超材料前沿研究一周精选 2020年12月21日-2020年12月27日

1.机器学习助力多晶中的晶界偏析能谱

晶界处溶质原子的偏析(GBs)深刻地影响金属合金的结构性能，并产生从强化到脆化的各种效应。而且，尽管已知是各向异性的，但研究人员对溶质偏析倾向在整个多维GB空间的变化的理解是有限的，这在多晶体中是非常重要的。 

近日，麻省理工学院核科学与工程系Malik Wagih等人开发了一个机器学习框架，可以精确地预测偏析趋势，有两种型号可供选择。第一种是高保真度模型，它使用一个大的原子位置平滑重叠（SOAP）向量(>103特征)、一个保守的径向截止(6埃)和线性回归。第二种是加速模型，使用PCA将原始特征转换为几个(10)主成分(然后用作线性回归的输入特征)。通过多晶体中GB位置的溶质原子偏析焓谱来量化，仅基于这些位置的未修饰(预偏析)局部原子环境。此外，研究人员继续使用学习框架来扫描合金空间，并为超过250种金属基二元合金建立一个广泛的偏析能谱数据库。由此产生的机器学习模型和偏析数据库是打开GB偏析作为合金设计工具潜力的关键，并使微结构设计能够最大限度地发挥偏析的积极用处。作者期待该数据库在合金设计中的应用，并希望它能推动光谱方法在多晶材料中GB偏析的更广泛应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

文章链接：

Malik Wagih, Learning grain boundary segregation energy spectra in polycrystals,Nature Communications(2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20083-6.

2.光子晶体光学参量振荡器

数十年来，设备的小型化一直是微电子学和光子学的主要目标，目的是实现更紧密的集成、增强的功能和大幅降低功耗。在所有纳米结构中，半导体光子晶体（PhCs）占据了突出的位置，因为它们能够制造最终的准光学腔。但是，重要的一类光源，即光学参量振荡器（OPO）的PhC的实施方式是缺失的。OPO依靠物质的超快非线性响应来激发光子对的发射，从而发射相干光。十多年前，人们曾考虑过使用PhC OPO的可能性，并且已经进行了尝试来实现有效的参数交互作用。但是，OPO的演示非常困难。

近日，来自法国泰雷兹研究与技术学院的Gabriel Marty和Sylvain Combrié等人报告了一种新型的光学参量振荡器，它基于20 μm长的半导体光子晶体腔，并在电信波长下工作。由于限制是由布拉格散射引起的，因此光学腔包含一些模式，频率大约相等。当将这些高质量因数模式热调谐为三重共振配置时，就会达到参数振荡，而任何其他参数相互作用都将受到强烈抑制。最低泵浦功率阈值估计为50–70 µW。该光源可作为理想的简并光学参量振荡器，不仅解决了量子光学电路领域的需求，也为压缩光或纠缠光子对的高效非线性光源的密集集成铺平了道路。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）

文章链接：

Gabriel Marty, Sylvain Combrié et al. Photonic crystal optical parametric oscillator. Nature Photonics 15, 53–58(2021)

https://doi.org/10.1038/ s41566-020-00737-z.

3.用于宽带光捕获的平面光子技术（编辑推荐）

作为光电器件的基本要求，光活性层中的高效率光捕获一直是光学界的一个不断追求。 虽然传统的光电器件主要是基于厚度高达几十微米的活性材料，但在亚波长厚层中的高吸收可以在器件尺寸最小化、时间响应快、功耗和成本降低等方面提供竞争优势。迄今为止，超薄光捕获主要是通过等离子体结构实现的，其中采用金属背反射器或金属纳米粒子。大量的俘获光被转化为金属中的电阻热，阻止了它在光电器件中的应用，其中光子能量有望转移到光诱导载流子。此外，在共振波长之外的高反射不可避免地伴随着等离子体，这可能会阻碍自身的进一步应用。

高指数全介质光子结构，能够支持多极Mie共振或导模，已被提出作为替代等离子体结构的宽带光捕获。通过将减反射纳米结构放置在活性材料上或直接构建活性材料，实现了高效的吸收增强；然而，总厚度大于工作波长。为了解决厚度与吸收之间的矛盾，最近提出了超薄光子超吸收器。由于反射镜对称光子结构中的一个模式有一个基本的上吸收极限（50%)，因此利用两个对称相反的临界耦合简并模式(通常是电模和磁模）来促进吸收；然而，基于这种策略的平面光子技术无法实现吸收带宽的潜在扩展，因为它对这两种谐振模式的简并要求很严格。到目前为止，宽带光捕获在亚波长平面光子学中仍然是一个难以捉摸的挑战。

近日，来自浙江大学的Hao Luo等人提出了一种基于超表面的平面光子器件的光捕获设计范式。这种光子超表面在几何上具有不对称耦合的特点，并使每个谐振单元中的单个磁共振能够进行超级吸收，通过简单地改变单元大小，显著简化了宽带吸收的设计。作为一个例子，他们实验证明了超薄(200nm)全介电锗(Ge)超表面的宽带(550-1280 nm)超吸收(50%)。同时，这种纳米光子超表面在中红外(MIR)区域是透明的，这意味着它在透明光电探测器和MIR透明太阳能吸收器中的潜在应用。该工作被选为“编辑推荐”文章。相关工作发表在《Applied physics letters》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0033312

