超材料前沿研究一周精选 2021年6月15日-2021年6月20日

超导量子位是可扩展量子计算机的可行平台。量子计算协议的实现和最终的量子优势在很大程度上依赖于耦合量子位的系综的相干运行。在这一方向上，不可避免的参数在系综所制造的量子位元之间的扩散是一个深刻的挑战。需要控制单个量子位参数来减少这种扩展，这使得扩大量子计算机的规模变得困难。

更不实际的是，需要使用单个量子位控制工具来超导量子超材料——可以被视为人工创造的量子物质的相互作用的量子位大阵列。拓扑态的概念为解决量子超材料中不可避免的不规则性提供了一种很有前景的方法，拓扑态的存在是由结构的整体对称性对局部缺陷不敏感所保证的。除了像光的无序鲁棒传播和局域化这样的显著特征外，拓扑态为量子技术带来了希望。特别是，最近的研究表明，通过拓扑模式传播的光子对保持量子关联的时间明显长于通过传播的光子对。

近日，来自俄罗斯国立科技大学的Ilya S. Besedin等人使用一个超导量子位阵列来设计一个一维拓扑上非平庸的量子超材料。通过对所制备的阵列进行微波光谱分析，实验观察了基元激发谱。该工作不仅揭示了单光子的拓扑态，而且揭示了由于量子位固有的非谐性而产生的奇异束缚光子对的能带。此外，该工作讨论了双光子束缚边局域态的形成，并确定了模型的拓扑起源，证明了拓扑边态的光子-光子相关函数的无序鲁棒行为。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW B》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevB.103.224520 

超表面光束导向器，透镜，偏光计，束涡旋光束发生器以及全息图突出了其基本上可以任意控制由空间相干源(即激光)产生的电磁波形的能力。发光二极管(LED)是一种重要的低空间相干光源。因此，许多新兴的LED技术，如光学神经刺激器和光通信，需要对自发辐射模式进行比目前文献中所展示的更大的控制。早期的量子点耦合等离子体Yagi-Uda纳米天线或等离子体超表面的研究证明了通过相位效应直接发光(PL)的可能性。对发光超表面的后续研究大多由均匀阵列组成，这些阵列利用所有维度的亚波长谐振纳米天线结构增强光谱和指向性。然而，这些演示缺少2π相位范围、振幅控制和空间扩展相位。在相控阵超表面中，发射模式主要由不同超单元集体行为协同控制，而不是由均匀阵列中超单元个体特征控制。最近，相控阵超表面已广泛用于相干入射光的波前整形。由于自发发射的非相干性质，类似地调整光致发光的能力仍在很大程度上未被探索。近年来，结合一维相分布的InGaN/GaN量子阱超表面已显示出单向光致发光的能力。然而，产生任意二维波形如聚焦光束的可能性尚未实现。

近日，美国加州大学圣巴巴拉分校电子与计算机工程系Jon.A.Schuller等人分别设计了二维超表面锥透镜和具备发射准直和聚焦光束能力的透镜。首先，研究人员推导了开离轴的超（锥）透镜方程，主导量子阱自然发射模式的表面导波。接着，展示了利用适当工程入射光源的无源传输，可以很好地预测光致发光性质。最后，研究人员比较了不同发光超表面锥透镜和透镜的准直和聚焦性能。这些生成的二维相控阵光致发光波形技术有助于未来开发具有任意功能的光源。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

文章链接：Yahya Mohtashami et al, Light-emitting metalenses and meta-axicons for focusing and beaming of spontaneous emission.Nature Communications(2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23433-0.

