“超材料前沿研究”一周精选 [2018.8.27- 9.2]

1、Nature综述：亚波长集成光子学

在普通的介电材料中，周期性晶格对同等尺寸的X射线起到了衍射光栅的作用，但对于波长更长的可见光看起来像是均匀介质。类似地，在亚波长光栅（subwavelength grating）结构中，周期性排列的结构单元起到类似于晶格原子的作用，结构单元的光学响应和排列方式决定了超材料（metamaterial）的宏观光学性质。实际上，如果光栅的周期远小于光的波长，则衍射效应将受到抑制，结构整体表现得更像是均匀的各向异性材料，并且具有各向异性的等效介电常数张量。近年来，“超材料”一词被创造并广泛使用，它也被称为“人造介质”（artificial media），具有比自然界材料范围更广的材料特性；随后，人们开发了基于金属材料的超材料，展示出了负磁导率、负介电常数、超分辨率等奇特性质。最近，来自加拿大国家研究委员会的Pavel Cheben和Jens H. Schmid、西班牙马拉加大学的Robert Halir教授、加州理工的Harry A. Atwater教授和杜克大学的David R. Smith教授在《Nature》上发表综述文章，系统讨论了如何将超材料引入光波导技术和片上架构，从而为集成光子器件中的光束控制提供了新的自由度。文章强调了亚波长光栅在硅基集成光子学中的应用，它们被认为是下一代光通信、生物医学、量子和传感技术发展的关键组成部分。

文章链接：Pavel Cheben, Robert Halir, Jens H. Schmid, Harry A. Atwater & David R. Smith, Subwavelength integrated photonics, Nature 560, pages565–572 (2018).

2、Nature：胶状Penrose预组装结构的Brownian准晶

五角形的彭罗斯（Penrose）P2准晶体是一种美丽的、分层组装的跨尺度结构，其中“风筝状”和“镖状”的“瓦片”（tile）依次排布，形成诸如“五角星”结构的局部图案；这些图案又被排列成各种紧密堆积的“超结构”图案（superstructural pattern），并在更大的尺度范围内会变得越来越复杂。尽管人们已经在硬质和软质材料中观察到某些的准周期性结构，但是这类结构往往难以实现大面积的自组装制备，主要是因为在组装结构件之间产生必要的、高度特异性的交互作用（highly specific interaction）具有很大的技术挑战。先前报道的树枝状聚合物、三嵌段共聚物、纳米颗粒和聚合物胶束的软物质准晶仅限于12或18重对称性。全息激光镊子和光学驻波已被应用于微球的局部准晶排布中，并且两种不同尺寸的磁性微球体可以局部组装成五重对称的二维准晶结构。但迄今为止，我们并未利用可移动的胶体“瓦片”制备出大面积Penrose准晶。最近，来自美国加州大学洛杉矶分校的Po-Yuan Wang和Thomas G. Mason教授使用高度可并行化的光刻印刷技术，并将预组装的风筝形和镖形“瓦片”释放到含有耗尽剂的溶液分散体中，制备出了跨尺度的Penrose准晶结构。在释放过程结束后，“瓦片”的位置和取向可以发生波动，并且由于相邻“瓦片”之间的频繁碰撞，这些“瓦片”经历了随机布朗运动。借助光学显微镜，研究人员发现：在较高的“瓦片”密度下，材料体现出五重液体准晶相的特征，类似于六重对称的六角形液晶结构。这一准晶制备方法适用于不同尺寸和形状的“瓦片”，并具有不同的初始位置和方向，能够创建出超越当前自组装或直接组装方法的二维准晶以及具有跨尺度特征的复杂系统。研究人员预计：用于生成预组装单分子层的光刻方法可以借助全息光刻或立体光刻技术，进一步扩展到创建三维波动粒子的布朗体系。相关研究发表在近期的《Nature》杂志上。

文章链接：Po-Yuan Wang & Thomas G. Mason, A Brownian quasi-crystal of pre-assembled colloidal Penrose tiles, Nature (2018).

