超材料前沿研究一周精选 2022年8月1日-2022年8月7日

索引：

1.片上超低功率二阶非线性光学系统

2.光学Weyl超材料中费米弧表面态的单向免疫传输和可重构路径

3.全斯托克斯探测的片上中红外光热电探测器

4.由全息声学超表面控制的前后多光束扫描

5.极化子石墨烯中自发对称性破缺引起的畴壁拓扑

6.利用磁自旋霍尔效应的非线性反铁磁体有效垂直磁化开关

7.来自未折叠褶皱薄片中耦合不稳定的记忆

8.折纸微波成像阵列：用于可重构计算成像的形状变化表面的超表面块

硅光子学的显著进步和影响促进了通信、传感、量子和经典信息处理等领域复杂高性能光学系统的发展。除了线性无源、调制器和探测器之外，许多应用将显著受益于多功能非线性。由中心对称硅或非晶氮化硅制成的集成光子电路在色散工程波导和谐振腔中限制光以增强三阶光学非线性，并已成功地用于演示光频率梳状、波长转换和压缩光产生。通过引入二阶非线性，进一步提高这些器件的效率和可定制性，以更低的功耗实现更强的相互作用，并减少出现的竞争性非线性过程的数量。二阶非线性可以通过打破晶体的对称性或非中心对称材料的非均匀积分来引入。或者，光子电路可以由χ⁽²⁾非线性材料，如氮化铝或铌酸锂(LN)构建。LN可以周期性极化以补偿色散引起的相位失配，并支持高Q光学共振、大电光系数和克尔非线性。

近日，斯坦福大学的 Amir H. Safavi-Naeini教授课题组演示了在一个集成的薄膜铌酸锂光子电路中使用几十微瓦的有效倍频和参数振荡。作者实现了参数振荡器在室温下的简并和非简并工作，并通过改变数百兆赫兹的泵浦频率在太赫兹内调整其发射。最后，作者观察到导致参数振荡的级联二阶过程。这些谐振二阶非线性电路将成为新兴的非线性和量子光子平台的重要组成部分。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31134-5

近年来，具有Weyl点的拓扑材料已成为电子相关系统、电磁系统和声学系统领域的研究热点。Weyl点可被视为动量空间中的磁单极子，除非一对具有相反拓扑荷的Weyl点相互湮灭，不然Weyl点是稳定存在的。事实上，Weyl点的出现需要打破时间反演或空间反演对称性，或两者兼而有之。Weyl半金属表现出的非凡的传输特性也令它在凝聚态、光子和声子系统中得到了广泛的研究。在Weyl半金属中，体-表面对应保证了两种拓扑不同材料之间的界面处存在费米弧表面态。非平庸的费米弧是Weyl半金属拓扑性质的显着特征，它连接了相反手性的Weyl点的投影。对费米弧的研究为理解非平凡拓扑半金属的新物理奠定了基础，并在器件应用中具有潜力。在凝聚态物质系统中，拓扑保护的费米弧表现出非常规的量子振荡、磁阻、反常量子干涉效应、磁输运和手征磁效应。

众所周知，对称性在拓扑材料的物理学中起着重要作用。基于对称的指标已被证明是诊断和预测拓扑半金属的强大理论工具。最近，在旋磁超材料和手性超材料中都研究了三维光子拓扑Weyl简并性。它们的拓扑性质明显不同。由于旋磁效应，旋磁超材料的时间反演对称性被打破。相反，手性效应的引入打破了手性超材料的空间反演对称性。此外，手性效应可以存在于多种自然介质中，超材料的发展使人们能够合成强手性材料。另一方面，为了实现旋磁效应，研究者在制造过程中混合了磁性介质。现在，已经在光子晶体、声子晶体和光子超材料中研究了费米弧表面态。然而，关于两种不同Weyl材料之间界面处的费米弧表面态的研究很少。因此，自然会产生两个问题。我们能否在一个光子系统中实现具有不同对称保护机制的两种Weyl材料边界处的费米弧表面态？如果是这样，这种新颖的拓扑配置会带来哪些有趣的现象？

