“超材料前​沿研究”一周精选 [2018.7.2-7.8]

1、六方氮化硼BN上的光子晶体腔

可扩展量子光子技术需要借助光子器件的片上集成（on-chip integration）工艺。最近，随着双曲型“声子-极化子”（hyperbolic phonon-polariton）和光学稳定的超亮“量子发射器”（quantum emitter）的出现，六方氮化硼（hBN）已经成为实现光子集成的一种很有前途的材料研究平台。然而，在可扩展的片上纳米光路和腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics）实验中，需要利用hBN制造出高质量的光学谐振器（optical resonator）。最近，来自澳大利亚悉尼科技大学、美国Thermo Fisher科技公司和日本NIMS的研究团队利用六方氮化硼hBN设计并制备了悬空的光子晶体腔（photonic crystal cavity），展示出超过2000的品质因子（quality factor）。随后，他们通过直写EBIE技术，在不显著降低Q因子的前提下对每个谐振腔的性质进行了迭代调谐（iterative tuning）。这一研究表明：hBN这一典型的范德瓦尔斯材料能够制成可调谐的光子晶体腔体，这对于纳米光子学的发展是一个前所未有的进步，相关的器件制备和研究方法为固态光子系统开辟了崭新的道路，可广泛应用于集成量子光子学、极化子和腔量子电动力学实验。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Sejeong Kim, Johannes E. Fröch, Joe Christian, Marcus Straw, James Bishop, Daniel Totonjian, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Milos Toth & Igor Aharonovich, Photonic crystal cavities from hexagonal boron nitride, Nature Communications 9, Article number: 2623 (2018).

2、纳米光子波导中量子点的超辐射发射

未来可扩展的光子量子信息处理依赖于将多个相互作用的量子发射器（quantum emitter）集成到单个芯片中的能力，量子点（quantum dot）是一种较为理想的片上量子光源。然而，由于其频率和位置的随机性，在片上多个量子点之间实现量子相互作用是一项具有挑战性的任务，往往需要局部调谐技术和长程量子相互作用。最近，来自韩国蔚山国家科学技术研究院UNIST和美国马里兰大学的研究团队，在纳米光子波导上（nanophotonic waveguide）展示了两个分离的量子点之间的量子相互作用。他们通过将量子点集成到纳米光子波导的相同光学模式，并结合片上热调谐器（on-chip thermal tuner）来克服光谱失配问题，从而实现了以光子作为媒介的长程相互作用。在实验上，量子相互作用是以超辐射发射（super-radiant emission）的形式被观测到的，其中两个量子点共同发射比单独量子点的速率更快。在这里，集成量子发射器所产生超辐射发射，可以实现具有长程量子相互作用的紧凑型芯片集成的光子结构。因此，这些发现十分有助于在半导体芯片上构建由多个相互作用的量子发射器组成的光子量子信息处理器（quantum information processor），即为量子计算的核心部件。 相关工作发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Je-Hyung Kim, Shahriar Aghaeimeibodi, Christopher J. K. Richardson, Richard P. Leavitt, and Edo Waks, Super-Radiant Emission from Quantum Dots in a Nanophotonic Waveguide, Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01133.

3、宏观层面直接观测光学自旋相关的横向力和左手扭矩

一直以来，观察并驯服非平庸（non-trivial）的光与物质相互作用所产生的宏观影响，引发科学家们更好地了解自然并开发新一代的光子技术。然而，尽管在概念上取得了巨大的进步，但是在日常生活中，直到目前为止只有少数实验方案可以揭示肉眼几乎看不到的光力（optomechanical）现象，例如负辐射压力、横向力（transverse force）或左手扭矩（left-handed torque）。最近，来自法国波尔多大学的Hernando Magallanes和Etienne Brasselet通过肉眼识别出厘米级物体的自旋相关的横向位移，以及宏观的左手性旋转运动（Left-handed rotational motion）。根据所提出的设计方案，研究人员发现观测的效果最终依赖于“自旋-轨道”（spin–orbit）光学相互作用，并且可通过横向力场驱动，所得到的横向力场比先前报道的大5个数量级。鉴于该工作中的各向异性和非均匀介质的“自旋-轨道”光力作用，该研究使得人们对结构化的光与物质相互作用从科学的好奇心转变为高效的光学操纵工具，具有多方面的现实意义。相关工作发表在近期的《Nature Photonics》上。

文章链接：Hernando Magallanes & Etienne Brasselet, Macroscopic direct observation of optical spin-dependent lateral forces and left-handed torques, Nature Photonics (2018).

