今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及拓扑光学微分器，光子晶体光学参量振荡器，基于石墨烯超表面的超紧凑集成太赫兹调制器等敬请期待！
索引：
1 拓扑光学微分器
2 用于沿光路按需偏振转换的超表面光学
3 光子晶体光学参量振荡器
4 基于石墨烯超表面的超紧凑集成太赫兹调制器
5 无限带宽偏振保持超表面
6 共振声子-磁振子耦合的直接成像
7 螺旋的能谷弹性超材料的拓扑转变
8 用柔软可拉伸的材料收集和储存能量
1.拓扑光学微分器
光学计算，利用光的传播来进行计算，由于其在高速和低功耗下执行计算的潜力，几十年来一直受到人们的关注。近年来，由于片上硅光子电路和纳米光子结构的发展，人们对光学计算产生了新的兴趣，这使得光学计算的器件比传统器件更紧凑。光学计算的一个突出例子是空间微分运算，它对图像处理中的边缘检测很有用。在过去的几年里，人们在理论上设计了各种纳米光子结构，用于一维或二维的空间微分运算。然而，大多数实验演示仅限于一维微分。虽然最近已有关于使用光子晶体结构和多层吸收剂的二维微分的报道。但是，光子晶体微分器不提供各向同性操作，因为这样做需要精心设计结构。此外，这两种方法都只在相对窄的光谱带宽内工作，因为它们都依赖于光学共振的使用。
近日，来自美国斯坦福大学金兹顿实验室和电气工程系的Tengfeng Zhu和Cheng Guo等人证明了拓扑光子学领域中的一些概念可以应用于光学计算，以达到宽带各向同性二维微分的目的。为了实现二维微分，根据微分算子的定义，器件的传递函数应该在波矢空间中呈现一个孤立的零点。由于传递函数通常很复杂，这样一个孤立的零点一般应该带有拓扑电荷。这里他们表明，这样的拓扑电荷可以直接在电介质界面反射的交叉极化设置中实现。此外，通过调整实验参数，可以产生具有这种拓扑电荷的各向同性传递函数。因此，他们提供了一个基于平面反射的宽光谱带内各向同性二维微分的实验实现。与一维转移函数使用拓扑态的工作不同，他们直接在二维转移函数中构造拓扑电荷来设计器件的功能。他们的工作表明，利用拓扑光子学的概念可以给光学计算带来新的机遇。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Tengfeng Zhu et al. Topological optical differentiator. Nature Communications (2021) 12:680
https://doi.org/10.1038/s41467-021-20972-4
2.用于沿光路按需偏振转换的超表面光学
偏振是指光的振动，通常用电场矢量的轨迹来描述。偏振作为光的一种基本特性，已被广泛应用于从量子光学和成像到光学显示、光物质相互作用和传感等各个领域。因此，对极化的灵活处理和精确的描述是两个关键的追求目标。传统的偏振控制工具，如偏振器和波片，都将光的偏振特性看作是一种全局管理的均匀特性。最近，基于亚波长间隔的光学元件阵列(称为超表面)的先进波前整形平台的发展打破了这一观点，该平台可以在横断面上逐点操纵光的偏振。这种操作通常使用具有局部变化各向异性的方案来实现，该方案可以独立地修改入射波形的两个正交极化，从而将入射极化状态局部转换为任何想要的输出。这些方案已被广泛应用于各种偏振管理、偏振光栅、全息、偏振成像和结构偏振光束(通常称为圆柱矢量光束)的生成，从而扩大了偏振光学的范围和应用。
然而，这些新方案和现有的偏振光学都有一个共同的局限性:它们只考虑横向到纵向的单个平面的偏振特性，缺乏独立控制沿传播方向多个平面偏振的能力，尽管这可能带来进展。这种难以捉摸的能力将为光与物质和生物样品的相互作用开辟新的途径，特别是在活体组织中无法安装多个偏振元件来操纵光的情况下。除了光与物质的相互作用外，这种偏振控制中的自由度对偏振特性(称为偏振测量法)有直接影响，偏振特性依赖于将光投射到不同方向的分析仪上。将它们缩减成单个光学元件，可以将入射光投射到沿光路检测的不同偏振态上，可能揭示光表征的新技术。这种性质的两极分化元素不仅强大，因为它们在紧凑的内存中结合了多个功能，还因为它们提供了可调性;改变入射偏振使器件能够响应不同但完全确定的光结构，这些光结构沿光程的强度和/或偏振可能不同。从某种意义上说，这种可调性挑战了静态超表面的观点，并使偏振成为纵向调节结构光的强大旋钮，从而使光学可调设备和可变焦距透镜等新技术成为可能。然而，这种器件的提出立即引发了一个问题:光的偏振与光子的自旋有着复杂的关系，这样一个守恒量是如何随着在空间中的传播而改变的？
