“超材料前沿研究”一周精选 [2018.7.30-8.5]

1、宇称-时间PT对称性引起的电磁杂质免疫

杂质通常在改变材料的整体性质和传输行为方面起着重要作用。例如，掺杂（doping）在半导体工艺中至关重要，往往直接决定了半导体材料的电学特性。然而，对杂质免疫（impurity immunity）的完美传输行为最近引起了物理学界的极大关注，这一现象有可能成为电子元器件能量损耗和发热问题的根本解决方案。目前，无论是对于电子、光子还是声子学体系来说，杂质的免疫现象几乎都是在在拓扑绝缘体的表面或边界处发生的，这主要是基于不同材料的能带拓扑特性考虑的。最近，来自南京大学的赖耘教授和香港科技大学的Jensen Li教授打破了这一限制，在体波（bulk wave）内部同样发现了对杂质免疫的现象，并且通过理论计算表明：无论嵌入的杂质如何，几乎任何形状的任何材料都可以实现稳健（robust）的完美传输（perfect transmission）。这种杂质免疫的特殊性质是在具有宇称-时间对称性（parity-time symmetry）的系统中实现的，主要是由一对具有损耗和增益特性的超表面（metasurface）与任意厚度的超材料（metamaterial）组成的“三明治结构”。当超材料的等效介电常数（permittivity）接近零时，两个奇异点（exceptional point）的互补解（complementary solution）合并为一个，此时掺杂所导致的散射效应被会被抑制，因此无论嵌入何种杂质都能实现完美的透射传输。这里的工作为杂质免疫的相关研究提供了一种新的物理机制，即使用奇异点来消除体块介质中的杂质散射，实现了体波中的理想电磁杂质免疫，这将为启发和实现一般杂质的免疫行为提供新的研究新思路。相关研究发表在近期的《Physical Review X》上。

文章链接：Jie Luo,Jensen Li, and Yun Lai, Electromagnetic Impurity-Immunity Induced by Parity-Time Symmetry, Phys. Rev. X 8, 031035 – Published 3 August 2018.

2、具有交替增益和损耗原子体系中的“宇称-时间对称”光学晶格

由于光学中的傍轴波传播方程（paraxial wave propagation equation）与量子力学中的薛定谔方程在形式上是等价的，在将宇称-时间（Parity-Time, PT）对称性的概念引入光学之后的十年中，具有实本征值的非厄密哈密顿量（non‐Hermitian Hamiltonian）的相关研究已经取得了显著的进展。这种等价性通过对折射率实部和虚部分别以偶数和奇数对称方式的空间排列，使得人们容易在光学系统中实现复数形式的PT对称性。其中，在周期性的非厄密光学晶格（optical lattice）中研究新颖的物理效应，可以为探索非厄密合成材料中的实际应用，甚至进一步构建片上光学集成器件提供新的途径。最近，来自西安交通大学的张彦鹏教授和张贻齐教授课题组，以及南京大学和美国阿肯色大学的肖敏教授课题组、华东师范大学的盛继腾教授等人，在原子媒介中构建了PT对称性的光学晶格，同时具有增益和损耗特性，其增益和损耗阵列分别由空间交替的强/弱泵浦光场所激发出的四能级N型架构产生；它不需要离散型衍射（discrete diffraction），并且可以在更宽松的操作条件下更容易地实现相关的物理效应。此外，该系统可以独立地修改增益和损耗系数，并可通过测量两个相邻增益和损耗通道之间的相位差来研究系统的动态行为。这里所展示的PT对称性光学晶格具有易于获取和可调节性能，在周期PT对称性势能的实际应用中具有明显的优势。相关研究发表在近期的《Laser &Photonics Reviews》上。

文章链接：Z. Zhang, L.Yang, J. Feng, J. Sheng, Y. Zhang, Y. Zhang, M. Xiao, Parity‐Time‐Symmetric Optical Lattice with Alternating Gain and Loss Atomic Configurations, Laser &Photonics Reviews 2018, 1800155. 

