超材料前沿研究”一周精选 2019年3月18日-3月24日

1.OAM微纳激光的光控手性激发

光学调控是现代光子技术的核心思想。调控光的各种物理自由度，如频率、振幅、波矢、角动量等，催生了丰富的光子技术。在这些不同的自由度中，调控光子的轨道角动量自由度是一种重要的调控手段，这是由于螺旋光束承载的轨道角动量（OAM）是无限自由度，并且可以通过线性光学元件如波片、偏振器等方便地操纵，从而为现代光子学提供了一个有前景的平台。

光的轨道角动量自由度的研究需要可调谐的相干源。一种方式是使用诸如空间光调制器等光学器件来形成近轴光束的波前调控。这种方式能够产生高阶涡旋，但是通常具有较低的操作频率，并且难以集成在芯片上。此外，基于微纳结构光学超表面能够将圆偏振光转化为OAM，但是集成度也难以保证。并且由于引入了复杂的光学结构，从而不可避免的在光子电路中产生了诸如双折射效应等杂散信号。最近，基于环形谐振腔的集成OAM激光器为可调谐OAM光源打开了新的大门。然而，在这种环形谐振腔中，顺时针和逆时针传播模式同时存在，这不利于OAM相干源的使用。如何能动态调控微环谐振器的手性激发成为了一个难题。

近日，来自法国巴黎萨克莱大学的研究团队发表了一项最新的研究成果。他们提出并实验验证了一种集成微环激光器，其中波前的手性（顺时针或逆时针涡流）可以被光学控制。通过适当地定制每个微激光器的几何形状，可以在制造过程中精确地控制OAM的各项参数。该方案不是依赖于手性谐振器的结构设计，而是基于通过使用圆偏振泵浦光对增益介质进行自旋极化来打破时间反演对称性。通过具有旋转对称性的平面微腔中的光子的自旋 - 轨道耦合，从而产生激光发射，其携带具有手性的OAM，该手性可以仅通过调节泵浦光的偏振来控制。这种基于半导体微腔中破缺时间反演对称性的方法，可以扩展到不同的激光器架构，从而为实现具有可调手性的新一代OAM微型激光器铺平了道路。

文章链接：N Carlon Zambon, P St-Jean, M Milićević, A Lemaître, A Harouri, L Le Gratiet, O Bleu, D D Solnyshkov, G Malpuech, I Sagnes, S Ravets, A Amo, and J Bloch, Optically controlling the emission chirality of microlasers, Nat. Photon  13 (4): 283 (2019) DOI: 10.1038/s41566-019-0380-z.

2.一种90nm厚的用于非极化光的宽带强吸收的石墨烯超材料

宽角度范围内的非偏振光在大面积的超薄膜中的宽频强吸收，对于诸如光伏器件，光电探测器，热发射器，光学调制器等应用是至关重要的，尽管在设计和制造方面进行了长期努力，但同时实现所有这些所需特性仍具有挑战性。近日，来自斯威本理工大学的Baohua Jia团队，通过实验证明了一种面积为,厚度为的石墨烯超材料，它具有大约85％的处于非偏振可见和近红外光频谱的吸收率，可以几乎覆盖整个太阳光谱（300-2500nm）。超材料由石墨烯和介电层交替组成，光栅将光耦合到波导模式以在高达60°的入射角上实现宽带吸收。具有非常宽的光谱和角度响应的吸收器是太阳能热应用的理想选择，这些器件为基于二维材料的强吸收大面积光子器件的应用开辟了一种新方法。

文章链接：Lin, H., et al. (2019). "A 90-nm-thick graphene metamaterial for strong and extremely broadband absorption of unpolarized light." Nature Photonics.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0389-3

