超材料前沿研究一周精选 2020年3月16日-2020年3月22日

声学传感器灵敏度的增强可大大扩展在通信、安全、和医疗保健/医药等领域的应用。最近出现的可穿戴电子产品进一步提高声学传感器的敏感性,尤其是在低频段,以便能够监测出超出人正常听觉的身体（心脏）所发出的声波。心脏信号的频率主要集中在10到250 Hz波段。此外，在心脏受损的情况下，由心肌收缩力变化引起的血流速度变化，或由瓣膜口不完全关闭引起的血流速度变化，会导致心脏舒张功能的频率和幅度发生微小变化。在较长时间内对这种活动的准确监测为心血管疾病的诊断提供了必要的生理和病理信息。由于人体声学具有低强度和低频率，因此需要超灵敏、轻量、可渗透气体的机械声学传感器来长时间连续测量。压电和摩擦电子学器件具有很高的声电转换效率和机械柔性，因此具有作为可穿戴声传感器的巨大潜力。通过简单地使用纳米纤维材料和/或修饰衬底的几何设计，这些器件的声敏性得到了显著提高。

近日，东京大学工程学院电气工程与信息系统系Takao Someya等人设计了一种全纳米纤维机械声学传感器，其在低频区域(<500 Hz)的灵敏度高达10050.6 mV Pa^-1。高灵敏度是通过使用耐用超薄（2.5μm）纳米纤维电极层，在声音传播到该电极层时产生较大振动实现的。此外，该传感器质量超轻，总重量只有5毫克或更轻。同时该设备具有一定的机械强度用以抵抗弯曲形变，即使在1000次循环弯曲后，其性能也没有下降。实验中，研究人员演示了一个连续10小时的心脏信号的监测，其信噪比高达40.9分贝(dB)。文章作者表示，将来，纳米网心电图(ECG)电极的集成，以及该全纳米纤维传感器的使用，使EGC和其它生理信号的长期同步监测成为可能。利用高声压区超高的灵敏度，可能为该传感器在下一代人机界面语音控制安全及环境噪声采集方面的应用带来新的机遇。相关研究工作近日发表在《PNAS》上。（丁雷）

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Md Osman Goni Nayeem, et al,All-nanofiber–based, ultrasensitive, gas-permeable mechanoacoustic sensors for continuous long-term heart monitoring.PNAS(2020).

doi/10.1073/pnas.1920911117.

微型飞行器(MAVs)可能会开辟价值数十亿美元的新市场。这些市场包括航空成像（2025年预测价值40亿美元）、“最后一英里交付”（2030年预测价值900亿美元）和空中机动（2030年预测价值约80亿美元）。虽然MAVs的市场潜力是巨大的，但安全仍然是其的一个关键性的挑战。我们可能或多或少听到过有关无人机坠毁事件，原因可能是在公共场所被投掷物击中，也可能是与鸟类发生碰撞。因此，让MAVs避开快速移动的物体对于大规模部署安全飞行机器人至关重要。

感知和动作之间的时间延迟在避障中起着关键作用。延迟越长，机器人必须做出反应并执行回避动作的时间越短，这是致命性的问题，因为碰撞不仅会破坏环境，还会导致严重的硬件故障甚至可能会造成人员伤亡。此外，微型四旋翼无人机的有效载荷能力有所下降，这对它们所能携带的传感和计算资源造成了很大的限制。现有的关于MAVs避障的文献报道主要依赖于标准摄像机或深度摄像机。然而，这些报道所假设的工作环境是静态的，要么是准静态的（例如：慢相对运动)。总之，如今微型四旋翼无人机的反应时间只有几十毫秒，对于在复杂的动态环境中快速导航来说，这是远远不够的。为了安全避开快速移动的物体，无人机需要低延迟传感器和算法。

