超材料前沿研究一周精选 2021年4月19日-2021年4月25日

时间光子晶体（PTC）是一种折射率会随时间周期性变化的空间均匀介质。波阻抗的时间变化会引起时变介质中传播的任何波的时间反射和折射。当时间变化既快（在介质中传播的周期的时间尺度上）又很强（折射率变化至少约为0.1）时，这种时间反射就成为主导。时间反射的波相互干涉，如果时间调制是周期性的，则这种干涉会导致在动量空间和拓扑特性中具有能带结构的Floquet模式。在一个空间维度（1D）中，PTC似乎是一维光子晶体的时间类似物。尽管有相似之处，但PTC与（空间）光子晶体有很大的不同。首先，在空间上均质的PTC动量守恒，而介电光子晶体则能量守恒。其次，PTC显示出动量带隙，而不是光子晶体中的能隙。从根本上说，PTC与空间光子晶体之间的差异是由时间之箭引起的。尽管来自空间一维晶格的布拉格反射使空间中的波偏转，但对于PTC，介电常数的时间变化不会导致时间的反向反射。到目前为止，仅在传输线中已经证明了PTC。近零材料中具有非线性效应的最新进展使得飞秒的折射率变化非常大，可以观察到时间折射。

近日，来自以色列理工学院Mordechai Segev研究小组研究了在无序PTC中添加了随机波动的光传播。研究者发现，一旦时间紊乱开始，在紊乱的PTC中传播的脉冲速度就呈指数下降，最终完全停止。动力行为和减慢速率取决于PTC的特定带结构和脉冲的动量谱。与安德森局域相反，这里的脉冲幅度呈指数增长，并且具有最高群速度的模式具有最高的敏感性，显示出最大的减速度。最后，研究者检查了无序PTC中波的整体统计量，展示了与Anderson局域化（包括单参数缩放）的异同。从概念上讲，这里介绍的结果并不局限于PTC的领域，而是适用于所有包含二阶导数并因此经历时间反射的波动系统，例如声学，水波和其他经典波动系统。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.163902

洛伦兹互易性及非互易性与时间反演对称性破缺有关，在光学中具有重要意义。在实际的光学应用中，包括隔离器、环行器和回转器在内的一些非互易光学器件是必不可少的。实现光学非互易性的主要机制是大块磁光材料中的磁圆二色性和圆双折射（即法拉第效应）。强磁场通过诱导电子自旋态的塞曼分裂和改变电子波函数来改变电介质的偶极动量或跃迁频率，从而破坏光的互易性。然而，基于法拉第效应的非互易器件在许多情况下的应用都受到限制。主要原因有二：其一，磁光材料加工的困难；其二，强偏置磁场与许多其他光学元件（如自旋系综和超导光子接口）不兼容。于是，人们提出了一些新思路，如光驱诱导定向变频存储、或放大耦合谐振器回路中的合成磁场等，以及射频/声驱动引起的折射率的时空调制。这些方法的共同原理是相干模式转换中的轨道动量守恒，它诱导特定方向输入的光子吸收或相移。但是，这种装置在相干模转换中的动量守恒需要严格的相位匹配条件，而强驱动会由于非线性参量过程而产生不可避免的背景噪声光子。

近日，中国科学技术大学量子信息与量子物理研究中心、中科院量子信息重点实验室的郭光灿教授和董春华教授团队提出了一个通过光感应磁化（OIM）的原子介质实现光子非互易性的方案，在自由空间和行波腔中用热蒸气原子分别实现了和的隔离比。色散非互易效应与法拉第效应相似，非互易光模的频率分裂超过100 兆赫。将原子系综视为可磁化的介电介质，可以利用非相干布居转移实现非互易性，从而使无磁OIM机制与众不同。它的主要优点包括：光驱动频率可以远离信号，避免与相位匹配和驱动滤波相关的干扰，对驱动波动的鲁棒性，以及在信号频率处消除驱动引起的噪声。该方法适用于其它原子和类原子发射体，为今后集成光子非互易器件的研究奠定了基础。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

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Hu, XX., Wang, ZB., Zhang, P. et al. Noiseless photonic non-reciprocity via optically-induced magnetization. Nat Commun 12, 2389 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22597-z

