“超材料前沿研究”一周精选[2018.8.13- 8.19]

时空不稳定性（Spatiotemporal Instabilities）是由系统的复杂性和非线性所引起的普遍现象，例如天气、混沌（chaos）、湍流或化学反应。在广域边发射半导体激光器（broad-areaedge-emitting semiconductor laser）中，多种空间模式与活性介质的非线性相互作用可导致成丝效应（filamentation）和时空混沌（spatiotemporal chaos）。这些不稳定性因素降低了激光器的使用性能，并且导致其极难被控制。最近，来自美国耶鲁大学的Hui Cao教授和英国帝国理工学院的Ortwin Hess教授领衔的研究团队展示了一种使用波混沌（wave-chaotic）或无序光学腔（disordered cavities）来抑制激光器中的时空不稳定性的有效方法。在此处的光学腔中，诸多具有随机相位的光学传播模式之间的干涉效应破坏了诸如成丝效应的自组织结构的形成，导致了稳定的激光动力学（lasing dynamics）状态。他们的方法为激光应用领域提供了一种通用且稳健的解决方案，可有效防止各种高功率激光器中非线性不稳定性的形成和增长。相关研究发表在近期的《Science》上。

文章链接：Stefan Bittner, Stefano Guazzotti, Yongquan Zeng, Xiaonan Hu, Hasan Yilmaz, Kyungduk Kim, Sang Soon Oh, Qi Jie Wang, Ortwin Hess, Hui Cao, Suppressing spatiotemporal lasing instabilities with wave-chaotic microcavities, Science, PUBLISHEDONLINE16 AUG 2018. DOI: 10.1126/science.aas9437

2、从拓扑保护的相干完美反射到连续体中的束缚态

导波在经典和现代光学中都起着至关重要的作用，而实现光波导需要一个完美反射镜。传统上，人们可以在介质材料中利用全内反射（total internal  reflection）或者光子禁带（photonic band gap）实现光的反射与传导。但是，这两种机制的实现需要在特定的光入射角度范围或者频率区间，从而使得出射波（outgoing wave）被禁止。最近，来自重庆大学的韩德专研究员课题组与复旦大学的资剑教授课题组合作，提出了一种全新的“相干全反射”（coherent perfect reflection）机制来实现完美的光学反射，其物理内涵有别于传统的全内反射和光子带隙机制。理论计算和模拟表明，通过调节两束或者多束相干光的相位和幅度，该机制能够来实现完美的光学反射，并且能够在参数空间里由透射的涡旋（transmission vortex）来决定。据此，可以将“相干全反射”概念推广到波导应用中，用以实现连续光谱中的束缚态（bound statesin the continuum）。该研究结果在导波光学的理论和实际应用中都具有重要的指导意义。相关研究发表在近期的《Physical Review B》(Rapid Communications)上。

文章链接：Shiwei Dai,Liang Liu, Dezhuan Han, and Jian Zi, From topologically protected coherent perfect reflection to bound states in the continuum, Phys. Rev. B 98,081405(R).

3.综述：具有内在手性特征的三维“超光子”纳米结构

手性（Chirality）是微观和宏观世界中的通用几何属性。最近，光学的手性效应因其在基础研究和实际应用中的巨大潜力，引起了科学界越来越多的关注。值得注意的是，与天然存在的对应物相比，人工结构（artificial structure）的光学手性响应可以呈现数量级的提高。通常，这些人工结构表现出两种类型的光学手性：外在手性（extrinsic chirality）和内在手性（intrinsic chirality）。前者依赖于外部照明条件，而后者则源于3D物体的几何特征。最近，来自香港理工大学的DangYuan Lei教授和新加坡国立大学的Cheng‐Wei Qiu教授等人在《Advanced Functional Materials》上发表长篇综述，主要关注人工结构的内在手性方面的相关研究，并讨论了基于该设计原则的应用实现。特别地，他们概述了最近在手性结构和主动手性结构中的非线性光学效应。最后，文章展望了该领域未来研究的一些比较有希望的发展前景。

文章链接：Meng Qiu, LeiZhang, Zhixiang Tang, Wei Jin, Cheng‐Wei Qiu, Dang Yuan Lei, 3D Metaphotonic Nanostructures with Intrinsic Chirality, Adv. Funct. Mater., First published:15 August 2018. https://doi.org/10.1002/adfm.201803147.

