超材料前沿研究一周精选 2021年3月15日-2021年3月21日

贝里曲率是波函数在参数空间中几何性质的一种尺度不变的局部表现，被认为是理解物理学各个分支的一个基本要素。尤其是周期晶体作为其能带结构的一种内在特性，也逐渐发展成为一个重要的研究领域。它在动量空间中作为磁场的作用，在布洛赫电子的动力学中诱导了大量重要的物理特征，例如对输运、热力学和晶体状态密度的各种影响。特别是，Berry曲率可以为周期系统中运动的波包提供对群速度-反常速度的额外贡献。具有量子化通量的贝里曲率是拓扑物理学领域的基础。类似于高斯曲率在封闭表面上的量化积分，贝里曲率在封闭表面或二维(2D)布里渊区在动量空间中的积分也被量化，给出了系统的独特拓扑特征，即所谓的Chern数。近年来，维勒点（Weyl points）产生的贝瑞曲率一直受到人们的关注。一个Weyl半金属包含至少两个具有相反电荷的Weyl点，每个点作为量化的拓扑单极子，在三维(3D)动量空间中发射或收集Berry曲率。

近日，国防科技大学的Biao Yang等人演示了光子超材料中的动量空间环形矩(MTM)，其中Berry曲率显示了三维涡旋分布，Berry通量接近π。该工作进一步观察到两种MTM相反的超材料界面上的螺旋畴壁态，根据超材料的方向，这取决于正的或负的色散。MTM也可能导致观察到各种有趣的现象，如负折射、表面依赖的异常位移和体积横向自旋。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-22063-w

拓扑光子学提供了新的方法来限制和控制拓扑上不同材料边界的电磁辐射，类似于奇异凝聚态现象。在过去的十年中，从硅环形谐振器阵列和耦合波导阵列到光子晶体和超材料，各种平台已经展示了几种以稳健方式引导电磁波的方法。拓扑边界模式被成功地用于各种应用，包括鲁棒导向、拓扑延迟线、可调器件和激光发射等等。虽然拓扑光子材料的早期工作集中在沿界面捕获拓扑模式，其维数比材料本身的维数低一个，但高阶拓扑绝缘体(HOTIs)已经打开了更宽范围的拓扑模式，限制在甚至更低的维数边界。根据其早期的理论预测，在电磁学中已经报道了许多实验实现，包括微波和光谱领域。对HOTIs的极大兴趣源于以一种稳健的方式将光限制在任何维度的可能性。例如，在2D（二维）拓扑光子系统中，高阶拓扑0D态可以用作弹性谐振器，它们可以通过拓扑边界模式进一步互连，从而在光的捕获和传播方面提供鲁棒性。

近日，来自美国纽约市立大学工程学院电气工程系的Anton Vakulenko等人提出了一种新的机制来建立显示两种类型的HOTI态的全介电红外HOTI亚表面，该机制由伴随拓扑Wannier型极化出现的拓扑转变支持。他们进行了两种近场实验研究：1)固体浸没光谱学和2)使用散射扫描近场光学显微镜的近场成像，以直接观察两种类型的拓扑转变和HOTI态的出现。结果表明，近场剖面显示了Wannier中心在拓扑跃迁中的位移，导致了拓扑偶极极化和拓扑边界态的出现。所提出的全介质HOTI亚表面提供了一种将光场限制在微尺度和纳米尺度拓扑腔中的新方法，从而为实现新的纳米光子技术铺平了道路。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（詹若男）

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Anton Vakulenko et al. Near-Field Characterization of Higher-Order Topological Photonic States at Optical Frequencies. Adv. Mater. 2021, 2004376

DOI: 10.1002/adma.202004376

得益于量子技术的飞速发展，纠缠态已经成为及其火热的研究领域。在量子力学中，测量前，若两粒子处于纠缠态，它们的状态是不确定的，其中的一个粒子被测量，则另一个粒子无论身处何处（非定域性），它都瞬间坍缩到由纠缠态（不可分离性）所确定的被测粒子的互补态上。随着科技的进步，最初纠缠的双粒子已经发展成了多粒子纠缠系统，这中多体间“心灵感应”式的不可分离态是实现量子计算、量子加密、量子通信等等先进应用的重要基础。上述非定域性的超距作用目前仅存在于微观量子领域，但是不可分离性却普遍存在于经典世界中多体的状态之间。可以在经典光学中模拟这种纠缠的不可分离性,这就是经典纠缠。值得说明的是，量子纠缠可描述非定域的粒子的属性，而经典纠缠里纠缠的两个特性是在某一客观结构中的多个不同内禀特性。

