超材料前沿研究一周精选 2022年3月1日-2022年3月6日

在显微镜、机械工程、量子物理、材料科学、半导体工业或广义相对论等不同的领域中，精确地读出和跟踪一个系统的位置具有关键的相关性。为此，光已经成为一种无价的工具，因为它允许快速、非侵入性和准确的传感。在光子系统中，位移可以看作是与光束的主要传播方向平行或横向的。在第一种情况下，可以使用三角测量或干涉测量装置，横向位移(TD)的测量通常依赖于光电二极管的差动电流信号的检测。就灵敏度和分辨率而言，这提供了一个实用但有限的解决方案。为了提高性能，还可以使用其他技术，例如光栅干涉测量、基于衍射的叠加或荧光团成像。

结构光是一种呈现振幅、相位和/或偏振的空间变化分布的光场。通过利用结构照明，TD确实可以被测量，例如，通过从纳米天线的位置依赖的方向散射或通过散射场分布的质心跟踪。此外，通过超表面适当塑造光束的相位轮廓，利用超振荡的光学尺获得远低于衍射极限的分辨率。虽然这些方法能够使TD测量具有亚纳米分辨率，但它们都依赖于高倍率成像系统，需要将光波长与特定的纳米天线共振或通过重建算法对后处理图像进行匹配。这些因素在占地面积、多功能性、成本和速度方面施加了限制，除了灵敏度外，理想传感器的所有相关特性。重要的是，即使没有高倍成像，结构光也可以作为增强传感的一种资源，比如在光子齿轮中，在近轴光束的偏振态和适当裁剪的矢量模式之间的双向映射可以提高滚转角测量的灵敏度。

近日，意大利那不勒斯费德里科二世大学的Raouf Barboza等人介绍了一种光学编码技术，称为“线性光子齿轮”，它通过将横向位移映射到激光束的偏振旋转中，可以实现超灵敏的测量。在普通的环境条件下，作者以分辨率为400pm来测量两个物体之间的相对位移。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-28700-2

耗散Kerr孤子微梳是一种很有前途的多波长光纤通信激光光源，其梳状线的频率和相位稳定性远远超过了独立激光器。特别是，对于相干光通信，一个非常有益但很少被探索的目标是重新生成Kerr孤子微梳作为接收器本地振荡器，以保持输入数据载波的频率和相位特性，从而以最小的光学和电气补偿实现相干检测。

近日，来自中国电子科技大学光纤传感与通信网络重点实验室的Yong Geng等人通过泵浦激光传输和两点锁定，实现了一个Kerr孤子微梳的重新生成，该微梳忠实地克隆了另一个从50公里外发送的微梳的频率和相位。此外，通过使用相干孤子微梳作为载波和本振器，他们演示了terabit相干数据互连，其中用于频率偏移估计的传统数字过程完全免除，并且，通过每个信道的慢降估计速率和多个信道之间的联合估计，载波相位估计被大大简化。他们的工作表明，除了提供多种激光音调外，调节发射器和接收器之间克尔孤子微调制的频率和相位可以显著改善光相干通信的性能、功耗和简单性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Yong Geng et al. Coherent optical communications using coherence cloned Kerr soliton microcombs. Nature Communications (2022) 13:1070

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28712-y

胶体量子点(QDs)因其优良的窄发射光谱、可调发射波长、高发光效率和优异的稳定性等光电性能而得到了广泛的研究。在过去的十年里，量子点发光二极管(QLEDs)的性能取得了突破，显示出了广阔的显示应用前景。面对海量的信息或近眼显示需求，下一代显示器设定了更高的像素分辨率标准。然而，QLED发光层的高分辨率模式仍然是一个关键的瓶颈。

QLED像素图案的实现主要是通过喷墨打印技术、光刻技术和转印印刷技术(TP)来实现的。喷墨打印在生成几微米以下的量子点像素方面面临着巨大的困难。光刻方法产生的量子点像素不可避免地含有光刻胶残留物，阻碍电荷传输，导致器件性能下降；此外，由于技术限制，其尺寸一般超过几微米。相比之下，TP可以用于构建没有有机残留物的超微小像素。目前已经可以通过TP制备全色QLEDs。值得注意的是，之前的高分辨率QLED表现出较低的性能，其外部量子效率(EQE)和亮度明显低于旋转涂层制备的QLED。这可能是由于转移的QD薄膜质量较差，以及空穴传输层(HTL)和电子传输层(ETL)直接接触导致像素之间的非发光区域出现较大的漏电流。

