与物质波对应的光学和光有许多相似之处。然而，物质可以通过电磁力相互作用:这是在电子或离子光学中一个众所周知的事实，库仑斥力导致粒子束发散，降低了其质量。类似地，相互作用在自由落体中加速了排斥性量子气体的膨胀，而且在超低温下变得占主导地位，为气体的内部动能设定了下限。到目前为止，蒸发冷却和自旋梯度冷却可以分别达到低于500和350 pK的三维内动能。在有效温度方面，采用基于磁性、静电或光学力的物质波透镜，可以将BEC的内部动能降低到大约50 pK，尽管只是在二维中。

近日，来自德国汉诺威莱布尼茨大学量子光学研究所的Christian Deppner等人利用量子简并气体中的相互作用作为相干原子光学的可调透镜。将玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的相互作用驱动的四极模激发与磁透镜相结合，形成了时域物质波透镜系统。焦距由透镜势的强度和四极模式的振荡相位来调节。通过将焦点置于无穷远处，他们可以将由101(37)千个原子组成的三维BEC的总内部动能降低到pK。该方法不仅为基础物理和高精度BEC干涉测量的自由落体实验开辟了一个新的动能领域，而且为今后的自由落体实验开辟了一条新的道路。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。(詹若男)

文章链接：Christian Deppner et al. Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics. Phys. Rev. Lett. 127, 100401 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.100401

受激布里渊散射（SBS）是由光波与声子耦合产生的三阶非线性光学过程。在许多透明介质材料中，布里渊非线性已成为最强的光学非线性，其强度比克尔非线性和拉曼非线性大几个数量级。这种声光相互作用的独特声学性质在光纤系统中有着广泛的应用，如超窄线宽激光器，“慢光和快光”，微波光子滤波器和光信息存储器。因此，将布里渊相互作用的优势引入集成光子系统对信号处理和通信具有重要意义。近年来，由于材料和纳米光子技术的日益成熟，对片上SBS的研究引起了科研人员极大的关注。在这些微纳米级集成系统中驾驭和控制SBS为许多片上应用打开了大门，包括微波信号合成和处理、集成布里渊激光器、光学陀螺仪、光机械冷却和非互易光学器件。硅的可控和强布里渊耦合是实现这一目的关键。

近日，华中科技大学光学与电子信息学院孙军强教授等人通过在绝缘体硅片平台上的一类混合光子-声子硅波导演示了行波前向SBS和布里渊增益实验。该设计结合了硅脊形波导和声子晶体板的优点，允许对受限的光和声模式进行独立控制。通过外差四波混频光谱分析证明了强的可操控的布里渊非线性特性。增益实验表明，在中等泵浦功率下，在1.085 cm长的直波导器件中，小信号Stokes增益为0.9 dB。此外，研究人员还讨论了该系统中的布里渊增强的限制因素和进一步的改进措施。该设计也可应用于多种方式协同运行的SBS以及其它硅基材料平台，从而为片上微波光子滤波器、布里渊放大器和非互易器件提供了一种可靠的途径。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

文章链接：

Kang Wang et al, Demonstration of Forward Brillouin Gain in a Hybrid Photonic−Phononic Silicon Waveguide,ACS Photonics(2021).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00880.

电磁波谱的中红外(MIR)区域，特别是3-5µm的波长，因其在化学和生物传感、自由空间通信、国防安全等领域具有独特的应用而备受关注。随着数据流量的指数级增长，片上通信和信息处理技术正成为当前信息增长时代的主导技术。由于MIR范围的片上参数化处理器具有高效、紧凑、低功耗的优势，因此，实现一个MIR光子集成电路(PICs)平台是非常重要的。近年来，MIR技术发展迅速，出现了许多集成的MIR器件，如片上MIR源、光电探测器、传感器、频率梳、辐射热计等。然而，目前大多数的MIR系统都是由分立元件组装而成，高速高效的片上MIR电光(EO)调制器的研究还有待探索。

