今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及用声音追踪力、基于可编程超表面的线偏振任意调控、柱状声子晶体中的声表面波-局域等离子体耦合、具有可控横向轨道角动量的时空光学涡旋等敬请期待！
索 引
1.用声音追踪力
2.基于可编程超表面的线偏振任意调控
3.柱状声子晶体中的声表面波-局域等离子体耦合
4.一维弹性动力学与非厄密力学之间的关系
5.亚波长波纹柱的超散射
6.基于平面光学的图像微分
7.基于二维单层半导体的低损耗复合光子平台
8.具有可控横向轨道角动量的时空光学涡旋
9.基于与光子晶体耦合的类原子发射极阵列的拓扑量子光学
10.通过3D自立方法实现基于非对称立面的空间共振全向光电探测器
用声音追踪力
当风吹过电话线时，会释放出产生声音的漩涡。这种声音的音调提供了有关流体压力和速度的信息。对流体施加不同的力，例如旋转叶片或拍打机翼，也能产生声音，但所施加的力与声发射之间的关系尚待探讨。对流体流动所发出或散射的声音的分析提供了大量有关其原因和特征的定量信息。例如，体内血液流动的速度通常是由血液散射的声音推导出来的。
非稳态流体如气动射流或尾迹的涡度场可以从它们发出的声音（“气动声音”）或散射声中分析。气泡的大小可以从其自由脉动发出的声音的频率来评估。原则上，它的探测可以使我们能够在很大未知的情况下，非侵入性地确定导致流体加速的外力。这种力遥感技术应该被认为是对高速成像的有益补充，因为高速成像只提供过程表面的形状变化。为了确定作用的外力，必须将它们的声发射与体积或涡度变化引起的声发射区分开来。如气动声学理论所述，流体体积变化导致单极声辐射模式，而流体动量变化导致偶极模式和涡度变化。因此，可以使用传声器阵列和球面谐波分解来鉴别这些辐射模式。
最近，来自法国索邦大学（Sorbonne Université）和法国里尔大学（Univ. Lille）的研究人员用一个破裂的肥皂泡来证明表面张力驱动的力能发出一种可感知的声音。这项新技术可以量化施加在流体上的声音背后迅速变化的力，例如岩浆中气泡的隆隆声和蜜蜂翅膀拍打空气的嗡嗡声。由表面张力产生的毛细力，作用于压缩气泡内的空气。当气泡外液膜上的一个孔打开时，这些力就变得不平衡了。结果，孔周围的边缘迅速收缩，孔变宽。结果是气泡外的空气受到净力，其强度随孔径的变化而变化。为了观察他们是否能用声音来测量毛细血管力，研究人员记录了膨胀气泡破裂时发出的声音。他们使用安装在气泡周围的灵敏麦克风，将扩孔发出的声音与减压空气发出的声音区分开来。研究小组开发了一个模型，根据测得的声型预测气泡的厚度分布、破裂位置和气泡膜的其他特性。他们还拍摄了气泡破裂的高速图像，用来确认破裂过程的声学特征。文章以Acoustic Sensing of Forces Driving Fast Capillary Flows为题，发表在Phys. Rev. Lett上。（鲁强兵）
（a）2毫升新鲜气泡触发破裂的高速成像。（b）实验设置示意图，显示八个MEMS麦克风（彩色圆圈）和两个大带宽麦克风BK1和BK2的圆形声学天线。（c）由44毫米半径的声波天线获得的信号。（d）显示毛细管力的气泡破裂示意图。（e）单极、双极和四极对气泡顶部测量的压力信号的贡献。（f）顶部BK1（蓝色曲线）和底部BK2（红色曲线）话筒在距离1毫升新鲜气泡30毫米处获得的压力。实线对应5个以上的实验平均值，阴影区域以最大值和最小值为界。准静态模型（不平衡模型）绘制为虚线（实线）。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.084502
DOI：10.1103/PhysRevLett.124.084502
基于可编程超表面的线偏振任意调控
近年来，数字编码和可编程的超构表面为电磁波的操纵提供了新颖的方式，成为超构材料领域的研究热点。研究人员通过将研究相关的物理参数（例如，幅值、相位和偏振）用数字信号“0”或“1”来表示，可以方便地用二进制编码的方式来操纵电磁波。基于数字编码超构表面，研究人员已经实现了很多复杂的功能，如数字卷积运算、全息成像、单传感器成像、实时微波成像等，还发展了时空编码、智能超构表面等相关技术。但是，目前大多数的相关研究都集中在相位的编码上，很少涉及偏振的编码。而偏振是电磁波的重要属性，是实现多通道通信和高分辨成像的一个关键因素，实现其高效灵活的调控非常重要。
