超材料前沿研究一周精选 2020年2月1日-2020年2月9日

变换光学器件是一种自由控制光路和电磁波的有用工具，并且近来已引起人们对各种器件设计的关注。Pendry等人基于坐标变换下麦克斯韦方程组的形式不变性，首先设计了可以遮挡障碍物以外的电磁场斗篷，后来通过电磁超材料在微波频率下的实验进行了验证。变换理论可以推广到弹性力学和声学。 Milton提出了在坐标变换下不变的通用弹性动力学方程，并提出了复杂变换的弹性动力学。通过将声学方程与直流电导率方程进行比较，还可以确定声学的形式不变性。因此，还提出了变换声学，并发现了变换密度张量和体积模量有助于声学斗篷的设计。大多数声学转换设备可以在理论上或数值上进行设计，但是材料参数很难实现。幸运的是，声学超材料在一些重要的设计中显示出非凡的价值，例如单负模量的声学斗篷，采用时空对称声学的二维（2D）声学斗篷和Luneburg透镜。

变换理论是用于材料设计以控制电磁波，声学波和弹性力学波的强大工具。可变形材料可自由引导超声波的传播。海豚和齿鲸可以通过简单地变形其前额来操纵定向波束。然而，现有材料在实现其生物声学功能方面面临巨大挑战。近日，来自厦门大学的Yu Zhang研究小组提出了一种生物启发性的半分析共形声学，可以严格预测声学功能的演变。基于此方法设计了一系列声学转向和准直模型。声速分布函数可以通过保角映射来确定，并通过数值确定声束的转向和扩展。他们还将通过使用超材料实验性地制造声控和准直装置。实验结果与理论预测吻合良好。拟议中的以生物为灵感的共形声学技术可能会弥合动物的生物声纳与人工材料之间的差距，这些材料在水下声学，医学超声检查和其他相关应用中显示出潜在的应用价值。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024002

自超构材料的出现以来，对无序的研究已成为重要的研究方向。对无序效应的深刻理解可以帮助改善超构材料的性质和丰富其物理性质。例如，无序可以加宽弹性超构材料中的带隙并引起光子超构材料中的拓扑状态转变或介电超构材料中的相变。相反，独立于材料的空间组织，也可以通过利用强大的局部效应来观察超构材料带隙的不变量。近年来，作为一种超薄的超构材料，已经提出了光学超构表面和声学超构表面来实现非凡的波操纵。对于弹性波，由于复杂的波耦合，弹性超构表面设计对于从超声检测到振动控制等各种应用中的当前研究工作至关重要。最近，无序现象被引入到光学超构表面，它表现出波前成形的其他独特特征，例如可定制的角度散射轮廓。然而，尚未有报道涉及到声学或弹性超构表面。

传统超构材料中无序效应的发现为寻找无序的超构表面提供了可能性。 据报道，光子，介电和弹性超构材料对波传播物理表现出无序效应的附加值。尽管无序在超构材料中得到了广泛的关注和进展，但是，尚未报道涉及到无序的弹性超构表面。

近日，来自西北工业大学的Zhichun Yang研究小组介绍无序弹性超构表面的概念，该超构表面由在亚波长范围内具有随机排列的相同的柱状谐振器组成。基于理论形式主义和直接声学测量，研究者观察了板中挠曲波的异常偏转和聚焦效应，并详细阐明了相关的物理原理。这项研究将无序效应扩展到超构表面，并可能导致创新的弹性声学装置。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.014054

考虑到已经出现的基本物理问题以及考虑到从理想透镜到光场的光谱和时间整形的潜在应用，时变系统和超构表面是令人感兴趣的。最近的结果表明，在可见光或近红外光谱区域中的光波长处，介电常数接近于零的（ENZ）材料的薄膜有望实现快速的（在光波振荡时标上）光学性质的时间变化。即使在深亚波长的薄膜中，也可以通过光学方式引起非常大的一阶折射率变化，从而有可能在整个介质上均匀地实现有效的时间调制，从而导致光学诱导的负折射具有统一的效率。但是，迄今为止的结果证明，要实现如此大的折射率变化，就必须依靠ENZ薄膜的高强度光泵浦。当两个具有相同光学共振频率的共振系统紧密接触时，可以增强光与物质之间的耦合。当耦合机制的强度（通过两个谐振频率的分度来衡量）主导系统的固有损耗时，就会发生强耦合，从而导致吸收光谱中出现双峰结构。