 此前，经典纠缠的概念专门应于矢量光束的空间模式与偏振的不可分离态，模拟双粒子纠缠态（Bell态），而模拟多粒子纠缠效应一直是难以克服的问题。在近20年中，多粒子多自由度的量子纠缠已经可以人为操控并取得辉煌成果，但是对应经典纠缠模型普遍认为是不可能被构造的。因为传统矢量结构光束除了偏振与空间模式两个可控自由度外，很再难找到更多自由度去实现高维操控。为了突破可控自由度这一限制，近日由英国南安普顿大学的申艺杰研究员、南非金山大学的Andrew Forbes教授和清华大学的巩马理教授领导的一支跨多国多单位联合科研团队创造出了“小蛮腰”式的“超自由度”矢量涡旋光束，首次产生了超越二维（空间模式和偏振）限制的高维经典纠缠光，并成功实现了完备的多体经典纠缠态——Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态的操控，模拟三体八维空间中的最大纠缠态。这种实现的多体经典纠缠方法是完全可控的，可以轻易拓展到模拟更多自由度更高维度空间中的纠缠效应。值得指出的是，新型高维经典纠缠光的产生只需要一个基本的固体激光腔和简易的机械调控，为进一步的应用推广带来极大优势，打开了模拟高维多粒子纠缠的结构光的新领域和相关应用的大门。相关研究工作发表在《Light: Science and Applications》。（申艺杰）

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Yijie Shen, Isaac Nape, Xilin Yang, et al. Creation and control of high-dimensional multi-partite classically entangled light. Light: Sci & Appl 10, 50 (2021)   (https://doi.org/10.1038/s41377-021-00493-x)

直接在溶液中检测和表征单个（生物）纳米物体，跨越几十到数百纳米的长度尺度，具有高的时空分辨率，不需要外部标签或复杂的程序步骤，是干涉散射显微镜的中心用途。从本质上讲，检测到的信号是由物体散射光和背景参考光之间的干扰产生的，这种干扰与物体大小成线性比例，而不是对纯散射的平方依赖。因此，除了分子本身的散射截面外，干涉信号的对比度还依赖于分子诱导的散射光和参考激光束之间的强度平衡。为了增强对比度，一种常见的做法是通过部分反射镜、薄膜干涉或偏振过滤来衰减压倒性的参考光束。然而，分子散射光子需要较高的光照强度来克服背景噪声。或者，金属表面已经被用来通过表面等离子体共振集中光，以为散射体提供增强的激发，同时大幅减少背景。然而，贵金属表面的耗散性质，导致了已经稀缺的散射光子的显著损失，特别是在小分子散射的情况下。同样，对于贵金属纳米粒子，它们的对比度可以通过激发局部表面等离子体作为增强激发的替代方法来增强。

近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程系的Nantao Li等人表明光子晶体的这些组合特性为实现干涉散射显微镜提供了一个多功能平台：参考光束强度可以通过光子带边缘显著降低，而内置的光学共振可以用来增强光-物质相互作用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-21999-3 ARTICLE

相比较封闭的Hermitian系统，具有增益和耗散的非Hermitian系统具有显著的性质和功能而引起了人们的广泛关注。通过精巧地操纵这些非厄米物理系统，可以产生了大量的现象，例如自发宇称时间对称性破缺、单向不可见性、相干完全吸收、单模激光，以及产生具有可控拓扑电荷的结构光等。非Hermitian系统的特点是存在一个奇异点（EP点），其特征值和特征向量同时合并（非Hermitian简并）。非Hermitian系统已经在平衡增益/损耗的PT对称系统中被探索过，甚至在纯耗散系统中也做过研究。EP的存在会导致一些违反直觉的现象，包括损耗引起的激光、绝热破坏和无反转的激光。然而，大多数非厄米光学系统是通过部署激光增益来实现增益/耗散的，这限制了它在某些光谱区域的发展潜力。