偏振是电磁波最重要的特性之一。用于偏振控制的光学元件已成为各种光学应用和技术的基石。从技术上讲，这些光学元件的偏振操纵可以用 2 × 2 矩阵表示，即琼斯矩阵。琼斯矩阵有四个分量，每个分量都有两个自由度 (DOFs)，即幅值项和相位项。琼斯矩阵的引入对于有关偏振操作的问题非常有用和方便。随着现代光学的发展，迫切需要具有更先进功能的不同偏振元件。其中一些可以通过级联几个现有的偏振元件来实现，但大多数其他功能则不能通过该方式实现。此外，级联操作增加了光学器件的体积并阻碍了小型化和集成。一般来说，偏振能控制的极限与可以操纵的琼斯矩阵的自由度数量相关，因此，需要达到更高数量的琼斯矩阵自由度以实现更复杂的功能

超表面是由人工光学散射组成的平面结构，可以在亚波长尺度上任意控制光的振幅、相位和偏振。最简单的情况是具有一个 DOF 的琼斯矩阵的 2π 相位调制，可用于超表面全息图、聚焦等。具有两个 DOF 的情况（已用于更高级的功能，例如集成化打印全息图，近日，来自暨南南大学的Baojun Li研究小组提出了一种超表面设计策略来构建具有六个自由度的琼斯矩阵，接近二维平面结构的上限数。研究者通过实验证明了几种只能通过琼斯矩阵的高（五个或六个）自由度来实现的偏振功能，例如沿其快轴和慢轴具有独立幅度和相位调谐的偏振元件、三通道复幅度全息术和集成化印刷全息图。该工作提供了一个设计任意复杂偏振器件的平台，这为更广泛地开发偏振光学铺平了道路。相关研究发表在杂志《Science Advances》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abh0365

光波形控制在光学系统的各种应用中起着至关重要的作用。在解决远场电磁场分布的各种方法中，由亚波长结构阵列组成的光学超表面人工材料能够以前所未有的精度调整电磁波的波形。特别是，由于这种方法的通用性，它可以任意设计振幅和极化信息。利用双原子反射超表面和基于相位的几何超表面建立了任意偏振的矢量超全息图。然而，产生的偏振受多路复用超表面子像素的限制，目前还不能实现任意的空间分布偏振。将几何相位和传播相位相结合已经得到了一些研究，但其带宽较窄。一种能从极化信息中解耦振幅的宽带波前控制还有待证实。

超全息图最重要的应用之一是信息安全，这在社会的许多领域都很重要，例如保护个人、工业和军事信息不被泄露和窃取。在各种通信信道和信息共享技术中，光子学是最有效的远距离信息传输方式。光波形具有许多自由度，如振幅、相位、频率和偏振，每个都可以用于数据编码。此外，光学编码方法需要特定的数据编码专业设备，这为高安全的信息编码提供了一种更安全的方式。基于强度的各种光学编码方法，如空间相关器、光学专用或(XOR)图像加密、移相干涉测量、偏振相关图像、利普曼板和全息图。最常见的方法是基于偏振相关元全息图，它利用入射光束的不同偏振产生不同的全息图像。手性超全息图也用于方向依赖全息编码。值得注意的是，所有这些提出的多路复用超全息图都根据全息图像的强度编码信息。

近日，来自法国蔚蓝海岸大学的Qinghua Song等人提出了一个矢量傅里叶超表面，其振幅和偏幅信息可以独立地处理。该工作利用这种特异性来编码强度和两个偏振信息通道，即椭圆度和方位角，以产生远场解耦的图像。该图像是指总强度、椭圆度或方位角信息的空间分布。利用改进的迭代傅里叶变换(IFT)算法实现了超表面的设计，该算法不仅考虑了远场振幅，还考虑了远场偏振空间分布。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23908-0

