今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及3D打印片上微环谐振器和嵌套螺旋光子器件，受穿山甲启发的可拉伸、微波隐形超结构，利用动态变化结构的合成空间光子拓扑绝缘体 等敬请期待！
索引：
1.3D打印片上微环谐振器和嵌套螺旋光子器件
2.混合腔—半导体纳米线双量子点二极管的高效连续微波光转换
3.利用动态变化结构的合成空间光子拓扑绝缘体
4.受穿山甲启发的可拉伸、微波隐形超结构
5.使用蜘蛛丝作为抗蚀剂以低于 15 nm 的分辨率进行 3D 电子束写入
各种结构的光学谐振器的设计一直是科研人员研究的热点方向。它们的应用广泛而多样，包括量子信息处理、非线性光学、激光、光学传感和力学。谐振器极大地增强了光物质相互作用的程度，减少了功耗和/或器件占用空间。在集成光学中，微环和微盘谐振器是最多产的光学谐振器类型，因为它们易于在光子光波电路中集成。虽然微球和微环谐振器已经被证明具有高品质因子，但它们很少被使用。与微球谐振器相比，微环谐振器的耦合更具挑战性。后者的光学模式被限制在一个相对较小的环形区域内，并且模式的方位角扩展明显较小。有效耦合区域的宽度在环面小直径内。因此，耦合器相对于微环的高度和水平位置的微小变化可以完全阻碍耦合到谐振器的光。
近日，新加坡科技与设计大学HONGWEI GAO等人报道了一种基于多光子光刻技术的三维（3D）打印聚合物微环谐振波导系统。集成微环波导系统包括集成耦合波导，便于光耦合，其品质因子为16000。它避免了异质、基于光纤光耦合到微环谐振器的需要，这一过程需要高对准精度，而且操作起来很麻烦。通过利用3D打印技术提供的3D设计自由度，微环谐振器和悬浮耦合波导的全3D形态与300 nm间隙精确对齐，并匹配微环的垂直高度。研究人员进一步演示了嵌套的双螺旋波导，它具备更高的数据空间密度。实验结果表明，该双螺旋波导器件具有良好的传输特性。通过这种三维嵌套双螺旋波导，研究人员成功地传输了30 Gb/s的非归零制(NRZ)数据和28 Gb/s的脉冲幅度调制(PAM4)数据。这种集成了微环和单片耦合波导的新方法，为简化三维微环的单步制作，以及波导和微环谐振器之间的简单而可靠的耦合提供了途径。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）
文章链接：
HONGWEI GAO, et al, 3D printed on-chip microtoroid resonators and nested spiral photonic devices, Photonics Research(2021).
https://doi.org/10.1364/PRJ.430801.
2.混合腔—半导体纳米线双量子点二极管的高效连续微波光转换
在过去的二十年里，光电二极管在光学领域得到了广泛的发展，这一方面是为了解决量子光学的基本问题，另一方面是为了开发量子密钥分配和线性光学量子计算等新兴量子技术的关键构件。在光学领域的研究表明了这些器件的特性和广大的应用前景，包括演示近统一的光子到电子转换效率和高运算速度。然而，虽然在光学领域已经取得卓越的发展，但在微波领域的相应进程到目前为止还相当缓慢。
这个差距的主要原因在于一个有效的，连续微波光电二极管的实现将最终使时间相关光子计数扩展到微波体制和电子领域。它还将为固态系统读数的量子技术应用打开大门，比如基于光子相关的量子位态测量。但是，在微波范围内实现高效和连续的光子探测是具有挑战性的:虽然单次读出单电子隧穿事件和通过超导量子位的非连续脉冲光子探测已经被证明，但微波光子的连续和有效转换到电流到目前为止还没有。
近日，来自瑞典隆德大学的Waqar Khan等人解决了这个问题。他们提出了一种能连续有效地将微波光子转换为电流的光电二极管器件，并测量了6%的量子效率。该工作演示了微波光子如何在高质量的、与空腔共振耦合的半导体纳米线双量子点中有效和连续地转换成电流。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25446-1
3.利用动态变化结构的合成空间光子拓扑绝缘体
拓扑绝缘体由于其独特性质在许多不同的领域吸引了广泛的研究。这些材料内部是绝缘的，但边界上完全导电。它们的边界态由离散拓扑不变量定义，当拓扑带隙足够大时，其输运对无序具有鲁棒性。在过去的十年中，它在各种系统中被演示，如电子学、微波、光子学、冷原子、声学和力学。电磁(EM)波中拓扑现象的重要进展开创了新的拓扑光子学领域，支持在固态物理中不可能的环境下探索拓扑系统的物理，并提供了新的环境，如非互易电磁器件、无辐射急剧弯曲的波导等等。
拓扑绝缘体通常依赖于空间晶格，其中的波包受到产生拓扑现象的规范场的影响。然而，晶格并不一定是格点的空间分布。更确切地说，晶格也可以是原子态、腔模式、波导阵列模式等。在这种情况下，空间晶格可以被一个或多个合成维扩充。有了这个概念，人们可以用空间晶格中不可用的规范场来设计几何图形，并产生具有不寻常特征的晶格，如在实空间中拓扑保护状态、利用频率域作为合成维的保护传输、或者诱导一个实空间中不打破时间反演对称性的人工磁场。此外，合成维度便于人们能够在一个维度高于这些结构的表面几何维度的空间中探索物理特性。这一概念为新型拓扑光子结构，如锁模拓扑绝缘体激光器提供了一个基础。然而，到目前为止，所有关于合成维度中的光子拓扑绝缘体的研究都依赖于调制来耦合模态，并促进合成维度中的输运。这种调制必须在演化维度上进行，并且可以在时间上或沿着传播维度上进行。