最近，来自加州理工学院（California Institute of Technology），斯坦福大学（Stanford University），纽约城市大学（City University of New York）的研究人员利用耦合光学参量振荡器（OPOs）中的参量放大和去放大来实现参量非厄米系统中的EP，从而呈现出一种在基于激光增益的系统中无法观察到的独特现象。参量非厄米系统可以扩展到激光增益的光谱覆盖范围之外，参量增益的瞬时特性也使得实现可调谐/可重构的非厄米系统成为可能，这在传统的基于光学的非厄米系统中是很难实现的，研究人员正是利用参数增益的这一可调来实现有趣的功能。从根本上说，基于OPO的非厄米系统与传统光学系统形成了鲜明的对比，可以为传感、非厄米非线性动力学和量子信息处理提供独特的机会。相关研究成果以“Nondissipative non-Hermitian dynamics and exceptional points in coupled optical parametric oscillators”为题发表在《Optica》上。（鲁强兵）

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https://doi.org/10.1364/OPTICA.415569 

人类的视觉系统对生存和学习都至关重要。这是一个有效的过程，在大脑进行更复杂的动作之前，视网膜检测到光刺激并同时对图像信息进行预处理。近年来，数字视觉系统以传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)成象机或电荷耦合器件(CCD)相机为基础，迅速发展起来，通过串行或并行结构上的扩展接口数字处理单元来实现计算机视觉。然而，这些传统的数字人工视觉系统在实际应用中往往耗电大、体积大、成本高，开发受人眼启发的神经形态视觉系统的挑战不仅来自于如何重现动物系统的灵活性、复杂性和适应性，还来自于如何在计算效率和优雅性方面做到这一点。与生物系统类似，这些神经形态电路将图像感知、记忆和处理功能集成到设备中，并实时处理连续的模拟亮度信号。高集成度、灵活性和超灵敏度对于尝试模仿生物处理的实用人工视觉系统是必不可少的。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室Qian-Bing Zhu等人设计了一个1024像素的柔性光电传感器阵列，使用碳纳米管和钙钛矿量子点的组合作为有效的神经形态视觉系统的活性材料。该器件对光的响应率为5.1× 10⁷ A/W，比探测率为2×10¹⁶ Jones，并通过1 μW/cm²的弱光脉冲训练传感器阵列，表现出神经形态强化学习特征。光电传感器同时充当人工光感受器和一种生物突触，因此直接对光学刺激作出反应，并可完成功能预处理。这些结果为人工神经形态视觉系统的发展提供了动力，以模拟生物视觉系统的灵活性、复杂性和适应性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

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Qian-Bing Zhu et al, A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems.Nature Communications(2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22047-w.

当不能使用简单的反射和折射理论轻松描述粒子产生的场时，就会发生单个粒子或粒子阵列的电磁波散射。由于入射的电磁波可能在物体内感应出多极点，从而产生了更多的电场，增加了总的散射场，因此会变得复杂。但是，如果散射体的厚度由平面的2D金属结构组成，则厚度极小，谐振器严格意义上仅支持电响应，它们的散射在向前和向后方向上都被限制相同。为了克服这一基本限制，同时将复杂性降到最低，过去的研究使用了磁共振和电子共振，以提供更多的散射通用性。例如，可以布置平面阵列的亚波长散射，以通过电和磁偶极子的空间重叠来减少干扰影响，从而允许设计的散射响应具有惠更斯原理抑制的反向散射

电磁波沿前后方向的单向散射（分别称为Kerker的第一条件和第二条件）是亚波长粒子的显着特征，近来在全介电超表面中也发现了该特征。来自杜克大学的Kebin Fan研究小组仅用偶极子项来同时满足两个Kerker条件所需的精确极化率要求，并证明其与所谓的“不可见超构表面”等效。研究者通过扩展的Kerker理论进一步描述了在全介电超表面中的完美吸收机制。在圆柱谐振器的二维六边形阵列中显示了不可见和完美吸收的现象，其中仅改变了谐振器的高度以在两种状态之间切换。研究者开发的框架提供了对全介电超表面可能发生的散射响应范围的深刻理解，为研究奇异的电磁现象提供了一种方法。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1364/OE.421187

