超材料前沿研究”一周精选 2019年7月22日-7月28日

在光学区域中，表面等离子体激元（SPP）由金属-空气/电介质界面上的光子和电子之间的相互作用引起，因为金属表现为具有负介电常数的电介质。当频率缩小到远红外，太赫兹和微波频带时，自然SPP不存在，因为金属在这些频带中表现为完美的电导体（PEC）。

为了模拟非常场限制和天然SPP增强的特性，通过在金属表面上装饰一系列周期性人工结构来设计人工表面等离激元（SSPP），SSPPs不是由电子振荡激发的真正自然SPP，但已经证明SSPP的特征与自然SPP非常相似，其电磁场呈指数衰减并沿垂直方向和平行于界面有效传播。

人工表面等离激元（SSPP）可以通过具有周期性调制的表面阻抗的人工表面等离（SSP）波导转换为泄漏波辐射，其也被称为SSPP漏波天线（LWA）。然而，由于垂直切槽结构的限制，大多数报道的SSPP LWAs只能辐射平行于SSP波导的线性极化的电磁（em）波，并且LWA辐射的极化难以任意设计。

来自东南大学的崔铁军团队提出了一种有效的方法基于替代SSPP LWA实现具有任意可定制极化的漏波辐射，该SSPP LWA由具有双侧45°倾斜凹槽的周期性调制SSP波导产生，以产生两个正交极化的电磁波，SSPP LWA两侧的凹槽可以设计成具有适当的位移，以提供两个正交极化辐射波之间所需的相位差，以便定制的漏波辐射的极化，提供仿真和实验结果以验证基于提出的SSPP LWA定制辐射波的任意极化的可行性，相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014036

光波相位和振幅的空间调制技术的出现深刻地改变了光子学，目前，从成像和信息技术到生物医学光学等领域都已经取得了重大进展。在不同相位调制中，空间光调制器(SLMs)已迅速成为动态控制波前空间相位的黄金标准方法。目前，百万像素液晶SLMs (LC-SLMs)是高分辨率多功能光成形的首选工具。然而，LC-SLMs天生对偏振敏感，只允许在几个弧度上进行离散的、依赖波长的相位操作，这限制了它们的适用范围，特别是在成像方面。由于其亚100μs的响应时间，可变形的微镜在天文学、眼科和显微镜领域都做出了巨大的贡献。尽管在这些领域中，消色差透镜可以有效纠正低阶像差，但另一方面制造的繁琐和价格的高昂等在一定程度上限制了应用的发展，比如内镜成像。

近日，西班牙巴塞罗那科学和技术研究所Pascal Berto等人提出了一种利用平面热光学模块确定相前形状的方法，并设计了微加热器对折射率分布情况进行局部形状确定。再结合遗传算法进行优化，该智能透镜可以产生自由形状的光波前修正。无论是单个器件还是集成阵列它都可以基于泽尼克多项生成单一的或者组合形式的复杂函数，包括具有电可调大小的透镜或像差校正器。同时，该智能透镜具有相当低的功耗(低于100 mw)，这对于与集成设备的兼容性至关重要。另一个优点是它的成本效益，因为它只需要几个简单的制造步骤就可以兼容标准微电子协议。关于器件寿命问题，作者说道，虽然该实验没有对此做专门的研究，但只要施加的电压低于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的上限温度，经过几十小时的运行，依然呈现出较高的相位稳定性。这个简单和紧凑的设计概念对现有的提供低色差，偏振不敏感和传输模式组件的光学工具箱提供了很好的补充，并且可以很容易地集成到现有的光学系统中去。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。

文章链接：

Pascal Berto , Laurent Philippet  et al. Tunable and free-form planar optics. Nature Photonics(2019).

doi.org/10.1038/s41566-019-0486-3.

