超材料前沿研究”一周精选 2019年1月7日-2019年1月13日

1、双曲超材料器件用于波前调控

超表面已经显示出重塑电磁（EM）波的波前的巨大潜力，但是基于透射的超表面器件依然面临低效率、制造复杂性的挑战。近日，来自华中科大和复旦大学的研究团队提出了一种利用超表面调控EM波前，实现高效传输的方法。这种方法的实现是基于具有双曲色散的超材料（HMM）波导，在其侧壁上具有人工表面等离子体（SSP）模式。通过调整HMM几何参数来操纵SSP的分散，可以控制穿过这种波导的EM波的相位，这使得能够设计出具有特定波前操纵功能的超表面器件。研究团队利用微波实验证明了两种不同的波控效应——光束偏转和聚焦，并且对于异常折射光束实现42.9％的最大转换效率。通过按比例缩小HMM超表面器件，这种高效传输的方法同样也能够适用于光学频率，并且原则上依然能够提高转换效率。这种方法可以在不使用高折射率介电材料的情况下提供更高的有效折射率和更可调的色散，因此具有极大的应用前景。            

文章链接: Yin, X.,Zhu, H., Guo, H., Deng, M., Xu, T., Gong, Z., … Chen, L. (2019). Hyperbolic Metasurfaces: Hyperbolic Metamaterial Devices for Wavefront Manipulation. Laser& Photonics Reviews, 13(1), 1970012. doi:10.1002/lpor.201970012

2、反PT对称洛伦兹动力学的实验模拟 

——借助氮化镓薄膜上的缺陷中的单光子生成，实验模拟了具有反PT对称性的波色波戈留波夫（Bogoliubov）准粒子，并实验观察到了类空间，类光，和类时间的三种狭义相对论中的态。

哈密顿量的厄米性确保了系统的实数的本征值和概率守恒的幺正演化，从而成为量子力学的一个基本的公理（Axiom）。然而，近年来人们发现，实数的系统本征值并不一定要求哈密顿量矩阵必须满足厄米性。一个典型的例子就是具有空间-时间反演（PT）对称的系统。PT对称系统被在许多真实物理体系中实验实现了，然而，反PT对称系统却很少得到实验研究。反PT对称系统具有很多新奇的特征，比如散射矩阵的自发相变，无折射，单位折射和常数折射现象。近日，来自中科大的Qiang Li 和Guang-Can Guo等人，以及苏州大学的Cheng-Jie Zhang，实验模拟了反PT对称系统的洛伦兹量子动力学。 

实验中，利用氮化镓色心中生成的单光子，将信息编码在单光子极化上。利用自制的共聚焦成像系统，将光子态先后经历纯化，改变光子数，非正交态变化过程，模拟了态在BdG（Bogoliubov-de Gennes）算符下的演化，观察到了复闵可夫斯基空间中的连续复洛伦兹变换而不是传统的希尔伯特空间中的幺正变换，从而实现了反PT对称的系统。并且演示了闵可夫斯基空间中的类空间（space-like），类光（light-like）和类时间（time-like）的三种态。该工作为研究非厄米系统中的准粒子动力学和开放系统中的量子力学提供帮助。相关研究成果发表在近期的《Optica》上。

 文章链接：Qiang Li, Cheng-Jie Zhang, Ze-Di Cheng, Wen-Zheng Liu, Jun-Feng Wang, Fei-Fei Yan, Zhi-Hai Lin, YaXiao, Kai Sun, Yi-Tao Wang, Jian-Shun Tang, Jin-Shi Xu, Chuan-Feng Li, andGuang-Can Guo, Experimental simulation of anti-parity-time symmetric Lorentz dynamics, Optica Vol 6, Issue 1, pp 67-71 (2019).

3、三维光子拓扑绝缘体的实现 

——借助超材料中常用的金属开口环谐振腔在三维空间的排列，实现了三维光子拓扑绝缘体，并实验观察到了表面态的狄拉克锥结构和沿着尖锐弯曲畴壁传播的具有鲁棒性的拓扑边界态。

光子拓扑绝缘体在近些年得到人们越来越多的研究。在一维和二维结构中，人们设计并实验发现了各种各样的光子拓扑绝缘体，其具有的单向传播的，鲁棒性的边界态，让设计具有独特性质的光子器件成为可能。然而，将这一性质提升到三维却有着很多困难，关键之一是实现三维的拓扑非平庸的全带隙。近日，来自新加坡南洋理工的Yihao Yang, Zhen Gao和Baile Zhang等人，以及来自中国浙江大学的Hongsheng Chen等人，首次设计和实验实现了具有3D 全带隙的光子拓扑绝缘体。该设计结构具有非常宽的带隙（超过25%）。借助具有强磁电耦合的金属开口环谐振腔（split-ring resonator, or SRR）在三维空间的排列，实验实现了一种弱的三维光子拓扑绝缘体（表面态具有偶数个狄拉克锥），并实验观察到了表面态的狄拉克锥结构和沿着尖锐弯曲畴壁传播的具有鲁棒性的边界态。