在各种声学技术中，有效地传输微弱声音尤其重要，包括声纳系统1、语音通信、医学图像、声学监测等等。在经典声学理论中，在自由场环境中，由于几何扩展和损耗，振幅会减小，这严重限制了声音收发器的探测能力。在噪声背景下，保持具有足够信噪比（SNR）的可检测信号强度。为了避免偷听到秘密信息或防止打扰其他听众，人们悄悄地窃窃私语来完成这一任务。当声源相对于例如周围语音噪声较弱时，需要经由有源电声装置（即功率放大器和扬声器）对远程声信号进行预放大。声学超材料开始进入人们视野。一些开创性的基于超材料的设备已经被证明可以分别操纵声音发射传播或接收的过程，例如通过声学Purcell效应在Mie空腔内增强扬声器的发射功率，声子晶体或局域共振超材料的定向声辐射实现波束形成，各向异性锥形超材料通过波压缩效应进行信号放大。

近日，南京大学物理学院、近代声学教育部重点实验室的刘晓峻教授、程营教授和西班牙马德里卡洛斯三世大学的Johan Christensen教授的研究团队基于声学超材料实现了远程和无声的微弱声音定点传输。该研究目的在于研制一种隐私保护的信号传输装置。该装置是一个深亚波长尺度远程回音超材料（RWM）系统，其在弱源和接收点周围包含一对耦合的Mie共振物体。这种系统允许波能量的空间集中，并且仅在物体对内部诱导强烈的压力增强，这使得在保持安静环境的同时增强微弱声音信号的发射和接收。他们从理论预测并通过实验证明了用亚波长迷宫状结构构建的人工Mie谐振腔实现RWM的效率。与普通装置相比，这种超材料装置非辐射声传输距离可达超空腔半径的32.5倍，多个检测信号增强了40dB，并且环境声泄漏降低了20 dB。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：Zhang, J., Rui, W., Ma, C. et al. Remote whispering metamaterial for non-radiative transceiving of ultra-weak sound. Nat Commun 12, 3670 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23991-3

拓扑晶格缺陷(TLDs)是晶格中破坏结晶度的缺陷，由于其存在重要的实空间拓扑，因此不能通过晶格形态的局部变化来消除。尽管其本身会产生许多重要的物理效应，但在拓扑结构上具有这种能带结构的材料中，它们会产生特别有趣的结果。例如有研究者从理论上表明，在三维(3D)拓扑带绝缘体中引入螺旋位错会导致一维(1D)螺旋缺陷模的形成，这些缺陷模受到缺陷的Burgers矢量和体带结构拓扑之间的相互作用的保护。除了拓扑带绝缘体，预计其他拓扑相与TLDs有其独特的相互作用，包括Weyl半金属、拓扑晶体绝缘体和高阶拓扑绝缘体。TLD诱导模式提供了一种探测独立于标准体边界对应关系的能带结构拓扑的方法，并可能引起奇异的材料特性，如异常扭转效应。然而，在真实拓扑材料中访问TLDs的困难阻碍了实验验证。最近，各种研究小组转向对经典波超材料的研究，以进行TLDs和拓扑能带结构之间相互作用的实验研究，包括在位错上拓扑辅助捕获光的演示、沿着向错线的鲁棒谷霍尔式波导以及缺陷诱导的分数模式。前面的研究都是基于二维(2D)晶格；迄今为止，具有TLD诱导拓扑模式的三维晶格仅在理论上被研究过。

近日，来自新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院、物理与应用物理学系的Qiang Wang等人设计并实现了一种三维声学Weyl超材料，该超材料具有绑定到一维拓扑晶格缺陷的鲁棒模式。这些模式与体带的拓扑特征有关，并携带锁定在传播方向的非零轨道角动量。它们跨越了一系列轴向波数，这些波数是由两个体Weyl点向一维子空间的投影定义的，其方式类似于费米弧面态的形成。他们使用声学实验来探索它们的色散关系、轨道角动量锁定波导以及向自由空间发射声学涡流的能力。这些结果为通过动量空间中的能带拓扑和真实空间中的拓扑晶格缺陷之间的相互作用来创建和开发三维结构中的拓扑模式提供了新的可能性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Qiang Wang et al. Vortex states in an acoustic Weyl crystal with a topological lattice defect. Nature Communications (2021) 12:3654