近日，来自东南大学的崔铁军团队提出了一种可编程的数字编码超表面，能够实现对电磁波线偏振的灵活调控。研究人员将PIN二极管集成在数字编码单元中，用于实现偏振态的转换，不同的偏振态对应于数字信号的“0”和“1”。通过调控超构表面不同的编码序列，可以实时控制反射电磁波的偏振。应用不同的数字编码序列，可以根据需要调制反射的偏振角。该工作在数值和实验上同时证明了所提方法的有效性，实验结果与仿真和理论分析吻合良好。
该工作将促进可编程超构材料以及电磁波偏振调控的相关研究，有潜力应用在雷达、微波成像和无线通信系统中。文章于近日发表在发表在杂志《Physical Review Applied》上。（田源）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.021003
柱状声子晶体中的声表面波-局域等离子体耦合
最近，研究人员已成功的利用高频(∼GHz)表面声波实现了光波与声波之间的相干耦合，并进一步在基于纳米微腔的多光子光力学平台上实现了相干声子与光子的相互作用。此外，基于光力学相互原理，利用一对耦合到光力学晶体腔的径向对称兰姆波叉指换能器(IDT)，可以实现光和微波光子之间的双向转换。尽管声表面波体系的实验技术已经较为成熟，并且可以产生高振幅的声波，这使得该体系非常利于与等离子体激元的有效耦合，但是利用声表面波将表面等离激元与声子相互耦合的研究在文献中鲜有报道。
近日，来自穆罕默德总理大学（Université Mohamed Premier）的A. Noual及其研究团队用数值模拟的方法研究了在多层结构表面传播的声表面波与局域在基底上金属柱底部的表面等离激元的相互作用。该多层结构以硅为衬底，在其上沉积一层金，并由薄的介电材料间覆盖，最后在上层构建柱状阵列。研究人员讨论了两种模式下声子-等离子体耦合的效率，并挑选出了易于实验实现的模式。此外，研究人员还发现除了等离子体频率外，等离子体-声子的耦合强度对两柱之间的距离也很敏感，从而揭示了柱间相互作用对耦合的影响。该工作对由快速相干声学控制的光力学装置的设计有一定指导意义，并有助于涉及增强声光相互作用原理的器件的应用。（王济乾）
文章链接：10.1103/Phys Rev Applied.13.024077
一维弹性动力学与非厄密力学之间的关系
量子力学是描述亚原子级物质的物理学。宏观上与该理论相关的计算复杂性使描述材料的可观察力学变得不可行，因此一般在宏观尺度上使用连续力学。尽管开发这两种理论的尺度存在巨大差异，但近年来使用宏观系统已证明了许多有趣的量子现象实现。示例包括霍尔效应，几何相位和负折射。特别注意基于时空对称性的非常规输运性质，该性质对应于带有时间-空间反转算符组合的可交换性。这个概念起源于量子力学中的发现，即表现出这种对称性的哈密顿算子可以具有实数的特征值，即使它们不是厄密算子。非厄密量子力学（NHQM）的优点之一是它可以量化存在PT对称哈密顿量且具有实谱的条件。
近年来，从量子理论到弹性动力学的理论令人着迷，这种理论在现象上描述了材料随时间变化的宏观响应。近日，来自以色列理工学院的Gal Shmuel研究小组在为从非厄密量子力学中转移到其他工具开辟了一条道路，首先确定没有整体受力的一维弹性动力学方程和与时间无关的薛定谔方程之间的区别和相似之处，并找出两者相等的条件。随后，证明了非厄密扰动理论在确定弹性系统响应中的应用。使用量子力学方法计算具有开放边界的非均质固体中的泄漏模式和能量衰减率；以及这些组件的简并构造。后一个结果可能具有技术意义，因为它引入了一种方法，通过在简单的弹性系统中进行设计，将与非厄密简并相关的异常波现象用于实际设备。作为此类应用的示例，研究者演示了如何根据相应的方案设计的具有两个简并剪切状态的弹性平板组件如何通过利用简并点附近的独特拓扑结构以更高的灵敏度用于质量感测，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.13.024074
亚波长波纹柱的超散射
在当今的技术中，包括小型天线，传感器和能量收集设备，增强小物体的波散射是至关重要的问题。这个问题直接与大多数亚波长散射体固有的自然约束有关。此约束称为单通道限制，它是此类散射体的散射横截面的上限，是在一种散射模式（通道）的共振条件下达到的。克服此约束的唯一方法是确保在单个频率下多个模式的共振散射。这种共振重叠会放大给定对象的散射，被称为“超散射”。共振模数越多，超散射截面越大。因此，从理论上讲，超散射为从亚波长物体任意增强波散射开辟了一条途径。然而，实际上，由于缺乏低损耗材料和适当的设计解决方案，这种效果通常并不良好。