近日，来自福州大学的李福山教授团队创造性地采用了转移印刷技术和Langmuir-Blodgett薄膜技术相结合的新策略，实现了每英寸9072-25400像素（PPI）的超高分辨率QLED。同时，为了抑制器件的漏电流，该工作首次提出在发光量子点像素之间嵌入蜂窝图案化的宽带隙非发光量子点层作为电荷阻挡层，从而实现了亮度高达262400 cd m^-2，且外量子效率为14.72%的红光QLED。这项工作为实现具有高性能的超高分辨率QLED器件开辟了一条全新的途径。相关工作发表在《NATURE PHOTONICS》上。（郑江坡）

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41566-022-00960-w

超表面是由具有定制光学响应的平面微结构组成的超薄超材料，因其在控制光波的振幅、相位和偏振方面的潜力而备受关注。基于超表面的许多功能和应用已经被证明，如光的异常偏转、色散补偿、超透镜成像、全息成像等。最近，光学超表面/超器件引起了越来越多的关注，是未来集成光学应用中传统器件的理想替代品。然而，超表面的效率一直是阻碍其实际应用的一大瓶颈。例如，尽管反常反射已经被证明是超表面的一项重要能力，但据报道，在光学频率下的最高效率低于85%，更不用说其他功能更复杂的超器件。所以，目前非常需要光学频率下的完美反常反射器，因为它们是高效操纵复杂光波和场的基础。

近日，来自同济大学精密光学工程技术研究所的He Tao等人提出了一种全介电准三维亚波长结构(Q3D-SWS)，由一个专门设计的多层膜和一个介电介质的介晶区组成，以实现在光频率下的完美反常反射。通过有效耦合不同的布洛赫波和行波，激发了复杂的多次散射过程，从而为整个系统提供适当的非局部光波控制以实现完美的反常反射.两个完美的反常反射器将正常入射的1550nm光反射到40°、75°方向，设计的绝对效率分别为99%和99%(实验中分别为98%和88%)，证明了我们提出的方法和结构的有效性。这项工作为超表面在摄谱仪、激光雷达和测距设备等方面的实际应用铺平了道路。相关工作发表在《Science Advances》上。（周玉宇）

文章链接：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2111.07232

自然量子物质以两种以上的电子或机械模式叠加，存储着丰富的多维量子信息。模拟自然的工程人工多能级量子器件可能会产生基本的创新和技术进步。最近，尽管基于qudit的最新量子技术已经创造出了革命性的里程碑，例如无空穴贝尔试验、卫星中继量子通信和量子计算优势等，基于量子技术的量子技术可能进一步增强量子能力，因为它们本质上与我们的自然量子系统一致。因此，通过量子dit单元（即qudit）控制和编程量子设备以处理量子信息，为抗噪量子通信、精细的量子分子模拟和高效的量子计算提供了可能性，显示出提升基于qudit的量子技术能力的巨大潜力。

近日，来自北京大学物理学院、介观物理国家重点实验室的Yulin Chi等人报告了一个基于可编程量子计算的硅光子集成电路量子处理器，并展示了它对量子计算并行性的增强。该处理器将两个量子夸脱（ququart）态和多值量子控制逻辑门的初始化、操作和测量的所有关键功能和能力集成在一起，具有高水平的保真度。通过重新编程处理器的配置，他们实现了最基本的量子傅里叶变换算法，所有算法都是四进制的，以使用qudit对量子并行性的增强进行基准测试，其中包括广义Deutsch-Jozsa和Bernstein-Vazirani算法、四进制相位估计和快速因式分解算法。单片集成和高可编程性允许在处理器中实现100多万个高保真的qudit状态准备、操作和投影。他们的工作展示了一种集成的光子量子技术，用于基于qudit的量子计算，具有更高的容量、准确性和效率，这可能会加速构建大规模量子计算机。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Yulin Chi et al. A programmable qudit-based quantum processor. Nature Communications (2022) 13:1166

