超材料前沿研究一周精选 2021年7月19日-2021年7月25日

光的非经典状态的产生、操作和检测是量子光子学的核心。由于量子信息可以被编码到单个光子的不同自由度中，因此开发光子平台可以在保持量子相干性的同时控制它们是非常可取的。超表面，具有定制光子响应的超薄亚波长结构，最近已经从经典领域过渡到量子领域。在量子光子学中，超表面的展示是基于超原子的，其光学性质是由其材料组成和几何设计决定的，而时空控制的缺乏严重限制了最先进的量子超表面能够实现的功能。在经典层面上，时空超表面已经被证明可以提供更高程度的控制，这是通过使用模拟和数字调制方案对超原子的光学响应进行可重构和完全动态裁剪。通过经典-量子分水岭的时空过渡调制可能是实现平坦量子光子学的新机会的关键。

近日，来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Wilton J. M. Kort-Kamp等人提出了时空量子超表面(STQMs)的概念，用于量子光的时空控制。在STQM范式中，超原子在空间和时间中被调制，从而能够操纵量子光与动态超表面相互作用。该文章证明了时空量子超表面允许在单个光子的所有自由度之间按需定制纠缠。STQMs有不同的类型，包括调制量子系统，如由激光脉冲驱动的单层原子阵列，混合量子-经典系统，如嵌入在调制介电纳米结构中的量子发射器，以及由具有驱动光学或电光响应的经典或量子材料制成的超原子。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.127.043603

回波是原子与一系列电磁脉冲相互作用时的相干发射。这种现象首先由欧文哈恩1950年在射频（RF）域中发现，历史上它被命名为自旋回波。自旋回波和光子回波 (PE) 之间的下划线物理原理是相同的：强电磁脉冲使非均匀展宽的原子系综重定相位，因此初始激发将在特定时间重新聚焦。PE 在输入光子的存储和操纵方面表现出强大的能力，这在微波 (MW) 领域引起了很多关注，因为它能够与超导量子处理器和光学领域的有效接口，因为它是基于内存的大规模量子网络。然而，由重定相脉冲产生的倒置介质会产生强烈的自发发射噪声，这代表了可实现的信噪比的基本限制，并阻止 PE 直接在量子机制中工作，将其引入量子体系以拓展其应用是一项极大的挑战。 

   近日，中国科学技术大学、中国科学院量子信息重点实验室的李传锋教授和郭光灿教授团队提出了一种基于四级原子系统的无噪声光子回波系统，该系统在 Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶体中作为光量子存储器得以实现。对于用单光子级相干脉冲编码的时间仓量子位，获得了 0.952 ± 0.018 的存储保真度，这远远超出了使用经典测量可实现的最大保真度。与标准 PE 类似，无噪声光子回波系统不需要光谱裁剪。因此，它本质上适用于具有扩展工作频率的各种原子和分子系统中的实现。该研究成果展示的无噪声光子回波量子存储器具有自旋波存储、易于操作和高存储保真度的特点，能够扩展到其他物理系统。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：Ma, YZ., Jin, M., Chen, DL. et al. Elimination of noise in optically rephased photon echoes. Nat Commun 12, 4378 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24679-4.

光学超表面最显著的特征之一是，尽管在厚度上是亚波长，但它们能够同时控制波的传播方向和偏振。这导致了光和物质之间的线性和角动量之间的交换，并且根据牛顿第三定律，超表面上存在光学力和力矩。纳米结构的介质超表面带来了前所未有的应用前景，通过在撞击波阵面上印迹任意的相位梯度来操纵光。这使得一系列经典光学元件(如透镜、波片和锥透镜)的平面模拟成为现实。然而，与相位操纵相关的线性和轨道角动量的变化也导致了作用于超表面本身的先前未被利用的力和力矩。