3、综述：光学超表面——用于多功能光学的新一代组装模块

光学超表面（Optical Metasurfaces）是一种亚波长的图案化层状结构，它能够与光发生强烈的相互作用，因此可以在亚波长厚度上显著地改变光学性质。与依赖于光折射和传播的传统光学器件相比，光学超表面主要是基于小尺寸纳米结构的光散射原理，以共振的方式捕获光波，并以确定的相位、偏振、模态和谱线来重新发射光波，从而能够以前所未有的精度来“雕刻”光波。这种纳米级光学操纵方式开启了诸多实际应用，包括光谱选择性、波前和偏振控制，以及对光辐射和光检测的控制。超表面在结构上类似于频率选择性的表面结构和高对比度的光栅；然而，在过去十年中，它们在复杂性和功能性等方面取得了巨大的进步。近日，来自澳大利亚国立大学的Dragomir Neshev教授和悉尼科技大学的Igor Aharonovich教授在《Light: Science & Applications》上发表长篇综述，展示了光学超表面研究的最新进展，并为未来的潜在应用提供了技术路线展望，包括在量子技术、全息和传感等领域的光波生成、操作和检测。

文章链接：Dragomir Neshev & Igor Aharonovich, Optical metasurfaces: new generation building blocks for multi-functional optics, Light: Science & Applications 7, Article number: 58 (2018).

4、用于多模波导交叉的超材料麦克斯韦鱼眼镜头

片上多模传输（On‐chip multimode transmission）具有单波长载波扩展链路容量的能力，引起了科研和工程领域极大的兴趣。波导交叉（waveguide crossing）是片上光子学器件中的基本组件，它允许复杂网络的路由功能实现；随着高密度多模网络的出现，多模波导交叉的实现得到了更多的研究关注。然而，传统的波导交叉设计仅适用于单模波导，虽然也有报道实现了多模交叉，但都存在光信号损失巨大的问题。最近，来自浙江大学的时尧成教授课题组采用基于超材料的麦克斯韦鱼眼镜头（Maxwell's fisheye lens），提出了一种多模波导星形交叉（star‐crossing）的实现方式，其中四个多模波导会聚在单个交叉点。在该研究中，通过对硅基超材料折射率的调制，研究人员在SOI材料平台上获得了麦克斯韦鱼眼镜头，并结合锥形波导结构，使得TM0和TM1模式都可以通过星形交叉传播，具有较低的损耗和串扰：实验结果显示，这里的多模波导星形交叉具有<0.3 dB的低损耗和<-20 dB的串扰。相关研究发表在近期的《Laser & Photonics Reviews》上。

文章链接：H. Xu, Y. Shi, Metamaterial‐Based Maxwell's Fisheye Lens for Multimode Waveguide Crossing, Laser & Photonics Reviews 2018, 1800094. https://doi.org/10.1002/lpor.201800094.

5、自由形状的共形超表面

人造电磁超表面能够通过在界面处引入电磁场的突然变化，以实现对光波特性的预期设计和控制。当前的超表面理论建模主要利用了广义的薄层跃迁条件（Generalised Sheet Transition Conditions，GSTC），它考虑了电磁超表面所引起的光学响应。GSTC是一个强大的理论工具，但它却不适用于任意形状的超表面研究；而对于任意形状的光子器件应用，需要一种能够精确、高效地计算人工边界条件的算法。为了应对这一挑战，来自新加坡南洋理工大学的Qi Jie Wang教授课题组和法国蔚蓝海岸大学的Patrice Genevet教授采用改进的有限差分时域（FDTD）方法，提出了一种基于共形边界光学的数值模拟方法，能够精确地计算共形超表面上的电磁场特性。基于该方法，研究人员给出了曲面光学超表面结构的示例，得到了与理论预测一致的结果。该方法可以成为设计和预测共形超表面光学功能器件的有力工具，为轻质、柔性和可穿戴光子器件的发展提供优异的设计基础。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Kedi Wu, Philippe Coquet, Qi Jie Wang & Patrice Genevet, Modelling of free-form conformal metasurfaces, Nature Communications 9, Article number: 3494 (2018).

6、模拟Ising模型的超材料体系

微观粒子之间的相互作用始终是一个迷人而有趣的科学领域，而直接探究这种相互作用通常十分困难，大多需借助极其庞大而复杂的粒子加速器。电磁人工微结构系统提供了一系列丰富的工具包，可用于模仿和再现控制微观相互作用的核心动力学模型，从而为探索和解释微观现象提供了一条行之有效的途径。其中，超材料（Metamaterial）能够人工地定制“光-物质”的耦合作用，实现了对超材料阵列中结构基元之间的相互作用的控制，在一定程度上也就可以“模拟出”粒子间的相互作用过程。最近，来自新加坡南洋理工大学的Ranjan Singh教授课题组通过在超材料阵列内复杂的电磁多极模式（electromagnetic multipole）散射，利用太赫兹超材料模拟出2D晶格中微观粒子的自旋相关相互作用，并讨论了由于最近邻相互作用而产生的Fano共振，相关研究对象与2D Ising模型相似。有趣的是，通过在不施加外部磁场或电场的情况下调控2D相互作用，研究人员观察到从单Fano共振到Fano光谱超精细分裂（hyperfine splitting）的相变，这为超分辨率成像、生物传感和选择性热发射应用提供了潜在的多光谱平台。此外，这种再现微观粒子之间静态相互作用的动态方法，未来将在通过宏观类比来探索未知物理世界方面具有更加深远的意义。相关研究发表在近期的《Advanced Materials》上。

