“超材料前​沿研究”一周精选 [2018.7.9-7.15]

1、“超级光”的逆多普勒效应

多普勒效应（Doppler effect）作为一种众所周知的因运动引起的频移现象，是物理学中最基本的机制之一，在激光测振、卫星全球定位系统、胎儿血流测量等领域具有广泛的应用。对于传统的多普勒频移，在光源接近（远离）物体的运动过程中，物体接收到的频率比发射频率更高（更低）；而逆多普勒效应（inverse Doppler effect）正好相反，其多普勒频移的符号与传统现象相反，从直观上来说这在具有正折射率的均匀系统中是不可能实现的，它要求介质的折射率必须为负！最近，来自新加坡南洋理工大学的张柏乐（Baile Zhang）课题组和以色列理工学院的Ido Kaminer和麻省理工的Marin Soljačić教授与John D. Joannopoulos教授，打破了这一长久以来的固有观念，预测出在特定情况下，Vavilov-Cherenkov辐射锥体内存在之前尚未考虑的反常多普勒效应。从Ginzburg和Frank的经典工作中可以知道，如果光源的速度v大于其相位速度v_p，那么在Vavilov-Cherenkov锥内就存在超光速（superluminal）的正常多普勒效应。进一步发展他们的理论，研究人员发现如果v> 2v_p，将产生逆多普勒频移（inverse Doppler frequency shift），他们将其称为“超级光”（superlight）的逆多普勒效应。此外，理论研究预测：通过使用高度压缩的“极化子”（如石墨烯的等离激元），逆多普勒效应可以在空间上与其他多普勒效应分离，这可以促进实验观测工作的顺利推进。相关工作发表在近期的《Nature Physics》上。

文章链接：Xihang Shi, Xiao Lin, Ido Kaminer, Fei Gao, Zhaoju Yang, John D. Joannopoulos, Marin Soljačić & Baile Zhang, Superlight inverse Doppler effect, Nature Physics (2018).

2、次近邻耦合谐振晶格中的可重构拓扑相位

现如今，单个芯片的时钟频率已经逼近极限、难以有很大程度的提高，芯片的发热问题也是日益严重，最主要的原因是电子在导线中的传播受到强烈的散射和阻碍作用。因此，理论上损耗更小的“光子芯片”成为科学家努力的方向。然而，一旦光波导中存在杂质或缺陷，用于通信的光波还是会发生散射、产生严重的光功率衰减。近年来，拓扑光子学（topological photonics）的出现，使得界面或边界处的光信号传输可以不受到缺陷、杂质的影响，具有鲁棒的“缺陷免疫”特性。近日，来自韩国国家基础科学研究院、美国马里兰大学、新加坡南洋理工大学的科研团队提出了一个可重构的拓扑光子系统（reconfigurable topological photonic system），它是由耦合环谐振器的2D晶格组成，两个子格位的环形腔通过链环耦合，可以采用紧束缚模型（tight-binding model）精确描述。与以往的耦合环拓扑模型不同，这里的设计类似于Haldane模型是平移不变的（translationally invariant），而非平庸的拓扑是源于非零交错相位（nonzero staggered phase）的次近邻耦合（next-nearest coupling）。当子晶格对应的频率失谐时，该系统表现出平庸相和自旋Chern绝缘体相之间的拓扑相变（topological phase transition），这种拓扑相变可以通过热、电光调制器或非线性交叉相位调制来实现。这里所设计的可重构拓扑波导在片上光子路由器和光开关等方面具有潜在的应用。相关结果发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Daniel Leykam, S. Mittal, M. Hafezi, and Y. D. Chong, Reconfigurable Topological Phases in Next-Nearest-Neighbor Coupled Resonator Lattices, Phys. Rev. Lett. 121, 023901 – Published 9 July 2018.

3、超表面结构上的第二类狄拉克光子

能带的拓扑特征，例如狄拉克点（Dirac）和外尔点（Weyl node），已经引起了人们对凝聚态物理及经典波系统的极大兴趣和重新认识。在这些能带中，第二类狄拉克点是具有倾斜锥形色散的节点简并（nodal degeneracy），导致其在恒定能量平面（constant-energy plane）中具有特殊的交叉色散（crossing dispersion），这是对应的受拓扑保护的边界态或界面态的根源。最近，人们在很多电子材料中都发现了这样的节点；然而，光子系统中类似的拓扑特征仍然只是理论上的新奇发现，在实验上实现这一现象仍然具有较大的挑战性。近日，来自香港科技大学的温维佳教授、陈子亭（C.T. Chan）教授团队，以及苏州大学的侯波教授课题组，联合重庆大学的王蜀霞教授和黄映洲副教授，通过平面超表面结构（planar metasurface architecture）在实验上实现了第二类Dirac点，其中能带的退简并点受到了超表面结构下面的镜像对称性的保护。研究人员还在对称性破坏的超表面不同区域之间的边界处，发现并测量无带隙的边界模式（gapless edge mode）。这一研究结果表明，超表面结构是实现电磁体系中第二类Dirac点的简单、实用平台，它们的平面结构在空间和尺寸上相对于三维体系有着明显的优势，有利于二维拓扑光子学的推广应用。相关文章发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Chuandeng Hu, Zhenyu Li, Rui Tong, Xiaoxiao Wu, Zengzilu Xia, Li Wang, Shanshan Li, Yingzhou Huang, Shuxia Wang, Bo Hou, C. T. Chan, and Weijia Wen, Type-II Dirac Photons at Metasurfaces, Phys. Rev. Lett. 121, 024301 – Published 10 July 2018.

