，利用纳米材料将电子器件的灵敏度提高到了单分子水平。此外，还利用等离激元折射率感应气体分子同样也达到了非常高的灵敏度。然而，微量气体的识别一直受到根本性的阻碍。这是主要是由于这些器件进行检测时(例如，电导率或共振波长的差异)没有直接与气体分子的结构关联起来，因此，这些方法无法识别无标记的气体分子。

近日，阿尔托大学的Zhipei Sun课题组研究人员报道了一种用石墨烯等离激元探测气体分子的旋转—振动模式，从而实现对SO₂、NO₂、N₂O和NO气体的无标记检测的方法。该检测到的信号对应于吸附在石墨烯表面上气体分子层每平方微米的浓度为800 zeptomole，可能是由石墨烯等离激元的强场限域和石墨烯纳米带上气体分子的高物理吸附共同所带来的结果。研究人员进一步研究了该石墨烯等离激元器件的响应时间（<1 min），这使得实时监测气体的化学反应成为可能。该研究发现为多种领域开辟了新的应用途径，包括呼吸诊断和挥发性有机化合物的监测。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。