4、双频带多层InSe自供电光电探测器

多波段光电探测器（multiband photodetector）具有从紫外、可见光到红外光的宽光谱范围，在成像技术、光波通信、光学引导技术、环境监测等方面有着广泛的应用。针对极端条件下的光电应用，需要发展能够在没有外部电源的情况下工作的自供电光电探测器（self-powered photodetector）。尽管该技术在过去几年中受到越来越多的关注，但目前大多数光电探测器仍需要外部偏置电压，其灵敏度、紧凑度、工作带宽也需要进一步提升。最近，来自哈尔滨工业大学的胡平安教授课题组通过InSe肖特基二极管和Au等离子体纳米粒子阵列的简易组合，实现了具有高灵敏度的双频带自供电光电探测器（SPPD）。与原始的InSe器件相比，InSe / Au光电探测器在可见光到近红外区域具有额外的光电探测能力。这种有趣的现象归因于Au纳米粒子的杂化四极等离子体共振（hybridized quadrupole plasmons resonance）对原始光电响应性的波长选择性增强。值得指出的是，在波长为685 nm时，光电响应的增强比最大可达~1200％。此外，由于有源层与两个不对称电极之间形成较大的肖特基势垒差异，零偏压下的双波段InSe/Au光电探测器在波长分别为365和685 nm时的响应度可达到369和244 mA/W。这项工作将为开发基于二维材料的高性能多功能光电探测器提供了新的机会，有助于提高其在复杂环境中的光探测能力。相关研究工作发表在近期的《ACS Nano》上。

文章链接：Mingjin Dai,Hongyu Chen, Rui Feng, Wei Feng, Yunxia Hu, Huihui Yang, Guangbo Liu,Xiaoshuang Chen, Jia Zhang, Cheng-Yan Xu, and PingAn Hu, A Dual-Band Multilayer InSe Self-Powered Photo detector with High Performance Induced by Surface Plasmon Resonance and Asymmetric Schottky Junction, ACS Nano Article ASAP. DOI:10.1021/acsnano.8b04931

5、高指向性的“金属-电介质”Yagi-Uda混合纳米天线

高度指向性（directive）的纳米天线是一种必不可少的光子器件，它能够在纳米尺度下对光进行操纵。对于纳米级光子发射器件，如量子点和有机染料分子，它们往往具有全向偶极子发射特性，因此需要借助纳米天线来使它们的发射能量分布在特定的方向上，以减少片上光学元件的串扰。借助介电纳米结构的高散射方向性和低耗散型损耗特征，“金属-电介质”的混合纳米天线（metal–dielectric nanoantenna）有望获得较大的Purcell因子。最近，来自新加坡A*STAR的Joel K. W. Yang和Arseniy I.Kuznetsov等人借助Yagi-Uda的设计灵感，研究了一种紧凑型的“金属-电介质”混合纳米天线结构，展现出优良的光学指向性。该器件包括金领结（gold bowtie）纳米天线馈电元件（feed element）和三个硅纳米棒指向器（director），在可见光谱范围内表现出较高的单向（unidirectional）面内方向性和潜在的光束重定向（beamre direction capability）能力。整个器件的占位面积仅为0.38λ²，其前向指向性可抵抗制造过程中产生的缺陷。研究人员利用金领结纳米天线本身的光致发光特性，在发光器件上证明其方向性~49.2。此外，它们还演示了器件的光束重定向特征，在馈电元件的位移仅为16 nm前提下将主发射波瓣旋转了5°。这些研究结果有望应用于片上无线通信、量子计算、显示技术和纳米级对准等多个方面的应用。相关研究发表在近期的《ACS Nano》上。

文章链接：Jinfa Ho,Yuan Hsing Fu, Zhaogang Dong, Ramón Paniagua-Dominguez, Eleen H. H. Koay, YeFeng Yu, Vytautas Valuckas, Arseniy I. Kuznetsov, and Joel K. W. Yang, HighlyDirective Hybrid Metal–Dielectric Yagi-Uda Nanoantennas, ACS Nano, Article ASAP,DOI: 10.1021/acsnano.8b04361.