近日，瑞典哥德堡查默斯理工大学物理系Daniel Andrén等人向我们展示了这些光机械效应可以用来构建光学超飞行器，微观粒子可以在低强度平行波照明下“游走”很长的距离，同时被入射光的偏振控制。实验过程中，研究人员展示了复杂模式的运动，自我校正运动和作为微型货物运输工具的应用，其中包括单细胞生物。总之，该研究证明了建造能够在平面波照明下自由传播并可以通过控制入射偏振来控制的超飞行器是可能的。多种可能的光学元表面为引入光驱动对象的新功能带来了机会。例如，Pancharatnam-Berry相梯度超表面可以用来通过手性极化来控制传播，由高数值孔径平面透镜构造的超空间飞行器可以起到微型激光镊子的作用，而空间多路复用或颜色变换的飞行器可以用来制造能够根据照明波长改变其功能的超空间飞行器。相关研究工作发表在《Nature nanotechnology》上。（丁雷） 

文章链接：Daniel Andrén，et al, Microscopic metavehicles powered and steered by embedded optical metasurfaces.Nature nanotechnology(2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00941-0.

光子的不同自由度，即平面蜂窝结构中的光子自旋、谷旋和亚晶格伪自旋之间的相互作用，为实现光的不同霍尔效应提供了丰富的平台，包括具有拓扑保护边缘态的光子自旋霍尔效应和光子谷霍尔效应。这些有趣的现象本质上依赖于精心设计的贝利曲率分布在不同的谷和自旋区。例如，在存在时间反转对称的情况下，人们可以通过自旋轨道相互作用来实现自旋霍尔效应，或者通过打破外部偏置场的反转对称来实现谷霍尔效应。有趣的是，谷和自旋自由度的结合，即自旋谷霍尔效应(SVHE)，已经被确定与二维材料中的反铁磁顺序有深刻的联系，这可能导致自旋电子学的深远意义和应用。此外，光的SVHE有可能会使拓扑保护信道的数量增加一倍，以增加光通信和比特数据传输中的信息容量。然而，由于需要单独违反（伪）费米子时间反转对称性(T)和奇偶性(P)，但保持了联合操作S≡TP的对称性，因此实现SVHE是具有很大的挑战性的。

近日，来自华中科技大学的陈云天教授团队和香港大学的张霜教授团队提出了一个实验上可行的平台来实现光的SVHE，基于耦合环形谐振腔的光学克尔非线性。由于交叉模调制的固有灵活性，探测光之间的耦合可以以可控的方式进行设计，从而使自旋相关的交错亚晶格势出现在有效哈密顿量中。在精细但实验可行的泵浦条件下，证明了自旋谷霍尔诱导拓扑边缘态的存在。该文章进一步证明，这两个自由度，即自旋和谷，可以以可重构的方式同时操作，以实现自旋谷光子学，使自由度加倍，以增强信息.相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.127.043904

微波光子学为具有创纪录低相位噪声水平的超宽带电子信号处理和频率合成提供了变革能力。尽管工作在约200 THz载频的光学系统具有固有带宽，但许多基于高性能光子学的微波产生方案缺乏宽带可调谐性，并需要在噪声水平、复杂性和频率之间进行权衡。另一种方法是在快速光电二极管上直接对两个可调谐半导体激光器进行降频混频。这种形式的光学外差是频率捷变的，但实验实现受到自由运行激光器相对较高噪声的阻碍。

近日，来自美国加州理工学院喷气推进实验室的Eric A. Kittlaus等人展示了一种基于超低噪声自注入锁定激光器的外差频率合成器，能够产生高相干、基于光子学的微波和毫米波。从1-104 GHz实现连续可调工作，在载波偏移100 kHz时，恒定相位噪声为-109 dBc/Hz。为了探索它的实际应用，他们利用这种光子源作为95-GHz调频连续波雷达的本地振荡器。通过现场测试，他们观察到与雷达现有的电子合成器相比，相位噪声相关的多普勒和测距伪像显著减少。这些结果为相干外差毫米波的产生建立了强大的潜力，为包括高动态范围遥感、宽带无线通信和太赫兹光谱在内的各种未来应用打开了大门。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Eric A. Kittlaus et al. A low-noise photonic heterodyne synthesizer and its application to millimeter-wave radar. Nature Communications (2021) 12:4397

