超表面，最新Science！中国小伙一作，本科毕业于西交大！

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

哈利波特的“隐身”斗篷是不是很迷人？原来早在2006年，史密斯教授及其在杜克大学的科研小组设计、制造了着名的“隐身大衣”，并成功地进行了实验证明。2009年又出现了宽频带的隐身衣。2010年科学家发现了电磁黑洞。此时，大脑立马闪现出大大的问号：光的折射率还能为负？什么是超材料？什么是超表面？

Figure 1. 左边折射率为正值，右边折射率为负值

1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格（Veselago）发现，介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质，与常规材料不同，从而在理论上预测了上述“反常”现象，如Fig1右图所示即为负折射率材料。“超材料”的概念便源于此，实际上指的就是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超表面可视为超材料的二维对应。

超表面提供了一个平台，可以以比相应的体光学元件薄得多的紧凑形式制造光学器件。超表面是一个开放系统，在撞击场和共振纳米结构之间不断交换和/或吸收能量。与封闭系统不同，开放系统在异常点(EP)处经历相变，导致与光学奇点相关的复杂散射现象。共振散射、导模传播相位和/或方向相关的相位延迟是迄今为止用于构想光学超表面的三种主要机制。

鉴于此，来自法国CNRS-CRHEA的Patrice Genevet研究员通过利用在奇异点附近运行的非厄米矩阵的拓扑特征来引入额外的自由度来解决光学相位工程。选择超表面构建块以沿着参数空间中的任意闭合轨迹环绕奇点，在特定的反射偏振通道上设计了拓扑保护的全2π相位。证明了超表面技术代表了研究和验证拓扑光子概念的便捷测试平台。相关研究成果以题为“Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point”发表在最新一期《Science》上。QingHua SONG（西交大2013届）为第一作者。

【拓扑超表面的设计】

等离子体拓扑超表面由三层组成，其中介电层夹在金属基底和金属结构层之间（图1A）。金属基底阻挡了所有的传输，使超表面在反射状态下工作。结构层由二维(2D)平面手性结构阵列形成，该阵列由“L”形纳米结构组成，近场耦合到直纳米棒。为了观察特征值表面的EP复平方根拓扑，需要改变两个参数，定义参数空间R=(L1,L3)，其中L1和L3是图1A中所示的几何参数。图1B显示了当r+-为零点或奇点时为完美吸收。鉴于超表面的多功能性，作者在单个组件上实现了具有不同参数的天线组件，以便在参数空间中围绕EP移动，从而同时实现一组光学响应（图1G、1J）。我们还观察到奇异值的幅度变化。另一个反射圆偏振（CP）转换系数(r–+)在该参数空间中不呈现奇点，导致几乎恒定的相位和幅度分布（图1C）。传统的几何相位（PB）对两个反射CP转换光束的作用相反（图1D-F）。异常拓扑阶段（ET）仅强加给一个CP转换，因此可以与标准PB阶段结合。因此，ET和PB相位的组合可用于解耦两个CP转换光束的相位，从而独立控制每个偏振转换波前（图1G- L）。

图 1. 拓扑超表面的设计原理

【模拟与仿真】

r+–的光谱奇点，连同其在λ=600nm处的特征值和特征态的简并证明了EP的存在（图2，红星）。对应于反射矩阵特征值的相交双黎曼曲面进一步证实了这种行为（图3A、3B）。偏转单位单元可以选择各种相位和幅度转换分布。作者选择了一个简单的单位单元相位覆盖，考虑到90°相位步长，以保持相邻天线之间的距离恒定，这略微影响了第三种结构的幅度（图3E）。图3中的C至H还展示了60° PB相位间隔的七种设计，用于与ET相位组合。

图 2. 模拟反射光谱和相应的本征值和本征态

图 3. 参数空间中超曲面的仿真结果R=(L1, L3)

【实验证明】

作者通过实验证明了ET相梯度超表面，表现为光束偏转器和超全息图。制造的光束偏转器的扫描电子显微照片（SEM）如图4A所示。在图4B中测量了两个CP转换光束的不对称反射，最大效率为12%，功率比约为10:1，如图4C中量化的那样。奇点设计（EP天线）的光谱位置随天线结构参数的变化而变化，表明小的纳米加工误差可以稍微改变EP的位置并修改预期的偏转效率和功率比。为了展示这种波前相位编码技术的多功能性，作者实现了元全息图（图4D）。正如预期的那样，r+–显示了“C”的全息图像（图4E），但r–+没有图像出现（图4F）。通过将ET相与其他相控制机制相结合，扩展了ET相的应用范围。作者通过简单地旋转超表面元素（图4G-L）将ET与广泛的PB相位相结合，以解耦两个CP光束的偏转角（图4H、4I）。同样，作者应用ET+PB相位编码来投影两个不同的CP全息图像（图4K、4L）。

图 4. 拓扑超表面的实验结果

【结论】

作者已经展示了一种平面手性等离子体超表面，通过选择沿着围绕EP的任意闭合参数环分布的纳米天线设计，在反射范围内表现出2π拓扑相位累积。作者已经表明，2π相位累积仅施加在由环绕的EP的手性定义的CP转换光束之一上。利用ET和PB阶段的线性组合，作者将LCP和RCP通道解耦。通过环绕S矩阵的奇点来解决相位延迟问题，为光频下的线性和非线性拓扑电磁场控制开辟了广阔的研究机会。

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