近日，来自浙江大学的Dongdong Li等人提出了一种基于利用石墨烯和六方氮化硼堆叠的中红外双曲超材料的片上电光调制器。调制区域的长度仅为60nm，集成在由双曲超材料构成的等离子体波导上。通过对微小信号频响模型的详细研究，验证最大调制深度可达30 dB, 且3dB调制速度可达50 GHz。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）

文章链接：

10.1103/PhysRevApplied.16.034002

实验研究表明，地震（弹性）波衰减对岩石性质的变化比波速的变化更敏感。衰减是指将地震能量转换为热量的固有（即滞弹性）衰减，也称为吸收或耗散。由于地震振幅可能受到许多因素的影响，因此吸收测量具有挑战性。由于波束扩展、波散射和边界反射，岩石样品的超声波实验也存在这一困难。对于准均质岩石，可以忽略波散射，然后可以通过弹道或反射脉冲（即相干波场）测量吸收。然而，这些方法可能高估了非均质岩石中的吸收，因为弹道波衰减还包括波长尺度非均匀性的散射。此外，在强散射岩石中，如花岗岩和辉长岩，甚至很难从散射尾波信号中正确识别相干脉冲。人们用声学（标量）辐射传输（RT）理论研究从弹道到扩散区的转变，以分离有限尺寸非均匀介质中超声尾波的散射和本征衰减。RT理论是一种基于波传播的粒子描述的一般散射理论。它通常用比强度表示，比强度遵循称为辐射传输方程（RTE）的玻耳兹曼型微分方程，可通过蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟求解。

近日，法国巴黎大学朗之万研究所的Xiaoping Jia和中国石油大学（华东）深层油气重点实验室的Li-Yun Fu研究团队提出了一种有限尺寸散射介质中的有效反演方法，其中边界反射起着至关重要的作用。为了拟合散射尾波的能量分布，他们在各向同性散射近似下，通过圆柱和平板几何的蒙特卡罗模拟来求解声辐射传输方程。模拟表明，在无限介质中，与简单的辐射传输解的拟合可能导致散射平均自由程 l_s 和吸收量的值被低估，低估值高达40%。该文章的主要发现是薄板中的反常声辐射，其中弹道峰和扩散峰合并为一个单峰。这种异常行为与正向的波聚焦效应有关，会影响反向传输过程，并导致平均自由程高估200%以上。他们还将模拟的能量分布与从弹道区到扩散区在多晶花岗岩板中获得的超声包络进行了比较。由离轴探测得到的平均自由程与由结构成像分析得到的剪切波速相关长度估计的平均自由程一致，与模拟结果很好的吻合。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.034009

5G技术的出现意味着人们将使用多个高频微波频带，发射站显著增加，微波功率随频率呈二次变化。随着微波功率的增加，长期暴露在高微波功率的环境中，人们需要平衡必要的监测活动和隐私，并关注健康问题。合适的微波吸收结构可以在解决这些问题中发挥重要作用。同时，电磁吸收也存在广泛的需求，在电磁兼容性、雷达截面减小、能量收集等方面有着广泛的应用。基于亚波长厚度设计结构的超材料吸收体的最新发展为这一主题注入了新的动力，有可能应用于从微波到太赫兹的宽频带，红外光，以及可见光。由于微波的长波长和对固体的高穿透性，它的吸收一直是最具挑战性的。理想的微波吸收器应能吸收较宽的频带，且具有简单的几何结构，便于实验实施和大规模生产。为了扩展吸收频谱，许多人致力于增加耗散，例如，通过使用电阻片或集中元件加载，或叠加谐振单元。然而，宽带性能仍然有限，且几何结构已经朝着越来越复杂和复杂的方向发展。