4、极化子拓扑绝缘体中的共振边界态切换

拓扑绝缘体（topological insulator）是在其边界上支持单向传播的边界态的独特材料或器件，这种边界态的能带受其拓扑性质的保护，即便是在无序结构中依旧能够持续存在，并且在与缺陷相互作用时不会发生反向散射（backscattering）。拓扑绝缘体最初是在量子霍尔效应的背景下研究的，现在这个概念已经成为真正的跨学科研究，并且在光学、声学、机械学以及原子实验中得到验证。在相对边界处的边界态（edge state）具有相互耦合作用的体系中，虽然相对边界处携带相反方向的电流，但是仍然存在一种物理机制，允许在相对边界处传播的拓扑激发态能够实现共振耦合（resonantly coupled）；这种机制使用对系统参数的弱周期性时间调制（temporal modulation），并且不影响系统的内部对称性和拓扑性质。近日，来自西安交通大学的张彦鹏教授以及巴塞罗那科学与技术研究所的Yaroslav V. Kartashov教授领衔的科研团队在微型腔柱结构（microcavity pillar）的截断蜂窝阵列中（truncated honeycomb array）展示了这种共振耦合机制，在外部磁场下的“自旋-轨道”耦合和塞曼劈裂（Zeeman splitting）的共同作用下，极化子（polariton）是可以成为拓扑绝缘体的。对于局域于相对边界处的拓扑态，势能的时间调制会导致系统中具有相同布洛赫动量的拓扑态之间产生周期性的切换；并且，在具有较窄带状结构和较大调制深度的系统中，相应的开关速率会得以增加，尽管它与输入边界态的布洛赫动量呈现非单调性的变化。这些研究结果有望实现基于拓扑保护态的耦合器件。相关结果发表在近期的《Laser & Photonics Reviews》上。

文章链接：Yiqi Zhang Yaroslav V. Kartashov Yanpeng Zhang Lluis Torner Dmitry V. Skryabin, Resonant Edge‐State Switching in Polariton Topological Insulators, First published: 13 July 2018. https://doi.org/10.1002/lpor.201700348.

5、基于InP的涡旋光束集成激光器

涡旋光（vortex beam）是一种携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）、具有螺旋型波前特征的光学光束，波束的相位随方位角φ而变化，其电场分量表示为E~exp（jlφ），其中l是OAM态的拓扑荷数（topological charge）。在实际应用中，OAM光可以为波分复用器件中的信息编码提供额外的自由度，适用于纳米粒子操作、光学成像和显微镜、光纤和量子通信的应用。近日，来自清华大学的罗毅教授课题组、日本东京大学的Yoshiaki Nakano教授以及中山大学的蔡鑫伦教授和余思远教授，通过在同一个InGaAsP / InP外延晶片上光学涡旋发射器与分布式反馈激光器（distributed feedback laser）的单片集成，制造出了在通信波段下工作的电泵浦集成OAM发射器。研究人员采用单步干蚀刻工艺，完成了OAM发射器制备，并配备专门设计的顶部光栅。在实验上，他们捕获了由集成器件发射出的涡旋光束，并系统表征了OAM模式的纯度。在这里，集成的OAM发射器消除了基于硅或硅绝缘体的传统OAM发射器所需的外部激光器，因此在通信系统和量子领域中具有巨大的应用潜力。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Juan Zhang, Changzheng Sun, Bing Xiong, Jian Wang, Zhibiao Hao, Lai Wang, Yanjun Han, Hongtao Li, Yi Luo, Yi Xiao, Chuanqing Yu, Takuo Tanemura, Yoshiaki Nakano, Shimao Li, Xinlun Cai & Siyuan Yu, An InP-based vortex beam emitter with monolithically integrated laser, Nature Communications 9, Article number: 2652 (2018).

