第132期 2017年8月刊
 
 
 
发行人:林恭如所长  编辑委员:吴肇欣教授  主编:林筱文  发行日期:2017.08.30
 
 

本所博士生梁玮伦同学参加研讨会「The 7th International Multidisciplinary Conference on Optofluidics 2017 (IMCO 2017)」,荣获「Best Paper Award」(苏国栋教授指导),特此恭贺!

本所硕士生黄丞顗同学参加研讨会「The 24th Congress of the International Commission for Optics (ICO-24),荣获「OSA/SPIE Student Paper Award」(林恭如教授指导),特此恭贺! 

 

 

 
 
     

光电所参与欧盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 硕士双学位计划  系列报导 ~

【之八】

撰文:光电所硕士班学生陈廷豪

在欧洲这一年去了不少国家,体验了不同国家不同城市的特色,比起当个观光客走马看花,我更喜欢体验在地人的生活,每到一座城市总会去超市和菜市场看看,有时会选择住Airbnb与当地人交流,透过对谈了解当地人的想法与文化差异。例如在华沙,让我印象最深刻的不是老城区的风采神韵,而是住在Airbnb与一位女建筑师的闲话家常。那天下午逛超市突然决定要买食材回住的地方煮,问了女屋主是否愿意共进晚餐后,我们便在超市买了一些食材,决定煮中式炒饭,以餐桌外交的方式开启我们一整晚的话匣子。这位波兰女建筑师曾在英国留学,英文流利的她现在是self-employed,也就是自己当老板接案工作,对我来说,她更像是个艺术家,从她的住处就可以看出,墙上挂着她艺术家朋友的作品,屋内摆了各种装饰品点缀这间房子,在她的房间可以看到她自己做的实体模型,她认为只用计算机设计没有灵感,她更偏好做出模型去感受,在她的言行举止间透露出浓浓的艺术家气息,后来我就改称她为艺术家了。我们也聊了教育,台湾人从小就为了升学必须努力苦读,上完课还必须要补习,然而波兰不是这样,他们倾向让小孩快乐学习,在学习过程中找到自己喜欢学的科目,父母不会设限小孩一定要当医生或律师才有成就,行行出状元的思想在他们心中根深蒂固。后来在女屋主的男友回来加入后,那晚我们聊得非常尽兴。旅游的过程中与人之间的交流比起逛教堂或是博物馆还要令人印象深刻,而这也是我最爱的旅游方式。

一直以来我总是以身为台湾人为傲,总是不畏惧大声说出我来自台湾,总是积极介绍台湾,总是邀请认识的人来台湾看看。在国外看到台湾人、台湾的品牌、台湾的国旗更是开心,总不忘骄傲地拍张照,虽然我们是小国,但台湾人的视野不小,处处可以看见台湾人留下的踪迹,举凡德国纽伦堡教堂里的祈福记录本、立陶宛青年旅馆的墙壁上、克罗埃西亚失恋博物馆的墙壁上、在伦敦的摄政公园跨年时旁边就坐着一位台湾人、在意大利佛罗伦萨的小吃店遇到一位穿着T-shirt上绣着台湾地图的意大利人......,这些点点滴滴都让身为台湾人的我感到骄傲。每一位到国外的台湾人都是台湾的大使且代表着台湾,因为台湾人的高水平,让很多国家给予台湾人免签的待遇,我也期许我们台湾人能继续在全世界发光发热。【全文完】

图一、在女建筑师家所煮的晚餐

图二与女建筑师自拍

图三立陶宛青年旅馆墙上写着"夭受赞"

图四克罗埃西亚失恋博物馆墙上的文字

 

撰文:光电所硕士班学生吴镇国

留学欧洲一年,认识了许多不同背景与种族的人,我看到了每个人对生活的态度及方式都不太一样,但都是忠于自我,过得不错且快乐。例如,我欧洲的朋友们都是对理工有兴趣才会选择读大学的理工科系,不像我个人的经验,以前听说理工科比较好找工作,于是就埋头苦干努力考大学,而不是及早思考找资料,且问自己这些选择是我未来想要的生活吗?当然这个例子是个很简化的论述,但这一年提醒我,做每个决定前要不停地思考,不管是人生的抉择还是执行工作任务,先想好,总是比较有效率也比较有热情。