近日，来自美国哈佛大学的Ahmed H. Dorrah等人提出了一种统一的设计策略，使一类新的偏振元件能够执行沿光束光程变化的任意选择的偏振函数。其基本原理是基于空间极化拍频，它允许入射的平面波在与纳米结构超表面的单一相互作用后，在空间中的每个传播平面上遭遇不同的偏振器样操作和/或波片样转换(仅在局部)。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-020-00750-2
3.光子晶体光学参量振荡器
几十年来，器件的小型化一直是微电子学和光子学的主要目标，其目标是高密度集成、增强功能和大幅降低功耗。目前，纳米光子学的进展与信息和通信、脑启发计算、医学和传感以及量子信息应用所需的概念和技术的进展有关。在所有的纳米结构中，半导体光子晶体(PhCs)占据了突出的位置，因为它们能够制造准终极光学腔。低阈值激光二极管或拉曼激光器，低功耗光学存储器，高效的单光子源或单光子量子门都是它们能力的令人印象深刻的例子。但光子晶体中缺少一类重要的光源，即光参量振荡器(OPOs)。
光学参量振荡器依靠物质的超快非线性响应对光子对的受激发射发射相干光。光学参量振荡器可以在仅受非线性材料透明度限制的光谱范围内产生光。由于产生的光子是相关的，光学参量振荡器也是量子光学和量子计算的非经典光源。光参量振荡器最初只能作为固体光学器件使用，体积大且价格昂贵。大约15年前，随着高质量Q谐振器制造技术的发展，微腔光学参量振荡器应运而生，并在非线性光子学中产生了一个新的领域。它们在几乎所有方面都得到了不断的改进，最近已经与激光二极管集成到非常紧凑的封装中。
微谐振器是基于圆盘或环的，其约束来自于全内反射。这里的关键是设计传播波的色散，以控制大量模态的非线性相互作用。这使得孤子产生梳状或超宽带光。相比之下，PhC腔是完全不同的器件，它将少量的模限制在一个光子带隙内。早在十多年前，人们就从理论上考虑了光子晶体光学参量振荡器的可能性，并进行了实现有效参量相互作用的实验尝试;然而，光参量振荡器的演示是极具挑战性的。
近日，来自法国巴黎综合理工大学的Gabriel Marty等人演示了超低功率的光子晶体光学参量振荡器。这结果是由于三个主要特点:第一,设计了腔均布学,然后,介绍了一个微分热折射调优机制来弥补剩余光谱偏差造成的制造缺陷,第三,使用了V半导体In0.5Ga0.5P作为本构材料的空腔。这种材料的大电子带隙能够减缓双光子吸收，否则将非线性转换效率限制在参数振荡之下。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-020-00737-z
4.基于石墨烯超表面的超紧凑集成太赫兹调制器
中红外(IR)波段因其在成像、宽带光通信、光谱学、生物化学传感、国防技术等领域的广泛应用而备受关注。中红外光调制器是实现这些重要应用的必要组件。其中，高效中红外调制器的实现对于将数据通信的工作波长(频率)带宽从近红外扩展到中红外具有重要意义。虽然基于Pockels效应、Kerr效应和各种波导平台中的等离子体色散的中红外调制器已经得到了积极的研究，但由于中红外电光效应较弱，其调制效率较低，限制了其应用。石墨烯以其优异而独特的性能得到了广泛的研究。由于石墨烯的电导率可以通过施加栅电压来轻松调节，因此有许多基于石墨烯的应用被报道，如可调谐光延迟线、天线和宽带调制器。
近日，韩国光州先进光子学研究所集成光学实验室Myunghwan Kim等人提出了一种新型的中红外超紧凑型由石墨烯超表面组成的光调制器。不同于之前提出的基于材料的损耗变化或干扰的方案，该工作利用一个独特的拓扑特性双曲超表面的等频线进行调制传输。研究人员所设计的调制器调制深度为10.7 dB，其长度为750 nm，对应约1/30个操作波长。研究人员还研究了调制器中的迁移率效应，当迁移率大于μ=3 m2/Vs时，性能对迁移率的依赖性不强。然而，对于低迁移情况，μ=1 m2/Vs，石墨烯的损耗降低了调制器的性能：调制深度和插入损耗分别为7.63 dB和4.99 dB。作者相信，所提出的调制方案可以在中红外波段制备一类新的紧凑型调制器。相关研究工作发表在《Optics Letters》上。（丁雷）
文章链接：
Myunghwan Kim et al, Ultra-compact integrated terahertz modulator based on a graphene metasurface.Optics Letters.(2020)
https://doi.org/10.1364/OL.401969.
