超材料前沿研究一周精选 2020年1月13日-2020年1月19日

光的相干散射是各种光学现象的基础。在微纳结构有序阵列中，在阵列平面上散射光的相干累积可以显著改变光学响应。就金属纳米粒子而言，局域表面等离振子共振（LSPR）对于光的吸收和散射行为具有决定性影响，同时存在于阵列表面的LSPR和相干散射光会导致杂化的光子-等离振子共振，称为表面晶格共振（SLR）。在过去的十年中，这种独特的共振随附的窄光谱特征及其光子带隙行为使其具有广泛的潜在应用，例如室温Bose-Einstein凝聚、非线性增强、激射和传感等。

电磁感应透明（EIT）是由于三能级共振原子介质的强相互作用而引起的量子相干效应。最近在微纳结构光学超材料中，电磁感应透明现象被成功证明。增强的传输伴随着光的群延迟增强，这可能为时域内实现片上光信号处理以及增强的线性和非线性光物质相互作用铺平了道路。迄今为止，大多数在金属微结构和纳米结构中的类EIT效应的实验证明都依赖于两个明暗模式的共存，通过近场耦合，它们会导致明模消光的急剧降低。然而，基于表面晶格共振机制引起的慢光效应和可调的电磁感应透明窗口暂时还没有实验报道。

近日，来自以色列特拉维夫大学的研究人员实验证明了基于劈裂环共振器（SRRs）的近红外、光谱可调、窄带电磁感应透明的形成。研究人员证明了在仅40 nm厚的样品中具有高异常色散的增强传输，群延迟高达〜8fs。这些实验测量结果通过时域有限差分（FDTD）仿真进行了验证。此外，我们使用耦合偶极近似（CDA）来获得关于系统中非局部耦合动力学的理论模型。通过分析表明，强烈的无吸收相互作用对共振等离子超表面的吸引作用归因于光子-等离激元杂化作用。此外，这些现象仅发生在S偏振光上，因此可能使该现象成为超材料中常规Brewster角的互补行为。（短文作者:朱学艺）

文章链接：Michaeli, L., Suchowski, H., Ellenbogen, T., Near‐Infrared Tunable Surface Lattice Induced Transparency in a Plasmonic Metasurface. Laser & Photonics Reviews 2019, 14, 1900204. https://doi.org/10.1002/lpor.201900204

硅光子集成光路（PIC）中的非互易传输是集成光电子学中一个重要的研究课题，在光计算、全光信号处理、全光逻辑光路等方面具有广泛应用，非互易行为也是实现光学隔离器的关键。但是，洛伦兹互易定理的约束使得非互易传输不可能在线性、非磁性和时间非依赖的介质中产生，这使得大多数PIC平台难以与非互易传输兼容。通过引入光学非线性效应能够有望实现光学非互易传输，但是这种非互易传输依赖光学强度。因此，它们不能真正起到光隔离器的作用。尽管产生非互易传播的方法多种多样，但这种效应在PIC中仍缺乏足够可控性。

近日，来自比利时根特大学的研究人员提出了一种可编程的硅光子集成光路（PIC）设计，能够实现可编程重构，进而在高的光输入功率下实现非线性非互易传输。研究人员以集成移相器为基础，在非线性状态（高光功率）下，可以在相对传播方向实现非互易传输，消光比超过30 dB，插入损耗仅为1.5 dB。更重要的是，在这种结构中研究人员可以动态地重构非互易传输方向。此外，以往基于非线性的非互易传输通常要求在两个传播方向上的光场都较高，以便引起较大的消光比。而这种可编程PIC设计只需要在前向传播方向引入高功率，后向传播的光将始终遭受高抑制。除了这种非互易的行为，由于其独特可控的非线性行为，该PIC设计还具有丰富的功能例如光开关、光学逻辑门或光学触发器等。（短文作者:朱学艺）

文章链接：Ang Li and Wim Bogaerts, "Reconfigurable nonlinear nonreciprocal transmission in a silicon photonic integrated circuit," Optica 7, 7-14 (2020)

近几十年来，局域共振（LR）超构材料得到了广泛的研究。理论和数值研究表明，线性局域共振器产生亚波长尺度的频带间隙，使声音和振动的在低频范围衰减。大多数调查都认为名义上标准的共振器是规则，或周期性地放置在结构内。在这些情况下，LR波段间隙中心频率是通过共振器的自然频率定义的，而其宽度主要是由增加的惯性决定的。人们对控制局域化共振开始的条件相当感兴趣。振动局限在隔离组件内和限制暴露方面都是有益的，但也可能成为灾难性故障的根源，因此与工程界息息相关。

近日，来自佐治亚理工学院的Yiwei Xia研究小组研究了准周期性共振超构材料的动态行为和拓扑性质。他们表明，谐振器的准周期排列除了由谐振器的自然频率定义的局域谐振带间隙外，还引入了频带间隙。这一概念在带有一系列机械共振器的光束上进行了说明。作为共振器准周期性排列的函数，对光谱进行数值评估揭示了一种让人联想到霍夫施塔特蝴蝶的结构，并允许研究关键的拓扑特性。结果表明，在拓扑上具有非同寻常的其他带隙，以及有限结构中局域的边界态模式。通过测量光束的频率响应和评估所选操作偏转形状的空间分布，实验证明这些间隙和相关边界态的发生。研究结果揭示了确定性准周期结构设计在多个频带上诱导波局域化和衰减的潜力，这可能在振动隔离和能量收集等方面找到应用。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者:刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.014023

超声波机械波设备在信号处理，传感，芯片实验室和生物医学应用中无处不在。声学超构材料和声子晶体由于具有控制机械波传播的能力而成为有希望实现以上应用的组件。这种材料在超声波（MHz–GHz）频率下的主要挑战是它们需要小的空间特征，通常约为波长或在其以下，这意味着在制造工艺方面存在不小的挑战，同时调整此类材料的响应的能力也仍然有限，这是与不同设备和现象进行交互，实现设备多功能性以及为诸如变换声学或拓扑设计等策略在空间上调整材料的有效属性的障碍。

近日，来自加州大学圣地亚哥分校的Maroun Abi Ghanem研究小组证明了在制造后能够以介观尺度的空间分辨率将自组装超声范围的超构材料的共振频率调整至原来250％的能力。这种可调谐性是通过对纳米接触特征进行微透镜改造而实现的，其中超构材料的共振元件“深入”到基板。除了超过以前的MHz–GHz频率超声范围的超构材料示例的可调性之外，介绍的系统还可以在组装后以与激光点直径相对应的空间分辨率进行调谐。这些前述优点将使得能够以可缩放的方式制造然后快速调谐的新型超声梯度指标装置，例如超声弹性波斗篷。 最后，可以预料的是，在超声波频率下的这种大的可调谐性将在光力声等离激元，量子力学振荡器和粘附控制等领域得到更广泛的应用，相关研究发表在杂志《Advanced Functional Materials》上。（短文作者:刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201909217

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