我们在前几篇的文章中花了不少篇幅提及欧洲生活的优点,不过我们毕竟只是一年的客人,大家当然对我们都很友善,但真的要在异地生活也是很辛苦的。有认识在当地深耕的台湾朋友在找工作的时候多少会遇到种族歧视,或者比较难融入团体,且有大半的薪水都拿去缴税(例如在比利时工作,大约要缴50%的税),且常常要忍受冗长的行政手续。不过,每人拥有30天的特休假,上班文化不鼓励没头没脑地加班,鼓励work smart,且可以有和许多不同文化背景的人合作的经验,如果有机会回去欧洲打拼,我会努力去争取。

每个地方都有独特的优点,也有难解的缺点。由于根特是一个大学城,治安相对较稳定,生活步调很舒服。但到了大城市,例如布鲁塞尔、罗马、巴黎,可以看到城市氛围非常复杂,随时要警觉东西被偷窃或者行抢。而我们留学的那一年也发生了好几次的恐怖攻击,这些不一样的紧绷是在台湾生活所遇不到的,这也是透过这个EMSP硕士双学位计划让我们出去所要学习的东西。

感谢台大光电所提供这次机会,让我看看不同的世界,亲自体验、享受增广见闻的感觉。鼓励学弟妹把握机会申请EMSP硕士双学位计划,趁机建立与欧洲的连结,也许之后走的路会更广阔。【全文完】

 

撰文:光电所硕士班学生陈世昌

成为一个大的政治经济共同体,带来的绝对不只有交通便捷及文化交流频繁等优点而已,各国在治安及经济等方面也需要作出许多的因应策略。

在比利时念书的这一年适逢欧洲恐怖攻击频繁的时期,交通便捷及边境审查取消的因素使得犯罪活动的流动更为顺畅,整个欧洲的治安基本上是连动的,在法国发生了恐怖攻击,其它国家也都会跟着人心惶惶,人民对于隐藏的危险因子的警觉意识也跟着提高。此外,一些人种组成较复杂或是经济实力较弱势的地区,往往都会变成犯罪活动的温床。在立陶宛的Vilnius旅游时,曾经参加了一个Free walking tour1,当队的导游志工就指出,立陶宛从21世纪初加入欧盟后,国内犯罪率及国际罪犯出没率就一直节节升高,迫使当地政府得投入更多资源在治安的维护上,这对他们及其它东欧国家而言无疑是一大额外负担。相同地,身为欧盟之心的比利时布鲁塞尔,人种组成极为复杂,警力也被特殊又复杂的比利时行政体系妨碍,无法有效渗透整个辖区,再加上交通便利等因素,成为不少罪犯的藏匿处,在恐攻活动频繁时期的交通要站,更甚至于市中心街道上都可以看到全副武装配枪的巡守人员,走在路上心情也会格外沉重,所幸根特相对纯朴也安全一些,当时我们只有一些在布鲁塞尔的研讨会既定行程受到影响而延期。

在欧洲共同体这样的环境中,小国想要出人头地势必得发展出自己的特色产业,例如爱沙尼亚的IT产业及卢森堡的金融业;而在攸关民生需求的农林渔牧业上也需要有应对的措施。某次曾经在饭桌上跟比利时朋友聊到此议题,他说在比利时超市中的肉品、牛奶以及鸡蛋等食材,绝大多数都是倚赖从东欧国家进口,因为比利时在这方面的生产成本太高,然而政府也没有完全放弃该产业,仍然以各种优惠措施补助比利时农民,使自产的数量大概维持在市面总量的30%左右,当战争或欧洲内部政治经济的突发状况发生时,人民不至于受到过于严重的冲击。我想国土面积跟比利时差不多大的台湾,在亚洲或甚至是全球的处境应该蛮类似的,或许我们也能在他们身上看到或反思出一点未来的可行策略吧!