3.费米面拓扑性质与凸度诱导的非线性磁输运

WTe₂的晶体结构、能带结构与非线性磁输运现象

WTe₂中具有温度反转特性的非线性磁输运现象

材料费米面的属性与其物理性质（主要是电学性质）息息相关，许多有趣的物理现象都起源于费米面的特殊形状。虽然人们在自旋极化的非磁性材料中发现了电流调控的非线性磁阻，吸引了自旋电子学研究者广泛的关注，这一现象的产生与费米面内在性质的联系依然没有被解释清楚。近期，来自新加坡国立大学的Hyunsoo Yang研究组与合作者在半金属材料WTe2中观测到了非线性磁阻，且其具有温度反转的特性。理论计算的结果与实验结果一致，并证明了这一反转与温度驱动的费米面的凸度改变有关。同时，他们还报道了WTe2中非线性磁阻的各向异性，这是由于费米面的低对称性。实验与理论的一致性验证了费米面的拓扑性质和凸度对非线性磁响应的决定性作用。这一工作为凝聚态物理领域中非线性输运现象的研究提供了新的方法与思路。相关的结果发表于近期出版的《Nature Communication》杂志上。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-09208-8.

4.太赫兹波段大尺寸全介质超材料

亚波长尺度的光学调控是现阶段光学技术的一个重要课题，这催生了基于人造原子、人工微结构调控的超材料的快速发展。通过高折射率全介质谐振单元构成的超材料，能够通过位移电流而非传导电流引入介电共振，从而克服了传统超材料中等离子体共振所带来的显著欧姆损耗。因而，全介质超材料的研究极大的提高了其应用价值，并成功实现了许多新颖的现象，如零折射率、光学磁性、局域场增强、定向散射等，从而在波前调控、传感、表面增强光谱等光学器件中取得了广泛的应用。

尽管全电介质超材料已经成为从红外波段到可见光波段光学研究的优良平台，但是它们在太赫兹波段的研究还略显不足。太赫兹波段是一个重要的光谱区域，在无线通信、传感、安保和化学鉴定中有广泛的应用。金属结构超材料已在太赫兹范围内广泛报道。但是全介质太赫兹波段的超材料受限于制造技术的高成本，一直没有得到广泛的研究。在过去几年中，已经出现了一些太赫兹全电介质超材料的研究成果，例如直接激光图案化、深蚀刻法和化学合成法等，但是这些制造方法难以实现精度和成本之间的良好平衡。

近日，来自北京邮电大学的研究团队报道了一项新的研究成果。受纳米模板辅助自组装方法的启发，他们开发了一种微模板辅助自组装（MTAS）方法，用于制备大规模，高精度，柔性的陶瓷微球全电介质超材料。样品面积超过900厘米×900厘米。 MTAS方法不含有机溶剂，真空和复杂设备，可确保低成本和样品环保性。陶瓷微球谐振器可以容易地组装成几乎任意的排列和复杂的聚集体，例如二聚体，三聚体，四聚体和链。最后，使用热收缩基板和偶极耦合效应，证明了宽带反射器的带宽为0.15 THz，反射率高达95％。这项工作为太赫兹全电介质超材料提供了一个多功能和强大的平台，有可能应用于各种高效太赫兹器件。

文章链接：Ke Bi, Daquan Yang, Jia Chen, Qingmin Wang, Hongya Wu, Chuwen Lan, and Yuping Yang, "Experimental demonstration of ultra-large-scale terahertz all-dielectric metamaterials," Photon. Res. 7, 457-463 (2019)

5.基于位置可控量子点的微纳激光器

腔增强微纳激光器一直以来都是光子学研究的热点课题。由于它们具有高品质因子（Q factor）和低模式体积，因而通常遵循腔量子电动力学（cQED）的基本原理，并产生了丰富的物理效应和广泛的应用。外延生长和半导体微纳加工技术的进步为微纳激光器的加工铺平了道路。其中，一些发光量子点（QD）可以作为增益介质，驱动器件发射激光。到目前为止，量子点微型激光器完全基于标准的自组装量子点，在量子效率、强度和相干时间方面表现出优异的光学性能。然而，相对于微腔模式，量子点的空间分布和光谱位置是随机的，这不利于量子点激光器性能的进一步提高。

