光学超构表面通过构建等离子体或全介质的超构结构单元，为实现光的相位、振幅、频率调控提供可调谐、紧凑型的平台。超构表面已经被广泛应用于设计平面光学元件，例如超薄超构透镜、超构波片、光速波前整形、超构偏振分束片、矢量全息成像等。随着超构表面新技术发展，为亚波长尺度上实现光场调控提供了丰富的手段，使得设计新型超薄平面光学元件成为可能。
尽管构建亚波长等离子体激元和全介质纳米天线是实现亚波长尺度光场调控的有效途径。然而，由于光学调控基本原理的限制，超构光学元件的厚度仍限制在数百乃至数十纳米厚度，在可见光波段实现超薄结构乃至原子层厚度超构表面光场调控依然面临挑战。
Nano Letters 2020年11月11日第20卷，第11期封面
当光强度消失时，通常伴随产生光学奇点（singularity）现象，如常见的光学相位奇点和偏振奇点。光学相位奇点的拓扑行为会引起许多有趣的物理现象，如跨越奇点附近的Heaviside光学突变和奇点附近的光场超灵敏特性。
拓扑保护零反射又称为“拓扑暗态奇点（topological darkness singularity）”¹【⏬参考文献1】是拓扑相位研究的重要基础领域。研究者利用拓扑暗态奇点处相位突变，已经实现了超灵敏单分子探测使得探测精度提高了将近四个数量级²【⏬参考文献2】。
在光场调控应用中，通过合理的设计超构表面构建光学反射奇异点能够实现典型的Heaviside型光学相位突变，从而使跨越奇点的结构单元表现出显著的相位延迟。
近日，暨南大学李向平教授【⏬拓展链接】团队联合蒙纳士大学鲍桥梁教授【⏬拓展链接】团队基于光学反射奇点诱导的相位突变行为实现了原子层厚度即波长的百分之一的超构表面光场调控。
该成果以“Atomically Thin Noble Metal Dichalcogenides for Phase-Regulated Meta-optics”为题发表Nano Letters。中南大学物理与电子学院王迎威博士【⏬拓展链接】，暨南大学学光子技术研究院邓子岚副教授【⏬拓展链接】和胡德骄博士【⏬拓展链接】为共同第一作者，暨南大学光子技术研究院李向平教授和蒙纳士大学鲍桥梁教授为共同通讯作者。该工作还得到了新加坡国立大学仇成伟教授团队，中南大学何军教授团队，电子科技大学彭波教授团队等合作者的参与支持。
图1 原子层厚度二进制超构表面实现损耗辅助的显著光学相位调制
图源：Nano Lett., 2020, 20, 11, 7811-7818. Fig.1a and b.
本项研究通过合理的设计PtSe2-SiO2-Si多层纳米结构（如图1），利用原子层厚度的二维材料强吸收损耗特性，在PtSe2-SiO2-Si区域和SiO2-Si区域之间，可以在共振波长实现接近零反射的“拓扑光学奇点”或称为临界耦合点。理论上，PtSe2-SiO2-Si系统在共振频率产生临界耦合点的时，顶层二维材料PtSe2的临界厚度为2.2 nm（如图1 b）。实验设计的两种超构单元PtSe2（4.3 nm）和PtSe2（0nm）产生的耦合模式刚好跨越临界耦合点，在共振频率位置两种耦合模式可以有效实现接近π的显著相位突变。基于此，研究人员提出损耗辅助的超构表面光场调控理论，该理论能够有效的扩展到其他的二维材料体系，有望通过损耗辅助理论实现多种超薄平面光学元件应用。
利用这种损耗辅助的拓扑光学奇点相位调制机制，本研究还展示了该技术在全息成像器件和超构透镜中的应用潜力 (如图 2)。结合激光直写技术在大面积二维硒化铂结构上构建二元超构表面。像素化二进制超构全息演示器件厚度仅为4.3 nm, 实际最大相位调制能力接近0.8 π,全息重构图像表现出优异的保真度。由于奇点相位的拓扑保护特性，超表面器件同时展现出优异的角度鲁棒性。对比传统全介质全系器件，本研究中单位厚度衍射效率接近1%/nm的原子层厚度全息演示器件以及拓扑保护的角度鲁棒性表现出巨大的优势。同时，基于该结构实现了接近光学极限的超构透镜。
图2 原子层厚度二进制超构表面全息成像和超构透镜实验效果
图源：Nano Lett., 2020, 20, 11, 7811-7818. Fig.4.
当前，各国纳米光子学领域研究人员致力于开发高性能、微型化、可集成化的平面光学元件和设备。基于拓扑暗态奇点实现超构表面光场调控将为现有的平面光学器件设计提供全新的设计思路。同时，作为原子层厚度超构表面光场调控技术有望进一步提平面光学器件的集成度和微型化，将在全息成像、超构透镜、光学存储等领域具有广阔的应用潜力。
文章信息
Nano Lett. 2020, 20, 11, 7811–7818
Publication Date:August 24, 2020
文章地址
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01805
参考文献
【1】L. Malassis, P. Masse, M. Treguer-Delapierre, S. Mornet, P. Weisbecker, P. Barois, C. R. Simovski, V. G. Kravets, A. N. Grigorenko, Adv. Mater. 2014, 26, 324.
【2】V. G. Kravets, F. Schedin, R. Jalil, L. Britnell, R. V. Gorbachev, D. Ansell, B. Thackray, K. S.Novoselov, A. K. Geim, A. V. Kabashin, A. N. Grigorenko, Nat. Mater. 2013, 12, 304.
来源：中科院长春光机所Light学术出版中心
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