最后,尽管欧洲存在着前述的治安问题,但整体而言,平时欧洲仍然算是很安全,在旅行期间只要主动避免掉一些潜在的危险人事物,想独自当个背包客闯闯是没有问题的,我们这一届参加台大EMSP硕士双学位计划的5个人也都曾多次独自走访欧洲各大大小小城镇。还记得在寒假时,自己跑到了华沙跟布达佩斯去游玩,在青年旅馆内认识了一群就读加泰罗尼亚理工大学的西班牙学生,之后就加入他们的行程,跟着他们在冷风中共饮热甜酒认识新城市、在晚餐餐桌上玩丢球罚啤酒的游戏,以及连续两晚都冲夜店跳舞的热血事迹(这大概也是我唯一一次去欧洲夜店的经验了),这些种种都成为事后很难忘的回忆。因此,很鼓励大家放心地去欧洲旅行,也建议之后参与EMSP硕士双学位计划的学弟妹,在兼顾课业之余多计划去欧洲各地走走。【全文完】

1 该活动在欧洲各城市几乎都有,由当地志工带领报名者以步行方式参观城市内的主要特色景点,过程中可以得知不少旅游书上没有的知识,结束后再自由决定是否给予小费及小费额度。

 

撰文:光电所硕士班学生许晏翔

如先前文章所述,比利时位处欧洲枢纽,交通便利,加上欧洲本身发达的交通网络,非常推荐利用课业之余,来几次或长或短的自助旅行,体验当地人的生活,细细品味各国历史、风景、美食,让书本上的知识变成亲身体验。为此,我非常推荐利用Airbnb或Booking等平台订民宿,比起一成不变的连锁商务旅馆,直接入住当地人家、和房东互动,能够更深刻地了解一个城市的生活节奏,除此之外,还有机会请房东推荐一些私房景点,或者一起规划未来几天的行程。多数经营民宿的房东都不会吝于分享,只要勇于破冰、态度诚恳,相信旅途结束后,马上又多了几位异国朋友。

以下介绍两个我个人特别推荐的城市:

柏林

到柏林旅游时适逢耶诞连假,天气清冷,路上行人寥寥无几,许多店家暂停营业。住的地方在柏林火车总站附近,不像是其它大都市的火车总站,柏林车站周遭相当荒凉,建筑工地遍布,在耶诞假期期间更是人烟稀少,活像空城。起了个大早到街上找面包店买早餐,看到写着Berliner Mauerweg的指标,意思是「柏林围墙径道」(http://mauerweg.com/)。喜欢读历史的我,忽然兴起了「何不沿着(曾经是)柏林围墙走一段呢?」的念头,没有想太多马上上路,一路上经过了住家、纪念碑、墓园、运动公园、铁路…...,街景平凡得彷佛柏林围墙从不存在一般,唯有街边经常出现的Berliner Mauerweg指标和地上偶尔现身的「BERLINER MAUER 1961-1989」地标,静静地提醒世人这块土地上发生的戏剧性历史事件。

沿着围墙,很顺利地走到柏林围墙纪念馆,看着方才走过的街道,与美苏冷战时期的档案照片对比,想着这不到三十年的时间所发生的巨变、想着照片里的人们在当时世界格局下的无奈、想着现在的我们往来世界各国的自由自在…...。紧凑的时间表把沉浸在历史感中无法自拔的我唤醒,前往下一个目的地—德国国会大厦(Reichstag),它有着巴洛克式建筑外观,加上绿建筑玻璃穹顶,古典与现代的组合。里面除了各政党的办公室、国会议员议事厅、档案文库,还有许多装置艺术诉说着德意志联邦共和国的近代史。听着导览的讲解(发音标准的英文),看着苏联红军在1945年攻入国会大厦时留下的弹孔和大量涂鸦,和来自世界各地的游客在总理梅克尔办公室前合影,又是一次现实与历史交错的奇妙体验。

(这边稍作提醒:身为德国每年参观人次第二名景点的德国国会大厦,必须要先上网预约才能参观,请记得务必于预约时段前往,从指定出入口进入参观。)