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28767-x

天线技术是无线通信系统和传感器的基础,它通过谐振金属导体中的电流维持其辐射效率，并不断优化以提高效率和带宽。然而，谐振导体容易受到冲击波的散射影响，并在拥挤的天线环境中造成阻塞和失真。为了应对这些挑战，人们开始探索基于超表面和超材料的散射效应来消除天线堵塞和减少干扰。然而，谐振天线在整个设计频带上都具有强散射，利用其散射抑制特性的同时又难以避免失谐，且这些天线一般尺寸较大，制造复杂。此外，由于传统天线是导电的，超表面斗篷不能简单地包裹在金属上，其间还需要适宜的间隔物。这便导致这种超表面斗篷难以大规模生产。传统的超表面斗篷所占空间极大，在位置选择、有效入射角范围内、以及工作带宽有着严格的限制，这些限制阻碍了隐形技术在无线天线和传感器系统中实际应用。

为解决上述困难，德克萨斯大学奥斯汀分校电气与计算机工程系的Andrea Alù研究团队探索了一种利用亚波长介质的低散射特性实现宽带双极化无线透明天线的技术。在该技术中，斗篷不仅可以在很宽的频率范围内抑制来自电介质芯的非必要散射，还可以在发送和接收操作的整个目标频带上充当有效的辐射器。这种无线电透明辐射元件在现代通信系统中有着巨大的用途，因为天线的集成化趋势越发明显。该无线电透明介电芯超表面天线不仅克服了传统隐身技术长期存在的带宽窄、角度稳定性低、对入射波极化敏感等问题，而且证明了隐身技术可以作为一种有效的辐射元件，并该技术应用于3G和4G服务的天线系统，该技术突破了几何形状的限制，可以应用于任何行政的几何体，包括平面或球面几何体，这大大增强了其实际应用。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接： Soric, J., Ra’di, Y., Farfan, D. et al. Radio-transparent dipole antenna based on a metasurface cloak. Nat Commun 13, 1114 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28714-w

射频识别(RFID)，特别是无源射频识别，在工业应用中被广泛应用于跟踪产品和物质流。随着技术的进步，RFID传感器标签的小型化趋势可能会持续下去，尽管小型化对通信覆盖领域提出了挑战。最近，在射频识别技术(RFID)中应用具有独特的电磁波操纵能力的超材料，提高了功率传输效率。特别是，超材料在远场RFID系统中的应用越来越广泛。

近日，波士顿大学机械工程系Xin Zhang团队报道了一种磁性超材料和局部场增强包的开发，可以显著提高近场磁场强度，最终显著提高读取器和标签天线之间的功率传输效率。该团队提出的磁性超材料和局部场增强包应用于近场RFID的技术，可以提供高功率传输效率和更大的通信覆盖区域，为迅速兴起的物联网时代带来了新的机遇。此外，随着自主电子设备(笔记本电脑、手机、电动汽车、机器人、可植入设备等)的使用大幅增加，近场增强技术可能为基于近场功率转移的物联网应用开辟新的可能性，在众多其他用途中，如无线充电和近场通信。为了使这些技术在实际应用中更加可行和方便，研究人员指出未来的工作方向是实现超材料的可调谐性，从而保证完美的共振匹配，因为共振频率的微小变化会对转移效率产生显著的负面影响。此外，由于局域谐振器与读取器天线之间的不对准显著降低了效率，可以开发一个三轴局域谐振器来实现全向场增强。最后，柔性、片状超材料的发展代表了支持这种技术在各种条件下日益无缝集成的一个有前途的方向；例如，读取器天线可以直接连接到管的外表面，而不会干扰中心流体。相关研究工作发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。（丁雷）

文章链接：Ke Wu et al, Metamaterial-enhanced near-field readout platform for passive microsensor tags, Microsystems & Nanoengineering,2022.https://doi.org/10.1038/s41378-022-00356-4.

