“超材料前沿研究”一周精选 2018年10月15日-10月28日- 大数跨境

“超材料前沿研究”一周精选 2018年10月15日-10月28日

两江科技评论

2018-10-29

导读：近期的超材料前沿研究涉及光学超表面、谷拓扑声学、声学超表面、纳米光子学的逆向设计、光子拓扑绝缘体、双曲型超材料等，可应用于宇宙学拓扑现象模拟、光学通信、片上声子器件、光学角动量探测、可重构超材料、二次

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今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及光学超表面、谷拓扑声学、声学超表面、纳米光子学的逆向设计、光子拓扑绝缘体、双曲型超材料等，拥有两篇超材料方面的重要综述文章，可应用于宇宙学拓扑现象模拟、光学通信、片上声子器件、光学角动量探测、可重构超材料、二次谐波产生和超分辨光学成像等，敬请关注！

索引

1、超表面拓扑缺陷中的确定性光子偏转和对称性破缺相变

2、应用于弹性波操纵的片上谷拓扑材料

3、Nature Reviews Materials综述：声学超表面

4、Nature Photonics综述：纳米光子学中的逆向设计

5、基于二维环形谐振器晶格的三维光子拓扑绝缘体

6、基于超薄拓扑绝缘体薄膜的纳米级光学角动量探测器

7、基于相变材料的可重构红外双曲线超表面

8、双共振胶体超表面中的二次谐波产生增强

9、基于双曲超材料的辅助照明纳米显微镜的实验证明

1、超表面拓扑缺陷中的确定性光子偏转和对称性破缺相变

——借助一种二维超表面结构，获得了具有轴向旋转对称性的各项异性变换光学芯片，模拟出一维时空拓扑缺陷: 宇宙弦

拓扑（topology）与广义相对论（general relativity）的结合可以带来一些深刻而有远见的预测。众所周知，早期宇宙中希格斯真空场（Higgs vacuum field）的对称性破缺可能引起时空拓扑缺陷（topological defects in space-time），其非平庸效应（nontrivial effect）可以为宇宙的起源提供一些线索。最近，来自南京大学祝世宁院士团队的刘辉教授和厦门大学的陈焕阳教授等人，通过使用以旋转超表面（rotational metasurface）为边界的人工波导结构，在实验上模拟了时空拓扑缺陷的非平庸效应。拓扑波导中的光子偏转（deflection）具有鲁棒的确切角度，其不依赖于入射光子的位置和动量，这与平庸空间（trivial space）中的随机光学散射明显不同。通过考虑材料损失，我们可以从光子模式的对称性破坏中很好地理解这种拓扑效应。该工作所涉及的技术提供了一个光学系统中拓扑重力的研究平台，该方法还可以进一步扩展到许多其他新颖的拓扑光子器件。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Chong Sheng,Hui Liu, Huanyang Chen & Shining Zhu, Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss, Nature Communications 9, Article number: 4271 (2018).

2、应用于弹性波操纵的片上谷拓扑材料

——采用硅基微纳加工技术制备了on chip谷拓扑结构，实现了微尺度下的弹性波缺陷免疫传播和方向操控

谷拓扑材料（Valley Topological Materials）中的电子拥有谷赝自旋（valley pseudospin）特性，最近引起了科研界越来越多的关注，其主要原因是额外的谷自由度为信息编码和处理中的应用提供了巨大的容量拓展潜力。目前，人们已经分别在用于电磁波和声波的光子和声子晶体中研究了谷赝自旋（valley pseudospin）和谷边界态（valley edge transport）的传输。最近，来自武汉大学的刘正猷教授和华南理工大学的贾永光副研究员、黄学勤教授等人通过使用微纳制造技术，在硅芯片上研制出一种谷拓扑材料，实现了弹性波体系的旋转谷态（gyral valley states）和谷边界态（valley edge transport）传输。实验研究表明，由谷拓扑保护的边界态对于不同的谷霍尔相（valley Hall phases）之间形成的弯曲和弱随机性的通道传输是鲁棒的。并且，在通道的交叉点处，谷边界态存在违反直觉的弹性波分束（partition），其分配比可以进行自由调节。这些研究结果可有助于实现片上高性能的微结构超声材料和器件。相关研究发表在近期的《Nature Materials》上。