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24637-0

拓扑绝缘体 (TIs) 的体态处于禁带，而边界态在体能带的带隙中允许传播，这种奇特的性质在凝聚态物理和材料科学中方兴未艾。其中，在二维材料中探索了具有非零的能谷陈数的拓扑绝缘体是谷电子学领域的基础。受电子系统中能谷 拓扑绝缘体的启发，研究者在光子晶体和声子晶体(PCs)中都观察到了能谷扭结态。谷拓扑绝缘体表现出许多独特的输运现象，例如拓扑折射和分区传输。双层结构由于丰富而灵活的层间耦合而引起了人们的强烈兴趣。魔角石墨烯中的扭曲层间耦合使奇特的平带和脆弱拓扑结构成为可能。层自由度作为赝自旋，已被引入到经典波的拓扑绝缘体中，层间耦合可以诱发拓扑相。例如，手性层间耦合可以产生赝自旋轨道耦合，从而产生自旋陈绝缘体，其拓扑结构由自旋陈数描述。

声子晶体的宏观尺度使其成为探索拓扑物理和相关声波传输的理想选择。近日，来自华南理工大学的Weiyin Deng，Jiuyang Lu研究小组通过结合能谷和层间赝自旋自由度，在方形晶格的双层声子晶体中承载非零的谷自旋陈数，实现了能谷自旋陈绝缘体。通过改变声子晶体的非等效腔的高度，实现了四种类型的谷自旋陈绝缘体相，对应于不同的谷自旋陈数。与之前的工作相比，这项工作在方形晶格而不是六边形晶格的 PC 中实现了谷自旋陈绝缘体，提供了一个不同晶格对称性的平台。并在实验证明了层混合、层极化和层锁定的声学扭结态。这些结果可能在具有复杂功能的声学通信电路中具有潜在的应用。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.014058

具有零热膨胀系数的力学超构材料在航空航天、柔性电子和智能制造等领域越来越受到关注，这些领域需要具有高水平热-力学稳定性的支撑平台来承受温度变化。温度升高引起的原子间键的伸长，这样的热膨胀会导致工程材料的断裂或设备性能下降。因此，受控的热膨胀已成为设计关键因素之一。为了满足这些需求，开发了不同种类的微结构优化的力学超构材料。根据它们对温度变化的设计原则可分为两类：一类是匹配周围构件的热变形，以消除热应变失配；另一类是由于其固有属性而保持原有形状（即零热膨胀系数）。具有良好的热-力学稳定性的超构材料，为其广泛的设计自由度和灵活的调节方法提供了一种可能的解决方案。值得注意的是，这些超构材料也可分为拉伸主导三角形设计、弯曲主导双层设计、拉伸-弯曲耦合设计、拓扑设计和颗粒增强复合超构材料。引起独特热膨胀的潜在机制是两种构成材料之间的热失配应变/应力。现在，大多数实验证明的热膨胀系数结果的绝对值在1-10 ppm/℃之间，而实验证明的热膨胀系数为零的力学超构材料获取仍然存在挑战。此外，之前报道的大多数超构材料只关注于提供独特热膨胀的能力，而缺乏对设计的热力学性能与其相对密度之间关系的研究，这就限制了它们在轻质和高比模量的设备中的应用。

近日，北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗副教授展示了一种具有轻质、高比模量特性和高水平热-力学稳定性的力学超构材料。设计的每个晶胞由两个或四个双层梁组成，由Al和Ti材料的沙漏晶格填充，提供从负到正的可调热膨胀系数，显示其提供显着的零热膨胀系数的能力。能够准确预测设计的热和力学性能的理论模型可以清楚地了解几何参数对其相应有效性能的影响，从而促进具有所需力学和热膨胀性能的超构材料的设计。理论预测、有限元分析和实验之间的良好一致性证明了设计的结构在实现轻量化、高比模量、显著的零热膨胀系数的综合属性方面的优势。与密度相关的有效热膨胀系数的Ashby图，作为根据实际应用的要求选择材料的特别有用的工具，为设计出色热-力学性能提供了定量证据。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

H. Yu, H. Wang, B. Liang, et al. Metamaterials with remarkable thermal-mechanical stability and high specific modulus: Mechanical designs, theoretical predictions and experimental demonstrations[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101436

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