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23963-7

常见的印刷品具有固定的二维(2D)外观，因为它们只存储强度和颜色信息。不幸的是，这些照片缺少一个重要的信息——光线的方向控制——来显示三维(3D)图像。由于没有辨别光线方向的能力，从各个视角看，这些照片对观察者来说都是一样的。另一方面，光场打印(LFPs)编码方向信息，这使它们能够显示从不同视角看到的3D图像的变化视角。这种显示3D图像的技术是由诺贝尔奖得主Gabriel Lippmann在1908年发现的。他建议在胶片上使用一系列微小的镜头来记录一个场景，这样每个镜头就形成了自己的子图像，视角略有偏移。然后，胶片将在漫射光下被照亮，以重建场景的完整3D图像。LFPs是自动立体的，因为它们的3D图像在非相干和非偏振照明下肉眼可见，这使它们比需要通过一副立体眼镜或正交偏振滤光器观看的立体印刷品更具优势。线性调频脉冲也不需要传统全息照相中使用的激光照明。然而，由于制造限制导致的低空间分辨率和低角度分辨率，线性调频脉冲呈现像素化。空间分辨率受到透镜之间中心到中心间距的限制，角度分辨率受到每个透镜下的像素密度的限制。

近日，来自新加坡科技设计大学工程产品开发系的John You En Chan等人为了制造高分辨率的线性调频脉冲，他们在结构彩色打印中利用了先进的纳米制造技术。他们使用双光子聚合光刻作为一步纳米级3D打印机，直接用透明树脂制造LFPs。这种方法同时产生高空间分辨率(29–45微米)和高角度分辨率(~1.6°)的图像，在15 × 15的视图上具有平滑的运动视差。值得注意的是，最小的彩色像素仅由单个纳米柱组成(直径约300纳米)。他们的LFP标志着向超现实3D图像迈出了一步，可以应用于印刷媒体和高价值商品的安全标签。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：John You En Chan et al. High-resolution light field prints by nanoscale 3D printing. Nature Communications (2021) 12:3728

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23964-6

机构是一组柔性连接的刚体元件，它们表现出零能量运动。机构在堵塞介质和弹簧网络的物理中起着基础性的作用，在机械工程中起着核心作用，它们是机械装置（如夹持器）设计的基础。基于扭曲的几何形状、额外的键或连接或非理想铰链的不完美机构经常发生，并且这些表现出类似于底层机构的零能量运动的软模式。特别是，基于机构的超构材料借用了机构的几何设计，但用连接较硬元件的细长、柔性部件取代铰链，这样，超构材料的软模态类似于底层机构的自由运动。外力很容易激发这些软模态，并且由于机构推导的软模态与普通弹性模态有很大的不同，可能会出现奇异的特性，包括负响应参数、形状变形、拓扑极化、可编程性和多稳定性以及（自）折叠。然而，由于基于机制的超构材料没有真正的零模态，柔性超构材料的设计不需要潜在的真正的零能量结构。

近日，荷兰莱顿大学Martin van Hecke团队通过使用粒子群优化构建基于四边形的伪机构，表明伪机构是普遍存在的。伪机构是具有（非常）低能量消耗的运动的柔性耦合刚性元件的集合。大多数伪机构在几何上与真正的结构非常不同。大多数伪机构不是简单的扰动机构，而是伪机构渗透到远离真正结构子空间的设计空间。扩展了搜索技术以获得多稳态单元，并使用3D打印将它们变为现实。最后，展示了如何平铺的单胞以获得复杂的周期性超构材料。总之，这个方法在计算上是有效的，为形状变形和多稳态超构材料以及机器人或可展开结构（如波纹管）的设计提供了新的途径。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（徐锐）

文章链接：

N. Singh, M. van Hecke. Design of Pseudo-Mechanisms and Multistable Units for Mechanical Metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2021, 126(24).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.248002

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