近日，瑞士苏黎世大学信息学系Davide Falanga等人对之前工作中使用的方法进改进，转而使用事件相机作为视觉捕捉传感器，这是一种受生物启发的传感器，反应时间为微秒。该方法利用事件流中包含的时间信息来区分静态和动态对象，并利用快速策略生成必要的电机命令来躲避接近的障碍。标准的视觉算法不能应用于事件相机，因为这些传感器的输出不是图像，而是编码每个像素强度变化的异步事件流。该工作中，使用的算法总体延迟只有3.5毫秒，这对于可靠的检测和避免快速移动的障碍物来说已经足够了。此外，研究人员通过四旋翼无人机证实了该传感器和算法的有效性。与此同时，无人机能够在室内和室外以每秒10米的相对速度避开不同大小和形状的多种障碍。相关研究工作发表在《Science Robotics》上。（丁雷）

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Davide Falanga et al,Dynamic obstacle avoidance for quadrotors with event cameras.Science Robotics(2020).DOI: 10.1126/scirobotics.aaz9712.

在过去的50年里，电脑已经变得无处不在，充斥着各行各业，可以说已经成为当代年轻人的生活“必需品”。电脑的处理性能正在超速提升，但所使用的范式仍然保持了处理器和内存的分离，从而造成了数据瓶颈;并采用双态电子开关，这种开关受限于CMOS工艺和功耗。基于量子效应的系统有望解决传统计算机难以解决的问题，因为量子比特的数量增加了，但它们还没有商业化。然而，已经被证明的是，即使是没有生命的化学系统也能进行计算，但它们缺乏可编程性，这限制了它们的实际应用。大多数非常规的计算架构都是基于不同长度尺度的耦合振荡器系统。其中包括基于振荡器的架构，这些架构已经在一定程度上利用了化学、化学机械、扭矩或基于激光的振荡器加以概念化和实现。许多基于振荡器的计算架构通常受到弱耦合、产生非同步相位和受到外部噪声的影响而变的计算效率低下。为减少这些问题，然而研究人员已经取得了重大进展。例如，利用反应扩散系统的化学计算架构演示了迷宫、逻辑门和布尔电路的最优路径的解决方案。

近日，英国格拉斯哥大学Leroy Cronin等人提出了一个可编程的化学处理器，该处理器由一个5×5可切换的单元格阵列组成，阵列中填充了振荡化学(贝洛索夫一扎波金斯基反应)反应。每个单元可以分别在“开启”或“关闭”状态下单独寻址状态，产生超过2.9×10¹⁷种化学状态，通过图像处理来检测化学振荡而产生的不同振幅。通过对相互连接的贝洛索夫一扎波金斯基反应阵列进行编程，研究人员演示了化学编码和可寻址存储器，并创建了一个用于模式识别的化学自动编码器，其能力相当于每秒执行100万次操作。相关研究发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

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Leroy Cronin，et al，A programmable chemical computer with memory and pattern recognition.Nature Communications(2020).doi.org/10.1038/s41467-020-15190-3.

被称为超材料的人工结构材料极大地提高了在物理的不同领域中引导波和引导能量的能力。尤其值得一提的是，超材料将流行文化中的隐形斗篷变成了现实——隐形斗篷是一种涂层材料，它能使一个物体与周围环境难以区分，或者通过某种特定的外场测量无法被探测到。例如，光隐形斗篷、声隐身斗篷、热隐身斗篷等等。在隐形斗篷的理论提出后, 隐形的实验演示也已经在电磁波的微波和光学频率,声波,水中的表面波等领域被报道。