量子计算机的电路模型由量子比特(量子位)之间的逻辑门运算序列组成，而这些门运算序列来自于一个离散操作。执行并行纠缠量子门的能力为许多量子电路以及整个算法(如Shor因式分解算法和量子模拟)提供了效率增益。在全加法器和多控制Toffoli门等电路中，并行性可以通过分治技术大大缩短整体计算时间。更重要的是，量子门并行性对于受闲置错误困扰的量子位的容错纠错是必不可少的。然而，并行量子门的实现由于潜在的串扰而变得复杂，特别是在完全由共模总线连接的量子比特之间，例如库仑耦合捕获的原子离子问题或者腔体耦合的超导问题。

近日，美国马里兰大学联合量子研究所C. Figgatt等人给出了一组完全连通的¹⁷¹Yb⁺离子阱量子比特阵列中平行双量子比特纠缠门的实验结果。实验中，研究人员在五个¹⁷¹Yb⁺离子链上进行并行门运算，利用共振激光辐射对量子比特进行激光冷却、初始化和测量。相干量子门运算是通过利用单锁模激光器的反向传播拉曼光束来实现的，它在量子比特差频附近形成拍频。并使用振幅调制脉冲整形方案，从而能够在任何为离子对上实现高保真纠缠门。同时在一个深度为4的量子电路的量子计算机上执行一个比特位的全加法操作，其中电路深度表示所需运行时步骤的数量。该方法探索了利用了经典控制技术连接量子比特系统的能力，将有助于加快量子电路的速度，并在离子阱量子计算机中实现纠错和容错计算。相关研究工作发表在《Nature》上。

文章链接：

C. Figgatt et al. Parallel entangling operations on a universal ion-trap quantum computer.Nature(2019).

doi.org/10.1038/s41586-019-1427-5.

声学拓扑绝缘体允许声波沿边界单向传播，同时防止它们穿透到体内。在过去几年中，已经提出了几种机制来研究电子拓扑绝缘体的声学类似物。例如，通过模拟量子霍尔效应，将旋转流体引入空气腔来打破时间反转对称性，其中对声波示出了手征拓扑边界状态。通过模拟量子自旋霍尔效应，在具有C_3V对称性的声子晶体（PC）中提出了赝自旋，然后成功地观察到声学赝自旋相关的边界状态。此外，通过沿时间轴或伪时间轴引入单位单元中的演化周期来演示声学Floquet拓扑绝缘体。另一大类声学拓扑绝缘体是电子谷霍尔拓扑绝缘体（VHTI）的类比，它引入了声波或弹性波谷状态的概念，通过控制六边形网格或方形网格中相同散射体的方向角，在镜像对称性被破坏时，声波谷霍尔相变出现。

拓扑绝缘体是一个研究热点，因为它们具有独特的背散射抑制特性和对复杂边界上传播的边缘状态的缺陷不敏感。近来，类比电子系统中的谷状态，人们引出了对声谷霍尔拓扑绝缘体研究。声学谷边界状态通常存在于两个声子晶体之间的畴壁上，这两个声子晶体具有不同的非平庸的陈数，这是通过旋转相同的原始晶胞来实现的。当前的工作中使用相同原始单位单元的限制不能显示非周期性的谷拓扑绝缘体的实现。来自华中科技大学的Yu-Gui Peng和Xuelin Wang团队构造由两个或更多个不同形状的初始元胞组成的各种配置。通过在相邻域中对C_3V对称散射体的高强度选择，数值和实验证明了谷边界状态。还通过测量透射光谱实验证明了谷选择性交叉波导分束器。在这项工作中对C_3V对称散射体的强大选择可以为设计替代方案提供更多可能性，相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014046

光机晶体为研究声子与光子相互作用提供了一个强有力的平台。共局域化的光学和机械模式允许光对机械运动的控制与读写，从而导致各种各样的量子光机械器件。硅（Si）基光机晶体已经显示有很强的耦合效率，然而，硅缺乏压电特性。薄膜Si只能通过电容或电致伸缩力来驱动其机械谐振，但至今缺乏Si基在高频波长尺度的光机系统。

