超材料前沿研究一周精选 2019年8月26日-8月31日

近年来，控制光在复杂介质中的传播和相互作用引起了人们的极大兴趣，然而，空间光调制设备的调制速度有限，这很大程度上妨碍了实时应用，如在活体组织中的成像。波前整形(WFS)领域的最新发展证实了人们可以通过复杂媒介进行控制和光学聚焦。相干光在这种介质中产生随机散射的光场，这些光场被看作是随机的三维(3D)干涉图样，称为散斑。可以通过控制入射波前来控制散斑场，从而在需要的位置产生增强的强度散斑。通过散射介质聚焦光的方法需要一个自适应反馈过程或相位共轭来近似随机介质中的光模式。最近的方法包括波前优化和测量传输矩阵的直接反演，但是，随机散射介质的动态变化导致散斑场的变化，阻碍了这些过程。当使用波前整行通过散射介质聚焦时，散斑去相关会随着时间的推移降低聚焦强度。动态生物组织对WFS聚焦极具挑战性，像血液流动等快速的物理变化可将相关时间缩短到毫秒范围。通常情况下，WFS由高分辨率液晶(LC)空间光调制器(SLMs)和反射镜子来实现，尽管聚焦速度有所提高，但受SLM的更新速度和使用二进制相位波前的限制，仍然会导致较低的增益。 

探索和控制决定液体电介质薄膜液滴（TLD）形貌的物理因素是物理学、应用数学和工程等多个领域的研究热点，也是许多技术进步的一个关键方面。液体介质薄膜形貌的可视化和局部厚度测量是描述和解释一些本质过程的基本工具。然而，通过标准光学方法获得亚纳米厚度变化的高灵敏度是一个很大挑战。白光干涉法是一个确定TLD厚度的常用方法，该方法对于厚度变化较小的形变灵敏度很低,由于薄膜表面反射较低，特别是当薄膜厚度小于光学波长时表现的更为明显。

近日，加州大学电子与计算机工程系Shimon Rubin等人提出了一种结合成像和光学图形投影平台，该平台能够在非常薄的液体介质薄膜中光学诱导其动态流动，并通过等离子体技术解决由此产生的形貌和厚度变化问题。特别地，研究人员利用流体中的热毛细效应作为一种新的基于热的方法来调整等离子体共振，并在液体介质薄膜中对动力学过程进行可视化处理。研究结果表明，在亚波长厚度的液体介质薄膜中，光致热毛细管流动可以根据需要形成和转换液滴，并产生压痕图案，等离子体显微镜可以沿垂直方向以亚纳米级的灵敏度对这些流体动力学过程成像。相关研究工作近日发表在《Light: Science & Applications》上。

外尔半金属因为其特异的性质而备受关注。在外尔半金属中，外尔点指的是在3D倒易空间中在所有方向上具有线性色散的两条能带的简并点。外尔点对于小扰动具有鲁棒性，并且难以打开带隙，除非是和另一个具有相反拓扑电荷的外尔点消灭相互湮灭。对于电子系统，先前的研究已经显示出许多与外尔点相关的不寻常现象，例如：具有鲁棒性的表面态和手性异常。最近，外尔物理学被证明在经典系统，例如光子晶体和声子晶体中也有很多新奇效应。

来自华盛顿大学的Jinkyu Yang教授及其研究团队，设计了一种完全由梁制成的3D弹性网格，这种结构具有沿其长度方向的平移和旋转自由度。 研究人员使用有限元分析（FEA）获得了原胞的色散关系，并展示了其存在的拓扑表面态，和它们在倒易空间中的方向性与弹性费米弧的关系。研究人员还对具有表面缺陷的结构进行了瞬态模拟，以数值方式证明了非平庸表面波的鲁棒传播。该研究为将来基于外尔物理的工程应用结构（如振动控制和能量收集）的研究铺平了道路。

文章于8月28日发表在《Physical Review Applied》上。

电磁波的角动量可分为两类；即自旋角动量和轨道角动量（OAM）。自旋角动量仅与光子的自旋相关，其特征是圆形极化状态。轨道角动量取决于场空间分布，与光束涡流和相位奇点相关，后者向电磁波传递了螺旋横相分布。因此，承载OAM模式的电磁波称为涡流电磁波，该波在波前呈现由相位的量化。具有不同拓扑模式的OAM涡流波相互正交，这一重要特性激发了大量研究人员探索其在整个电磁频谱中有趣的物理特性。微波系统中的OAM涡旋波可以在数据传输、雷达成像、目标探测和传感领域找到潜在的应用

从轨道角动量（OAM）模式（本质上是正交）中表现出漩涡特性的电磁波，在广泛的应用中具有很高的潜力价值。但是，射频频段中的经典 OAM 波发生器通常受到操作带宽狭窄、反馈结构复杂或损耗高的限制。来自Xidian University的Jianjia Yi研究小组提出了一种利用微波频率空间变换概念的OAM波生成方法，设计并模拟了反射式涡束发生器。然后，对 +1 拓扑电荷进行全电校样，并报告设备的完整特性。全波模拟和实验测量都成功地验证了涡旋波的螺旋形相前。此外，器件的全电实现可在宽频率带宽下运行。该方法提供了一种利用OAM模式生成涡旋波的有效方法，并说明了利用空间变换在微波频率下实现另一类光学器件的实用性。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