为了更好地控制光-物质耦合行为并定制和最大化量子点提供的增益，人们希望能够将一些自组装量子点集成到高品质因子或微腔中，并精确控制量子点的位置。一种方法是通过现在比较流行的确定性制造技术，例如通过原位光刻或纳米图案表面上的位点控制生长将单个量子点整合到微腔中。另一个有趣的方法是将垂直堆叠的磁盘状量子点集成到纳米线中，从而在室温下产生激光振荡。虽然通过堆叠的数量可以精确地控制量子点的数量，但是量子点发射带会受到大于30meV的不均匀展宽，因此与基于面内增益介质的微腔激光器不兼容。还有一种方法是应力源包埋法（buried-stressor approach）。这种方法不仅能够控制自组装量子点的位置，还能够在所需位置对量子点的数量进行控制，同时能够抑制量子点发射带的不均匀扩散。利用这种方法，已经成功实现了单光子源以及高品质因子微柱结构。

近日，来自德国柏林技术大学固体物理研究所的研究团队报道了一种新型的微纳激光器，这种微柱激光器具有由位点控制量子点（SCQD）组成的增益介质。通过调整应力源包埋的大小，并结合先进的高品质因子微柱腔的纳米加工工艺，能够很好地控制位于本征腔模式的波腹处的量子点的数量，从而成功实现了在少量量子点体系中运行高质量微纳激光发射。通过测量二阶自相关函数，证明了这种方案能够成功实现高β微纳激光器，因而这种方法具有极大的应用潜力。

文章链接: Arsenty Kaganskiy, Sören Kreinberg, Xavier Porte, and Stephan Reitzenstein, "Micropillar lasers with site-controlled quantum dots as active medium," Optica 6, 404-409 (2019)

6.用于挥发性有机化合物检测的微机械谐振传感器阵列

挥发性有机化合物(VOCs)广泛应用于工业过程和家庭产品中，但过量吸入挥发性有机化合物会导致神经系统紊乱、哮喘和癌症等疾病。因此，准确监测工作场所和家庭中的挥发性有机化合物是至关重要的。目前测定气体含量的标准分析方法有质谱法(MS)和气相色谱法(GC)-MS。这些方法对混合气体中的目标化学物质具有很高的灵敏度和选择性，但往往价格昂贵，测试仪器体积较大。为了克服传统分析技术的局限性，科研人员也提出了多种用于VOCs检测的小型化谐振式化学传感器，包括表面声波(SAW)、悬臂梁、石英晶体微天平(QCM)和电容式微机械超声换能器(CMUT)传感器。但实现一种高选择性的、便携的传感器仍然是一个挑战。

近日，韩国高等科学技术学院Hyunjoo J. Lee等人设计了一种基于电容式微机械超声传感器阵列(CMUT)，其结构紧凑且便携。该传感器可在线检测多种挥发性有机化合物(甲苯，丙酮，乙醇，甲醇)。三个CMUT共振器件由三层结构组成:(1)苯基选择性肽，(2)单壁纳米管和肽的胶体，(3)聚苯乙烯-共烯丙醇。由于每种装置对四种挥发性有机化合物的敏感性不同，研究人员进行了主成分分析，实现了对四种气体的选择性检测。利用CMUT传感器同时检测VOCs，实时监测三种器件的谐振频率变化。此外，研究人员设计了无线蓝牙传输系统，将测量结果传输到智能手机，以监测VOCs的浓度。同时为了提高模式识别的选择性，他们使用了多个传感器来获取更多的特征信号，将这些传感器与一个读出电路连接起来，以优化整个系统的占用空间。研究结果表明基于单片机传感器阵列的多通道检测是一种应用前景很广的便携式VOC监测传感器。相关工作近日发表在《sensors》上。

文章链接：Inug Yoon, Gayoung Eom, Sungwoo Lee et al. A Capacitive Micromachined Ultrasonic TransducerBased Resonant Sensor Array for Portable Volatile Organic Compound Detection with Wireless Systems. 2019, 19, 1401.

Doi:10.3390/s19061401.

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