近年来，声学超表面作为一种薄而紧凑的结构，由于其独特的功能以及控制和转换波前的能力以及其他独特功能，受到了广泛的关注。继电磁波的先驱结构之后，超表面大多是根据广义Snell定律（GSL）构造的。GSL超表面作为一种被动的无损结构，总是由一系列独立的单元构成。这种设计要求出射波不仅具有所需的相位梯度分布，而且在表面任何位置都能从入射波得到全功率流转换。换言之，GSL超表面是基于出射波在局部守恒条件下具有可设计的相位梯度分布的假设，人们称之为局部单元表面。该假设输出波并不满足声波方程，这表明孔径上相位剖面的任何修改都应该伴随着场振幅的适当变化。由于这种无效性，在输出场中将存在意外的旁瓣，这意味着入射能量不能有效地引导到所需的方向，特别是对于具有陡峭转向角的情况。

GSL结构本质上是一种局部设计，要求沿表面的功率流局部守恒；这是其效率较低的原因，因为它与期望的相位梯度相冲突。为了克服这个问题，华南理工大学物理与光电学院侯志林教授团队引入了一种非局部结构，它允许在小区域内沿超表面进行横向功率流交换。利用功率流共形结构，构造了具有曲面轮廓的二维聚焦超曲面。通过有限元数值模拟，验证了该结构聚焦效果的优劣。结果表明，与GSL结构相比，亚表面数值孔径越大，聚焦效果越好。与GSL结构不同的是，GSL结构是通过将表面离散成若干段，然后分别设计构造单元，而非局部结构是基于严格的波动理论设计的，这样可以精确地描述场。文章表明，非局部思想也可以推广到具有复杂理想场的结构。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.034054 

传热是支撑能量传输的一种基本现象，通常是由空间中的温差引起的。传热研究的主要关注点是温度和热通量管理——将目标加热或冷却到合适的温度，以及能量收集——将热源（如太阳）的热能转换为功或其他形式的能量。如今，控制热量对于解决诸如全球变暖，能源危机和电子设备发热之类的问题尤为重要。要缓解这些问题，就需要先进的工具来以不同的长度尺度以各种形式操纵热传递。近年来，材料科学和物理学的发展刺激了传热研究的复兴。一方面，为了加热、冷却和收集能量的传统目的，出现了具有更高效率、准确性、适应性、可调性和紧凑性的新方法。另一方面，已经提出了将热视为信息载体并对其进行处理以进行通信、检测、反检测和计算的新应用。这些进展已经产生了几个研究方向，包括导热超构材料、纳米声子、远场和近场热辐射管理。

近日，美国科罗拉多大学Li Baowen教授、美国斯坦福大学Fan Shanhui教授、新加坡国立大学Cheng-Wei教授团队发表综述文章，提供了一个关于传热控制的统一观点，总结了物理参数操纵和利用人工结构实现前所未有的传热现象的互补范例。在统一的框架内讨论各种热超构材料和器件的研究，即通过其不寻常的导热率和发射率来控制传热的方法，它们分别对应于两种主要的传热形式：传导和辐射。调查了使用与多重物理效应相关的材料特性的主动方法。传热是一个非常广泛的话题，重点是通过人工结构和器件（如超构材料、纳米子晶体和具有活性源的系统）来控制传热。文章分为三个部分，重点介绍了热流控制的三种主要类型。第一部分和第二部分着重于宏观尺度和微观尺度的热传导和辐射。第三部分讨论了在传导、辐射和对流过程中引入热源或调整具有多物理效应的材料参数所做的努力。最后，分析了该研究领域面临的挑战，并展望了新的可能方向，特别是拓扑热效应、热波和量子热效应。相关研究工作发表在《Nature Reviews Materials》上。（徐锐）

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Y. Li, W. Li, T. Han, et al. Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices[J]. Nature Reviews Materials, 2021.

https://doi.org/10.1038/s41578-021-00283-2

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