3、基于谷-霍尔拓扑边界态的定向声学天线

海豚这样的水生动物可以产生宽度约为16°的定向声波束，能够在黑暗和嘈杂的环境中用来精确定位和跟踪猎物。在我们的实际生产生活中，如医疗和通信、导航和检测等领域，实现针对周围噪声信号的定向声学信号传输和接收是至关重要的。目前，大多数声学传感器和换能器主要是以广角的声波辐射形式，这对精确定位和探测人类说话声音产生了极大的限制，特别是在嘈杂会议环境下难以精确地采集重要人物的发言。最近，来自南京大学的刘晓峻教授、程营教授团队以及西班牙马德里卡洛斯三世大学的Johan Christensen教授，向我们展示了如何通过设计“拓扑声学谷传输”（topological acoustic valley transport）的波束形成机制，实现了可类比于针尖的超定向（superdirective）声波辐射和接收模式。这种声学定向特性源于外耦合（out‐coupling）的谷极化（valley‐polarized）边界态（edge states），能够在实验上实现远场声波的10°极窄波束宽度和≈10的声强增强因子（enhancement factor）。基于此，研究人员还实现了声音的抗干扰通信，通过对特定方向上的声束发射和接收控制，成功地抑制了来自其他方向的背景噪声。这种拓扑声学天线为有效控制声音的定向传输提供了新方法，在指标和功能性方面也有诸多改进，这对于声波信号的多功能应用场景是非常需要的。相关文章发表在近期的《Advanced Materials》上。

文章链接：Z. Zhang, Y.Tian, Y. Wang, S. Gao, Y. Cheng, X. Liu, J. Christensen, Directional Acoustic Antennas Based on Valley‐Hall Topological Insulators, Adv. Mater. 2018,1803229. https://doi.org/10.1002/adma.201803229.

4、赝自旋-谷耦合的光子拓扑边界态

最近，拓扑（Topology）的概念进入了光子学领域，从磁光子晶体到硅基环型谐振器和波导阵列，电磁波谱涵盖了微波到可见光范畴，实现了稳健的光学波导以及光子的量子纠缠等诸多新颖现象。其中，在光子拓扑绝缘体（Photonic Topological Insulator）系统中，可以通过设计的赝自旋（Pseudo-spin）和谷的自由度，提供新一代的光学编码和稳健信号传输的潜在方法。最近，来自纽约市立大学的Azriel Z. Genack教授和Alexander B.Khanikaev副教授课题组，在谷光子晶体（valley photonic crystal）和模拟量子自旋霍尔效应的超晶体（metacrystal）之间的界面处，发现了一个具有弹道传输特性的边界态（ballistic edge state），并且其“自旋-谷指数”（spin–valley indices）与光波的传播方向锁定、具有散射抑制作用。通过理论计算和实验测量，研究人员证明了在由不同自旋-谷Chern数的光子拓扑绝缘体之间形成的Y界面处，存在谷间散射作用（inter-valley scattering）的散射抑制效应。这里的研究结果为利用谷自由度特征来控制光信号的传播方向开辟了新的实现途径。相关研究结果发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Yuhao Kang,Xiang Ni, Xiaojun Cheng, Alexander B. Khanikaev & Azriel Z. Genack, Pseudo-spin–valley coupled edge states in a photonic topological insulator, Nature Communications9, Article number: 3029 (2018).

5、基于局域等离子体结构照明显微镜的高时空分辨率成像

实时观测细胞的信号通路、免疫反应、细胞周期和粘附过程中的表面事件、以及活细胞内蛋白质和钙离子的运动，对于了解细胞动力学、生化活动以及对内部和外部刺激的反应至关重要。这其中，包括结构照明显微镜（Structured Illumination Microscopy, SIM）在内的诸多显微表征手段为我们提供了亚波长分辨率的高质量细胞成像。然而，每一种技术往往需要在分辨率、成像速度、光功率密度和系统复杂性之间进行权衡，这限制了相关技术的实际应用。最近，来自美国加州大学圣迭戈分校的刘兆伟教授课题组和加州大学伯克利分校的张翔教授课题组合作，研制出了一种基于局域等离子体（localized plasmonic）增强效应的结构照明显微镜LPSIM，可以提供具有低光毒性（phototoxicity）和高速检测能力的多色谱、宽视场超分辨率成像。LPSIM利用纳米级等离子体天线阵列提供一系列超出传统衍射极限的可调谐照明模式，可将成像分辨力提升至几十纳米。在实验中，研究人员通过低光照功率强度下的成像微管动力学（imaging microtubule dynamics），以视频刷新的高速率（最高可达800Hz）展示了具有50nm空间分辨率的宽视场LPSIM纳米成像。该系统设计只需要通过常规的生物样品制备方法，就可以实时观测细胞和组织的表面效应，并且可以扩展到更高的分辨率，是一种表征活细胞中的蛋白质动力学和相互作用成像的极佳技术。相关文章发表在近期的《ACS Nano》上。