近日，香港科技大学物理系沈平教授团队设计了一个金属环结构，它通过印刷电路板（PCB）技术制造，其最终的集成样品可以在3到40 GHz范围内表现出近乎完美的吸收，覆盖整个高频5G波段。对于被动吸收体，有一个由因果关系规定的与任何给定反射光谱相关的最小样品厚度设定的共同标准。本文所设计的吸收体的总厚度为14.2 mm，仅比因果限值规定的最小厚度高5%。该理论极限在声学系统和微波传输线网络系统的阻抗设计中也起着至关重要的作用。声学系统中已发现了宽带超材料吸收体的因果最优性，然而却未在电磁波领域发现。有研究人员对金属环结构进行了研究，但尚未发现它们可以作为宽带微波吸收的基础。而本文证明，关键的物理原理在于通过金属环的电偶极共振与其图像共振的相互作用产生两个高阻抗共振，以及通过向金属环添加电阻损耗获得的阻抗匹配，后者通常被称为色散工程。相关研究成果发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。（钟雨豪）

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2110490118

自旋电子器件通过操纵电子自旋来存储和处理信息，与纯电荷电子相比，可以大大降低功耗并提高性能。基于自旋的器件，如自旋传输转矩和自旋轨道转矩磁性随机存取存储器(MRAM)，在高性能计算策略中越来越普遍。为了使这些器件达到最大电势，需要有效的自旋-电荷转换、较长的自旋相干长度和较长的自旋弛豫时间。目前这些器件使用的材料，如β-W、Pt或Ta，由于各种限制，使自旋电子器件无法与CMOS竞争。然而，拓扑材料，特别是拓扑绝缘体(TIs)，可以有足够高的自旋度量，以使其成为具有极具竞争力的自旋电子器件。

近日，来自美国马里兰州物理科学实验室的Gregory M. Stephen等人给出了拓扑绝缘体Bi₂Te_2.5Se_0.5的自旋霍尔效应测量结果。由于这种材料的拓扑性质，可以在不使用铁磁注入器或探测器的情况下测量自旋霍尔效应。使用非局域电阻，测量出的自旋霍尔角高达2.4，自旋寿命高达9ps。此外，无铁磁测量允许快速诊断自旋特性，而不需要制造多能级器件。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。(郑江坡)

文章链接：

10.1103/PhysRevApplied.16.034007

 量子反常霍尔效应，是一种不需要外加磁场就能实现无能量耗散电输运的新奇量子现象。研究人员在Cr和V掺杂的拓扑绝缘体(Bi, Sb)₂Te₃体系中发现了量子反常霍尔效应。稳定的3+构型的V或Cr通过耦合过渡金属原子的磁矩取代等电子Bi或Sb使其具有铁磁性。因此，通过垂直磁化，时间反转对称性被打破，使得在拓扑表面状态的Dirac点打开一个带隙。这个带隙承载了具有精确量子化电导率的手性边态。量子反常霍尔效应可以用来构筑手征拓扑超导体、轴子拓扑绝缘体等多种新奇的拓扑量子物态，其不依赖外加磁场和高样品迁移率的无损耗输运和量子化的霍尔电阻使其有希望用来构造新颖的电子器件。因此量子反常霍尔效应可以说是拓扑量子物态和效应从基础物理学到应用化的一个突破口。然而，在磁性掺杂拓扑绝缘体中，量子反常霍尔效应往往需要低于100mK的极低温度才能实现，这样的温度甚至低于大部分常规超导材料的超导转变温度。因为，寻找更高温度的量子反常霍尔效应体系对其实际应用至关重要。

近日，柏林亥姆霍兹材料与能源中心Oliver Rader，约翰内斯开普勒大学Gunther Springholz等研究发现，之前被认为拓扑平庸的P型 MnSb₂ Te ₄，在锰过量了几个百分点后成为了一种铁磁拓扑绝缘体。通过使用光电子能谱和扫描隧道光谱等，证明该材料具有以下性质：（i) 居里温度为 45-50 K 的铁磁磁滞，（ii) 面外磁各向异性，（iii) 狄拉克点接近费米能级的二维狄拉克锥，iv) 面外自旋极化， （v) 在居里温度下磁感应带隙闭合。此外，发现了磁化强度 β ≈ 1 的临界指数，表明在量子临界点附近。第一性原理计算表明，Mn-Sb 位点交换提供了铁磁层间耦合，而略微过量的 Mn 几乎使居里温度翻了一倍。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（周玉宇）

文章链接：

Stefan Wimmer, et al.Mn-Rich MnSb2Te4: A Topological Insulator with Magnetic Gap Closing at High Curie Temperatures of 45–50 K. Adv. Mater., 2021

doi.org/10.1002/adma.202102935.

