“超材料前沿研究”一周精选 [2018.8.20- 8.26]

1、Nature：光子拓扑安德森绝缘体

二维拓扑绝缘体（Topological Insulator）的标志性特征是电荷和能量的量子化电子传输对于晶格中的无序结构具有较强的稳健性（robust）。这种稳健性源于这样的事实：在拓扑带隙中，这种传输只能发生在边界态上，而边界态则由于拓扑保护特性不受反向散射的影响。然而，对于足够强的无序度，这个带隙就会闭合，使得整个系统在拓扑上变得无足轻重：所有状态都是局部化的，所有输运行为都将遵循Anderson局域化而消失。然而，最近已经有理论预测：在所谓的拓扑安德森绝缘体（Topological Anderson Insulators）中，通过向拓扑平庸的绝缘体（topologically trivial insulator）中添加足够的无序，可以诱导而不是抑制受保护边界态和量子化输运行为的出现。近日，来自德国罗斯托克大学的Alexander Szameit教授领衔的科研团队首次报道了光子拓扑安德森绝缘体（Photonic Topological Anderson Insulator）的实验实现。该实验是在螺旋型渐逝耦合波导（helical evanescently coupled waveguide）阵列中进行的，这一阵列具有失谐子晶格（detuned sublattices）的蜂窝状几何结构；研究人员通过对波导折射率的随机变化的形式增加格位上的无序度，用来驱动系统从平庸状态到拓扑状态。拓扑安德森绝缘体在实验上的成功验证表明：无序结构可以实现对输运的增强而非阻止效果，人工微结构的光子学系统再一次从实验上推动了拓扑物理学的发展，避免了复杂的电子系统在实验验证上的难度。相关研究工作发表在最近一期的《Nature》杂志上。

文章链接：SimonStützer, Yonatan Plotnik, Yaakov Lumer, Paraj Titum, Netanel H. Lindner,Mordechai Segev, Mikael C. Rechtsman & Alexander Szameit, Photonic topological Anderson insulators, Nature 560, pages461–465 (2018).

网址链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0418-2

2、0.2 λ₀厚的自适应自旋锁定逆反射超表面

超表面（Metasurface）是由亚波长谐振器组成的人工设计的超薄2D材料，在性能上优于具有非凡电磁特性的天然材料。由于具有亚波长厚度的超表面能够定制电磁波的波前特性，这导致了各种有趣的应用，如光束偏转、光束分裂、平面透镜、波片、全息图像、隐身等。此外，鉴于自旋光学（spin optics）是目前最为前沿的研究领域之一，具有自旋光特性的超表面研究引起了人们极大的关注。光波的自旋（spin of light）一般是指光束的右旋和左旋圆偏振特性，其中光的手性特征（handedness）取决于传播方向。近日，来自新加坡南洋理工大学的刘爱群教授课题组、沈忠祥教授，以及电子科技大学的朱伟明研究员、新加坡国立大学的仇成伟教授，报道了一种使用亚波长厚度的可重构C形谐振器（Reconfigurable C-Shaped Resonators，RCRs）构成的逆反射超表面（retroreflective metasurface），它将总厚度从之前的590倍波长降低到仅有波长的0.2。RCR的几何形状可以在原位控制，以实现对横磁TM偏振和横电TE偏振电磁波入射的同等幅度和相位调制。通过设计超表面的相位梯度，能够将平面内动量赋予入射波，从而保证后向反射电磁波的自旋状态与入射波的自旋状态相同。这种自旋锁定（spin‐locked）的超表面可自适应于不同的入射角度，以通过机械式改变RCR的几何形状来实现逆向反射。作为概念性验证，超薄逆向反射表面在15 GHz频率下以10°、12°、15°和20°的各种入射角度下进行了验证。这种自旋锁定的自适应超表面可以在基于自旋体系的光学器件、通信系统、遥感、RCS增强等中找到潜在的应用。这一研究发表在近期的《Advanced Materials》上。

文章链接：L. B. Yan, W.M. Zhu, M. F. Karim, H. Cai, A. Y. D. Gu, Z. X. Shen, P. H. J. Chong, D.‐L.Kwong, C.‐W. Qiu, A. Q. Liu, 0.2 λ0 Thick Adaptive Retroreflector Made of Spin‐Locked Metasurface, Adv. Mater. 2018, 1802721. https://doi.org/10.1002/adma.201802721.