6、高阻抗反射镜中的光发射效率增强

固态发光器件的发展使其在照明和显示应用中的使用大大增加。然而，发光器件的效率和功率仍然有进一步提升的空间。一般而言，固态发光器件需要依靠高导电性的金属触点来进行有效的电荷注入；不幸的是，这里的金属还激发了能量耗散型的表面等离激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）模式，导致发光器件产生的光发生了能量耗散，限制了器件的外量子效率（External Quantum Efficiency）。最近，来自美国斯坦福大学的MarkL. Brongersma教授领衔的科研团队受到射频高阻抗表面的概念及其在共形天线中的应用的启发，向我们展示了如何通过对金属电极的纳米图案化，在光学频率下同时获得高电导率和高阻抗性质。研究表明，在整个可见光频段，纳米图案化的电极不支持SPP模式的激发，从而能够极大地抑制光学能量的损耗，有助于促进形成理想的朗伯发射分布（Lambertian emission profile）。研究人员通过分析沉积于金属电极上的染料发射层的发射增强和光致发光寿命，验证了利用这一概念实现发光效率增强的可行性，这将为LED、OLED显示和发光应用提供新颖的研究思路。相关工作发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Majid Esfandyarpour, Alberto G. Curto, Pieter G. Kik, Nader Engheta & Mark L.Brongersma, Optical emission near a high-impedance mirror, Nature Communications 9, Article number: 3224 (2018).

7、中心对称平滑银表面上的二次谐波产生

二次谐波产生（Second Harmonic Generation，SHG）是两个基频光子通过非线性相互作用产生一个具有两倍频率光子的过程。对于具有中心对称性的材料，如块状金属材料，SHG过程是被禁止的。在以往的研究中，人们通过不连续的形态或介电特性来破坏这种中心对称性，从而实现SHG过程；但是，来自光滑连续金属表面的SHG效应却微乎其微。最近，来自以色列巴伊兰大学的AdiSalomon教授课题组利用非线性光学显微镜（non-linear microscopy），在由纳米腔包围的光滑银膜区域内观测到了SHG的增强效应；并且与附近的银表面区域相比，纳米腔辅助的SHG局部增强超过了一个数量级。同时，线性光学测量和阴极发光（cathodo luminescence）成像也证实了这些观察结果。研究人员认为：从纳米腔边缘发射的等离子体模式传播到光滑的银膜上并发生湮灭，从而在局部产生了SHG效应。通过改变入射光场的偏振方向，可以动态地控制这些热点（hotspot）的强度和位置。研究结果表明：可切换的非线性热点能够在光滑的金属薄膜上产生，这在光催化、单分子光谱和非线性表面成像中具有重要的应用。相关研究发表在近期的《Light:Science & Applications》上。

文章链接：MatanGalanty, Omer Shavit, Adam Weissman, Hannah Aharon, David Gachet, Elad Segal& Adi Salomon, Second harmonic generation hotspot on a centro symmetric smooth silver surface, Light: Science & Applications 7, Article number: 49(2018).

8、光子晶格中Aharonov-Bohm笼的实验观测

在晶体材料中，受外部磁场影响的电子输运性质研究已经产生了许多有趣的现象，包括整数和分数量子霍尔效应。近年来，受量子模拟思想的启发，人们越来越关注实现和利用人造晶体中的电中性粒子合成磁场（synthetic magnetic field），例如光子晶格（optical lattices）中的冷原子。目前，人们已经利用光子系统实现了合成磁场，从而为拓扑光子学的兴起铺平了道路。最近，来自苏格兰赫瑞瓦特大学和比利时布鲁塞尔自由大学的研究团队报道了均匀合成磁通（uniform synthetic magnetic flux）的实验实现和光子晶格中Aharonov-Bohm笼的观测。在该研究中，研究人员利用菱形光波导阵列设计了一种调制辅助的隧穿工艺（modulation-assisted tunneling process），能够每个模板上有效地产生的非零磁通量。通过改变调制的相位，可以随意地调节合成磁场。在每个半磁通量子的实现区域中，所有能带都显著地塌陷成非色散（平坦）的能带，并且所有本征态都完全局域化。通过研究光在光子晶格中的传播，来证明Aharonov-Bohm囚禁现象。此外，研究人员通过探索晶格边界的动力学特性，讨论相应的边界态如何连续地连接到Creutz梯子的拓扑边界态。这里的光子晶格构成了一个极具吸引力的研究平台，可以精确地研究规范场、局域和拓扑特性之间的相互作用。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Sebabrata Mukherjee, Marco Di Liberto, Patrik Öhberg, Robert R. Thomson, and Nathan Goldman, Experimental Observation of Aharonov-Bohm Cages in Photonic Lattices, Phys.Rev. Lett. 121, 075502 – Published 16 August 2018.

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    编辑：方轲

    审核：颜学俊

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