实验中，在铁氟龙玻璃编织包铜压层板（Teflonwoven glass fabric copper-clad laminate）背景中放置SRR，通过调节SRR的z方向的长度，可以实现宽禁带结构的连续变化。z方向的反射对称性的破坏，会引入双各项异性（bi-anisotropic）耦合，起到类似Kane-Mele 自旋轨道耦合（SOC）作用。实验将两种不同拓扑类型的结构拼接在一起，测量了沿着畴壁的透射谱，发现即使在体带的禁带频率区域，边界态仍然具有高的透射率，证实了拓扑绝缘体的体-边界对应效应。实验还测量了表面狄拉克锥，演示了边界态的鲁棒性，结果得到了数值模拟的相互印证。相关研究成果发表在近期的《Nature》上。

文章链接：Yihao Yang, Zhen Gao, Haoran Xue, Li Zhang,Mengjia He, Zhaoju Yang, Ranjan Singh, Yidong Chong, Baile Zhang &Hongsheng Chen, Realization of a three-dimensional photonic topological insulator, Nature (2019).

4、光学中的奇异点

奇异点（Exceptional points）是系统的参数空间中的奇点，参数空间中两个或更多个特征值及其对应的特征向量发生简并，就会产生这样的奇异点。这种奇特的简并点是非厄米系统的独特特征，它们不遵守守恒定律，因为它们与周围环境交换能量。非厄米性近年来引起了人们极大的研究兴趣。特别是在时空对称（Parity-Time Symmetry）的量子力学概念兴起之后，人们认识到满足这种特殊对称性的哈密顿量能够展现纯实数的本征值，这拓展了人们的认识，将人们的研究兴趣从厄米系统拓展到了非厄米系统。时空对称的概念在光子学中特别受关注。因为光学增益和损耗可以在纳米级结构中以高分辨率进行集成和控制，因而光学系统成为了实现非厄米物理学、时空对称性和奇异点的理想平台。当我们控制纳米光子系统中的耗散和增益时，奇异点的出现极大地改变了光学系统的整体响应，导致了与特征值谱中的异常相变相关的一系列奇特光学现象。基于光学奇异点现象能够实现诸如超灵敏度测量，高性能单模激光器，以及模式和偏振转换的拓扑能量转移的绝热控制等等奇特的光学现象。非厄米光学系统也被开发用于外置激光系统，新奇的非线性光学设计和开放系统中的奇异散射特征等。近日来自德克萨斯大学奥斯汀分校的Mohammad-Ali Miri和 Andrea Alù教授发表综述文章，回顾了光子学中奇异点现象所产生的新奇效应，讨论了基于光子奇异点的理论和实验研究的最新进展，并展望了光学奇异点现象从基础科学到应用技术的机遇和挑战。

文章链接: Miri,M.-A., & Alù, A. (2019). Exceptional points in optics and photonics.Science, 363(6422), eaar7709. doi:10.1126/science.aar7709

5、基于电注入的时空对称单模激光

光学激光器的研究具有悠久的历史，它具有高能量、高相干性、高可控性等等优点，是光学研究中必不可少的器件。在光学激光器中，人们关心能量的输出效率，因而往往将研究方向集中在光学增益中，而将激光中的光学损耗视为有害的、需要尽量避免的。然而在最近的研究中，时空（PT）对称性提供了一种独特的途径，通过在激光腔内同时调控增益和损耗，能够实现传统激光所不具备的奇特性质，比如位于时空对称奇异点的单模现象。近日，来自马萨诸塞大学洛厄尔分校的Wei Guo教授及其团队报告了一项新的研究成果。不同于以往利用光学注入的方式调控时空对称激光，他们设计了一种基于电注入的耦合波导PT对称激光器。与光学注入的PT对称激光器相比，这种电调谐的方式能够更有效的对激光腔中的增益和损耗进行动态调制。通过数值分析并计算PT对称波导的模式，能够计算出PT对称至PT破缺的几个不同阶段，并且通过实验观察到相应的PT对称腔模式，并最终展示了由PT对称模式选择实现的电注入单横模宽区域耦合波导激光器。目前，在高功率激光器和锥形放大器（TA）二极管中，必须使用大面积、单模波导。然而，以往的传统设计往往伴随着激光器性能下降、高输出功率下单模的不稳定性，以及由于锥形波导形状而导致的额外制造复杂性。在这种情况下，PT对称性提供了一种独特的途径，能够在不牺牲激光器性能的前提下操纵激光腔模式并实现单横模操作。因而，这种基于电注入的时空对称单模激光具有广泛的应用前景。

文章链接: Ruizhe Yao,Chi-Sen Lee, Viktor Podolskiy, and Wei Guo, Electrically Injected Parity Time–Symmetric Single Transverse–Mode Lasers, Laser Photonics Rev. 13(1), 1800154(2019)