近日，来自以色列理工学院的Liat Nemirovsky等人提出了依赖于动态不变拓扑光子结构的合成空间光子拓扑绝缘体。该结构是第一个作为合成空间拓扑绝缘体的演化不变系统。这种非磁性结构是静态的，在演化坐标中没有任何调制，但它在合成空间中显示出一个有效的磁场，其特征是陈数为1。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevLett.127.093901
可拉伸材料的不断发展引领了软体机器人、形状变形结构和纹理伪装的快速发展，进一步提高了电子对抗中对可拉伸和微波隐形材料的需求。柔性微波隐形结构得到了发展，与刚性结构相比，它们的应用范围得到了拓展，特别是在圆柱面、圆锥面和切线可展面的应用方面。对于更复杂的目标应用场景，可伸缩结构是不可替代的。然而，目前的微波隐形材料主要基于拉伸受限波吸收超结构或粉末基吸收体，不能满足拉伸性的需求。为了保持导电图案几何和物理特性的稳定性，广泛选择刚性材料作为介电层，这极大地阻碍了整个器件的可拉伸性。粉末吸收剂是微波吸收材料中的最新技术，利用电或磁损耗材料引起了极大的兴趣。不幸的是，大多数报道的粉末吸收剂需要进一步加工成块状基质以形成固体致密块状，这显着限制了满足实现拉伸性标准的机会。在日益复杂的应用中，微波隐形材料通常作为功能性人造皮肤在目标外使用，以保护目标不被发现，应该有能力抵抗穿刺损伤。经过数十亿年的进化，生物系统中已经开发出通用的设计策略。穿山甲的皮肤上覆盖着保护性的角质鳞片。鳞片相互重叠，形成一个不可穿透的盾牌，在受到捕食者的威胁时保护自己。同时，将鳞片连接在一起的重叠关节使身体有相当大的灵活性。连接机制内在地保留了刚性鳞片和弹性皮肤的优点。因此，穿山甲鳞片的连接方法对制作可伸缩的微波隐形器件具有一定的指导意义。
近日，新加坡南洋理工大学陈晓东团队以穿山甲为研究对象，提出了一种新的软-刚性连接策略。确切地说，刚性尺度周期性地安装在可伸缩基板上，并且每个尺度与相邻的尺度重叠。可拉伸矩阵使整个器件具有较高的拉伸能力和柔性变形能力。重叠的结构是变形受保护的，可以保持几何结构和相关属性不变。此外，重叠的刚性鳞片还提供强大的保护，保护可拉伸基质免受平面外穿刺损坏。使用这种策略，合理地提出了一种受穿山甲启发的超结构（PIMS），同时结合了高拉伸性和微波吸收能力。PIMS共形粘贴在不可展开的表面上。对于球面，PIMS的最大雷达散射截面（RCS）降低为20.2dB，比传统设备大6.3dB；而对于鞍形表面，PIMS的最大雷达散射截面降低10dB，带宽为9GHz，比传统器件大83%，在微波吸收鲁棒性方面表现出很大优势。因此，提出的结构为一大类可拉伸、不可展开的表面贴合和微波隐形器件铺平了道路。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
C. Wang, Z. Lv, M. P. Mohan, et al. Pangolin‐Inspired Stretchable, Microwave‐Invisible Metascale[J]. Advanced Materials, 2021.
https://doi.org/10.1002/adma.202102131
5.使用蜘蛛丝作为抗蚀剂以低于15 nm的分辨率进行3D电子束写入
三维(3d)制造在过去二十年中得到了深入研究。随着材料开发的协同进步，许多应用已经从微/纳米级3d结构和器件的高分辨率制造中受益匪浅。然而，当特征变得更小，尤其是达到深纳米尺度(即< 100纳米)时，技术挑战(在适用的制造和材料方面)变得更加突出。分辨率、结构稳定性和形状精度是关键因素。基于光刻的方法能够使用合成聚合物(即树脂)和天然聚合物(例如角蛋白、丝素蛋白和丝胶蛋白，其中光敏性通常需要化学修饰)作为光致抗蚀剂来创建3d结构。然而，这些光刻方法从根本上受到衍射极限分辨率(~100纳米)的影响。相比之下，电子束光刻(EBL)和离子束光刻(IBL)以提供纳米范围内的制造分辨率而闻名，但这些技术的主要限制是它们无法进行任意的3d纳米制造。当前的3d纳米制造技术仍然存在缺陷，包括光刻分辨率和结构复杂性之间固有的矛盾以及功能化的限制。材料和制造技术的新战略和创新还有待探索。
近日，来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所、传感器技术国家重点实验室的Nan Qin等人报告了使用他们开发的电压调节3d EBL，能够以低于15纳米的分辨率，全水基、高保真性制造功能性的任意3d纳米结构。通过基因工程重组蜘蛛丝蛋白作为抗蚀剂，可以在纳米尺度上创建高分辨率和高强度的任意3d结构。定量定义3d蛋白质基质中不同深度的高能电子的结构转变的能力使得多态蜘蛛丝蛋白质的形状接近分子水平。此外，蜘蛛丝蛋白的遗传或介观修饰提供了将生理化学和/或生物功能嵌入和稳定在所制造的3d纳米结构中的机会。他们的方法能够快速灵活地制造异质功能化和分层结构的3d纳米组件和纳米器件，为仿生、治疗设备和纳米机器人技术提供了机会。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Nan Qin et al. 3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist. Nature Communications (2021) 12:5133 https://doi.org/10.1038/s41467-021-25470-1
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