自主机器人包括由材料和结构构建的驱动、能量、传感和控制系统，这些材料和结构不一定是为多功能而设计和集成的。然而，电力和控制仍然是实现不受束缚的自主机器人的主要障碍，这些机器人可以移动并适应长时间任务的需求。主动系统之间需要紧密协作，以最佳利用通常有限的车载能源供应。通过化学和电气能源与机械系统的协同集成，为机器人提供高能量和功率密度，从而提高使用寿命的途径。通过将能源直接放置在机器人的结构和材料中，可以随时使用，可以有效地转化为有用的工作，理想情况下，可以通过车载能量收集机制补充能量。在过去的二十年里，通过开发多功能、具身能源系统来提高机器自主性的努力虽小，但不断增长。然而，大多数机器人仍然包含独立的电源、驱动、传感和控制模块，每个模块都针对单独的任务进行了优化。如在本田的ASIMO机器人中，关节中的执行器、躯干中的控制模块和背包里的电池之间有明确的划分。这种孤立的构件缺乏在生物体（如章鱼）中观察到的协同作用和效率，这些生物体能够连续或按需采集、储存和产生能量。

近日，美国康奈尔大学Robert F. Shepherd团队研究了自然界中的系统集成和多功能性如何激发自主机器人的新范式，称之为“具身能量”。在这种设计理念中，通常提供重要机械或结构功能的相同质量也包含为机器人或设备的至少一部分提供动力的储存能量。具身能量系统的潜力可以通过生物类比来评估。在人类和其他动物中，能量主要以脂肪的形式储存在体内。然而，脂肪组织的功能远远超出了能量储存，包括绝缘、保护重要器官、防水以及激素的调节和产生。“具身能量”同样可以为机器人系统注入多功能性。例如，电池可以配置为提供承重或结构功能。柔性材料和执行机构可以在储存和再利用弹性能量的同时提供结构。通过在整个多功能系统配置中分配能源，在创新机器人的进展及其相应的框图中，可以扩大其复杂功能的范围，同时提高其运行效率。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）

文章链接：

C. A. Aubin, B. Gorissen, E. Milana, et al. Towards enduring autonomous robots via embodied energy[J]. Nature, 2022, 602(7897): 393-402.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04138-2

从细胞膜通道到医用支架，力学系统在自然和工程世界中发挥着至关重要的作用。这些系统能够以一种协调的方式改变几何形状，以放大运动或显著改变尺寸。系统可以表示为一个机械网络，其中刚性边是由于物理肢体或力产生的约束，节点表示关节或组成元素。结构刚度理论源于麦克斯韦早期工作，以解释网络结构与协调运动之间关系的框架。在这里，节点坐标和边数之间的差异产生协调运动数。然而，协调运动的成功设计不仅取决于它们的存在，还取决于其持续时间内的网络几何结构。特定的几何体由边约束决定，就像机器人的四肢约束了构型一样。有几项工作提供了与小型网络中的节点运动和大型网络中的详细的单节点轨迹或局部扰动相关的边设计原则。其他研究探索了网络和折纸中的拓扑力学研究中的格，以及顺序和分支运动，并研究了诸如柔性变形、连接拓扑和环境响应等设计考虑因素。虽然在已知的网络中已经得到了有效建模，然而，由于相互作用的数量和非线性，在新型网络中精确运动的原则设计变得困难。

近日，美国宾夕法尼亚大学Dani S. Bassett团队使用动力系统理论的概念，为设计完全非线性的运动制定了一个简单且强大的框架。证明了一个小的网络单元作为跨节点对之间距离的一维映射，并且将组合单元的行为表示为该映射的迭代。通过将映射的吸引子和它们对组合单元网络中形状和折叠序列的稳定性联系起来，编程实现了任意复杂宏观形状之间的精确协调运动、形状之间的精确折叠序列以及奇异网络行为（如机械和门）和通向混沌的倍周期路径。此外，还构造了一个具有3个周期的单元，根据Sharkovskii定理，该单元组合形成一个具有任意正整数周期的晶格。最后，构建物理网络，并分析键弹性的影响，以证明框架的潜力和通用性。形状变化和折叠顺序的精确设计使该框架成为许多应用（如机器人）的理想起始最小模型，为超构材料的未来工作提供了一个有希望的方向。相关研究发表在《Physical Review X》上。（徐锐）

文章链接：

J. Z. Kim, Z. Lu, A. S. Blevins, et al. Nonlinear Dynamics and Chaos in Conformational Changes of Mechanical Metamaterials[J]. Physical Review X, 2022, 12(1).

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011042

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。