原創 長光所Light中心 中國光學
撰稿 | 君與同行（華中科技大學 博士）
01
導讀
現代光學設備需要不斷調整與光的交互設置。比如，鏡頭需要改變焦點，雷射雷達必須以不同角度發射和接收光。因此，設備中存在各種機械裝置，如可移動透鏡，旋轉反射鏡、可移動發射器。但是，如果有一天所有這些裝置都變得不必要了呢？一個由俄羅斯ITMO大學和埃克塞特大學的工作人員組成的國際研究團隊提出了一種新型超構材料，該材料能夠在沒有任何機械輸入的情況下改變其光學特性。這種發展可能導致複雜光學設備的可靠性得到顯著提高，同時使它們的製造更便宜。該研究以封面文章的形式發表在期刊Optica上。
圖片來源：optica
在過去的幾十年裡，物理學和材料科學的飛速發展為人類帶來了更加廣泛的材料選擇。現在，那些複雜設備的設計者已經不再受傳統材料（例如金屬，木材，玻璃或礦物）局限性的束縛。科學家可以製造出堅固且輕巧的材料；有韌性且柔軟的材料；透明但折射率為負的材料。在這方面，超構材料展現出難以置信的潛力。由於它們具有複雜的周期性結構，因此它們實際上不受材料成分的限制。這些結構可用於操縱光、聲、熱和電。同時，它們的性能將遠遠優於天然材料。這樣的結構可以是立體的也可以是平坦的——後者也通常被稱為超構表面。
超構表面為實現便攜、緊湊的新型光子器件提供了重要的技術途徑。由高折射率納米結構構成的全介質超構表面拓展了操控光線的可能性。但是，傳統的基於電介質的超構表面，其功能在製造階段就已固定。它們的光學響應如果能夠動態調控和重新配置，將有望實現更加廣泛的應用。本文中，研究人員通過將一層超薄的GST材料（一種硫屬化合物相變材料Ge2Sb2Te5）嵌入矽納米諧振體中，首次實現了一種具有多級、可重構、高效調控能力的「雜化全介質/相變超構表面」。
02
背景介紹
自從光學超構表面的概念出現以來，已經報導了許多具有新奇特性的新型光子器件。在這些器件中，支持電共振或磁共振的亞波長單元可以用於靈活調控光的相位、振幅和偏振。目前，在光頻段獲得強烈電磁共振的最具潛力的平臺是基於全介質的納米光子學，其中的亞波長單元由高折射率材料構成，如矽、鍺等。
圖一 等離激元和電介質納米顆粒中基本共振和感應電流的示意圖
圖片來源：Optica 4(7), 814 (2017). Fig.1
高折射率全介質納米天線中的有效磁響應是由位移電流驅動的，而不是像金屬等離基元超構表面那樣由傳導電流驅動的。因此，全介質納米天線沒有歐姆損耗，可實現更高的工作效率。另外，通過使用全介質的亞波長單元，可以實現同等強度的磁偶極子共振和電偶極子共振，這為操縱光線帶來了更多的機會和更廣泛的自由度。
但是，全介質超構材料和超構表面的功能通常是在設計其結構的那一刻決定的，即光學響應取決於所用高折射率納米天線的尺寸、形狀、空間排列和材料特性。如何實現全介質超構表面的動態控制是一個尚未深入探討的話題。
圖二 相變材料GeSbTe在DVD中用於以二進位編碼數據
圖片來源：https://news.itmo.ru/en/science/photonics/news/9449/
在尋找用於可重構的光學設備的材料時，ITMO大學的研究人員與英國埃克塞特大學的同事攜手合作。聖彼得堡的科學家們長期以來一直在試驗基於半導體（例如矽製成）的超構表面。同時，英國研究人員在處理相變材料方面具有豐富的經驗。在這些材料中，例如有經常用於DVD中的碲化鍺銻（GeSbTe，簡稱為GST）化合物。研究人員決定將每個組所熟悉的材料混合到一個結構中，以便將矽在近紅外區域的出色折射率與相變材料在高、低折射率和吸收狀態之間「切換」的能力相結合（這兩種狀態在DVD中用於以二進位代碼編碼數據）。
GST是一種硫族化合物相變材料（PCM），它們可以通過適當的光、熱或電刺激在非晶態和結晶態之間快速（納秒或更短）切換並重複（最多1015個循環）。這種切換是非易失性的。相變過程導致折射率產生巨大反差，使得PCM在構建快速、節能（低功耗）、動態可重構的光學器件和超構表面方面非常有吸引力。在目前採用的方案中，介質諧振結構完全由PCM構成，這種方法一方面降低了器件的光學性能（PCM的介質損耗），另一方面較大的體積也限制了器件快速切換的能力（PCM導熱慢）。