结构多稳定性可以利用弹性不稳定性和在无外部负载的情况下保持不同的稳定结构来实现大变形。随着3D/4D打印的发展，结构多稳定性为形状重构、减震、可重复使用的能量吸收和快速响应驱动提供了新途径。双稳态力学超构材料具有两种结构稳态，其弹性势能具有独特的局部极小值，并表现出具有负刚度的弹跳突变/回跳行为。这些设计由两个关键元素构成，即受约束的倾斜或弯曲梁和3D浅圆顶。将这些双稳态单元组装成1D链、2D平面/圆柱片或3D晶格的形式，可以实现结构的多稳定性。通过调整底层结构的拓扑结构，可以调整双/多稳态超构材料的一系列多物理特性（如弹性波带隙、应变能捕获、热膨胀系数和泊松比）。结构双/多稳定性的几种设计策略，包括但不限于折角锥、折纸、波浪袖、柔顺铰链、多磁性系统、集成颗粒和柔顺可拉伸组件，用于开发具有改进刚度和耐久性的可展开结构。传统的双稳态或三稳态壳（如半个网球和捕蝇草）显示屈曲和折断结构，由它们的曲率、预应力和残余应力决定。此外，表面图案可以提高弹性壳的结构多稳定性。基于多面体模板和柔性铰链的高自由度，组装的棱柱型超构材料可以沿多个方向表现出多稳态行为；然而，现有的多面体多向多稳态单元中，没有一个能在不同方向上独立实现稳态，因为它们的多向稳定状态不是相互独立的，在一个方向上的新稳态的实现可以打破其他方向上的多稳态。作为一种新型的结构材料，基于壳的多孔固体或“壳体”由连续光滑和弯曲的薄壳的周期性3D晶胞组成。与基于桁架和板的多孔固体相比，壳体超构材料对应力集中和结构缺陷的敏感性较低，因此在超低相对密度下实现增强刚度和强度以及极端回弹方面显示出了巨大的潜力。

近日，加拿大麦吉尔大学Abdolhamid Akbarzadeh团队通过在Schwarz's Primitive (P)壳体表面引入精细的孔洞，开发了一种新的3D多稳态壳体超构材料，将壳体材料的独特特性（如高表面积、刚度和能量吸收）与多稳定性概念结合。利用两种穿孔策略：1）垂直椭圆孔（作为双稳态模式）和2）交错水平矩形孔（作为多稳态模式）。通过设计P壳体的几何参数和选定的穿孔轮廓，展示了如何在具有椭圆孔的P壳体图案中实现双稳态，而交错穿孔可导致双/三/四/多稳定图案。通过数值模拟、弹簧理论建模和力学试验验证了多孔P壳体超构材料的结构多稳定性。采用n层交错穿孔（n铰链）设计可在加载和卸载过程中在一个壳状图案内产生最多2n^-1个稳态。通过在三个正交方向上扩展穿孔设计来获得三向多稳态壳体。引入的弹跳突变和快速回弹特性以及自接触行为，多稳态穿孔壳体在加载和卸载时都表现出很强的刚性，并增强了能量耗散。引入的设计策略为创建具有承载能力的多向多稳态超构材料开辟了新视野，适用于软体机器人、形状变形架构以及可重复使用和可展开的能量吸收器/阻尼器。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

J. Shi, H. Mofatteh, A. Mirabolghasemi, et al. Programmable Multistable Perforated Shellular[J]. Advanced Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adma.202102423

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。