巴塞隆纳

无论你的兴趣是建筑艺术、登山健行、品尝美食、window shopping,在这里都可以一次满足。整个巴塞隆纳充满了建筑大师安东尼.高第的设计理念—以自然为师,街灯、地砖、人孔盖上,虫鱼鸟兽、花草树木活灵活现,连交通警示牌上的人物也彷佛在跳舞,整座城市生机盎然、活泼奔放,集其大成者,非本市地标—圣家堂莫属。从诞生立面进入教堂,彷佛走进一座森林,承重的巨柱如古木参天,自然光线透过彩绘玻璃为室内提供照明,随着时间流转,色彩变化万千,使人赞叹之余,却又不失庄严肃穆。登上受难塔(Passion Towers),眺望巴塞隆纳如棋盘般整齐的街景,想象过了十年正式完工后,会为这座城市带来何种新风貌。

离市区约两小时的车程(包含缆车),可到达加泰隆尼亚圣山—蒙特塞拉特。为了躲避宗教迫害及战乱,数百年前的僧侣们到蒙特塞拉特山上修筑修道院,中间又经历了拿破仑战争、西班牙内战等大小战事,屡次整修后,又因为水土保持等原因不得不关闭进行维护,直到近年才再度开放。许多游客为了一睹黑面圣母而大排长龙,我则对能够登高望远、体验苦行僧筚路蓝缕朝圣的健行路线感兴趣,故直接朝蒙特塞拉特山区最高点Sant Jeroni出发,一路欣赏砾岩地形因侵蚀所形成的特殊地景,边眺望山腰上越来越小的修道院。

欣赏壮观美景、绚丽建筑之余,也别忘记填饱肚子。若有时间亲自下厨,可以在市场选购来自地中海的海鲜,价格实惠外滋味更是一流。若旅途行程紧凑,巴塞隆纳随处可见的Tapas店和西班牙海鲜饭餐厅将立即满足你的味蕾,别忘记搭配一杯Sangria或本地特色啤酒,用所有感官细细品味这座多采多姿的城市。

在欧洲旅游,常常感叹自己学识浅薄,因为整个环境所承载的历史、文化,实在太过丰富;一条平凡的街道、一座普通的公园,都可能因为曾经出现在一出戏剧或一部小说里,甚至是某个关键的历史转折点,而变得不平凡、不普通,甚或意义非凡。若没有足够的学识文化背景,难得的旅程就容易流于走马看花、拍照打卡。所以,在开始欧洲的行程之前,建议先对目的地国家的地理环境、风土民情、政治经济、开国历史和近三十年的近代史等该国国民常识有基本了解。读万卷书也要行万里路,带着理论的观察才会成为知识,出发前把功课做足,才能好好用心感受孕育无数伟大思想、形塑了现代世界的欧洲。【全文完】

 

 

 
     
 
 

Broadband optical waveguide couplers with arbitrary coupling ratios designed using a genetic algorithm

Professor Ding-Wei Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄定洧教授

In this work, we present a generalized design of broadband optical waveguide couplers with arbitrary coupling ratios on the silicon-on-insulator platform. The device is segmented into 34 short sections, where the propagation constant and the coupling coefficient of each section are viewed as variables during the optimization process. The optimal variable combination is determined by a genetic algorithm. We can achieve a performance superior to that of other design methods with fewer degrees of freedom. For 75%/25%, 50%/50%, 25%/75%, and 0%/100% couplers, the device lengths are 34 μm and the ±2% bandwidths are all in excess of 100 nm at the central wavelength of 1580 nm.

Po-Han Fu, Yi-Chou Tu, and Ding-Wei Huang* (2016, Dec.), “Broadband optical waveguide couplers with arbitrary coupling ratios designed using a genetic algorithm,” Optics Express, 24 (26), pp.30547-30561. (SCI)

Fig. 1. Schematic of the broadband optical waveguide coupler.

Fig. 2. Output power versus wavelength for λ = 1500 – 1660 nm calculated by the CMT, BEM and FEM.