文章链接：Anna Bezryadina, Junxiang Zhao, Yang Xia, Xiang Zhang, and Zhaowei Liu, High Spatiotemporal Resolution Imaging with Localized Plasmonic Structured Illumination Microscopy, ACS Nano Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b03477.

6、基于光谱选择性波导的透射型硅基光子滤光器

在许多光学系统中，往往都需要具有锐利滚降特性（roll-off）的宽带滤光片，以便在宽光谱范围内能够实现光波的有效分裂或组合。虽然自由空间中的二向色镜（dichroic filter）具有良好的滤光性能，但在片上集成（on-chip integration）的光子学应用中，高性能集成滤光片却相对不够成熟，而它对于多倍频程干涉测量、光谱学和宽带波分复用等方面有着至关重要的应用。近日，来自美国麻省理工学院、哈佛大学、Analog Photonics公司、土耳其Koc大学以及英国剑桥大学组成的研究团队，利用光谱选择性的集成光波导器件，设计并制备出了透射型1×2端口的二向色滤光器（dichroic filter）。在他们所研制的滤光器中，基于绝热转变（adiabatic transition）的模式演变（mode evolution）允许单个截止和光学平顶响应（flat-top response），并且具有较低的插入损耗（insertion loss）和模拟八度宽度（octave-wide）的带宽。采用标准互补金属氧化物CMOS半导体工艺，研究人员在SOI材料上制备了截止波长约1550和2100 nm的集成型滤光器，在保持超宽带优势的同时，实现了2.82 dB nm^-1的roll-off参数，显示出极好的锐利滤波特性。这种新型的纳米光子二向色滤光片可以为片上通信、传感、成像、光学合成和显示应用带来新的实用范例。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Emir Salih Magden, Nanxi Li, Manan Raval, Christopher V. Poulton, Alfonso Ruocco, Neetesh Singh, Diedrik Vermeulen, Erich P. Ippen, Leslie A. Kolodziejski & MichaelR. Watts, Transmissive silicon photonic dichroic filters with spectrallys elective waveguides, Nature Communications 9, Article number: 3009 (2018).

7、综述：共振波导光栅的最新进展

共振波导光栅（Resonant Waveguide Gratings, RWG），也称为导模共振光栅（Guided Mode Resonant）或波导模式共振光栅（Waveguide-Mode Resonant Gratings），是一种由共振衍射单元（resonant diffractive elements）组成的介电体结构，可承载从紫外到微波频率的横向泄漏导波模式。在RWG中，研究人员研究了多种不同的光学效应，如波导耦合、滤波、聚焦、场增强，以及非线性效应、磁光克尔效应或电磁感应透明。由于其高度的光学可调性（波长、相位、极化、强度）以及丰富的制备工艺和材料，RWG已经在研究和工业中得以广泛应用：包括折射率和荧光生物传感器、太阳能电池和光电探测器、信号处理、偏振器和波片、光谱仪、有源可调谐滤波器、激光镜和光学安全功能器件等。最近，来自瑞士Muttenz中心的Benjamin Gallinet博士和苏黎世联邦理工的OlivierJ. F. Martin教授等人在《Laser & Photonics Reviews》上发表长篇综述文章，系统讨论了该领域的最新发展，包括RWG的数字建模、制备、物理机制和应用，可为相关领域的科学家和工程师提供标准的研发工具、建模和制造的参考。

文章链接：G. Quaranta,G. Basset, O. J. F. Martin, B. Gallinet, Recent Advances in Resonant Waveguide Gratings, Laser & Photonics Reviews 2018, 1800017.