“超材料前沿研究”一周精选 2018年9月10日-9月16日

纤维增强聚合物（Fibre-reinforced polymer）结构是一种坚硬的轻质材料，通常用于飞机、车辆和生物医学植入物中。尽管它们具有非常高的刚度和强度，但是这种轻质材料需要能量和劳动密集型的制造工艺，通常表现出脆性断裂特征，并且难以成形和再循环利用。这与轻质的生物材料（例如骨、丝和木材）形成鲜明对比，这些生物材料通过定向的自组装，形成具有突出机械性能的复杂分层结构（hierarchically structure），并且可在生态环境中循环。最近，来自苏黎世联邦理工学院的André R. Studart教授课题组向我们展示了一种新型的三维（3D）打印方法，生成了具有分层结构、复杂几何形状以及前所未有的刚度和韧性的可回收轻质结构。该结构的特征源于在熔融原料材料的挤出过程中，液晶聚合物分子自组装形成高度取向的区域。通过打印路径对一定区域内分子取向的控制，研究人员能够根据预设的机械应力增强聚合物结构的力学性能，从而使刚度、强度和韧性都超过最先进的3D印刷聚合物1个数量级，能够与最高性能的轻质复合材料相媲美。这里将3D打印的自上而下（top-down）的成形自由度与自下而上（bottom-up）的分子控制相结合，消除了当前制造工艺条件的限制，利用聚合物取向能力开辟了自由设计和实现力学结构的可能性。相关研究发表在近期的《Nature》上。

文章链接：Silvan Gantenbein, Kunal Masania, Wilhelm Woigk, Jens P. W. Sesseg, Theo A. Tervoort& André R. Studart, Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures, Nature 561, pages226–230 (2018).

2、研究进展报告：等离子体的手性和圆偏振二向色性

自然界是具有手性（chirality）的，因此手性是理解物理、化学和生物学众多系统的关键概念。光学领域的研究提供了探测纳米结构手性特征的有力工具，包括圆偏振二向色性（circular dichroism）的测量，以及物质与具有相反螺旋性（helicity）的圆偏振光之间的微分相互作用强度。同时，等离子体纳米结构具有极大的光-相互作用散射截面，为研究和操纵纳米尺度系统开辟了新途径。因此，近年来人们对手性等离子体及其杂化系统的研究兴趣不断增长，它们在生物传感、偏振编码光学通信、偏振选择性化学反应和具有偏振依赖性光物质相互作用中拥有巨大的潜在应用。在实验上，纳米结构的手性特性可以采用无机材料体系成熟的微纳制造技术，或者从自然界借用生物自组装或生物分子模板来实现。来自电子科技大学的王志明教授和美国俄亥俄大学的Alexander O. Govorov教授等人在《Advanced Materials》上发表最新进展报告，总结了近年来等离子体手性领域的研究进展，重点阐述了各种系统中手性研究的理论背景和实验进展，包括分子等离子体自组装、手性等离子体纳米结构、相互作用等离子体纳米粒子的手性组装、手性金属超表面和超材料，同时还展望了该领域的发展前景。

文章链接：X.‐T. Kong, L.V. Besteiro, Z. Wang, A. O. Govorov, Citation for: Plasmonic Chirality and Circular Dichroism in Bioassembled and Nonbiological Systems: Theoretical Background and Recent Progress, Adv. Mater. 2018, 1801790.https://doi.org/10.1002/adma.201801790

3、用于可重构环形圆偏振二向色性的Kirigami超材料

Kirigami是一种古老的折纸工艺，最近成为功能材料设计的潜在应用工具。它将材料从二维的平板结构构造成坚固、轻质且可调的三维（3D）体块结构，为可重构的超材料（Reconfigurable Metamaterials）提供了一种新的研究思路。通过将预定的折叠序列应用于平面，折纸工艺展示了对机械、电子、声学、超导和电磁功能的灵活有效控制。虽然折纸的设计能力非常出色，但只有折叠才能实现复杂的目标形状，这往往会给数学上带来一定的挑战性。最近，来自浙江大学的陈红胜教授、李尔平教授、尹文言教授、郑斌博士以及山东大学的王作佳博士等人，受kirigami概念的启发，提出了一类基于kirigami的超材料，其电磁功能可以通过拉伸预先设计的劈裂环谐振器阵列（split-ring resonator array），实现在非手性和手性状态之间切换。实验证明，在具有可重构性能的单波段、双波段和宽带，圆偏振器的最大圆二向色性（circular dichroism）分别为0.88、0.94和0.92。通过对包括电学、磁学和环形偶极子和四极子在内的多极子模式的详细分析，研究人员解释和计算了潜在的物理机制。该方法可以实现对kirigami图案中的电磁功能的定制，为具有优异机械性能的可重构光学元器件提供了一种崭新的研究思路。相关研究发表在近期的《NPG Asia Materials》上。