网址链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802721

3、光子晶体诱导的钙钛矿纳米晶体的荧光增强及UV光电探测器

紫外光电探测器在火灾监测、生物分析、环境传感器、光通信/成像等方面引起了人们的广泛研究兴趣。目前，基于商用硅和无机宽带隙半导体材料的紫外光电探测器取得了很大进展，但实现紫外线的高灵敏度、快速响应时间和可见光盲检测仍然是一个挑战。因此，为了开发下一代紫外光电探测器，需要寻找具有理想带隙、紫外线吸收较强、高载流子迁移率的新型半导体材料。最近，以铯铅卤化物钙钛矿纳米晶体（nanocrystal）半导体具有较大的吸收截面、高发射效率、高电荷载流子迁移率和覆盖整个可见光（410-700 nm）的可调带隙能量，使它们成为光电探测器应用的理想候选材料。其中，蓝色CsPbCl₃纳米晶体的带隙为2.82 eV、吸收波长下限低于410 nm，可能是紫外光检测材料的理想选择。尽管如此，该材料体系最严重的问题之一是较低的量子产率（quantum yield），这是由于其具有较高密度的深度缺陷态（Cl空位），这将显著降低紫外光电探测器的检测灵敏度。最近，来自吉林大学的宋宏伟教授课题组通过与Ag等离子体和光子晶体的耦合来探索CsPbCl₃纳米晶体的发光增强效应，即当Ag膜的等离子体峰以及PMMA蛋白石光子晶体（opal photonic crystals, OPCs）的光子禁带与蓝色CsPbCl₃纳米晶体的发射峰良好匹配时，荧光增强约为50倍和20倍，这与理论模拟一致。随后，通过表面等离子体和光子晶体的结合，在CsPbCl₃/Ag / OPCs混合物中的发光强度提高150倍以上，预计发射效率为51.5％。此外，采用该混合物构建处高性能柔性紫外光电探测器，表现出10^-11A的极低暗电流，9×10¹⁴琼斯的高探测率，28 ms / 31 ms的快速响应时间和30纳米的极窄响应线宽，相关参数优于商用硅基光电探测器。这项工作为改善钙钛矿纳米晶体和紫外光电探测器的发光性能提供了一种实用的技术方案。相关研究发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

文章链接：D. Y. Li, D.L. Zhou, W. Xu, X. Chen, G. C. Pan, X. Y. Zhou, N. Ding, H. W. Song, Plasmonic Photonic Crystals Induced Two‐Order Fluorescence Enhancement of Blue Perovskite Nanocrystals and Its Application for High‐Performance Flexible Ultraviolet Photodetectors, Adv. Funct. Mater. 2018, 1804429. https://doi.org/10.1002/adfm.201804429

网址链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201804429

4、用于中红外光高速调制和单像素成像的石墨烯-超表面混合器件

在过去的几十年中，红外光的产生和检测都取得了重大进展；然而，其有效的波前调控和信息处理仍然面临着巨大的挑战。在中红外成像、传感、安全检查、通信和导航等应用层面，都需要高效快速的光电调制器和空间光调制器。然而，迄今为止报道的主流研究都存在限制其实际应用的缺点，相关领域的发展仍然是不可预知的。最近，来自美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的Hou-Tong Chen课题组，联合杜克大学的David R. Smith教授、亚利桑那州立大学的Yu Yao助理教授以及莱斯大学的Aditya D.Mohite副教授等人，通过将石墨烯和超超表面结构有机结合，展示了一种高性能的自由空间中红外光学调制器，能够在GHz速率、低栅极电压和室温下工作，调制深度~90%，是目前已知最快的中红外自由空间调制器。研究人员进一步对石墨烯超表面（graphene metasurface）混合结构进行像素化处理，以形成用于高帧率、单像素成像的空间光调制原型器件，与传统的液晶或基于微镜的空间光调制器相比，性能上有着数量级的改进提升。这项工作开辟了探索高速时间/空间红外调制技术的波前调控工程的可能性，所展示出的高帧率成像方法在许多应用中具有巨大潜力，例如瞬态热现象的检测、实时热成像、安全检查、导航和医学检测等。相关研究发表在近期的《Light:Science & Applications》上。

