超材料前沿研究一周精选 2019年12月2日-12月8日

二维(2D)材料中的激子相互紧密结合，表现出丰富的物理性质。激子结合能可超过数百meV，比体半导体和量子阱结构大一个数量级以上。室温下，较大的电荷-偶极子和偶极-偶极子相互作用（约数十meV）能稳定多体配合物，如介子和双激子。虽然大多数研究都集中在原子晶体上，但许多分子半导体也有二维的层状结构。与过渡金属双卤化物(TMDs)等流行的二维半导体相比，分子系统中的偶极-偶极相互作用更强。因此，分子半导体的尺寸控制有望大幅度地改变激子耦合并产生新的光电功能。研究激子相互作用的一个特别有趣的系统是分子J-聚集体。1930年人们首次观测到它，并发现其特征是由于单体激发的建设性量子叠加而使光谱线出现红移并变窄。这些离域状态较少受到紊乱(类似于晶体中的布洛赫波)的干扰，因此非常适合用于改善器件功能。然而，在大多数情况下，相干的程度是相当有限的，因为在超快亚皮秒时间尺度上的能量弛豫主要是由分子间CT(也称为自俘获)主导。为此，二维组装由于增强了局部Frenkel偶极子间的库仑相互作用和层间CT的完全抑制而极具吸引力。

最近，南京大学电子科学与工程学院王欣然教授、化学化工学院马海波副教授和美国加利福尼亚大学伯克利分校Ali Javey教授合作，开发了一种基于蒸汽运输的方法来精确地组装二维表面上的分子，这为研究分子的电学和光学特性提供了可能。在这项工作中,他们研究单层(ML)二萘嵌苯衍生物的光学特性,其分子的堆积可产生强偶极相互作用，而电子耦合较弱, 这是长距离J-聚体的理想条件。他们发现激子具有巨大的振荡强度，导致强吸收(室温和4K下分别超过15%和30%)和亮发射(比半导体TMDs大两个数量级以上)。结合温度依赖实验和密度泛函理论(DFT)计算，他们发现，激子波函数(Nc)的尺寸逐渐增大，在低温下可以达到百分子量级，这与无机半导体中的Wannier激子相似。进一步，他们在ML-perylene衍生物上制作了瞬态发光器件，并证明了激子态在电激励下是鲁棒性的。他们观测到近100%的光致发光量子产量(PLQY)、小于30 ps的辐射寿命和电注入，为相干偶极相互作用的高效率、高速发光器件铺平了道路。相关工作发表在《Nature Communications》上。（短文作者：方轲）

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-019-13581-9 

相干完美吸收（CPA）和激射是一对互为时间反演的特殊的波动行为。它们之间的关系意味着，将CPA中的损耗材料替换为增益材料，吸收过程就会反转为激射过程，反之亦然。将这种关系和潜在的物理原理用于吸收性干涉仪，亚波长区域中的理想波吸收器，光表面等离子体耦合器，无像差的透镜等的设计中。但是，这些功能结构主要基于相干的完美吸收效应，这意味着仅使用从空间去除能量的过程，而反效应（例如激射效应）可以将能量带入空间，实际上在结构设计中很少使用。如果CPA吸收的能量可以被回收，然后通过其相应的激射结构释放，则CPA和激射的组合将充当一种特殊的设备，可以“移动”一个地方的能量到另一个地方。这将为波动行为控制设备提供一种替代机制。

近日，来自华南理工大学的Zhilin Hou研究小组报道了通过将CPA和激射的概念从以前研究的一维非Hermitian系统扩展到二维系统，这种理解可简化一种超构表面设计。作为示例，构造了一个不对称角度的透射超构表面和分束器，它们分别用作来自两个相反倾斜角度的波并将入射波分别分成任意振幅比和相位差的两个方向的完美发射器和后向反射器，合并两个单独设计的CPA。这个想法不仅大大简化了超构表面的设计，而且在超构表面和非Hermitian系统的研究之间架起了桥梁。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.12.064016

偏振态是光的固有特性之一，圆偏振光具有广泛的应用，例如圆二色性光谱，光磁记录，传感，材料表征和无线通信。典型的相干光源是线性偏振的，因此线性到圆偏振转换是生成圆偏振光的实用方法。基于单个双折射材料板的波片能够实现窄带的线性到圆偏振转换，堆叠具有精心安排的厚度和方向的多个双折射板可以扩大操作带宽，但是设计和制造变得更加复杂。尽管可以通过在菲涅耳菱形棱镜等棱镜中使用全内反射来实现消色差偏振转换，但庞大的尺寸使其难以在光学系统中小型化和集成。这些问题对圆偏振态的宽带调制提出了进一步的挑战，特别是在太赫兹（THz）频率下，光学领域中常规使用的光弹性调制器是不可行的，因为不断增加的波长需要光弹性材料的过高的机电驱动，以在两个正交线性极化之间引起足够大的双折射和相位延迟。

由于圆偏振光源的稀缺性，需要线性到圆偏振转换以产生用于各种应用的圆偏振光。尽管过去做出了巨大努力，但是宽带线性至圆偏振转换仍然难以控制，尤其是在太赫兹和中红外频率范围内。近日，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的Hou-Tong Chen研究小组提出了一种基于耦合模式理论的新颖机制，并通过实验证明了在太赫兹频率下，可以通过设计双折射超表面实现高效（功率转换效率接近1）和超宽带（相对带宽高达80％）的线性至圆偏振转换，方便地。相应的机制在完全分离的谐振之间的频率范围内运行，并且依赖于这些谐振的相位响应，使其远离谐振频率，以及谐振通道和非谐振通道的平衡。该机制适用于从微波到可见光的任何工作频率。这项工作为需要圆偏振光的无线通信，光谱学和新兴量子材料研究提供了广泛的机会。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.123.237401

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