 

Mechanical Bending Effect on the Performance of Flexible Complementary Oxide-TFT-Based Circuits Employing n-ZnO and p-SnO TFTs

Professor I-Chun Cheng

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 陈奕君教授

Complementary thin-film transistor (TFT) circuitry consisting of inverters is the building block for realizing integrated logic circuits on large-area and/or flexible substrates. Although numerous oxide-TFT circuits have been reported previously, most of them were based on n-channel MOSFET (NMOS) technology. Here, we report flexible fully oxide-based complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) inverters and ring oscillators by the monolithic integration of flexible n-channel zinc oxide (ZnO) and p-channel tin monoxide (SnO) thin-film transistors (TFTs) on polyimide substrates. The TFTs have an inverted-staggered bottom-gated structure and were fabricated by a low-temperature rf-sputtering technique. The static voltage gain of a flexible oxide-TFT-based CMOS inverter with a geometric aspect ratio of 5 is ~12 at a supplied voltage (VDD) of 12 V. An oscillation frequency of ~18.4 kHz is obtained from a five-stage flexible oxide-TFT-based CMOS voltage control ring oscillator at VDD of 12 V. The mechanical bending effect on the electrical performance of the on-foil devices and circuits is then investigated by mechanical bending tests. The results show that the static voltage gain of the CMOS inverter and the peak-to-peak voltage and oscillation frequency of the ring oscillator decrease as the outward bending curvature (tensile strain) increases, while the influence of the inward bending curvature mechanical (compressive strain) is negligible.

Fig. 1. (a) Static voltage transfer characteristics and voltage gain curves at different supplied voltages of the flexible oxide-TFT-based CMOS inverter. (b) Static voltage transfer characteristics of the CMOS inverter operated at VDD = 12 V under various bending levels. Inset: The static gain value of the CMOS inverter as a function of bending curvature.

Fig. 2. (a) Output waveform of a five-stage flexible CMOS ring oscillator. (b) Oscillation frequency and peak-to-peak voltage value as a function of bending curvature.

 

Application of localization landscape theory of disorder in semiconductors. Application to carrier localization, absorption, transport and recombination in light emitting diodes

Professor Yuh-Renn Wu's laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 吴育任教授

This work was the collaboration work with France team in Ecole polytechnique in Paris and UCSB SSLEC in united states under the support of Taiwan-ANR collaboration project. The goal is to directly apply the localization landscape theory into the simulation program in order to achieve an efficiency way for obtaining the effective quantum potential. In the first PRB paper, we try to prove that by solving the localization landscape u to obtain the effective quantum potential 1/u, we can bypass the time consuming process of solving Schrodinger equation eigen value problems.

Fig. 1. Schematic structure of the self-consistent Poissonlandscape model allowing us to bypass solving the Schrödinger equation. [1]

Fig. 2. (a), (c) The conduction band potential (Ec) and effective quantum confining potential (Wc) for m-plane (top) and c-plane (bottom) double-period SLs. (b), (d) The corresponding integrated density of states (IDOS). [2]

As shown in Fig.2, by solving the localization landscape, we can obtained the effective quantum potential Wc as shown in red line in Fig. 2(a) and 2(c). By applying the distribution of quantum potential to obtain the integrated density of states, it would be close to the result of Schrodinger eigen solver. However, the speed is a few order faster.

In the second paper, we try to apply the landscape theory in the 3D modeling to explain the Urbach tails in semiconductors related to compositional disorder. The Urbach tail observed in InGaN alloy quantum wells of solar cells and LEDs by biased photocurrent spectroscopy is shown to be characteristic of the ternary alloy disorder. The broadening of the absorption edge observed for quantum wells emitting from violet to green (indium content ranging from 0% to 28%) corresponds to a typical Urbach energy of 20 meV. Our 3D model is used for obstaining the effective potential in disorder. This model incorporating compositional disorder accounts well for the experimental broadening of the Urbach tail of the absorption edge. For energies below the Urbach tail of the InGaN quantum wells, type-II well-to-barrier transitions are observed and modeled. This contribution to the below-band-gap absorption is particularly efficient in near-ultraviolet emitting quantum wells. When reverse biasing the device, the well-to-barrier below-band-gap absorption exhibits a red-shift, while the Urbach tail corresponding to the absorption within the quantum wells is blue-shifted, due to the partial compensation of the internal piezoelectric fields by the external bias. The good agreement between the measured Urbach tail and its modeling by the localization theory demonstrates the applicability of the latter to compositional disorder effects in nitride semiconductors.