虽然已经有针对弹性扰动隐身的报道，但是，由于变换不变弹性材料的固有缺点，没有一种材料能够同时对法向应力和剪切应力进行隐身。

近日，来自密苏里大学的Guoliang Huang教授及其研究团队克服了这一限制，设计和制造了一种新的极性材料，该材料具有不对称的体扭矩分布，显示出不对称的应力。基于这种变换方法，构造了一种二维全弹性的静态隐身斗篷。该隐身斗篷是由嵌入在各向同性连续介质背景中的功能梯度多层晶格构成的。当其中一层被精确的设计以产生期望的弹性行为时，其他层则施加了一组运动学约束，等价于打破了应力对称的体扭矩分布。在静态压缩和剪切载荷下的实验测试表明，该材料具有良好的隐身性能，并与研究人员的理论预测一致。这项工作在变换弹性领域开创了先例，并将在机械应力屏蔽和隐身技术中得到应用。研究成果于近日发表在《Physical Review Letters》。（王济乾）

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10.1103/PhysRevLett.124.114301

近年来，拓扑物理学在各种系统中得到了快速发展，从传统的电子装置或冷原子团到机械、声学和电磁结构，这些结构都是由经典的波动方程控制的。这类系统的一个显著特征是存在鲁棒性的单向拓扑边界态，并且在急弯处呈现零反射。在这种情况下，光子拓扑态似乎特别有吸引力，它提供了一种节能的替代电子态的方案，使得缩放、控制和操作更加容易，并且最终具有芯片集成的潜力。虽然经典光的拓扑态得到了较好的研究，但量子光的拓扑态的研究相对较少。同时，量子光的拓扑态可以表现出拓扑物理的一些新的激动人心的方面，如双光子关联的拓扑保护。进一步研究量子光学拓扑态可能带来意想不到的发现，为拓扑保护量子逻辑运算和量子计算铺平道路。然而，相互作用对量子拓扑态的影响仍然是个未知数，理论和实验研究证明了相互作用系统中拓扑的丰富表现。这里的主要挑战是在双光子水平上表现出来的相当大的非线性。

近日，来自ITMO University的研究人员采取另一种方法，设计了一种基于拓扑电路的经典结构，作为量子光学一维系统的仿真器，该系统具有有效光子-光子相互作用引起的两个光子的拓扑状态。利用原问题的本征态与电路模式的对应关系，利用所设计的仿真器提取体、边双光子束缚态的频率，并直接从测量值中求出拓扑不变量。此外，他们还对与电路本征模相关的拓扑态进行了双光子概率分布的重建。相关成果发表在《Nature Communications》上。（张子栋）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-14994-7

使用纳米光子技术进行片上光电计算的信号处理，需要许多纳米级光子器件，如激光器，光电探测器和光开关。纳米级全光开关是关键设备，因为它具有调制集成在同一芯片上的纳米激光和发光二极管的能力。对于实现纳米级光开关，光子晶体（PhC）是一种很有前途的结构，因它可以自由设计其器件参数，并且可以将许多功能器件集成到芯片上。研究人员已经实现了各种基于PhC的全光开关。从硅PhC开关获得的最佳开关时间为50 ps。但是，其由于载流子注入低，存在操作能量很高，且双光子吸收效率不高等问题。相比之下，III–V半导体PhC腔显示出高速且低能耗的开关操作，因它们在电信频段比硅具有更大的光学非线性。但是，基于III–V的导体的制造成本相对较高，并且可用晶圆尺寸受到限制。解决此问题的方法之一是在硅平台上集成III–V材料的混合系统，以结合两种材料的优点。

近日，来自NTT Basic Research Laboratories的研究人员报道了使用集成在硅光子晶体中的亚波长InP / InAsP纳米线的光开关。他们在Si光子晶体中的空气沟槽采用了两个不同的混合纳米线腔。这些混合腔具有III–V材料的材料功能性和硅波导的低传播损耗的优点。纳米线诱导的线缺陷光子晶体腔显示Q值为25000。开关时间为150 ps，是所报道的最快的纳米线开关之一。根据在改变泵浦功率的测量中，他们估计开关能量为数百飞焦耳（femtojoules）。该值低于在相同泵浦条件下没有纳米线和空气沟槽的硅光子晶体腔的值。这表明集成在硅光子晶体中的InP / InAsP纳米线具有降低开关能量的潜力。相关成果发表在《ACS Photonics》上。（张子栋）