近日，来自哈尔滨工业大学物理学院的Mingzhu Li等人证明了在两种不同拓扑Weyl介质之间的界面处存在多个具有相同传输方向的光子费米弧。表面波不受缺陷类型和数量的影响，可以绕过缺陷进行稳定的单向传输，这证实了费米弧的无序免疫特性。通过改变H形通道中Weyl超材料的旋磁和手征参数，可以很好地实现费米弧面波的可重构路径。此外，通过采用不同符号的传播常数和不同的T形通道界面配置，可以实现费米弧的单向激发和可控传输。他们的论文提供了对两个拓扑Weyl系统之间费米弧拓扑性质的深入了解。相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（张晓萌）

文章链接：Mingzhu Li et al. Unidirectional disorder-immune transmission and reconfigurable route of Fermi arcs in photonic topological Weyl metamaterials. Physical Review B 106, 075301 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevB.106.075301

表征电场振荡的偏振态(SoP)对于光通信、遥感和导航等光学相关应用至关重要。中红外偏振探测器由于其在化学分析、生物医学诊断和人脸识别等方面的广泛应用而特别具有吸引力。几十年来，传统的偏振探测方法包括时间分割、振幅分割、孔径分割和焦平面分割，这通常需要线性延迟器、偏振器、半波片和四分之一波片的组合才能进行实验探测。然而，这种使用自由空间偏振器的庞大而复杂的光学系统存在固有的缺陷，如速度有限、精度有限、偏振状态检测不完全等。低维纳米光子技术的最新研究进展已经揭示了开发下一代偏振器的引人注目的方法。片上偏振敏感光电探测器由于其高度小型化和超高密度集成度等优点，近年来得到了广泛的研究，是下一代紧凑型偏振仪的潜在候选器件。然而，目前这些偏振敏感的光电探测器的应用受到了固有的限制，如带隙依赖的光谱响应、化学不稳定性以及与小的各向异性或手性相关的低偏振灵敏度。

近日，南洋理工大学电气电子工程学院Qi JieWang等人提出并演示了由片上手性等离子体超材料驱动的中红外光电探测器组成的三端口极化仪，用于全斯托克斯探测。该中红外光电探测器具有无滤波器、非致冷、带隙无关、工作波长可调制、紧凑、偏振相关可重构等优点。结合手性等离子体超材料与二维热电材料的光学响应和设计灵活性，可以实现线性极化和圆极化的极性转换。此外，通过操纵手性超材料的空间分布，研究人员可以通过光热电效应将偏振吸收转化为三个端口对应的偏振光电压信号，在成像演示中显示了可靠的偏振重建能力。该工作为开发中红外带隙无关的偏振分辨光电探测器提供了一种替代策略。如偏振成像、分子传感、光纤和/或自由空间通信。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

文章链接：

Mingjin Dai,et al. On-chip mid-infrared photothermoelectric detectors for full-Stokes detection. Nature Communications,(2022).

文章链接：10.1103/PhysRevApplied.18.024008

拓扑物理学是现在发展迅猛的领域，而且还带来了诸多新应用，例如拓扑保护的量子比特、拓扑激光器和光隔离器。其中，拓扑非平庸的晶体代表了重要的一部分。这其中在晶胞中具有两个不同原子或位置的交错蜂窝晶格可以在氮化硼、过渡金属二硫属化物以及人造光学晶格中实现，因此得到广泛研究和应用。蜂窝格子在布里渊区有K和K’的狄拉克能谷。每个能谷都可以用二维带质量的狄拉克哈密顿量来近似描述并且可以以贝里曲率为特征，进一步与能谷陈数±1/2联系起来。这就导致虽然包含两个能谷的总陈数为零，但仍能表现出量子谷霍尔效应。它包括在具有相反交错的区域之间的界面处形成两种状态。它们的传播方向由谷陈数之间的差异决定。

除了晶格属性的继承之外，量子流体还可以引入自己的拓扑结构，从而加强拓扑保护。玻色子量子流体的拓扑是由于波函数的相位，其绕曲数是拓扑不变量。它在Kibble-Zurek机制(KZM)中发挥重要作用，该机制包括在二阶相变期间形成有序参数域，例如Bose-Einstein凝聚。然后这些域衰减成拓扑保护的缺陷，其密度可以测量。