文章链接：Beibei Zeng,Zhiqin Huang, Akhilesh Singh, Yu Yao, Abul K. Azad, Aditya D. Mohite,Antoinette J. Taylor, David R. Smith & Hou-Tong Chen, Hybrid graphene metasurfaces for high-speed mid-infrared light modulation and single-pixel imaging, Light: Science & Applications 7, Article number: 51 (2018).

网址链接：https://www.nature.com/articles/s41377-018-0055-4

5、共振半导体纳米天线阵列中的定向激光

近年来，支持强电磁共振的高折射率电介质和半导体纳米颗粒引起了人们的极大关注。然而，到目前为止，还没有关于这种纳米结构的激光产生的实验报道。最近，来自新加坡科技研究局A*STAR的科研团队向我们展示了一种有源介电纳米天线阵列中的定向激光（directional lasing），它具有较低的阈值和高品质因数，主要是通过在耦合的砷化镓（GaAs）纳米柱中所激发的泄漏共振（leaky resonance）实现。在该研究中，用于副衍射阵列（subdiffractivearrays）的垂直电偶极子集体共振产生了一个等效的连续体，通过部分地破坏这个连续体中的束缚态（bound state），可以用来形成此处的泄漏共振。研究人员可以在保持高品质因子（Q = 2,750）的同时控制发射光的方向性，也可以通过改变纳米天线阵列几何结构和修改GaAs随温度的增益谱来调整激光的方向性和波长。该文章所获得的研究结果为实现基于有源介电纳米天线的紧凑、高度透明的表面发射激光器（surface-emitting laser）提供了一定的指导意义。相关研究发表在近期的《Nature Nanotechnology》上。

文章链接：Son Tung Ha,Yuan Hsing Fu, Naresh Kumar Emani, Zhenying Pan, Reuben M. Bakker, RamónPaniagua-Domínguez & Arseniy I. Kuznetsov, Directional lasing in resonant semiconductor nanoantenna arrays, Nature Nanotechnology (2018).

网址链接：https://www.nature.com/articles/s41565-018-0245-5

6、具有弹性孤子振幅带隙的力学超材料

在John Scott Russell观察到苏格兰运河中以稳定形状和恒定速度传播的非线性水波包（water wavepackets）后，孤子（soliton）的独特性质已在许多科学和工程领域得以研究和应用。在机械力学领域，粒状晶体（granular crystal）为实现高度非线性孤子波（solitary waves）的传播提供了一个有效的研究平台，可用于设计抗冲击缓冲层、透镜、开关和无损检测技术。然而，在粒状介质中观察到的孤子具有标量性质，缺乏在固体材料中传播的弹性波的多重极化（multiple polarizations）典型特征。近日，来自美国哈佛大学的Katia Bertoldi教授课题组，以及清华大学的Qi He、法国勒芒大学的Vincent Tournat等人，结合实验、数值和分析工具来设计一种高度非线性的力学超材料，展现出弹性矢量孤子（elastic vector solitons）存在振幅带隙（gaps in amplitude）这样一种新现象，即禁止弹性孤子传播的振幅范围。这种带隙与通常在线性声子晶体和声学超材料中观察到的频域谱带隙有着本质的区别，并且是由矢量孤子的两个极化之间缺乏强耦合引起的。实验表明，这里的振幅带隙是研究系统的一个稳健（robust）特征，它的宽度可以通过改变单元的结构特性和破坏底层几何（underlying geometry）中的对称性来控制。作者指出，振幅带隙为操纵高度非线性的弹性脉冲提供了新的机会，正如所设计的孤子分离器和二极管器件。相关工作发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Bolei Deng,Pai Wang, Qi He, Vincent Tournat & Katia Bertoldi, Metamaterials with amplitude gaps for elastic solitons, Nature Communications 9, Article number:3410 (2018).