文章链接：Mou Yan,Jiuyang Lu, Feng Li, Weiyin Deng, Xueqin Huang, Jiahong Ma & Zhengyou Liu, On-chip valley topological materials for elastic wave manipulation, Nature Materials17, pages 993–998 (2018).

3、Nature Reviews Materials综述：声学超表面

声学超表面（Acoustic Metasurfaces）的主要特征是基于声波与所设计材料之间的相互作用，是一种可按照设计路径实现对声波精准控制的紧凑型器件，其所获得的声场遵循波与物质的基本物理原理。与其前身——声学超材料（Acoustic Metamaterials）相比，声学超表面具有一定的附加价值和反常功能，而它仅有亚波长厚度的二维结构为声波操纵提供了更为紧凑的设计空间。最近，来自法国洛林大学的Badreddine Assouar以及南京大学的程建春教授、梁彬教授，KAUST的吴莹教授，同济大学的李勇研究员和北卡罗来纳州立大学景云教授在《Nature Reviews Materials》上发表长篇综述，系统地描述了超表面的基本物理原理，描述了这类材料体系的不同概念和设计策略，并讨论了它们地可控反射、透射和异常吸收（extraordinary absorption）等功能。特别地，本文还概述了声学超表面的主要设计思路，包括基于coiling-up空间、亥姆霍兹谐振器和膜式结构的声学超表面，并讨论了它们在声束聚焦（beam focusing）、非对称传输（asymmetrical transmission）和自弯曲声束（self-bending beams）等方面的应用，例如。最后，我们对这一新兴领域的未来发展方向展望。

文章链接：Badreddine Assouar, Bin Liang, Ying Wu, Yong Li, Jian-Chun Cheng & Yun Jing, Acoustic metasurfaces, Nature Reviews Materials (2018).

4、Nature Photonics综述：纳米光子学中的逆向设计

——主要内容：非线性光子学、奇异点和拓扑光子学、纳米光子学和超表面

纳米光子学中器件主要是研究具有接近或低于电磁波长范围的特征尺寸结构中的光。在以往的器件设计中，人们往往依赖于经验或直觉，而新的器件发展需要我们能够先验已知的物理效应，然后通过调整特征参数将特定特征与合适的应用相匹配，这就是所谓的“逆向设计”（Inverse Design）。这种方法有着诸多富有成效的研究结果，综合了折射率波导、带隙工程和材料共振等原理，并且已经产生了一个丰富的模板库。最近，基于所需功能特征的光学结构逆向设计算法技术，已经开始重塑纳米光子学的设计思路和研究范式。来自美国普林斯顿大学的Alejandro W. Rodriguez教授等人在《Nature Photonics》上发表长篇综述，系统地概述了光子优化这一新兴领域的关键发展历程，从对基础结果的回顾转向非线性、拓扑学、近场和片上光学等方面的潜在应用，并对该领域的未来发展进行了简要的展望。

文章链接：Sean Molesky,Zin Lin, Alexander Y. Piggott, Weiliang Jin, Jelena Vucković & Alejandro W.Rodriguez, Inverse design in nanophotonics, Nature Photonics 12, pages 659–670(2018).