近日，来自法国Clermont Auvergne大学帕斯卡研究所（CNRS）的D. D. Solnyshkov等人提出了在交错极化石墨烯中的激子-极化子凝聚的数值研究中显示出有间隙的s带。凝聚发生在对价带的动力学有利的负质量极值（K和K’谷）处。考虑有吸引力的极化子-极化子相互作用能够产生空间扩展的凝聚物。在冷凝物积累过程中发生的对称性破坏可以导致谷极化的形成。这个过程可以是自发的，遵循Kibble-Zurek机制，也可以是触发的，从而形成可控的谷极化域。单个谷的选择打破了时间反演对称性，并且分隔域的壁表现出可重构的拓扑保护手性电流。该电流是非平庸的谷拓扑与冷凝引起的对称性破坏之间相互作用的结果。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（张晓萌）

文章链接：

D. D. Solnyshkov et al. Domain-Wall Topology Induced by Spontaneous Symmetry Breaking in Polariton Graphene. Physical Review Letters 129, 066802 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066802

自旋-轨道转矩(SOT)为控制自旋器件的磁化强度提供了一种有效的方法，在典型的SOT器件中，面内电荷电流J通过自旋-轨道耦合产生自旋极化p，并对相邻铁磁层的磁化强度m施加扭矩，当自旋极化p与铁磁层易轴方向平行时，可以实现最有效的SOT驱动磁化开关。在常规自旋霍尔效应(SHE)或Rashba-Edelstein效应(REE)中，无论是在重金属(HM)还是在非磁性金属(NM)/FM界面，诱导的自旋极化p总是与由J × z确定的面内方向一致(其中z垂直于薄膜平面)。因此，相关的面内抗阻尼转矩更有利于切换具有面内磁化强度的磁体磁矩，而用于切换具有垂直磁化强度的磁体时，翻转效率低且具有较大的不确定性，尽管可以通过施加外部辅助磁场或使用更高电流密度来弥补，却违反了研究高密度低功率自旋电子器件的初衷。为了使SOT的垂直磁化开关不需要施加磁场，已有研究工作表明可以采用由相邻的反铁磁层(如IrMn或PtMn)、相邻铁磁层的杂散场或结构工程(如梯度或晶体生长方向)引起的偏置，自旋轨道和自旋转移力矩之间的相互作用也被证明能在磁隧道结中实现无场磁化开关。

近日，同济大学丘学鹏与内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal等人利用非线性反铁磁体Mn₃Sn中的磁自旋霍尔效应解决了垂直磁各向异性磁体切换的不确定性和低效率的问题。Mn₃Sn的磁对称性使得在面内电荷电流的作用下产生了沿其方向共线的带自旋极化的面外自旋电流，这一自旋电流驱动面外方向抗阻尼转矩，为相邻铁磁多层结构(Ni/Co)提供垂直磁化开关。由于时间反转对称性的奇性，观测到的磁自旋霍尔效应和由此产生的自旋-轨道转矩可以随着反铁磁磁序的反转而翻转，与传统的自旋轨道转矩器件不同，这种磁化开关不仅不需要外部磁场，并且需要的电流密度更低，该工作对低功率自旋电子器件的发展有重要指导意义，相关工作发表在《Nature Communications》上。（袁铭谦）

文章链接：

S. Hu, D. Shao, H. Yang, et al. Efficient perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect in a noncollinear antiferromagnet. Nat. Commun. 13, 4447 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32179-2 