网址链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05908-9

7、介电光学谐振腔中的深亚波长时/空局域

在光学谐振器中，“光-物质”相互作用的增强效应主要是通过两种机制实现：（1）时域限制（temporal confinement），即光子在腔体中具有较长的时间寿命，其特征在于品质因子Q；（2）空间限制（spatial confinement），即能够将光局域在狭窄的空间中，以模式体积（modal volume）为特征。同时利用这两种机制实现相互作用增强一直是纳米光子学研究领域的不懈追求，它在光子的生成、调制和检测等方面具有广阔的应用前景，包括更高效的光源、太阳能电池以及更快、更低功耗的光开关和调制器。一直以来，等离子体和金属基超材料结构通过表面等离激元共振（surface plasmon resonance）模式，能够将光“汇聚”在深亚波长的模式体积内；然而，光子在等离子体内部存在较强的热损耗，往往会导致器件较差的品质因子Q（~10），并且不利于能量传导器件的实现。最近，来自美国范德堡大学的Shuren Hu和Sharon M. Weiss教授，联合IBM研究院和法国特鲁瓦工程技术大学的科研人员，在硅基蝴蝶结光子晶体（bowtie photonic crystal）结构中，实现了对电场和位移场的亚波长局域现象，显示出与等离子体激元相当的模式体积和超低损耗的品质因子，并能够有效地抑制相应的损耗。该方法为实现极强的光-物质相互作用机制打开了一扇新的大门，同时解决了光学谐振器中兼具超低模式体积和超高质量因子的科学难题。相关研究发表在近期的《Science Advances》上。

文章链接：Shuren Hu,Marwan Khater, Rafael Salas-Montiel, Ernst Kratschmer, Sebastian Engelmann,William M. J. Green and Sharon M. Weiss, Experimental realization of deep-subwavelength confinement in dielectric optical resonators, Science Advances 24 Aug 2018: Vol. 4, no. 8, eaat2355. DOI: 10.1126/sciadv.aat2355.

网址链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat2355

8、在等离子体器件中量化表面等离激元激发和热载流子输运的作用

在金属纳米结构中，光激发出的“热”载流子作为一种典型的非平衡光电子，可用于光检测和光催化的相关技术应用中。表面等离激元（Surface plasmon）被认为是高效操纵热载流子（hot carrier）器件的关键。因此，澄清等离激元激发的基本机制，对于充分挖掘它们的潜力至关重要。最近，来自美国加州理工学院的Harry A.Atwater领衔的科研团队通过测量Au-GaN肖特基二极管的光激发内量子效率（internal quantum efficiency），以阐明和量化表面等离激元激发、热载流子输运和载流子注入在器件性能中的不同作用。研究表明，等离激元激发不会影响热载流子器件内发生的电子过程。相反，金属能带结构和载流子输运过程决定了观察到的热载流子光电流的分布。实验结果与无参数计算的结果一致，表明在超薄Au纳米结构中产生的光激发电子在Au-GaN界面上发生了弹性撞击，热载流子的收集概率在热化（thermalization）过程中没有显著的能量损失。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：GiuliaTagliabue, Adam S. Jermyn, Ravishankar Sundararaman, Alex J. Welch, Joseph S.DuChene, Ragip Pala, Artur R. Davoyan, Prineha Narang & Harry A. Atwater, Quantifying the role of surface plasmon excitation and hot carrier transport in plasmonic devices, Nature Communications 9, Article number: 3394 (2018).

网址链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05968-x

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    编辑：冯元会、方轲

    审核：颜学俊

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