文章链接：Liqiao Jing,Zuojia Wang, Bin Zheng, Huaping Wang, Yihao Yang, Lian Shen, Wenyan Yin, ErpingLi & Hongsheng Chen, Kirigami metamaterials for reconfigurable toroidal circular dichroism, NPG Asia Materials (2018).

4、嵌入SPP波导中的纳米金刚石单个锗空位的片上激发

在纳米级等离激元光子学器件中，实现量子发射器（quantum emitters）的单片集成需要能够将光限制在远低于衍射极限的低损耗等离子体元件内。表面等离激元（Surface Plasmon Polariton）波导具有亚波长限制特征，在衍射限制上优于介电体光子波导，有助于实现量子发射器的自发辐射产率的Purcell增强，符合目前的集成化和小型化的发展趋势。最近，来自南丹麦大学的Hamidreza Siampour博士和Sergey I. Bozhevolnyi教授等人通过胶质银晶体（colloidal silver crystal）上的介电脊（dielectric ridge）等离子体模式，展示了纳米金刚石嵌入（nanodiamond-embedded）单量子发射器的片上远程激发（on-chip remote excitation）。纳米金刚石内包含有单个中心，能够提供适用于高度集成光子器件的窄带、明亮且稳定的单光子源（single-photon source）。低损耗的等离子体器件使得532 nm的泵浦激光能够在SPP波导中传播，到达嵌入了单个“锗-空位”中心的纳米金刚石，从而导致了该量子发射器的Purcell增强约6倍，耦合效率约56％，传输长度约33μm，并且其品质因子达到出色的180，开辟了用于实现纳米级功能量子器件的新途径。相关研究发表在近期的《Light: Science& Applications》上。

文章链接：Hamidreza Siampour, Shailesh Kumar, Valery A. Davydov, Liudmila F. Kulikova, Viatcheslav N. Agafonov & Sergey I. Bozhevolnyi, On-chip excitation of single germanium vacancies in nanodiamonds embedded in plasmonic waveguides, Light: Science& Applications 7, Article number: 61 (2018).

5、基于无监督深度学习的超表面结构逆设计

近一个世纪以来，纳米级结构中的光-物质强相互作用有助于将光限制在亚波长范围内，为光学设计的打开了一条新思路。超表面结构（Metasurface）是这类新型纳米光子器件的重要一员，这些材料的实现导致了完美吸收、超分辨率成像、光束控制和非线性光学等诸多应用。制备这些纳米结构材料需要非常复杂的工艺流程，因此必须通过合适的理论模型，对超曲面的预期光谱特性和功能进行准确的预测。通常，人们往往采用先进的迭代计算方法（iterative calculations），结合有限元建模（FEM）或时域有限差分（FDTD）来实现超表面材料的光学性质预测和超表面结构的逆设计，但是这种传统的设计过程就会受到人为引导误差的固有影响。最近，来自美国佐治亚理工学院的蔡文杉教授课题组借助人工智能（Artificial Intelligence）的设计思想，提出了一种普适的深度学习（Deep Learning）网络模型，它可以有效地搜索和优化超表面的结构单元，以实现用户所需求的光学光谱。该模型是一种有效的光子学逆向设计技术（reverse design technology），有助于减少传统的超表面设计中的计算量和人力资源，避免了复杂专业的迭代模拟和参数化扫描研究，可为缺乏光学知识基础的用户服务。推广流程。这里开发的模型主要基于无监督学习（unsupervised learning）方法，能够不依赖于人类的经验进行结构设计；此外，由于该模型可以处理多个输入光谱而不会降低效率，因此可降低需要多个超表面或梯度结构分布等复杂问题的工作量。通过采用某些改进措施，例如使用更复杂的网络配置和引入更具有实际物理意义的损失函数，可以进一步优化模型的性能。相关研究发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Zhaocheng Liu,Dayu Zhu, Sean P. Rodrigues, Kyu-Tae Lee, and Wenshan Cai, Generative Model forthe Inverse Design of Metasurfaces, Nano Letters Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03171.