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https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01705

激光相位噪声抑制一般是基于反馈或前馈机制。在电光锁相环、电反馈和光反馈等基于反馈的系统中，将激光的相位和频率与参考光的相位和频率进行比较，并将产生的误差信号注入激光反馈环中。在这样的系统中，相位噪声抑制带宽通常是有限的，否则环路增益过大会增加系统的不稳定性。此外，由于激光器是反馈回路的一部分，其诸如频率调制响应之类的特性可能也会降低回路的稳定性。硅基光子学具有较高的可靠性和可扩展性，并且能够与电子设备和系统进行协同集成。因此，利用硅光子学技术实现片上相位噪声滤波器是一项很有潜力的技术，它可以与低成本的片上激光同时实现从而能够批量生产低成本的窄线宽红外光源。

近日，来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员报道了一种硅基集成的纳米光子相位噪声滤波器。硅光子和互补金属氧化物半导体（CMOS）电子芯片混合集成在3平方毫米的面积内。该滤波器可以放置在低成本激光之后，在不依赖光源的情况下使用电光反馈回路显著抑制激光的相位噪声。相位噪声滤波器独立于激光器工作，因此其性能不受诸如频率调制响应之类的激光器特性的影响，从而使得相位噪声在带宽上的降低远远大于传统的基于反馈的相位噪声降低系统。利用集成相位噪声滤波器，实现了激光线宽从2.55 MHz减小到4 kHz、从200 kHz减小到320 Hz。此外，与前馈线宽减小方案不同，该方案所实现的相位噪声滤波器对反馈作用引起的增益和延迟变化不敏感。（朱学艺）

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Idjadi, M.H., Aflatouni, F. Nanophotonic phase noise filter in silicon. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0605-1

对称变换不变性是物理学中的一个基本概念，它与守恒定律的形成密切相关。E.Noether在1918年已经指出，连续变换下物理系统的每一个可微对称性，都有相应的守恒定律。例如动量守恒是因为物理系统对空间平移的不变性，能量守恒则是由于时间平移不变性而导致的。离散变换的对称诱导守恒定律通常可以通过相应算符与哈密顿量的交换来描述。因此，反射对称性使哈密顿量具有一定的奇偶性，有限平移对称性使哈密顿量的本征态具有布洛赫动量，从而刻画了全部的动力学。

局域对称下的哈密顿量一般不与局部对称算符交换，即使势能条件在相应变换下保持不变。因此，通常的对称诱导特征值规则（如宇称和Bloch动量）不适用于一般的本征值。因此，跟踪局域对称性对系统行为的影响变得很有挑战性。一种可行的方法是利用对称性适应框架“非局域流”，它能够从系统状态中解码潜在局域对称性。在稳态情况下，这些流在任何局域对称域内都是常数，并在对称相关点之间提供振幅映射。这将通常的Bloch定理和宇称定理推广到局域对称。然而，这种方法需要获得复值波函数的全部时空信息。因此，这一现象迄今为止没有在实验上得到验证。近年来耦合光子波导阵列在模拟各种动态离散量子系统方面取得了非凡的成功，从而提供了一个理想的实验平台，有望解决由局部对称性引起的时空关联问题。

近日，来自德国罗斯托克大学的研究人员利用飞秒激光直写光子阵列，分别制备了局部对称、全局对称和完全非对称结构，并对其动力学特性进行了研究。这种方法可以区分所有三种类型的结构，从而首次实验验证了局部对称性的相关动力学特性。（朱学艺）

文章链接：

Schmitt, N., Weimann, S., Morfonios, C. V., Röntgen, M., Heinrich, M., Schmelcher, P., Szameit, A., Observation of Local Symmetry in a Photonic System. Laser & Photonics Reviews 2020, 1900222. https://doi.org/10.1002/lpor.201900222

两江科技评论编辑部

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