6、具有嵌入式超表面结构的超薄、多色彩光学腔

光学超表面（Metasurface）结构通过设计纳米结构天线的平面阵列，能够引起光波相位或偏振方向的变化，从而实现了控制光波的新范式。直观来说，途经超表面传播的光子的动量、角动量或自旋状态是可以被人为“处理”的；这有时会“违反”Snell定律，但是基于此设计已经实现了全新的平面光学元器件，包括光束弯曲、平面透镜、全息、波片，以及具有手征和双向各向异性的光学响应器件。最近，来自美国普渡大学的Alexander V. Kildishev教授课题组制备了一种远低于亚波长厚度的人造薄膜，向我们展示了它们在降低集成光学系统的整体尺寸方面所具备的无与伦比的能力。研究人员提出了一种在光学腔内嵌入超表面的方法，用以大幅缩小光学器件的厚度。通过对Fabry-Pérot干涉测量原理的修饰，该方法被证明是可以将基于超表面的纳米腔的厚度减小到λ/(2n)这一传统理论最小值以下。此外，具有嵌入式超表面的纳米腔可以在多个波段支持独立可调谐的光学共振模式；作为概念性验证，研究人员使用100纳米大小的超表面纳米腔，通过实验验证其极高空间分辨率的滤光和光谱成像。这里所提出的方法可以进一步推广到紧凑型集成光学系统芯片，如VCSEL、高分辨率空间光调制器、成像光谱系统和生物传感器等。相关研究成果发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Amr M. Shaltout, Jongbum Kim, Alexandra Boltasseva, Vladimir M. Shalaev & Alexander V. Kildishev, Ultrathin and multicolour optical cavities with embedded metasurfaces, Nature Communications 9, Article number: 2673 (2018).

7、NC综述：二维半导体在“光-物质”强耦合作用中的应用

作为一种典型的二维半导体材料，过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenide）的光学性质广泛地受到激子（exciton）、库仑力束缚的“电子-空穴对”的支配作用。这些准粒子表现出巨大的振荡强度，并能产生出窄带、效应显著的光学跃迁，可以很容易地与光学微腔和等离激元纳米结构中的电磁场发生共振。由于单层的原子薄度和鲁棒性（robustness），它们可以在范德瓦尔斯异质结构中的实现集成，为更好地调制“光-物质”的强耦合作用提供了机会。近日，来自德国维尔茨堡大学、俄罗斯Ioffe研究所、德国雷根斯堡大学、英国圣安德鲁斯大学和法国图卢兹大学的研究人员组成的研究团队在《Nature Communications》上发表了综述文章，系统回顾了这一新兴领域的初步成果，并概述了未来的机遇和挑战。这将有助于实现超快速光开关、光子路由和其他光电子器件，甚至可能用于信息处理的“光-物质”强耦合作用相关的应用中。

文章链接：Christian Schneider, Mikhail M. Glazov, Tobias Korn, Sven Höfling & Bernhard Urbaszek, Two-dimensional semiconductors in the regime of strong light-matter coupling, Nature Communications 9, Article number: 2695 (2018).

8、超导量子电路与声子晶体缺陷腔的耦合

在传统的通信系统中，执行微波信号处理的紧凑型设备无处不在；而新兴的量子技术使用了微波频段的光子、声子（Phonons）对信息进行存储和传递，这在未来的紧凑型高速通信中（例如5G通信）有可能发挥重要的作用。这其中，能够对声子进行精准控制的声子晶体（phononic crystal）是实现量子声学（quantum acoustics）最有希望的途径之一。最近，来自美国斯坦福大学的Amir Safavi-Naeini课题组的研究人员第一次将超导电路耦合到声子晶体纳米微腔，为多功能、集成化的量子信息处理开辟了新途径。他们利用纳米微加工技术，将声子晶体图案制备到铌酸锂（LiNbO₃）薄膜上，形成了能够“捕获”6GHz声波的声子缺陷模式。由于铌酸锂是强压电材料，器件所捕获的声波产生了振荡电场，再通过使用超导共振电路（superconducting resonator circuit）来“拾取”这些小的波动，也就实现了声子和光子（即微波）之间的耦合作用。研究人员利用磁场调节超导电路中的约瑟夫森结（Josephson junction），导致超导微波谐振频率的变化，从而实现了声子和光子之间耦合作用的精确可调。铌酸锂是一种优秀的电声和纳米光子学材料，可以帮助我们开发出更为高效的“微波-光学”转换器，同时也有助于超导量子计算机开发出高度连贯、高度集成的存储元件。相关工作发表在近期的《Physical Review X》上。

文章链接：Patricio Arrangoiz-Arriola, E. Alex Wollack, Marek Pechal, Jeremy D. Witmer, Jeff T. Hill, and Amir H. Safavi-Naeini, Coupling a Superconducting Quantum Circuit to a Phononic Crystal Defect Cavity, Phys. Rev. X 8, 031007 – Published 10 July 2018.

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