4.空间离散化的时空调制超构表面：自由空间的N路径系统

超表面是在亚波长范围内可实现对电磁波的定制控制的二维（2D）结构。可调谐电子元件的发展已经可以动态控制超表面的电磁特性。电子设备，例如变容二极管，晶体管和MEMS，以及2D相变材料可以集成到超构表面中，以调节其电，磁和磁电响应。通常对超表面的属性进行空间调制，以形成电磁波阵面并实现聚焦，束转向和极化控制。通过将可调谐元素纳入其设计中，超表面的属性也可以随时间进行调整。在空间调制重新分配散射场的平面波谱的同时，时间调制提供了对频谱的控制。同时的时空变化被称为时空调制，最近已应用于超构表面。时空调制可以同时进行频率转换，波束控制和整形。它也可用于破坏洛伦兹互易性，并启用无磁非互易设备，包括回转器，循环器和隔离器

近日，来自密西根大学的Anthony Grbic研究小组在理论和实验上都研究了具有空间离散行波调制（SDTWM）的超表面。SDTWM通过在施加到相邻列的时间波形之间执行时间延迟来实现。与时空超表面研究中通常假定的连续行波调制相反，此处的调制在空间上是离散的。为了解决离散空间调制问题，基于为SDTWM结构导出的新边界条件，引入了改进的Floquet分析。改进的Floquet分析将散射场分为宏观和微观变化。报道的理论和实验结果表明，SDTWM超表面的电磁行为可分为三种状态。对于较大的电空间调制周期，可以忽略每个触针上的微观场变化。在这种情况下，时空超表面允许同时进行频率转换和角偏转。当超表面上的空间调制周期很小时，微观变化会导致独特的超颖表面功能，例如次谐波混合。当超表面的空间调制周期为波长尺度时，超颖表面可同时实现次谐波混合和角偏转。为了验证分析，研究者开发了双极化，时空调制的超颖表面并在X波段频率下进行了测量。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.14.064060

5.折叠多孔材料可实现亚波长和宽带的完美吸声

在许多实际应用中，声学材料受到相关应用场景的厚度、体积和质量的限制，并且通常情况下不能同时兼顾中低频噪声吸收与宽频带声音吸收。减小厚度的直观方法是折叠其基本结构单元，并且还能进一步降低相应的共振频率。然而，对于完美吸收超材料而言，除了使超材料的阻抗与空气阻抗匹配之外，还要满足临界耦合条件，必须通过其固有损耗来完美平衡声学处理向周围介质的能量泄漏。最近，折叠和临界耦合的概念已被组合用于设计亚波长基于折叠QWR，HR，或其他类型谐振器的完美吸收器。但是，由于这些谐振器的谐振品质因数较高，因此它们的吸收带宽很窄。因此，结合失谐元素可以实现宽带的完美吸收。

 多孔表面的概念依赖于谐振元件的嵌入，以增强多孔层低频处的状态密度，从而实现宽带和低频吸收。加拿大蒙特利尔理工大学和法国勒芒大学的Jean Boulvert团队报道了一种折叠的多孔孔表面，经过优化可实现亚波长和宽带的完美吸收。它的晶胞由多孔介质填充的四个不同的螺旋腔构成，这些介质是结构化的且具有可变晶格常数的准各向同性微晶格。每个螺旋腔的有效厚度（Lb）和固有损耗可以通过改变它们的宏观和微观结构，即折叠结构的转数和微晶格的晶格常数来独立调节。他们还建立了预测该多孔表面物理性质的分析模型，并对宏观和微观结构进行联合优化，以实现亚波长宽带（5.6Lb <λ<9.9Lb）的完美吸收。最后，该系统经过3D打印并进行了实验测试。实验结果与理论相吻合，并且显示出在均匀的本构多孔介质和仅有的螺旋腔体无法达到的频率范围内几乎完美的吸收。相关研究发表在《Applied Physics Letters》上。（钟雨豪）

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0032809

6.用于分子手性检测的三维扭曲超构材料

手性结构在医药工业中占有非常重要的地位，目前50%以上的药物都是手性化合物。然而，许多手性药物在使用错误的对映体时会产生各种致命的副作用。手性分子的手性是通过测量左旋圆偏振和右旋圆偏振光之间的吸收差异来确定的，这被称为圆二色性。手性分子通常具有非常小的圆二色性信号，只能在深紫外光区测量。传统的圆二色性测量需要很长的积分时间和较大的体积（∼mL）来获得良好的圆二色性光谱。长时间的紫外线照射可能会损害许多生物物种。此外，光电探测器的灵敏度通常很低，可用的光源在此波长范围内受到限制且非常笨重和昂贵。因此，快速、便捷地检测手性分子是制药工业的一个重要课题。由于各种三维手性超构材料表现出强烈的圆二色性反应，研究人员提出了一种可以处理圆二色性信号的扭曲光学超构材料，手性材料的手性折射率与背景之间的差异可以通过求和来消除。

