“超材料前沿研究”一周精选 [2018.5.28-6.3]- 大数跨境

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“超材料前沿研究”一周精选 [2018.5.28-6.3]

两江科技评论

2018-06-03

导读：本期内容涵盖力学超材料、线超材料、声表面波器件、等离基元超材料、光子晶体等，可应用于拓扑学、量子力学、生物成像、纳米光子学以及新型超材料设计与制备。

今天，我们继续为大家精选上一周的“超材料”最新前沿研究，内容涵盖力学超材料、线超材料、声表面波器件、等离基元、光子晶体等，可应用于拓扑学、量子力学、生物成像、纳米光子学以及新型超材料设计与制备。希望相关研究工作能够给大家带来一些启发。

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索引

1、折纸超材料的拓扑运动学

2、在任意k点具有折射率椭球面的新型超材料

3、腔量子声学器件在多模强耦合系统中的研究

4、二维声子腔中的量子效应研究

5、基于光子谐振耦合输出显微镜的局部粘连动力学定量分析

6、复杂等离子体场的宽带与动态构建

7、准圆形阵列天线（QCA）产生的准轨道角动量（Q-OAM）

8、利用纳米粒子实现人工神经网络的光学模拟与逆设计

9、Shiba glass中的无定形拓扑超导态

1、折纸超材料的拓扑运动学

“拓扑”（topology）这一概念的引入极大地推动了凝聚态物理学的飞速发展，诞生了诸如拓扑绝缘体（topological insulator）、外尔半金属（Weyl semimetal）等新一代“无能耗”电子材料。实际上，拓扑的概念广泛适用于各种非电子材料，并且可用于理解各种看似无关的现象。最近，受“折纸”（origami）这一儿时游戏的启发，来自康奈尔大学的Itai Cohen课题组、加州大学美熹德分校的Bin Liu、哈佛大学的JesseL. Silverberg等科研机构的研究人员将拓扑学原理应用于折纸力学超材料（origami-inspired mechanical metamaterials）中，并演示如何通过剪裁折痕配置空间（crease configuration-space）的拓扑来指导其运动学机理。具体来说，他们通过简单地改变折痕的角度，来修改配置空间拓扑结构，并驱动折纸结构从平稳和不断变形的状态转变为力学双稳态和刚性状态（bistable andrigid）。此外，他们还研究了如何使用拓扑脱节配置空间（disjointed configuration space）来限制单个折叠片的局部可控变形。尽管，对折纸结构的分析通常依赖于其本构关系，但他们所提出的拓扑学抽象概念可用于深入分析、理解和设计更具普适意义的超材料。该研究工作发表在最近的《Nature Physics》中。

文章链接：Bin Liu,Jesse L. Silverberg, Arthur A. Evans, Christian D. Santangelo, Robert J. Lang,Thomas C. Hull & Itai Cohen, Topological kinematics of origami metamaterials, Nature Physics (2018).DOI

https://doi.org/10.1038/s41567-018-0150-8

2、在任意k点具有折射率椭球面的新型超材料

在介质中，电磁波的传播行为是由等频面（equifrequency surface）控制的。到目前为止，包括介质在内的普通材料和超材料的等频面（椭球体或双曲面体）总是以零k点为中心。然而，来自香港科技大学的C.T. Chan教授课题组、英国伦敦帝国理工学院的John B. Pendry教授以及苏州大学的Bo Hou教授提出了一种新型超材料——Wire Metamaterial，它拥有以任意非零k点为中心的多个折射率椭球（index ellipsoid）。它们在动量空间中的位置取决于一套相互贯穿金属支架（interpenetrating metallic scaffold）的连通性，而模式的群速度由结构几何细节决定。这种新型超材料的性质源自于全局的可连接性（global connectivity），因此可以在诸如负折射（negative refraction）、取向依赖的耦合效应以及无壁腔体（cavity without walls）等应用中具有宽带性质，并且它们与带宽受限的普通共振超材料具有本质上的差异。研究人员还进行了微波实验，来验证该超材料体系的宽谱负群速度、取向依赖的耦合效应。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Wen-Jie Chen,Bo Hou, Zhao-Qing Zhang, John B. Pendry & C. T. Chan, Metamaterials with index ellipsoids at arbitrary k-points, Nature Communications 9, Article number: 2086 (2018).