4、基于偏振敏感光学超透镜的“光学镊子”

利用聚焦激光束操纵微小物体的能力，为基础研究和应用研究开辟了广泛的机会，但在实际应用中还需要对物体操纵的机械路径和稳定性进行精确的控制。尽管传统的“光学镊子”（optical tweezer）主要是基于折射光学系统，但是未来需要进一步发展出可以集成在流体单元内的紧凑型光学捕获装置，光学镊子的小型化就不可避免了。最近，来自以色列特拉维夫大学的Pavel Ginzburg教授课题组提出了一种基于超表面（Metasurface）的偏振敏感的“超透镜”（Meta-Lens），可以为嵌入在流体中的物体提供沿光轴的稳定的捕获中心。在该工作中，粒子的位置由入射光的偏振特性控制，主要是利用与等离子体纳米级天线的相互作用，超透镜结构被设计在透镜的重叠菲涅耳区域（Fresnel zone）内。在这里，具有双焦点（bifocal）的菲涅耳超透镜展示了沿4μm长的线上操纵微珠的能力，克服了标准衍射光学元件在聚焦深度之外的轴向方向上捕获物体时所面临挑战。研究人员还在光学捕获设备中附加了荧光模块（fluorescent module），并且通过粒子追踪算法（particle-tracking algorithm）实现了光学势（optical potential）的精确映射。这一集成在流体中的微米和纳米结构，为实现灵活的光机械操作提供了诸多机会，包括粒子传输、捕获和分类，这些都是芯片实验室和生物检测、环境监测等许多其他应用的需求所在。相关工作发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Hen Markovich, Ivan I. Shishkin, Netta Hendler, and Pavel Ginzburg, Optical Manipulation along an Optical Axis with a Polarization Sensitive Meta-Lens, Nano Letters Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01844.

5、混合微型激光谐振器的分形模式和多光束产生

分形结构（Fractals）在自然界中无处不在，常见的例子包括雪花和大脑神经元。尽管人们早已知道复杂的光学分形图案可以用诸如光栅和反射球体之类的光学组件来实现，但是从激光器中产生分形横模（transverse mode）已被证明是难以完成的。近日，来自美国伊利诺伊大学的J. Gary Eden教授课题组展示了一种混合光学谐振器，通过将微球的2D网络引入到含有增益介质的“法布里-珀罗”（Fabry-Pérot）共振腔中，能够同时生成传统高斯型和分形激光模式的阵列。在微球晶体的空隙内，研究人员还观察到几种不同的分形模式，其中两种类似于Sierpinski三角形结构。进一步的分析表明，相邻分形模式之间具有较强的耦合作用，并且可以通过微球网络结构的设计来合成所需的分形模式。基于增益介质与谐振器之间的独特相互协同作用，该光学器件能够发射数百个微型激光束，并探测生物细胞的活动状况，在生物医学检测领域也具有潜在的应用。相关工作发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：José A. Rivera, Thomas C. Galvin, Austin W. Steinforth & J. Gary Eden, Fractal modes and multi-beam generation from hybrid microlaser resonators, Nature Communications 9, Article number: 2594 (2018).

6、应用于超快偏振切换和动态光束分离的全光学有源THz超表面

传统的集成电路正在接近摩尔定律的瓶颈，而小型化、超快速的光学可切换元件具有极其紧凑的尺寸和高速响应速率，将成为下一代全光器件和集成光子学的核心。超表面（Metasurface）已用于光聚焦和全息应用的亚波长平面光学元件和装置，然而由于它们大多数只能产生被动光学响应，在实际应用中往往会出现许多的限制。最近，来自新加坡南洋理工大学的Ranjan Singh教授课题组和天津大学的韩家广研究员等人向我们介绍了一种有源混合超表面（active hybrid metasurface），该器件通过与图案化半导体材料的集成，可应用于太赫兹波的全光学主动有源控制。实验表明，这一超表面可在667皮秒的时间尺度上具有偏振态的超快调制和光学分束特性。这种混合超表面的研究思路还可以扩展到各种自由空间的全光有源器件的设计，例如变焦平面透镜、可切换矢量光束发生器等，并可用于超快成像、显示器和高保真太赫兹无线全息术的核心组件。相关研究发表在近期的《Light: Science & Applications》上。

文章链接：Longqing Cong, Yogesh Kumar Srivastava, Huifang Zhang, Xueqian Zhang, Jiaguang Han & Ranjan Singh, All-optical active THz metasurfaces for ultrafast polarization switching and dynamic beam splitting, Light: Science & Applications 7, Article number: 28 (2018).

7、基于迷宫式超表面的声学模拟计算系统

声学的逻辑计算器件，包括开关、逻辑门、微分器和积分器，在学术研究和工程学中都引起了广泛的关注。然而，目前人们尚未提出具有更复杂功能的声学计算系统的方案，例如常微分方程（ODE）的求解器。近日，来自南京大学的刘晓峻教授课题组和南京师范大学、中科院声学所的研究人员提出了一种基于三个级联超表面（cascaded metasurface）构造出的声学模拟计算（acoustic analog computing）系统，类似于电子计算机那样求解n阶常微分方程。这些超表面结构由层状的迷宫式单元（labyrinthine units）构成，具有较宽的幅值和相位调制范围。该系统所模拟得到的传输压力与ODE的理论解非常吻合，证明了其出色的常微分方程计算功能。与基于微分器或积分器的光学ODE求解器不同，这里所提出的具有固定几何形状的声学模拟计算系统原则上可以设计用于任意n阶ODE求解问题，而不像光学系统在求解高阶方程时需要借助更加复杂的几何形状。该方案可以在多种不同的场景中找到应用，如声学通信、模拟计算和信号处理等。相关工作发表在近期的《Scientific Reports》上。

文章链接：Shuyu Zuo, Qi Wei, Ye Tian, Ying Cheng & Xiaojun Liu, Acoustic analog computing system based on labyrinthine metasurfaces, Scientific Reports 8, Article number: 10103 (2018).

作者：颜学俊

编辑：方    轲