6、布里渊光散射法测量肿瘤的高频机械性质

肿瘤已经成为威胁人类健康的主要疾病，对肿瘤广泛深入的研究有助于人类理解和对抗肿瘤。然后肿瘤的机械性质很少被人研究，尤其是高频机械性质。高频机械性质反映了细胞内和细胞间流体的特性，而这些性质与与肿瘤发生发展和耐药性有关。但它们仍在很大程度上未被探索。

（a）成孔细胞瘤的力学结构图。每个细胞的细胞骨架连接在一起形成一个弹性网络。这个网络被细胞内和细胞间的液体侵入，这些液体被声音振动所驱动。（b）装置示意图。激光束送入标准生命科学显微镜。电动台驱动96孔板作样本扫描，将漫射光收集并发送到分光计。（c）单孔放大图，每孔都充满培养基，并含有一个实体瘤球。（d）在培养基（黑线）和肿瘤球体（灰线）中获得的典型光谱。分别用红色和蓝色绘制拟合的曲线。 

近日，来自法国里昂第一大学的Thomas Dehoux 教授利用布里渊光散射技术（Brillouin Light Scattering），利用高频粘弹性模量（high-frequency viscoelastic modulus，简称HFVM）作为对比度显示的肿瘤微组织的无标签图像。证明了正常组织和高危组织之间HFVM显著的差别。HFVM显微图还显示，药物治疗使整个组织的模量发生异质性改变，显示肿瘤核心的疗效存在滞后性。利用高频孔隙力学可以推进现有粘弹性理论的发展，实现对肿瘤药物反应的综合描述。相关文章发表在PRL上。

文章链接：Jérémie Margueritat, Angélique Virgone-Carlotta, Sylvain Monnier, Hélène Delanoë-Ayari, Hichem C. Mertani, Alice Berthelot, Quentin Martinet, Xavier Dagany, Charlotte Rivière, Jean-Paul Rieu, and Thomas Dehoux,High-Frequency Mechanical Properties of Tumors Measured by Brillouin Light Scattering,Phys. Rev. Lett. 122, 018101 – Published 8 January 2019

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.018101 

7、SrTiO3超宽带光电探测器中的声子增强光热电效应

基于光热电效应（PTE）的自驱动和超宽带光电探测器是有很好的应用前景的，例如可以用于传感、环境监测、夜视和天文学等。光热电效应光电探测器的灵敏性由材料的塞贝克系数和光照下材料温度上升的幅度共同决定。先前，PTE光电探测器主要依靠塞贝克系数在100 μVK^-1范围内的传统热电材料，或者采用多单元阵列结构来提高光电探测器的性能。

中国科学院大连化学物理研究所包信和院士和姜鹏研究院课题组，使用还原的钛酸锶（reduced SrTiO3）作为光热电材料，测出其光电探测器敏感性高达1.2 VW^-1，并且响应谱可以从325 nm到10.67 μm的超宽光谱。其高性能是由于该材料固有的高塞贝克系数和其在长波长红外区域，具有声子增强的光响应特性。该研究结果为寻找低成本、高性能的自驱动室温光热电型光电探测器提供了一条新的途径。该研究工作发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Xiaowei Lu, Peng Jiang, Xinhe Bao, Phonon-enhanced photothermoelectric effect in SrTiO3 ultra-broadband photodetector, Nature Communications volume 10, Article number: 138 (2019). 

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07860-0

8、单层FeSe中光诱发的超导性非易失转换

——紫外光诱发下，单层FeSe中超导转变温度的提升以及正常-超导状态之间的反复转换。

超导的光学控制一直是许多研究工作的焦点，但缺乏相关的实验验证。迄今为止，仅在离子液体门控有机材料（ionic liquid-gated organic materials）中证明了对连续波（continuous-wave, CW）光产生的超导性的持续影响。而对于有源量子器件应用来说，非常需要通过光控超导的能力。由于超导体很少表现出强烈的光响应，而且光敏材料通常不是超导的，因此在单一材料中，这两个特性之间的有效耦合非常具有挑战性。近期，来自美国西弗吉尼亚大学的研究团队探索了一种不同的策略，通过光学调控外延异质结构FeSe/SrTiO₃中的超导性。实验证明，短时间暴露于弱3.5 eV 连续波紫外光可以提高FeSe / SrTiO₃异质结构中的超导转变温度，并产生零阻抗状态，在黑暗中至少持续数天。作者将这种效应归因于SrTiO₃中的强光载流子- 声子耦合（photocarrier-phonon coupling）以及在FeSe / SrTiO₃界面处产生的亚稳极性晶格畸变。通过紫外光激发和场控制的界面偶极子重定向可以实现这种亚稳态和基态之间的快速非易失性转换，使得对量子材料的主动操作成为可能。此外FeSe / SrTiO₃异质结构还表现出非常大的光电压和光电容，这是界面效应的结果，显示出在光电应用中由3D氧化物和2D层状材料实现设计的异质结构的潜力。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：Ming Yang, Chenhui Yan, Yanjun Ma, et al. Light induced non-volatile switching of superconductivity in single layer FeSe on SrTiO₃ substrate, Nature Communications, 10:85 (2019).  https://doi.org/10.1038/s41467-018-08024-w

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