3、腔量子声学器件在多模强耦合系统中的研究

量子比特（qubit）不但是实现量子计算的基础，也是研究量子力学本质问题的有力工具。近年来，在腔量子电动力学系统基础上发展起来的电路量子电动力学系统（circuit quantum electrodynamics system）是一种全新的量子比特，由于在退相干时间等参数上远远超出之前的超导量子比特，因此受到了极大的关注。来自科罗拉多大学Boulder分校的研究人员展示了一种电路量子电动力学系统的声学类比体系，该系统利用声学性质在色散区间中实现了多模强耦合（strong multimode coupling），同时抑制自发辐射至非限制模式（unconfined mode）。具体而言，该声学体系包含一个与磁通可调transmon相耦合的300μm长的声表面波谐振器（surface acoustic wave resonator）。对于某些特定的模式，量子比特腔（qubit-cavity）耦合达到6.5 MHz，超过了腔损耗率（200 kHz）、qubit线宽（1.1 MHz）和腔自由光谱范围（4.8 MHz），表明器件处于强耦合状态和强多模态区域。正如对声子自发辐射的预期，随着量子比特从腔受限模式中解谐，可以观察到量子比特线宽强烈地依赖于声子的频率；并且基于研究结果，获得了抑制这种发射速率的工作频率。该工作发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Bradley A.Moores, Lucas R. Sletten, Jeremie J. Viennot, and K. W. Lehnert, Cavity QuantumAcoustic Device in the Multimode Strong Coupling Regime, Phys. Rev. Lett. 120,227701 – Published 30 May 2018.

4、二维声子腔中的量子效应研究

随着体系特征尺寸的减小，相关物理机制的描述将从经典物理变为量子物理。近年来，纳米技术的进步使得我们能够在更小的尺度上对电子、光子、声子的量子行为开展研究。最近，来自莫斯科物理技术学院、MISiS、莫斯科国立师范大学、伦敦大学皇家霍洛威学院等机构组成的研究团队在声表面波谐振器（surface acoustic wave resonator）中，通过与人造超导原子的相互作用而产生的真空拉比模式分裂（Rabi mode splitting）来实现quantum regime。由于声表面波器件由大量较窄的金属条带（metal strip）组成，因此在物理上和实验技术上都具有具有一定的挑战性。在低于20mK的极低温度下，研究人员观测到了透射图谱的反交叉型特征峰，表明该体系是一个典型的两能级系统，并且与理论计算保持一致。这项工作为利用声子实现量子光学现象的类比铺平了道路，并可用于片上量子电子学器件的应用研究。该研究工作发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Aleksey N.Bolgar, Julia I. Zotova, Daniil D. Kirichenko, Ilia S. Besedin, Aleksander V.Semenov, Rais S. Shaikhaidarov, and Oleg V. Astafiev, Quantum Regime of a Two-Dimensional Phonon Cavity, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 – Published 31 May2018.

5、基于光子谐振耦合输出显微镜的局部粘连动力学定量分析

局部粘连（Focal adhesion）是调节粘连和迁移性质的关键细胞膜成分，具有与粘附接触和迁移速度密切相关的簇尺寸（cluster dimension）。来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用光子谐振耦合输出显微镜（photonic resonator outcoupler microscopy, PROM），实现了对细胞表面相互作用的动态、长期、定量的无标记光学成像，其中细胞膜蛋白聚集的耦合输出光来自于光子晶体生物传感器（photonic crystal biosensor）的共振消逝场（resonantevanescent field），导致了反射光强度的高度局部化降低。通过映射来自生物传感器表面的共振反射峰强度的变化，他们验证了PROM定量分析局部粘连力的能力，获得了与荧光标记图像一致的实验结果。特别的是，他们证明细胞表面接触（cell–surfacecontact）和居域粘连形成（focal adhesion formation）可以通过PROM中的两个正交无标记技术实现同时成像，从而为细胞与基底膜相互作用的动力学、高轴向分辨率监测提供了通用的检测工具。相关成果发表在近期的《Light:Science & Applications》上。

文章链接：Yue Zhuo, Ji Sun Choi, Thibault Marin, Hojeong Yu, Brendan A. Harley & Brian T.Cunningham, Quantitative analysis of focal adhesion dynamics using photonicresonator outcoupler microscopy (PROM), Light: Science & Applications7, Article number: 9 (2018)

6、复杂等离子体场的宽带与动态构建

相干表面等离子激元极化基元（surface plasmon polariton, SPP）场的剪裁设计（tailor），为许多纳米光子应用带来了全新的机遇。在以往的研究中，基于光斑系综（an ensemble of spots）已经实现了聚焦SPP斑点的扫描和SPP场分布的设计。然而，由于SPP通常是被高亮度、相干的激光所激发，因此相邻光斑之间的干扰是不可避免的，并且会影响整体SPP场分布。近日，来自深圳大学的袁小聪教授、林佼教授领衔的研究团队，联合澳大利亚拉筹伯大学、皇家墨尔本理工大学和墨尔本大学的研究人员，通过考虑将相干场作为一个整体而非分立的光斑，报道了一个用以生成可剪裁二维SPP场分布的可重构（reconfigurable）和波长无关的研究平台。并且，这种技术可以实现单片SPP场相位梯度方向（即面内能量流的方向）的动态调控；其所需的相位信息是由入射激光束携带的，不需要引入与波长相关的纳米结构，因而可以用于各种波长的调控。基于该研究思路，可以拓展到许多不同的应用领域：例如，强度分布和能量流的有效控制将有可能实现利用等离子镊子对金属纳米粒子的动态控制；SPP的宽带激发能力可用于不同颜色SPP的产生、高速面内通信以及大容量数据存储。这种新方法揭示了2D相干场分布的固有约束条件，并且同样适用于声表面波等其他二维表面受限波动系统，在相关领域的结构设计与研究方面具有重要的指导意义。相关研究发表在近期的《Science Advances》上。