5.无限带宽偏振保持超表面
极化是电磁波的关键参数之一，在三维显示、量子计算、化学传感等领域发挥着重要的作用。传统的任意极化产生方法涉及到大量的光学元件，包括偏振片和波片。近年来，通过局部设计亚波长结构来控制电磁波的所有参数，如相位、频率、振幅、传播方向和偏振，提出了光学薄厚度的超表面，并进行了各种应用，包括透镜、隐身、传感。利用亚表面操纵光的偏振态通常依赖于设计各向异性和手性纳米结构，通过控制两个偏振分量之间的偏移量，提出了两个正交偏振的叠加来产生多功能的输出偏振。然而，要产生完全任意的偏振，必须精确控制两个偏振分量的振幅差。振幅控制通常是通过纳米结构的几何尺寸来执行的，其代价是引入振幅响应的巨大色散，不利于在大宽带范围内操作（如下图A和B）。
最近，来自法国蔚蓝海岸大学（Université Côte d’Azur）的研究人员提出了一种使用正交圆偏振（CP）的适当叠加（参见下图C和D），基本上在无限波长范围内维持衍射信号的全偏振状态。研究人员还证明了该方法与使用简单亚表面双峰的基本色散补偿兼容（参见下图E和F），从而展示了具有宽带偏振保持性能的宽带白光全息图像。偏振螺旋度（即左CP（LCP）或右CP（RCP））的控制以及散射光的方向通过空间定向的双折射几何相位元结构的排列来控制。这种特殊的方法处理从基本光束偏转到复杂全息场分布的波前，依赖于一种独特的纳米结构的复制和旋转。该方法包括：（i）基本上依靠简单的干涉条件，具有与CP相同的衍射场来控制输出光的振幅；（ii）在相反振荡附加相位延迟衍射场，以获得输出光的全偏振。文章以“Bandwidth-unlimited polarization-maintaining metasurfaces”为题，发表在《Science Advances》上。（鲁强兵）
文章链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabe1112
6.共振声子-磁振子耦合的直接成像
自旋波及其准粒子（即磁振子）有望用于高频信息处理、传输。然而，由于金属铁磁体中的磁损耗，有效产生长传播距离的自旋波仍然是一个挑战。同时，表面波（SAW）声子(例如LiNbO3晶体)具有短波长和几毫米长传播距离的优点。将磁振子与SAW声子耦合可以避免自旋波的快速衰减，这有助于研究声子和自旋自由度的信息互转换。最近，利用X射线磁性圆二色性直接成像了声表面波诱发的具有不同波长和长传播距离的非共振磁声波。非谐振磁声波的波矢量和振幅可以分别通过声表面波和磁场进行调制。然而，仍然存在关于磁振子如何调节声子传输的问题。谐振磁振子-声子耦合可以基于磁场依赖性微波传输测量来探测和磁化动力学的时间分辨磁光检测。然而，现有方法不能提供直接信息和由磁振子调制的声子演化的空间映射。相反，高声速声表面波声子的光学检测已经在块状透明材料中实现使用布里渊光散射（BLS）。
近日，美国阿贡国家实验室材料科学系的Axel Hoffmann教授和兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室的王建波教授使用光学方法直接将磁振子和声子的共振耦合进行可视化。他们使用微聚焦布里渊光散射（µ-BLS）在Ni / Li NbO3杂化异质结构上检测携带自旋信息的多个SAW的干涉图样。在Ni的铁磁共振（FMR）场处发现BLS强度最小，其中SAW声子被强子强烈衰减，而干涉图的对比度仍然清晰可见，这可以直接观察到磁场的调制 SAW声子通过共振磁振子-声子耦合产生。 此外，他们通过将详细的理论模型拟合为空间平均和频率平均BLS信号强度的磁场依赖性，FMR场和共振线宽的估计值与基于SAW磁场获得的估计值与依赖微波传输的测量值一致。该结果为在存在磁化动力学的情况下探索声子操纵和检测提供了机会。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014052
7.螺旋的能谷弹性超材料的拓扑转变