Fig. 3. Absorption curves for InGaN/GaN structures of different indium composition at 0 V computed using the 3D theoretical model incorporating compositional disorder and QW electric field as a function of different smoothing parameters (dashed line). The responsivity curves measured by BPCS of InGaN/GaN solar cells of different indium composition at 0 V are also shown (continuous lines). [2]

In the third paper, we finally apply this model in studying the carrier transport and recombination. We provide a novel method to account for quantum disorder effects into the classical drift-diffusion model of semiconductor transport through the localization landscape theory. Quantum confinement and quantum tunneling in the disordered system change dramatically the energy barriers acting on the perpendicular transport of heterostructures. In addition, they lead to percolative transport through paths of minimal energy in the two-dimensional (2D) landscape of disordered energies of multiple 2D quantum wells. This model solves the carrier dynamics with quantum effects self-consistently and provides a computationally much faster solver when compared with the Schrödinger equation resolution. The theory also provides a good approximation to the density of states for the disordered system over the full range of energies required to account for transport at room temperature. The current-voltage characteristics modeled by three-dimensional simulation of a full nitride-based light emitting diode (LED) structure with compositional material fluctuations closely match the experimental behavior of high-quality blue LEDs. The model allows also a fine analysis of the quantum effects involved in carrier transport through such complex heterostructures. Finally, details of carrier population and recombination in the different quantum wells are given.

Fig. 4. (a), (b) The perspective views along the z direction of vertical transport of the 1/ue and z component of current (Jz), respectively. (c), (d) The 1/ue and Jz value in the midplane (x-y plane) of the third QW. All figures are solved by 1/u-Poisson-DD model, where the LED current density is 20 A.cm-2.

All these simulation tools are shared at http://yrwu-wk.ee.ntu.edu.tw, where users in academics can download for usages.

References:

1. Marcel Filoche, Marco Piccardo, Yuh-Renn Wu, Chi-Kang Li, Claude Weisbuch, and Svitlana Mayboroda, "Localization landscape theory of disorder in semiconductors I: Theory and modeling", Phys. Rev. B, 95, 144204, April, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144204

2. Marco Piccardo, Chi-Kang Li, Yuh-Renn Wu, James S. Speck, Bastien Bonef, Bob Farrell, Marcel Filoche, Lucio Martinelli, Jacques Peretti, and Claude Weisbuch, "Localization landscape theory of disorder in semiconductors II: Urbach tails of disordered quantum well layer", Phys. Rev. B, 95, 144205, April, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144205

3. Chi-Kang Li, Marco Piccardo, Li-Shuo Lu, Svitlana Mayboroda, Lucio Martinelli, Jacques Peretti, James S. Speck, Claude Weisbuch, Marcel Filoche, and Yuh-Renn Wu *, "Localization landscape theory of disorder in semiconductors III: Application to transport and radiative recombination in light emitting diodes.", Phys. Rev. B, 95, 144206, April, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144206

 

     
 
 
论文题目:应用于光学身份辨识之可调变微型猫眼回射器数组

姓名:张智杰   指导教授:蔡睿哲教授

 

摘要

回射器在光学辨识系统(Optical ID system)中扮演重要角色—光学卷标(Optical ID tag),回射器能将入射光沿着原方向将光传回,透过回射器的回射特性能增加数据传输的安全性及辨识准确率。本研究提出两种不同设计的可调变猫眼回射器数组,依调变机制不同分高分子分散液晶(PDLC)薄膜为中间调变层的猫眼数组,和利用微机电(MEMS)所制作的猫眼后模块芯片。猫眼回射器是由前聚焦微透镜和后反射面镜所构成,我们制作的猫眼数组能运作于特定角度,确保组件所夹带的信息安全。

图一、光学卷标应用于光学身份辨识系统示意图
图二、MEMS猫眼回射器运作示意图

 
 
 

— 资料提供:影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃岩教授、王子圣 —

实现3D拓扑孤立子

拓扑孤立子是在非零霍普(Hopf)指数值分类中的连续物理场中的绳节。尽管它们在物理学的许多分支(从基本粒子到凝聚态物质和宇宙学)理论中都出现过,但在实验上仍然对其难以捉摸,并且知之甚少。当映射到3D物理场时,被称为hopfions的3D拓扑孤立子,是真正的数学、拓扑学及物理学的珍珠。它们是数学中著名的霍普振动之物理实现。然而,虽然它们有被预测到存在于不同的物理系统中,但至今还未有许多可靠的实验展示这个预测。