文章链接：Shibiao Wei,Guangyuan Si, Michael Malek, Stuart K. Earl, Luping Du, Shan Shan Kou, XiaocongYuan, and Jiao Lin, Toward broadband, dynamic structuring of a complex plasmonic field, Science Advances 01 Jun 2018: Vol. 4, no. 6, eaao0533 DOI:10.1126/sciadv.aao0533

7、准圆形阵列天线（QCA）产生的准轨道角动量（Q-OAM）

电磁场的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）近来已经被提出应用于无线电和微波通信等领域，可作为提高频谱效率、提升信道容量和抗干扰能力的解决方案。最近，来自皇家墨尔本理工大学的研究人员提出了一类新型准圆形阵列天线（Quasi-CircularArray Antenna, QCA），可诱发Quasi-OAM辐射模式、实现其在无线电和微波中的应用。数值仿真和实验研究都表明，通过使用所提出的QCA孔径和配置，可以在远场中诱导并保持准OAM波，并证明非整数主导的OAM模式具有方向准强度和旋转2π相位分布。本文提出的方法通过5到6个元素的准圆阵列来代替具有8个元素的传统OAM圆孔阵列，并可实现约2.0 到2.6 dB的增益，显著地降低了孔径尺寸和制造成本。相关工作发表在近期的《Scientific Reports》上。

文章链接：Reham M.Fouda, Thomas C. Baum & Kamran Ghorbani, Quasi-Orbital Angular Momentum(Q-OAM) Generated by Quasi-Circular Array Antenna (QCA), Scientific Reports 8,Article number: 8363 (2018).

8、利用纳米粒子实现人工神经网络的光学模拟与逆设计

基于人工神经网络（artificial neural network）的深度学习算法在人工智能领域展现出强大的生命力。同时，基于神经网络算法的思想可以实现对许多物理过程的高精度模拟，例如量子多体物理问题等。最近，来自麻省理工和美国陆军爱德伍德化学生物中心的研究团队提出了一种使用人工神经网络来近似地模拟多层纳米粒子的光散射过程的方法。研究发现，只需要对少量数据样本进行神经网络训练，就可以对仿真结果进行精确的逼近。一旦神经网络被训练后，它可以实现比传统模拟更快几个数量级的光学过程模拟。此外，经过训练的神经网络可以通过使用反向光学传播，用于解决纳米光子学中的逆设计问题，其中梯度设计也是基于解析模型而不是传统的数值计算方式，从而为光学逆向设计提供更为简便、快捷、精准的实现手段。该工作发表在近期的《Science Advances》上。

文章链接：John Peurifoy, Yichen Shen, Li Jing, Yi Yang, Fidel Cano-Renteria, Brendan G.DeLacy, John D. Joannopoulos, Max Tegmark and Marin Soljačić, Nanophotonic particle simulation and inverse design using artificial neural networks, ScienceAdvances 01 Jun 2018: Vol. 4, no. 6, eaar4206 DOI: 10.1126/sciadv.aar4206

9、Shiba glass中的无定形拓扑超导态

物质的拓扑态可以支持普通材料中无法实现的量子化无能耗响应（quantised nondissipative response）和外量子粒子（exotic quantum particle），其特殊性质和应用潜力激发了人们对新材料体系的研究兴趣。目前，这类现象的实验实现几乎全部来自于具有高度对称性和单晶性极好的晶体材料。近日，来自芬兰阿尔托大学的科研人员另辟蹊径，将具有无序结构的Shiba玻璃作为非晶拓扑量子物质（amorphous topological quantum matter）的材料研究平台。该系统由超导表面随机分布的磁性原子组成。理论研究表明，尽管缺乏了空间对称性，该体系中的Yu-Shiba-Rusinov子能隙在磁矩上形成了具有临界密度的拓扑超导相。在实验上，可以通过隧道扫描显微镜（STM）来测量其拓扑边界模式，其可能实现的材料包括稀释电子体系（dilute electron system）或NbSe₂等层状超导体。该发现论证了非晶态拓扑量子物质的物理可行性，同时也为无序超材料的拓扑学研究提供了一条可能途径。该工作发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Kim Pöyhönen,Isac Sahlberg, Alex Westström & Teemu Ojanen, Amorphous topological superconductivity in a Shiba glass, Nature Communications 9, Article number:2103 (2018)

作者：颜学俊

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