高效吸收器在广泛的技术领域非常重要，从电磁中的能量收集、雷达检测到声学的隔音和机械系统中的振动隔离。这些系统的共同点是，当材料损耗被冲击波的阻抗平衡时，可以实现有效的吸收。换句话说，适量的物质损失会将系统一个复杂的散射点推到实际频率轴，因此，此频率的撞击能量全部损失在热或其他化学过程中。因此，系统不保守，其散射矩阵不是统一的（对于多端口线性网络，散射和向端口的传输由散射矩阵控制，该矩阵将入射场映射到传出场）。考虑同时激发提供了额外的自由度，以控制系统的散射零的位置，并将其之一移动到实际频率轴上。通过多个入射波对吸收器的干扰，实现相干的完美吸收（CPA），从而通过正确选择吸收器的相对强度和相位，实时可控吸收输入光束的机制。因此，相干的完美吸收对输入波形的依赖为灵活控制光散射和吸收提供了机会。

吸收器通过将其能量消散成热来抑制入射波的反射和散射。当物质吸收归零时，撞击物体的能量必然被传输或散去。冲击信号的特定时间调制形式可以抑制瞬态中的波散射和传输，模拟完美吸收器的响应，而不依赖于物质损失。这种虚拟吸收可以在无损材料中存储高效率的能量，然后按需释放。

来自The University of Texas at Austin的A. Alù研究小组将这个概念扩展到弹性动力学，并实验表明，纵向运动可以使用无损弹性空腔完全吸收。然后，通过控制冲击信号的相对相位，对称或不对称地释放这种能量。该工作为弹性动力学波控制和能量储存开辟了以前未探索的途径，这些路径可以转化为其他具有技术相关性的声像和光子系统。相关研究发表在杂志《Science Advances》上。

光偏振态的操纵和表征对于量子通信和计算、光谱学、偏振成像和传感中的许多应用是必不可少的。传统的圆偏振光检测需要多个庞大的光学元件，例如偏振片、机械旋转部件等，这对于器件的小型化和集成高速运算是一个极大的限制。手性超材料和超表面有利于在高集成度的光学系统中实现圆偏振光的产生、操控和检测。然而以往的超表面圆偏振器件主要基于手性等离子体超表面、衍射等离子体表面、石墨烯集成的各向异性表面等原理，面临着效率低、兼容性差等问题。

 近日，来自美国亚利桑那州立大学的研究团队报告了具有强手性光学效应和低插入损耗的生物激发手性表面。研究人员通过实验证明了亚微米厚的圆偏振光滤光片，其峰值消光比高达35，在近红外波长下最大传输效率接近80％（最佳工作波长可在1.3-1.6μm范围内设计）。研究人员还将微米级圆偏振滤波器与线性偏振滤波器单片集成，以执行具有任意偏振态的光的全斯托克斯偏振测量。凭借易于片上集成、超紧凑的封装、可扩展性和宽波长覆盖等优势，该研究成果为量子光学计算和信息处理、圆二色光谱、生物医学的片上集成旋光仪和极化成像系统带来了巨大希望。

未来的高性能计算机需要高动态数据速率，例如交换机集线器之间需要每秒几TB的通信带宽，节点和集线器之间需要每秒数百GB的带宽，从而可能克服快速增长的数据交换量带来的巨大挑战。硅基集成光子互连被认为是低成本、高能效和高速数据通信的最佳解决方案之一，这是由于其在大批量生产和高密度集成方面具有的巨大优势。过去的研究已经证明大带宽数据链路能够利用信号多路复用技术在硅基上成功实现。在这样的硅基集成系统中，片上兼容、鲁棒、低功耗的激光源是关键部件，也是硅平台的基本限制之一。

近日，来自美国加州Hewlett Packard Labs的研究团队首次报道了采用量子点（QD）增益材料的混合硅微环激光器，并成功展示了其高能效和无隔离器等特性。混合硅QD激光器具有直径为50μm的微环腔，结合InAs / GaAs QD增益材料，其在1.3μm发射波长下工作。在室温连续波（CW）操作下，阈值电流低至0.7 mA，激光器在高达70°C的阶段温度下也能够稳定工作。这种混合量子点激光器具有非归零（NRZ）通讯的特点，其能量效率为1.2 pJ/bit。该成果调制速率高达15 Gb/s，是已知激光器中最高的。QD材料的混合集成进一步扩展了硅光子器件库。它提供了能源和成本效益的新的解决方案，不仅适用于未来数据中心和超级计算机中的高速互连光源，在光交换和存储器中也具有潜在的应用价值。

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