近日，台湾成功大学Shih-Hui Chang和Yun-Chorng Chang团队提出了一种快速测定手性药物“沙利度胺”的光学方法。该方法是采用纳米球透镜光刻和孔掩模光刻相结合的新方法制备的三维扭曲超构材料阵列。该方法生产效率高，且扭曲超构材料覆盖面积大。在近红外区域观察到较强的圆二色性响应，这使得利用低成本便携式光谱仪系统进行手性检测成为可能。所提出的纳米制备方法显著提高了纳米球透镜光刻和纳米球透镜光刻的性能，可快速适应于各种周期性三维超构材料的制备。此研究结果也为纳米光子学在医药行业的快速渗透铺平了道路。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接：

Lin, C.-Y., et al., Molecular Chirality Detection with Periodic Arrays of Three-Dimensional Twisted Metamaterials. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020.

https://doi.org/10.1021/acsami.0c16256

7.高刚度玻璃纤维调节形变结构的4D打印

变形结构具有在外界刺激下改变其几何结构和形态的能力，在可折叠机器人、生物医学设备和紧凑型可展开结构等领域有着广泛的应用前景。自然界有许多根据周围环境变化而变形的例子，如捕蝇草、含羞草和松果种子等，这些例子激发了仿生活性材料或智能结构的设计和制造。包括形状记忆聚合物、水凝胶、液晶弹性体和磁性软材料在内的各种刺激响应材料已用于形状转换。近年来，具有改变3D打印部件形状的能力的4D打印技术已在各个领域引起了极大的关注。刺激响应材料、最新的3D打印技术和设计方法的使用使4D打印可以实现有趣的形状制造又能按需进行形状变换，从而在执行器、软机器人、主动超构材料、柔性电子和生物医学设备中发现了广泛的潜在应用。但是，大多数4D打印使用软质聚合物以低刚度为代价来适应较大的应变变形能力，这阻碍了其工程应用。

近日，佐治亚理工学院H. Jerry Qi教授团队展示了一种设计和制造具有大变形和高模量的自变形结构的方法。通过多材料直接墨水书写使用复合墨水印刷结构，复合墨水包含高体积分数的溶剂、光固化聚合物树脂、短玻璃纤维以及气相二氧化硅。在打印过程中，玻璃纤维通过喷嘴进行剪切诱导的排列，从而导致高度各向异性的机械性能。然后将溶剂蒸发，在此过程中，对准的玻璃纤维使其在平行和垂直方向上向对准的纤维进行形状移动的各向异性收缩。进行最后的后光固化步骤，以进一步将复合材料的刚度从约300 MPa增加到约4.8 GPa。建立了有限元分析模型来预测溶剂、纤维含量和纤维取向对形状变化的影响。证明了结构的各向异性体积收缩可以用作主动铰链，以将打印的二维结构转换为具有大的形变和出色的力学性能的复杂的三维结构。这种具有可编程体系结构和出色机械性能的复合材料结构制造策略显示了在变形具有承重能力的轻型结构方面的潜在应用。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接： 

Weng, S., et al., 4D Printing of Glass Fiber-Regulated Shape Shifting Structures with High Stiffness. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020.

https://doi.org/10.1021/acsami.0c18988

8.低啁啾无隔离器的65 GHz带宽的直接调制激光器

如今，面对不断增长的通信流量，如何最大限度地降低数据通信系统的功耗已成为一项挑战。直接调制激光器（DML）是一种与激光器本身一样古老的技术，以其高能效和低成本而著称。在粗波分复用（CWDM）或局域网（LAN）WDM系统中，需要约9 dBm的功率来补偿波长复用/解复用光学器件的损耗。但是，到目前为止，还没有任何类型的外部调制器或直接调制激光器（DML）产生如此高输出功率的报道。尽管高效率是DML的明显优势，但自1990年代中期以来，DML的带宽一直稳定在30 GHz左右。直接调制激光器的调制带宽也已经落后于外部调制器。

近日，来自美国II-VI股份有限公司的Yasuhiro Matsui和瑞典皇家理工学院应用物理系的Richard Schatz等人通过利用三种带宽增强效果：失谐负载、光子-光子共振和腔内频率调制-振幅调制转换，报告了三种直接调制的激光器，设计并实现了65-75 GHz的宽带宽。还可以实现大幅降低线性调频脉冲（α<1.0）以及在高达40％的反射率下实现无隔离器操作。他们还演示了在O波段中，在15 µkm的标准单模光纤上的294.7 Gb s^-1的快速数据传输。由于没有13.6 dBm的高激光输出功率，因此无需光纤放大器即可实现。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）

文章链接：

Yasuhiro Matsui et al. Low-chirp isolator-free 65-GHz-bandwidth directly modulated lasers. Nature Photonics 15, 59–63(2021)

https://doi.org/10.1038/ s41566-020-00742-2.

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