随时间变化的超构表面正成为一种动态控制传播波电磁特性的强大工具，近日，来自英国格拉斯哥大学的V.Bruno研究小组演示了基于等离激元纳米天线的高效时变超构表面，该等离激元纳米天线与介电系数近零的（ENZ）深亚波长薄片紧密耦合。 金属共振器的等离子体共振与光学ENZ模式强烈相互作用，提供的拉比（Rabi）能级分散约为30％。频率为ω的光泵浦会引起以2ω振荡的非线性极化，从而有效地产生了相位共轭和负折射光束，其转换效率比单一的ENZ薄膜大4个数量级。因此，强耦合等离激元系统的引入为实现纳米级的ENZ物理提供了一条简单而有效的途径。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.124.043902

与涉及长距离波传播的3D超材料相比，超表面由于其在亚波长范围内提供相位调制的独特功能而受到科学和工程界的广泛关注。超构表面在一个方向上具有减小的尺寸，并且由紧密分布的亚波长夹杂物构成，以提供对波传播即振幅，相位和极化的控制。通过适当地控制波的特性，有可能在微波，声学和光学领域中获得令人感兴趣的应用。到目前为止，这些超构表面已经成功地用于许多应用，例如实现轨道角动量（OAM）波，光子自旋霍尔 效果，贝塞尔光束，光学隐身术和全息术。为了提高超构表面的操作效率已经做出了许多努力，一种流行的方法是基于惠更斯原理，该原理涉及利用散射体在横向上采用交叉的电磁共振。 此外，可以通过级联多层，增加厚度和制造复杂性来容易地定制电磁共振。另一类超构表面是基于Pancharatnam–Berry相原理的。 在这些超表面中，基于亚波长散射体的方位角旋转实现了交叉偏振折射/反射的相位控制，这赋予了部分设计者自由度，以提高效率和带宽，同时保持较小体积。

人工设计的超构表面可在亚波长范围内提供出色的波控制。 但是，迄今为止提出的超构表面由于带宽有限而受到影响。来自上海交通大学的Weiren Zhu研究小组本文通过实验展示了由单金属层制成的超薄超构表面，可在9.3至32.5 GHz（相对带宽为112％）的超宽带下工作，同时在透射和反射模式下工作。 通过根据Pancharatnam–Berry相位原理对散射体进行方位角旋转来实现相位控制。 在整个工作范围内，几乎达到了均匀效率（≈25％），接近无限薄的超构表面的理论极限。最终，所提出的设计被实现用于应用，例如，产生携带轨道角动量以及反常反射和折射的电磁波。对超构表面进行了数值和实验表征，结果吻合良好，相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201907308

传统照明通过控制光子的空间和时间随机序列来照亮对象，而量子照明可以在存在噪声和损耗的情况下使用光子对之间的空间相关性来在实现性能增强。量子照明（QI）协议最开始由Lloyd提出，Tan等人将其推广到高斯态，并提出了一个实用的协议版本。2013年，Lopaeva等人进行了量子照明原理的实验演示，通过在存在热光的情况下利用量子源的强度相关性来确定半透明物体的存在与否。然而，这些先前的演示仅限于简单地检测目标的存在或不存在，而不是执行任何形式的空间分辨成像。

最近，来自英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的研究人员首次使用下转换（SPDC）光子对之间的空间相关性来演示量子照明全场成像协议。通过SPDC过程产生的双光束被引导到电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）阵列探测器的不同区域，然后逐像素地执行包含SPDC光束的阵列探测器的两个区域之间的操作，再优先选择相关的光子对事件，并拒绝不相关的背景光和传感器噪声事件。作为这种优先选择的结果，由这些和事件产生的量子照明图像相对于包含原始事件简单和的经典图像在相对比度，和抑制背景光，抑制传感器噪声上有着优势。这种量子照明全场成像协议的演示是量子技术在实际环境中应用的一个重要发展，其中背景光和传感器噪声需要抑制。随着能够对单光子事件进行时间标记的多像素单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的发展，量子光探测和测距等量子照明协议的应用将变得更加可行。相关论文以Imaging through noise with quantum illumination为标题发表在Science Advances。（短文作者：鲁强兵）

紫外激光泵浦用于II型下转换的BBO晶体，通过SPDC产生纠缠光子对。探针光束与放置在晶体远场中的目标物体相互作用，而参考光束具有自由光路。透镜L1=75 mm、L2=400 mm和L3=50 mm包括量子臂光学器件，用于转换到远场，然后在EMCCD相机上以8的系数进行消光。通过放置在晶体图像平面上的显微镜滑盖（MS）的反射，使用透镜L4=300 mm和L3=50 mm将由热光照明的掩模投射到相机上。