5、基于二维环形谐振器晶格的三维光子拓扑绝缘体

——在2D环形谐振器阵列中，增加了频域空间的拓扑单向传输，故而称之为3D光子拓扑绝缘体

在拓扑光子学的发展历程中，实现三维光子拓扑绝缘体具有非常重要的意义，因为它使我们能够利用光子这一玻色子来探索新的拓扑物理学，并且实现能够抵抗三维缺陷的鲁棒的光子器件。以往对三维拓扑绝缘体的理论研究大多采用了非常复杂的几何形状，这对于制备工艺存在较大的挑战性。最近，来自美国斯坦福大学的范汕洄教授、张首晟教授等人将这一问题简化：在一个由环形谐振器（ring resonators）组成的二维阵列中（以前被证明是二维拓扑绝缘体相），当考虑到体系的频率维度（frequency dimension）时，它将自动变成三维拓扑绝缘体。同时，通过对部分谐振器进行调制，可以产生沿频率轴（frequency axis）方向的螺旋位错（screw dislocation），这为光子提供了一种沿频率轴方向的稳健单向传输（robust one-way transport）。该研究还解决了固体物理领域的一个重大挑战：在拓扑系统中证明螺旋位错的物理特性。他们的工作表明，三维拓扑绝缘体的物理特性可以在标准的集成光子学平台中进行探索，这就为实现控制光频率的新型器件提供了机会。相关研究发表在近期的《Science Advances》上。

文章链接：Qian Lin,Xiao-Qi Sun, Meng Xiao, Shou-Cheng Zhang, Shanhui Fan, A three-dimensional photonic topological insulator using a two-dimensional ring resonator lattice with a synthetic frequency dimension, Science Advances, 19 OCT 2018 : EAAT2774.

6、基于超薄拓扑绝缘体薄膜的纳米级光学角动量探测器

——拓扑绝缘体的拓扑表面态具有极高的电子迁移率和较低的损耗，其等离子体特性优于传统的贵金属，因而光学角动量的探测性能较高

互补金属氧化物半导体（CMOS）技术为高分辨率光学成像、传感和计量技术提供了高灵敏度的检测平台。虽然人们已经可以利用纳米光子学方法实现了对携带角动量（angular momentum）的光束的检测，但是光学角动量的计量主要局限于宏观体光学系统（bulk optics）。最近，来自澳大利亚皇家墨尔本理工RMIT大学的Min Gu教授课题组采用与CMOS工艺兼容的拓扑绝缘体Sb₂Te₃薄膜材料，利用其表面所产生的高质量的表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）模式，实现了对等离子体角动量模式的纳米级角动量计量。在厚度仅为100nm的拓扑绝缘体薄膜中，实验证实了表面等离激元模式的产生和传播，并且从紫外到可见光的宽谱范围内都能表现出优于贵金属的等离子体品质因子（figures of merit）。基于此，研究人员实现了对光学角动量的检测串扰低于-20dB。这种紧凑的高精度角动量纳米探测器为光学角动量的片上（on chip）应用开辟了新的机会，可用于高容量信息处理、超灵敏分子传感和超紧凑的多功能光电器件。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Zengji Yue,Haoran Ren, Shibiao Wei, Jiao Lin & Min Gu, Angular-momentum nanometrology in an ultrathin plasmonic topological insulator film, Nature Communications 9,Article number: 4413 (2018).

7、基于相变材料的可重构红外双曲线超表面

——构造hBN-VO₂异质结构，相变材料的VO₂金属-绝缘体转变将改变局部的介电常数，进而改变hBN的双曲声子极化子的传播特征

超表面（Metasurfaces）能够在纳米级的尺寸上控制光的传播特性，可同时适用于自由空间和表面受限的几何形状。但是，动态地改变超表面的光学属性可能是一个极大的挑战。最近，来自美国范德堡大学的J. D. Caldwell教授课题组和佐治亚大学的Y. Abate教授等人向我们展示了一种可重构的双曲线型超表面（hyperbolic metasurface），这是由相变材料二氧化钒（VO₂）单晶与六方氮化硼（hBN）直接接触形成的异质结构。VO₂中的金属和介电畴提供空间局部变化的电介质环境，能够在相变区域的边界处发射、反射和传输双曲线声子极化子（hyperbolic phonon polaritons），并且在相变过程中将hBN中传播的声子极化子的波长调整1.6倍。实验证明该系统支持平面内的双曲线声子极化子的折射，从而为一类的平面折射光学系统（planar refractive optics）提供了原型器件。该方法提供了面内声子极化子传播的可重构调控，并给出了设计双曲线型光学功能的通用框架。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：T. G. Folland,A. Fali, S. T. White, J. R. Matson, S. Liu, N. A. Aghamiri, J. H. Edgar, R. F.Haglund Jr., Y. Abate & J. D. Caldwell, Reconfigurable infrared hyperbolic metasurfaces using phase change materials, Nature Communications 9, Article number: 4371 (2018).