近日，来自吉林大学的Vladimir R. Tuz研究小组基于Lorentz-Mie理论，研究了具有张量阻抗表面的圆柱体的波散射。这种圆柱体的一个实际示例是带有螺旋电介质填充波纹的亚波长金属棒。研究的目的是通过调整圆柱状散射体的表面阻抗来最大化散射截面。对于垂直入射的TEz和TMz波，亚波长圆柱体所需的表面阻抗可以分别通过纵向（轴向）波纹和横向（径向）波纹产生。结果表明，这种波纹会在多个频率上引起超散射，可以通过电介质波纹的尺寸或介电常数或两者兼有来产生。在微波波段，这种效应被证明对材料损失具有鲁棒性，并已针对全波模拟和实验结果进行了验证。对于TEz波，假设波纹的相对介电常数低于或等于1，则发现来自圆柱的增强散射具有较宽的频率带宽。在后一种情况下，波纹圆柱体充当全金属超级散射体。对于此类圆柱体，进行了近场测量，并为全金属物体的超散射现象提供了实验证据。除了多频超散射以外，还显示了电介质填充的波纹为入射的TMz波提供了圆柱的多频隐身。在多个频率上同时进行的超散射和隐身使波纹圆柱与其他已知的可行散射体区别开来，可用于天线设计，传感和能量收集中，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.13.024081
基于平面光学的图像识别
近年来，图像处理技术发展迅速，在生物成像、三维重构、汽车自动驾驶等领域具有重要的应用价值。图像处理中的边缘增强技术则在数据压缩、对象检索、显微和通用计算机视觉等方面被广泛使用。边缘增强技术是利用空间微分的方式实现的，空间微分可以通过数字电路或者光学方式实现。尽管数字电路方式能够执行复杂的数据处理，但是会受到计算速度和功耗的限制。光学模拟计算能够直接利用光信号处理信息，具有极低的功耗和较高的速度。但是传统的基于镜头和滤镜系统进行图像微分的方法会使得系统尺寸过大，从而与紧凑的集成系统不兼容。
近日，来自美国范德比尔特大学的研究人员报道了一种可以用于图像微分的平面光学器件，从而大大缩小了所需光学系统的尺寸。研究人员设计了一种硅基纳米颗粒阵列的光学微分器。这种光学器件能够将电场变换为其二阶导数，从而直接完成边缘增强功能。研究人员展示了如何将光学微分器与传统成像系统（例如商用光学显微镜和相机传感器）结合使用，从而进行了数值孔径最大为0.32且实验分辨率小于4μm的所有方向上的空间微分和边缘检测。光学微分器还能够与平面超透镜相互集成，从而构建紧凑的单片图像处理系统。这种复合纳米光子系统具有平面化的优点以及实现复杂传递函数的能力，并且为诸如生物成像和计算机视觉等应用打开了新的大门。（朱学艺）
文章链接：Zhou, Y., Zheng, H., Kravchenko, I.I. et al. Flat optics for image differentiation. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0591-3
基于二维单层半导体的低损耗复合光子平台
二维（2D）材料如石墨烯、过渡金属卤化物（TMD）等可以通过静电掺杂来按需调整其材料性能，因而在光调制、探测和发光等方面具有重要的应用价值。TMDs的光学特性可以通过在其激子共振附近进行静电调谐来进行有效调控，其中折射率和吸收率是同时调制的。对于集成光子学，其光吸收率太高，从而限制了器件功能。一种可行的方案是对远离这些共振波长的波段处进行掺杂，从而实现对TMD光学特性的调制。在这些波段的二维材料是透明的，因此可以在光子电路中加以使用。
近日，来自美国哥伦比亚大学和北卡罗来纳大学的研究团队探讨了氮化硅（SiN）波导上集成单层TMD在近红外（NIR）波长下的电光响应。使用离子液体[P14 +] [FAP-]对TMD进行电门控，可以通过掺杂令二维材料载流子密度达到（7.2 ±0.8）×1013 cm-2。研究人员证明了单层二硫化钨（WS2）在近红外波段具有很强的电折变响应。测得的折射率实部变化很大，Δn= 0.53，而虚部的变化很小，∆k = 0.004。研究人员进一步演示了基于静电门控SiN–WS2相位调制器的光子器件，其效率（VπL）为0.8 V cm。这些高效的相位调制器具有高的调制能力和较低的传播损耗，对于大型光学器件如光检测和测距雷达、相控阵、光学转换器、相干光通信以及量子和光神经网络等应用具有极大应用价值。（朱学艺）