6、Scrambling超表面中随机点的全空间云

随着计算机科学的快速发展，包括人工智能、大数据和云计算等，全空间点的生成技术（full-space spot generation）可以成为许多实际应用的关键，例如面部识别、运动检测、增强现实（Augmented Reality）等。这些技术应用可以通过以下方式实现：使用衍射光学元件（Diffractive Optical Elements, DOE）或者光检测与测距（Light Detection And Ranging, LIDAR）。然而，DOE受到许多固有的限制，例如要求深度控制的制造技术、大厚度（大于波长）、仅在半空间内的朗伯运算（Lambertian operation）等；LIDAR仍然依赖于复杂和庞大的扫描系统，这阻碍了点生成器的小型化。最近，来自武汉大学的郑国兴教授课题组、武汉邮电科学研究院的余少华院士、新加坡国立大学的仇成伟教授、纽约城市大学的Andrea Alù教授以及韩国浦项科技大学的Junsuk Rho教授等人，受朗伯散射体（Lambertian scatterer）的启发，报道了一个厄密共轭（Hermitian-conjugate）的超表面结构，它可以将入射光以压缩的信息密度加载到全空间中的随机点云（cloud of random points）中，在透射和反射空间都能够起作用。实验观察到在全空间中有超过4044个随机点，覆盖了近90°的角度。这里的scrambling超表面由非晶硅制成，具有均匀的亚波长高度、几乎连续的相位覆盖、轻巧灵活的设计和低散热，因此可以兼容现有的半导体制造工艺，设计并集成到现有半导体电子器件中，为新兴的3D识别传感器开辟了重要的研发方向，如运动传感、面部识别和其他应用。相关研究发表在近期的《Light: Science& Applications》上。

文章链接：Zile Li, QiDai, Muhammad Q. Mehmood, Guangwei Hu, Boris Luk’ yanchuk, Jin Tao, ChenglongHao, Inki Kim, Heonyeong Jeong, Guoxing Zheng, Shaohua Yu, Andrea Alù, Junsuk Rho & Cheng-Wei Qiu, Full-space Cloud of Random Points with a Scrambling Metasurface, Light: Science & Applications 7, Article number: 63 (2018).

7、用于波导量子电动力学的超导超材料

在光子带隙结构中嵌入可调谐量子发射器（quantum emitter），能够控制发射器与其光子浴（photonic bath）之间的耗散和色散相互作用；而在光子带隙之外的通带中的操作，允许我们在慢光状态下研究波导量子电动力学（Waveguide Quantum Electrodynamics）。另外，将发射极调节到光子带隙中，通过束缚光子态（bound photonic states）将导致有限范围的“发射极-发射极”相互作用。最近，来自美国加州理工学院的Oskar Painter教授领衔的科研团队将一个Transmon qubit耦合到具有深亚波长晶格常数（λ/ 60）的超导超材料（superconducting metamaterial）中去。超材料是通过周期性地加载微波谐振器传输线形成，该微波谐振器具有紧凑、低损耗、低失调的集总元件构成。利用群指数（group index）为n_g = 450来调整带边附近的量子比特频率，研究人员观察到了伴随着量子比特寿命增强24倍的-28 MHz异常Lamb偏移。此外，实验还证明了对不同transmon跃迁自发辐射（spontaneous emission）的选择性增强和抑制作用，这有助于短寿命辐射衰减和长寿命亚稳态量子比特状态的同时访问。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Mohammad Mirhosseini, Eunjong Kim, Vinicius S. Ferreira, Mahmoud Kalaee, Alp Sipahigil,Andrew J. Keller & Oskar Painter, Superconducting metamaterials forwaveguide quantum electrodynamics, Nature Communications 9, Article number:3706 (2018).