DOI：10.1126/sciadv.aay2652

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/6/eaay2652

蛋白质、脂类、胶原蛋白和糖的测量在生物医学研究、诊断或治疗中是必不可少的。一些生物组织分子在紫外（UV）、可见光和红外（IR）范围内表现出对光的吸收，因此可以通过光学光谱（OS）进行检测。紫外波长会对生物样品造成光损伤，而可见光和近红外（NIR）波长对脂质、糖和蛋白质的敏感性相对较低。长波，如短波红外（SWIR，900-1800nm）中的长波，提供了对蛋白质、脂类和糖等内源性分子的高对比度检测，但该技术的灵敏度受到水吸收的限制。

光声光谱也可以表征水环境中一系列与生物相关的生色团，包括血红蛋白、黑色素或造影剂，如金纳米粒子和有机染料。该方法检测目标分子吸收瞬态强度入射光后的声波发射。然而，与光学方法类似，光声传感也受到水对长波段光的吸收限制。在可见光范围（450至650纳米）和近红外范围（650至900纳米）内，水对光声测量的贡献最小，但它对900纳米以上波长的测量贡献很大，限制了检测蛋白质、脂质、胶原蛋白和糖的技术灵敏度。

最近，来自德国慕尼黑赫尔姆霍兹中心（Helmholtz Zentrum München），印度科学院（Indian Institute of Science）和慕尼黑技术大学（Technical University of Munich）的研究人员基于光声信号对探测介质温度的依赖性，引入了冷却红外光声光谱（CIROAS）技术来抑制光声光谱中的水分贡献。研究人员展示了在4℃下对蛋白质、脂类和葡萄糖进行的短波红外光谱测量，与传统的光声或红外光谱相比，显著提高了灵敏度。文章阐述了光声信号对水温的依赖性，并证明了在低于4℃的温度下记录信号的极性变化。研究工作还进一步阐明了光声信号对样品浓度的依赖性，并证明这些依赖性的变化能够量化溶质浓度。（短文作者：鲁强兵）

（A）光声光谱实验装置的示意图。UST超声波传感器；PD，光电二极管；AMP信号放大器；TS，温度传感器；PM，功率计；ST，搅拌器；PE，珀耳帖元件；PC/DAQ，带数据采集卡的个人计算机。（B）数据处理和分析步骤。用Hilbert变换（HT，Middle）对光声原始数据（RD，Left）进行变换，以曲线下的感兴趣区域（AI，Right in blue）作为光声信号强度。

DOI：10.1073/pnas.1910597117

文章链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/02/05/1910597117 

物质的拓扑相由体拓扑不变量和具有鲁棒性的边缘或表面态的出现来表征。近年来，拓扑相和体边对应的概念被扩展到高阶拓扑绝缘体(HOTIs)。高阶拓扑绝缘体的一个显著特征是角态或铰链态的出现。嵌套威尔逊循环和多体多极算子等理论概念已被提出，用以描述其拓扑特性和体-角或铰链对应。实验上，已经在声子和光子系统，电路阵列和固体晶体中观察到高阶拓扑绝缘体的存在。

拓扑相的概念也被推广到布洛赫系统，其中哈密顿函数在时间上是周期性的。通过调节驱动振幅、频率和形状，研究人员可以有效的设计准能带结构。尽管准能带和能带之间有明显的相似性，但布洛赫系统的拓扑特性比静态系统丰富得多。为了系统地对布洛赫拓扑相进行分类，必须检查全时间演化算符和定义对应的拓扑不变量。虽然在周期性驱动系统中的布洛赫高阶拓扑绝缘体已经被实现，但这些报道都是基于构造具有特定晶格结构和对称性的哈密顿量，其所提供拓扑不变量只适用于特定的模型或对称性，因而不具有普遍性。

近日，来自乔治梅森大学的Erhai Zhao课题组提出了一种实现和描述布洛赫高阶拓扑绝缘体的通用方法。该方法不依赖于具有特定时空对称性的哈密顿量。作为演示，研究人员提供了一种包含两个具有0和π角态的拓扑四级子相的二维模型的解析相图，从其幺正回归图（full unitary return map）中引入了动态拓扑不变量，并证明了其相位带中含有外尔奇异点，其拓扑电荷在布里渊带形成动态多极矩。由此提出的Z₂不变量能够完全表征布洛赫高阶拓扑以及预测角态的存在。该工作为构造和表征布洛赫高阶拓扑相建立了一个系统的方法，对动态布洛赫高阶拓扑绝缘体的进一步研究有重要意义，于近日发表于《Physical Review Letters》。（短文作者：王济乾）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.057001

长按二维码
关注我们吧

免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

邮箱：janechou@imeta-center.com

微信号：18305163023