现在,位于美国波德(Boulder)的科罗拉多大学(The University of Colorado)之Paul Ackerman和Ivan Smalyukh,介绍了一种在手性向列型液晶中实验生成及数值分析这种局部结构的方法(见图1)。他们展示绳结场的配置可以被嵌入到物理领域的一个统一背景中,作为实际物理系统中的稳定配置。从液晶显示器的新模式到数据存储和自旋电子学,这些发现将为许多应用铺平道路。

图1中,(a)–(c)是3D拓扑孤立子的闭环预图示例,其对应于(a)是用于向量化n(r)的S2上的两个不同点(使用锥体表示),(b)与(c)是S2/Z2上的两个不同点和非极性n(r),其中将基态歧管S2/Z2描绘为具有透过着色识别的径向相对点之球体,并使n和 - n为取向不可区分。值得注意的是(b)中直径相对的点会同时出现,这样对于矢量化之导向量场而言,S2/Z2上的两个点才会是S2上的四点。(d)与(e)是嵌入在均匀远场n0中的3D拓扑孤立子闭环预图的Hopf图之插图,(d)是用于矢量化n(r)的S2基态分支及(e)是对于非极性n(r)而言,液晶的S2/Z2序参数空间。示意图显示了驻留在嵌套环面的样品3D空间中hopfion之圆形预制图,并与S2或S2/Z2上的颜色编码点(圆锥体)相对应。(f)与(g)是所研究的与同一液晶样品共存的局部场配置的偏振光学显微照片。这些图像是在两交叉偏振器之间所获得(白色双箭头所示)。在显微照片中所看到的具有十字的绿色小圆圈显示用于操纵这些天然存在的局部场配置的不可见红外线激光陷阱之位置 。
 

 图1、手性向列型液晶中的3D拓扑孤立子

Smalyukh向Nature Photonics表示说他们的研究小组长期致力于软性凝态物理学,光子学和拓扑学的研究,对这些结构的实验,数值和理论研究可能是他们所能做的最令人兴奋的事情,这也正是他们致力在这些领域的原因。

Ackerman和Smalyukh使用全像激光镊子可靠地生成3D拓扑孤立子,然后利用3D非线性光学成像来详细探索它们。在1,064 nm操作波长的掺镱光纤激光器和纯相位空间光调制器被集成到全像激光镊子的装置中,该装置能够在液晶内产生激光强度的任意3D图案。激光镊子还与基于三光子激发荧光偏振显微镜的3D成像装置集成,以实现孤立子的全面光学生成、控制及非破坏性成像。

以类似于数学Hopf映像的方式,Ackerman和Smalyukh所演示的方法是将所有介质点的序参量空间与3D孤子内的闭环预图相关联。作者展示了以前在理论和实验中尚未实现的,具有不同打结的向列场的自然发生和激光生成的拓扑非平凡孤立子的大量多样性。他们的数值模拟进一步提供了洞察介质的手性,限制和弹性常数各向异性在实现这些3D孤立子的稳定性方面的作用。作者的研究结果表明,手性向列液晶将成为能够更深入地了解这种孤立子实验研究的模型系统。

Smalyukh明确地表示对于从循轨储存器到各种电光和光子组件的许多应用中,在液晶的光轴取向图案中实现拓扑非平凡稳定的静态场配置的能力,是非常有意义的,其中这种光孤立子的产生可以允许光物质相互作用和光学电路的新工程手段。

 

参考资料:

1. Rachel Won, Liquid crystals: Realizing 3D topological solitons, Nature Photonics 11, 273 (2017)

doi:10.1038/nphoton.2017.66
2. Paul J. Ackerman and Ivan I. Smalyukh, Diversity of Knot Solitons in Liquid Crystals Manifested by Linking of Preimages in Torons and Hopfions, Phys. Rev. X 7, 011006 (2017)

doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.7.011006

http://www.nature.com/nphoton/journal/v11/n5/full/nphoton.2017.66.html

   
 
 
 
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