本文中，研究人員通過在介質諧振結構中放置一個超薄（∼λ0/100）的Ge2Sb2Te5層並對其相態進行可逆切換，展示出對超構表面諧振特性的獨立、多級和動態調控能力。並實現了能夠動態過濾和調製近紅外光，調製深度高達70％的超構表面器件。
03
創新研究
3.1 超構表面的設計和工作機理
圖三 超構表面的設計和工作機理
圖片來源：https://news.itmo.ru/en/science/photonics/news/9449/
這種新型超構表面結構，是由一系列包含了嵌入在兩層矽之間的薄層GST相變材料組成的微盤結構。這是一種三明治結構：首先我們在透明基底上沉積矽層，然後沉積一層相變材料，再沉積一層矽。最後，使用電子束光刻方法，將層狀結構轉換為超構表面：一系列微型圓盤，並且在實驗室測試了其操縱光的能力。樣品在聖彼得堡物理與工程學院的實驗室測試。正如研究人員所期望的那樣，將兩種材料組合成複雜的周期性結構會產生重要影響：在整個實驗過程中，可以人為的改變超構表面的透明性。原因是近紅外區域中的矽圓盤具有兩個光學共振，從而使其能夠強烈反射照射到表面的紅外光束。GST層可以「關閉」兩個共振之一，從而使圓盤結構對近紅外區域的光幾乎透明。這是如何發生的？相變材料具有兩種狀態：一種是其分子以有序的嚴格結構定位的結晶狀態，另一種是分子在「輕鬆」狀態下的非晶狀態。如果位於超構材料中心的GST層處於晶態，則第二個共振將消失；反之，則不會。如果它處於非晶態，則圓盤結構將繼續反射紅外光束。
3.2 超構表面的光誘導多級、可逆轉換
圖四 超構表面的多級調控的實驗（左）和仿真（右）結果
圖片來源：Optica 7(5), 476 (2020). Fig.1
為了在兩個超構表面狀態之間進行切換，作者使用了功率足夠強大的脈衝雷射器，通過將雷射聚焦在超構表面結構上，可以相對快速地執行狀態切換。單個短雷射脈衝將GST層加熱到接近熔點，此後它迅速冷卻並變成非晶態。如果對其施加一系列短脈衝，它的冷卻速度會更慢，並穩定為結晶態。此外，切換過程是相對平滑的，這意味著結構不僅表現出兩種相對的狀態（反射或透射），而且還表現出過渡狀態，在過渡狀態下，圓盤僅反射一些光，這樣的切換可以完成多次。作者成功地證明了GST能夠在完全晶態和完全非晶態之間可逆和多級調控，這反過來又使得精細控制超構表面共振的光譜位置和幅度成為可能。
04
應用與展望
圖五 應用展望
圖片來源：https://news.itmo.ru/en/science/photonics/news/9449/
這種新奇的特性為實現雷射雷達——一種通過發射紅外脈衝來掃描空間然後接收反射光束的設備，打開了新的大門。為了使這種設備有效，光束方向需要高速變化。這意味著控制光束的設備必須具有快速的光學響應。根據本文工作開發的超構表面將有望使設計此類設備成為可能，而無需複雜的機械系統來移動光束。這將大大簡化製造過程，並使設備更可靠。
本研究提出的方法還可以為實現新一代有源光學超構表面提供一個可行的平臺，並為通信、安防、消費電子等領域提供潛在的應用。
文章信息：
該文章以「 Reconfigurable multilevel control of hybrid all-dielectric phase-change metasurfaces 」為題發表在 Optica 。
論文地址：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.384138
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原標題：《靈活調控紅外光譜的相變超構表面》
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