近期，基于压电材料光机晶体与微波光子或超导量子比特耦合的系统已经吸引科研人员的关注。迄今为止，还没有一个平台同时显示有高的光学和机械品质因子(Q)、大的光机耦合效率和高的压电效应。本文中，来自Stanford University的Amir H. Safavi-naeini课题组的研究人员，在这方面取得了重大进展。文中显示，薄膜铌酸锂光子晶体同时支持高Q值光学和机械模式，并且机械模式能够很好地通过压电效应和微波有效的耦合。该“压光机”系统的耦合效率达到g₀∕2π ≈ 120 kHz，量子耦合效率为η≈10^-8。纳米谐振器上的电极通过压电效应驱动一维光机晶体上的机械波，然后通过光学系统读出，直接观察到声子带隙。该系统能够将一种信号在光波，声波和无线电波之间转换，相信基于此设计的系统可以在下一代计算机中移动和存储信息。该研究工作发表在《Optica》杂志上。

文章链接：

Wentao Jiang, Rishi N. Patel, Felix M. Mayor, Timothy P. McKenna, Patricio Arrangoiz-Arriola, Christopher J. Sarabalis, Jeremy D. Witmer, Raphaël Van Laer, and Amir H. Safavi-Naeini. Lithium niobate piezo-optomechanical crystals. Optica Vol. 6, Issue 7, pp. 845-853 (2019).

机械振荡物体的量子本质一点也不明显。描述机械振荡器的经典运动的相干态不具有明确定义的能级，而是具有等间隔能量本征态的量子叠加态。要想揭示这种量子化的结构需要一种测量能量的仪器其测量精度达到能够检测单个声子的能量。实现这种灵敏度的一种方法是设计在振荡器和原子之间强相互作用但非共振的系统。在具有足够量子相干性的系统中，这种相互作用允许人们使用原子跃迁频率中的可分辨差异来区分不同的能量本征态。对于光子，这种色散测量已经在腔或电路量子电动力学中被验证。

近期，来自Stanford University的Amir H. Safavi-naeini课题组的研究人员，报道了一个实验，他们用人造原子去检测已驱动的纳米机械振荡器的运动能量，该系统具有足够的灵敏度，来解析机械振荡能量的量子化。为了实现这一点，文中构建了一个混合平台，将纳米机械压电谐振器和微波超导量比特集成在同一个芯片上，即量子声学系统。接着用共振脉冲激发声子，并探测超导量子比特的激发光谱，以观察声子数相关的频移，该频移大约是量子比特线宽的五倍。该结果展示了一个完全集成的量子声学平台，它结合了强耦合、可观的相干时间和对机械模式结构的杰出控制。通过适度的实验改进，预计该方法将能够实现声子的量子化无损测量，并将可以开发新型芯片级纳米机械设备的量子传感器和信息处理系统。该研究工作发表在《Nature》杂志上。

文章链接：

Patricio Arrangoiz-Arriola, E. Alex Wollack, Zhaoyou Wang, Marek Pechal, Wentao Jiang, Timothy P. McKenna, Jeremy D. Witmer, Raphaël Van Laer & Amir H. Safavi-Naeini. Resolving the energy levels of a nanomechanical oscillator. Nature volume 571, pages537–540 (2019).

光学微腔是一种通过共振再循环的方式限制光的器件，在过去几十年中，无论是在基础研究还是在实际应用中都具有重要的地位。在各种光学微腔中，由典型的电介质球形结构衍生的回音壁模式（WGM）微腔在激光器、滤波器、传感器、光学二极管和光频梳等领域引起了人们的广泛兴趣，因为它们具有高品质因子，小的模式体积，易于集成。

在WGM微腔中，波通过连续全反射沿微腔表面传播和累积。已经提出并证明了具有不同几何特征的微腔。微球通常引起相当大的关注，由于其优异的表面光滑度，可以支持超高品质因子。微环，微盘和微型腔提供了与器件片上集成的平台，同时支持高-Q因子。到目前为止，WGM微腔的几何创新已经在基础研究和实际应用中取得了显着的发展。