在丢弃一张废纸之前，通常会随手把它揉成一团。然而，这个操作的简单性与它带来的复杂性形成了鲜明的对比。一个被揉皱的薄片有一个非常复杂的几何形状，它表现出不寻常的力学行为。这些包括增强的刚性、发出噼里啪啦的噪音、缓慢的松弛，也许最令人吃惊的是各种各样的记忆形式。一张被揉皱的纸还能记得它变形的样子、记得过去机械扰动的持续时间、记得它受过的最大的负荷。理解这些现象的出现一直是具有挑战性的，因为这可能取决于复杂的结构，以及它们所产生的材料性能和塑性变形。虽然材料老化和摩擦的作用已得到认可，但对几何形状的作用却知之甚少。事实上，褶皱在薄片上的印记是局部塑性变形的无序模式，这是由于应力集中在点和线的奇点（即d锥和脊）上造成的。尽管对褶皱过程和由此产生的3D几何结构进行了研究，但褶皱薄片的复杂几何结构与其不寻常的力学结构之间的关系仍未得到探索。

近日，以色列特拉维夫大学Yoav Lahini团队将循环驱动协议和3D成像相结合，以关联全局力学响应和展开的皱褶薄片中的潜在几何变换。发现了它们对循环应变的响应是间歇性的、滞后的，并且编码了最大应用压缩的记忆。使用3D成像表明这些行为是由于片材中局部和相互作用的几何不稳定性之间的相互作用而出现的。一个简单的模型证实这些最小的成分足以解释观察到的行为。最后，经过训练，多重记忆可以被编码，这种现象被称为返回点记忆。这项研究为理解皱片的复杂力学机制奠定了基础，并为在相互作用的不稳定性系统中记忆形成的研究提供了一个实验和理论框架。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。（徐锐）

文章链接：

D. Shohat, D. Hexner, Y. Lahini. Memory from coupled instabilities in unfolded crumpled sheets[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(28): e2200028119.

https://doi.org/10.1073/pnas.2200028119

5G通信的微波和毫米波部分电磁频谱的开放，激发了研究人员对这些毫米尺度波长用于下一代科技（如机器人、无损检测、生物医学筛选的成像和传感等）的开发。这些波穿透性强，波长更小，允许高分辨率成像。此外，在微波和毫米波领域工作的半导体芯片组的进步、高密度的集成度和高动态范围，导致可扩展的相控阵架构跨越毫米波范围，用于通信、传感和成像。在利用稀疏多静态超表面辐射器进行分集计算成像、高效宽带辐射元以及通过数值度量约束优化和基于物理分析的方法对整体稀疏阵列进行优化等方面取得了很大进展。目前微波或毫米波计算成像系统的一个恒定特征是它们主要是平面的。对于大多数应用来说，平面度是首选，因为简单、易于设计和制造。另一方面，与平面阵列相比，非共形阵列提供了引人注目的新功能，极大地增强了波束扫描能力，视野范围，允许视觉不受干扰，同时与部署在其上的主机表面兼容。被动平面成像阵列的频率和空间分集是有限的。平面阵列由于阵列元素的定期间隔，以及其表面的2D平面性质也受到了视野有限的影响。虽然可重构电磁平台能够克服多样性问题，但由于辐射结构中可重构元件的存在，电磁平台往往会遭受损失。频率变化的电磁结构及其在形状变形孔径平台上的独特排列可以产生有趣的计算成像模式。

近日，美国北卡罗来纳州立大学Suresh Venkatesh团队利用折纸原理和计算成像技术，演示了一种具有可重构视场和场景自适应成像能力的通用形状变形微波成像阵列。微波/毫米波阵列成像系统有望成为未来自主智能系统感官感知的主力。平面阵列系统在复杂散射条件下的成像能力有限，缺乏自适应重构分辨率的能力。为了克服这个问题，这里允许偏离平面度和等距，并演示了形状变形计算成像系统。在可重构的水弹折纸表面上实现了22个主动超表面面板，辐射近正交模式横跨17-27 GHz，能够对复杂的3D物体进行完整的细节成像，最大程度地减少衍射反射的影响，具有场景适应性、可重构的横向距离分辨率和视场。这种电磁折纸表面，通过同时具有表面变形能力（具有变形电子材料）和电磁场可编程性，为智能和鲁棒的传感和成像系统的广泛应用开辟了新途径。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

文章链接：

S. Venkatesh, D. Sturm, X. Lu, et al. Origami Microwave Imaging Array: Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging[J]. Adv Sci (Weinh), 2022: e2105016.

https://doi.org/10.1002/advs.202105016

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