文章链接：L. Cong, V. Savinov, Y. K. Srivastava, S. Han, R. Singh, A Metamaterial Analog of the Ising Model, Adv. Mater. 2018, 1804210. https://doi.org/10.1002/adma.201804210.

7、奇异点附近的拓扑波导：缺陷免疫、慢光和损耗免疫

在特定方向上对光波和电磁波的传导能力对于科学和工程技术来说至关重要，包括从长途光纤到片上光学互连的可能性、在微米和纳米尺度上增强的光-物质相互作用，以及现代雷达和5G天线系统的复杂馈电网络。同时，对光波传播控制的灵活性和鲁棒性（robustness），将有可能会导致波动物理学（电磁学、声学、地震和弹性波等）的不同领域的新应用和进步，包括隐形和隐身技术、缺陷或损伤结构中的波传导，以及基于光波的信息处理等。在传统波导结构中，传播的电磁波将会在缺陷和不连续结构处发生反射和衰减，从而限制了对波的传导能力。最近，来自美国康奈尔大学的S. Ali Hassani Gangaraj和Francesco Monticone教授通过对非厄密物理学（non-Hermitian physics）和拓扑光子学（topological photonics）概念的结合，彻底改变了这种经典的导波特性；具体来说，他们首次在理论上研究了非厄密非互易波导（non-Hermitian nonreciprocal waveguide）中实现耦合拓扑模式之间奇异点（exceptional point）的可能性。该研究所提出的系统由相反偏置的gyrotropic材料（如偏置的等离子体或石墨烯层）组成，具有平衡的损耗和增益分布。为了研究这种复杂的波导，研究人员提出了基于经典格林函数理论的严格分析，并阐述了耦合拓扑模式的行为及其非厄密简并的性质。研究发现，通过在奇异点附近的调控，该系统可以实现异常的拓扑电磁波传播，同时具有较低的群速度、对不连续处背向散射以及对损耗的本征免疫性（inherent immunity）。这些理论发现将会激发人们对非厄密拓扑波导的进一步研究，以在实际场景中实现鲁棒的波传播。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：S. Ali Hassani Gangaraj and Francesco Monticone, Topological Waveguiding near an Exceptional Point: Defect-Immune, Slow-Light, and Loss-Immune Propagation, Phys. Rev. Lett. 121, 093901 – Published 28 August 2018.

8、弹性波的拓扑边界模式和非对称传输的激光实验表征

尽管众多科学家已经从理论角度对拓扑力学超材料（Topological Mechanical Metamaterials）进行了广泛的研究，但它们的实验表征技术一直有所滞后。为了解决这个问题，来自美国明尼苏达大学的Stefano Gonella教授课和Xiaoming Mao教授课题组在拓扑kagome晶格中，利用激光测振仪实现了超材料力学和弹性波特性的实验表征，阐明了该结构中的面内声子和拓扑特征。在理论模型中，当理想的铰链（ideal hinges）被能够支撑弯曲变形的韧带（ligament）所取代时，将会建立起连续弹性极限（continuum elasticity limit），这也是在现实的物理晶格中能够观察到的，被研究人员通过激光辅助的方法加以验证。同时，实验还揭示了零能量软边界模式（zero-energy floppy edge mode），这是一种局域在边界处的有限频率声子模式。通过精心设计的激励信号对晶格的探测，研究人员能够提取和表征复杂的低频声学模态的所有特征，其中体模和拓扑边界模式是相互重叠并纠缠在一起的。此外，这里的实验还提供了有限频率下存在的强非对称弹性波传播的确凿证据。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Jihong Ma, Di Zhou, Kai Sun, Xiaoming Mao, and Stefano Gonella, Edge Modes and Asymmetric Wave Transport in Topological Lattices: Experimental Characterization at Finite Frequencies, Phys. Rev. Lett. 121, 094301 – Published 28 August 2018.

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    编辑：方 轲

    审核：颜学俊

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