文章链接：Datta, I., Chae, S.H., Bhatt, G.R. et al. Low-loss composite photonic platform based on 2D semiconductor monolayers. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0590-4
具有可控横向轨道角动量的时空光学涡旋
众所周知，光具有沿传播方向的线性动量。但是除此之外，光还具有与圆偏振相关的自旋角动量（SAM）和与方位角相关的轨道角动量（OAM）。这些光学角动量通常是纵向的，但在横向上同样具有实现的可能。在以往的研究中已经成功实现了横向于传播方向的SAM。横向SAM仅在某些特殊情况下发生，例如紧密聚焦光束和强束缚波导的倏逝波等，在自旋轨道角动量耦合、量子光通信和光镊等方面具有独到的作用。相比之下，由于横向OAM的复杂性，对此领域的研究很少。以往的研究结果表明，通过在极高功率脉冲与空气的非线性相互作用中，小部分能量在子午平面中循环以形成具有横向OAM的时空（ST）光学涡旋。但这种横向OAM的产生需要复杂的非线性相互作用，并且其具有零OAM的剩余能量较大，因而不适合实际应用。
近日，来自上海理工大学、美国代顿大学、华中科技大学的研究团队展示了一种具有可控的纯横向OAM的时空（ST）光学涡旋。与横向SAM相比，ST涡流携带的横向OAM的大小可以通过简单的调整扩展到更大的值。由于ST涡流在横向方向上唯一地承载着可控制的OAM，因此它某些特殊应用场景中具有极大的应用价值。此外，该方案可以很容易地适用于其他光谱体系和不同的波动体系，从而为在广泛领域研究和应用ST旋涡奠定了基础。（朱学艺）
文章链接：Chong, A., Wan, C., Chen, J. et al. Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0587-z
自从在光子系统中发现拓扑现象以来，类量子霍尔效应已经在各种光子系统中被探索，包括旋磁光子晶体、螺旋波导、相位和时间调制光学谐振器、光学腔中的偏振子和拓扑激光器。虽然在微波频率下，回旋磁效应（gyromagnetic effects）可以打破时间反演对称性，但同样的效应在光频率下变得极其微弱，使得光学拓扑系统通常只对某些特定类型的无序具有鲁棒性。近年来，自由空间中的非线性量子发射极阵列被证明支持在光频率上受时间反演对称性破坏保护的鲁棒拓扑态。然而，这种方法需要深亚波长原子间距，这对实验实现是一个挑战。将非线性量子发射器与纳米光子系统相结合，使系统参数在大范围内可调是一种可行的途径。
基于此，麻省理工学院物理系的研究人员提出了一个实验可行的纳米光子平台，用于探索拓扑量子光学中的多体物理学。该系统由非线性量子发射器组成的二维晶格，其光学跃迁嵌入光子晶体平板中。发射器通过光子晶体的引导模式进行交互，并且均匀的磁场会产生较大的拓扑带隙，鲁棒的边缘态及具有非零陈数的平坦带。在拓扑量子光学系统中，拓扑非平凡的平坦带的存在为实现分数量子霍尔态和分数拓扑绝缘体铺平了道路。相关成果发表在《Physics Review Letters》上。 （张子栋）
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.083603
将光伏材料直接集成到三维光-物质共振结构中，可以将其功能扩展到传统光电子之外。亚波长尺度的半导体结构本征具有光学共振，这为操纵光-物质相互作用提供了可能。近期，中国科学院化学研究所的研究人员介绍了一种将预先设计好的金电极之间的二维膜改造成三维自立面的结构和功能集成的打印方法。由于三维不对称矩形结构的截面变大，使得正面光电探测器具有灵敏的光-物质相互作用。单片三维立面光电探测器可以测量三维空间中10°角分辨率的入射角。通过模拟不同光照射角度下，入射光与三维亚波长光敏立面的共振相互作用，分析了不同光照角度入射光与三维亚波长光敏立面之间的共振相互作用。三维立面结构增强了光-物质相互作用的操控性，并将亚表面纳米光子学扩展到更广泛的材料领域。单面光电探测器实现动态变化的监测。三或四分支光探测器结合结构和功能灵活的集成打印方法，可将角度检测范围扩展到了全方位，这对三维角度传感器件的发展具有重要意义。相关成果发表在《Advanced Materials》上。（张子栋）
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201907280
两江科技评论编辑部
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