拓扑能谷超材料不仅对凝聚态物理产生了显著改变，而且还对电子，光子学和声子学中的波操纵有着不可忽略的影响。拓扑能谷超材料中的波传播特征：稳定的能谷极化传输而在信息载体和光调制中具有重要应用。其中，拓扑转变是超材料中实现拓扑状态的必要过程。目前科学界已经提出了几种策略来实现拓扑转变。例如，可以利用固有的自由度（例如调整几何参数）来反转超材料的拓扑相。此外，外部自由度（例如变形）也会动态影响能带反转。但是，现有的超材料仍然缺乏控制旋钮，可以随意生成所需的拓扑相位。原因之一是固有的简单结构不足以操纵几何参数。
最近，螺旋和手性元素已用于超材料的构造，取得了显著成就。尤其有一种弹性能谷超材料，该材料由软六角形基体中的硬螺旋组成，作为实现谷形拓扑绝缘体的设计。与传统的能谷系统相比，螺旋弹性谷底超材料的内部结构具有很高的复杂性，其内部具有一系列可操纵的设计参数。例如，该螺旋系统具有固有的手性各向异性，从而导致能谷的各向异性和非平庸的贝里曲率分布。近日，来自华盛顿大学的Jinkyu Yang研究小组介绍了一系列通过参数调制在螺旋的能谷弹性超材料中实现拓扑转变的策略。研究者讨论了手性，旋转角度，匝数和螺旋线厚度对拓扑特性的影响，涉及的是Berry曲率和Valley Chern数。螺旋的弹性超材料的拓扑转变可以通过Berry曲率和谷Chern数的反转清楚地显示出来。确定有助于拓扑转变的关键因素后，研究者提出了一种通用方案来生成这些弹性超材料的所需拓扑相。这种策略利用了螺旋的能谷弹性超材料的多个自由度，为所需的拓扑态提供了更多的机会。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014058
8.用柔软可拉伸的材料收集和储存能量
大多数机器人和电子设备都需要电才能运转，电力可以为传感器供电，实现计算、驱动运动和传输信息。尽管大多数设备使用插座供电，但这种“拴着”的设备存在明显的局限性：除了限制机器人材料的自由度外，插入式设备还必须在功能正常的插座的弦长范围内，从而限制了其使用范围。尽管电池供电的设备可以在不插入电源的情况下工作一段时间，但定期进行充电的需求充其量会限制设备的工作时间。最坏的情况是下，可能会导致一些问题，比如不符合可穿戴设备的要求（也就是说设备被取下来充电后就再也不放回去了）或操作中断（这对于医疗保健设备或远程操作设备来说是一个特殊的问题）。因此，从周围环境中收集能量以创建无线设备，甚至无需充电的设备提供了可能受益于收集的应用示例，例如物联网（IOT）设备、软机器人、可穿戴设备、可植入设备和可展设备（即发送到没有电源插座的远程位置的设备）。
近日，美国北卡罗来纳州立大学罗利分校化学与生物分子工程系Michael D. Dickey教授团队发表综述文章，重点介绍了使用柔软、可拉伸的材料将环境能源转换为电能的各种模式。这些机械性能对于新兴类别的可拉伸电子产品、电子皮肤、生物集成可穿戴设备和软机器人很有用。这些类型的柔软且可拉伸的设备有其他设备无法比拟的优异性能：可以舒适地与人体组织接合；可以安全地与人类互动；具有更大的机械自由度；可以进行弹性变形的设备可以设计成具有新的特性。它们可以不受束缚地从环境中获取能量，从而产生更大范围的运动（机器人领域），更好的适应性（可穿戴设备和电子皮肤领域）以及更大的应用范围空间（电子领域）。可以使用各种各样能源，包括机械（振动、人体运动、风/流体运动）、电磁（射频（RF）、太阳能）和热力学（化学或热能）。这篇综述简要总结了能量收集机制，并重点介绍了将此类设备制作成柔软或可拉伸实施例的材料策略。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
Vallem, V., et al., Energy Harvesting and Storage with Soft and Stretchable Materials. Advanced Materials, 2021.
https://doi.org/10.1002/adma.202004832
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