此外，选择用于构建微腔的材料不限于二氧化硅或硅，因为各种材料已经显示出广泛优异的性质和相应的应用潜力，例如ZnO，LiNbO₃，金刚石，聚合物和高折射率氧化物。与此同时，二维（2D）材料的近期和深入发展引发了对光与许多2D材料之间强相互作用的特殊光子性能的新关注。最重要的是，2D材料可以集成到功能性光子器件和系统中，从而实现具有高性能的独特器件和应用。因此，二维材料耦合的WGM微腔激发了深入的研究和基础物理学和未来前景的巨大进步。

近日，来自复旦大学的科研人员发表了综述文章，讨论了2D材料耦合WGM微腔的发展，以及在微盘，微球和微流体等各种微腔中的应用。从石墨烯集成微腔开始，综述将主要关注等离子体混合模式，并探索其在灵敏度和可调性方面的优越性能。对于过渡金属二硫化物（TMDCs），由于它们在高光学增益方面的独特特征，引起了越来越多的关注。该综述将讨论WS₂，WSe₂和MoS₂中2D材料的发展，并关注其中激子激射和自发发射增强的现象。此外，还将讨论其他类型的新兴2D材料和耦合方案的可行性和未来前景，例如黑磷和六方氮化硼。此外，提出了基于卷起技术的2D材料的集成，这将赋予这种异质材料微腔具有新颖的耦合方案和片上器件集成中的可能性。

文章链接：

Lu Wang, Xuefei Zhou, Shuo Yang, Gaoshan Huang, and Yongfeng Mei, "2D-material-integrated whispering-gallery-mode microcavity," Photon. Res. 7, 905-916 (2019)

自Bennett和Brassard提出BB84协议以来，各种协议和方法已经极大提高了量子通信效率并增加了量子密钥分发（QKD）的安全距离。到目前为止，通过光纤的量子通信距离达到了几百公里，这使得城际安全通信得到了长足发展。对于没有建立光纤链路的情况，自由空间空气已被用作新的量子信道。从实验室的第一次32厘米演示到今天的量子卫星，通过自由空间空气实现的距离已增加到1200千米。

同时，覆盖地球70％以上的水环境中的自由空间量子通信因其在构建全球量子通信网络中不可或缺的作用而备受关注。在最近的海水实验中，偏振编码量子态的传输和量子纠缠已经在一个充满海水的3.3米长的管道中得到证明。获得的高保真度表明，具有光子偏振的水下量子通信是可行且有前途的。然而，目前尚不清楚如果单光子测试达到更长的距离和更大的容差会发生什么。不同单光子散射模型中理论上可实现的安全通信距离彼此不一致。例如，通信卫星发射的无线电波频带范围为300 MHz至300 GHz，只能穿透海水不超过几米。因此，实验证明超过几米的单光子状态的水下传输是非常重要的，这可以为位于公海中的潜水器提供空对海安全通信的解决方案。

近日，来自上海交通大学和中科大的联合研究团队通过55米长的水实验检验了蓝绿色光子偏振态的传输。研究人员在单光子水平上准备了六个通用量子态，并观察它们在大型海洋测试平台中的传输性能。他们通过量子过程层析成像获得信道的完整信息。在这项工作中展示的距离达到了实际应用的可能，为进一步发展空对海量子通信打开了新的大门。

文章链接：

Cheng-Qiu Hu, Zeng-Quan Yan, Jun Gao, Zhi-Qiang Jiao, Zhan-Ming Li, Wei-Guan Shen, Yuan Chen, Ruo-Jing Ren, Lu-Feng Qiao, Ai-Lin Yang, Hao Tang, and Xian-Min Jin, "Transmission of photonic polarization states through 55-m water: towards air-to-sea quantum communication," Photon. Res. 7, A40-A44 (2019)

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1.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月1日-7月7日

2.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月8日-7月14日

3.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月15日-7月21日

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