8、双共振胶体超表面中的二次谐波产生增强

——多个等离激元共振模式在空间上高度重合，使得局域光场增强、提高了整体的非线性效率

光子集成的一个关键挑战是能够在芯片上大规模地集成非线性光学信号处理器件或模块，如光学调制器和混频器。能够将光聚焦成纳米级尺寸的光学天线（optical antennas）可以极大地缩小器件的占地面积，同时提高这些组件的非线性效率。最近的研究报道证明了多谐振天线（multiresonant antennas）可以增强光学吸收和发射过程，能够实现纳米级的有效非线性频率转换，并且有望成为二次谐波产生（SHG）和上转换的结构。近日，来自美国加州大学圣迭戈分校的Andrea R. Tao教授和Zhaowei Liu教授等人利用自组装制造技术研制出了胶体超表面（colloidal metasurfaces）结构，并证明了其作为增强SHG的片上材料平台的能力。这些超表面结构表现出多个表面等离激元模式（multiple surface plasmon modes）在空间上的高度重叠，其频率可以通过胶体和超表面几何形状的精心设计来进行独立调制。结果表明，这些自下而上（bottom‐up）的结构在SHG效率方面可与光刻制备的非线性光学天线相媲美，表明了这些胶体超表面在集成片上结构中的应用潜力。相关研究发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

文章链接：Y. Zeng, H.Qian, M. J. Rozin, Z. Liu, A. R. Tao, Enhanced Second Harmonic Generation in Double‐Resonance Colloidal Metasurfaces, Adv. Funct. Mater. 2018, 1803019.https://doi.org/10.1002/adfm.201803019.

9、基于双曲超材料的辅助照明纳米显微镜的实验证明

——采用Ag/SiO₂多层结构制备的双曲超材料，在实验上将聚焦分辨率提升到光学衍射极限的6倍

光学超材料能够在纳米尺度上操纵光的传播特性，这超出了传统材料的固有属性。利用这种特殊性质，超材料辅助照明纳米显微镜（Metamaterial-Assisted Illumination Nanoscopy, MAIN）具有将分辨率提升到远远超出传统结构照明显微镜（structured illumination microscopy）的巨大潜力。在可应用的MAIN设计中，利用双曲线超材料（Hyperbolic Metamaterial, HMM）的强色散特性产生的超结构照明（hyperstructured illumination）是最有希望实现的方法之一，但目前也仅在理论上被研究。最近，来自美国加州大学圣迭戈分校的Zhaowei Liu教授和加州大学伯克利分校的Xiang Zhang教授课题组等人在实验上验证了超结构照明显微镜：他们通过使用低数值孔径物镜（NA = 0.5），在常见的Ag / SiO₂多层HMM体系中实现了~80nm的分辨率，实现了对光学衍射极限的6倍分辨率增强。研究还表明，通过进一步的材料优化，这一体系还可以显著地提高现有分辨率。相关研究发表在近期的《ACS Nano》上。

文章链接：Qian Ma,Haoliang Qian, Sergio Montoya, Wei Bao, Lorenzo Ferrari, Huan Hu, Emroz Khan,Yuan Wang, Eric E. Fullerton, Evgenii E. Narimanov, Xiang Zhang, and Zhaowei Liu, Experimental Demonstration of Hyperbolic Metamaterial Assisted Illumination Nanoscopy, ACS Nano Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b06026.

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