光纤中的光子损失阻止了量子信息在地面上的长距离分布。量子中继器被提出来克服这个问题，但是由于量子中继器方案的系统复杂性，通信距离到目前为止仍然是有限的。替代解决方案包括便携式量子存储器和配备量子存储器的卫星，其中长寿命光学量子存储器是实现全球量子通信的关键组件。然而，迄今为止所展示的光学存储器的最长存储时间约为1分钟。为了利用长寿命的自旋相干性，应该采用基于自旋波的光存储协议。到目前为止，原子频率梳(AFC)是在掺杂稀土离子的晶体中自旋波存储光子量子位的唯一成功的协议。在Eu³⁺:Y₂SiO₅中，极化量子比特的自旋波存储和单光子作为自旋波的产生和多模存储已经基于AFC协议得到了证明。最近的一项工作将Eu³⁺:Y₂SiO₅中的原子力显微镜存储时间延长至0.5 s。

近日，来自中国科技大学、中国科学院量子信息重点实验室的Yu Ma等人用¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体演示了一个存储时间为1小时的相干光存储器，它基于零一阶塞曼磁场(ZEFZ场)中的自旋波AFC协议，即ZEFZ-AFC方法。动态去耦(DD)用于保护自旋相干性和延长存储时间。这种器件的相干性通过在1 h存储后进行的类似时间仓的干涉实验得到了验证，保真度为96.4%，表明了量子比特存储的可行性,这为基于长寿命固态量子存储器的大规模量子通信带来了光明的前景。他们的工作还将原子力显微镜的记忆时间提高了约6000倍。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Yu Ma et al. One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory. Nature Communications (2021) 12:2381

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22706-y

超表面是一种由亚波长尺度天线或“超原子”阵列构成的平面电磁人工介质，被广泛认为是一种很有前景的平台，与传统的体材料在尺寸、重量、功率和成本效益上相比，它拓展了光学元件的潜力。有源超表面，其光学响应可以动态调节，进一步为灵活操纵光传播和与物质的相互作用提供了更多的机会。到目前为止，超表面的有源主动调谐利用了机械变形、电化学或化学反应、电光和热光效应以及相变介质等。特别是，基于硫系合金的相变材料（PCM）由于其结构转变所赋予的巨大折射率反差有助于实现广泛的光学相位调谐，因此在实现相位梯度有源超表面方面具有独特的优势。虽然PCM的电寻址在相变随机存取存储器中已经是一种成熟的技术，但是与当今的大规模相变随机存取存储器相比，光学器件所必需的更大的器件面积对大面积的开关均匀性提出了更严格的要求。这一技术挑战集中体现在丝状化现象上：最初结晶的PCM细线成为导电性大大高于周围非晶基体的电流导管，阻止整个PCM体积的均匀结晶。丝状化阻止了直接通过PCM的电流切换。

最近，来自美国麻省理工学院（MIT），马萨诸塞大学洛厄尔分校（University of Massachusetts Lowell）和中佛罗里达大学（University of Central Florida）等单位的研究人员为了应对这一挑战，提出了一个大面积，基于电热开关的PCM可重构的超表面。工作在三个重要方面实现了突破：1.使用了最先进的PCM，Ge₂Sb₂Se₄Te（GSST）体系。与目前流行的GeSbTe合金相比，GSST一方面在不同结构状态下的宽带高透明性减轻了光学损耗，另一方面实现了巨大的光学对比度和调谐范围；2.展示了覆盖半倍频程光谱区域的PCM超表面的压控多态调谐；3. 实现了大面积（高达0.4 × 0.4 mm²）均匀的电热开关，这预示着拓扑优化设计将朝着有源超表面方向发展。相关研究工作以“Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-loss optical phase-change material”为题发表在《Nature Nanotechnology》上。（鲁强兵）

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https://www.nature.com/articles/s41565-021-00881-9#Sec2 

双曲超材料(HMMs)作为超材料的分支展现出独特的电磁响应特性,双曲线型的色散曲线表现出极强的各向异性, 这种特殊性质是由它们的对角介电常数或磁导率张量决定的，其中一个主分量的符号与其他两个主分量的符号相反。HMMs支持大波矢量的传输,对电磁波具有极强的调控能力,拥有一般人造超材料无法比拟的性质。在本工作中，研究人员只关注相对磁导率张量退化为常数的电HMMs。由于双曲线的开放性，HMMs可以支撑具有任意大波矢的电磁模态，否则这些波矢在自由空间中将成为倏逝波。这些独特的特性使得HMMs在亚波长分辨率成像、负折射、聚焦、热发射工程、和自发发射增强等领域中无处不在。在光学和红外领域，亚波长金属介电结构的周期性叠加是获得双曲色散最常见的方法。通过调控介质的介电常数和金属的介电常数及其厚度比，可以独立地调控对角有效介电常数张量的分量。这种效应归因于每个金属介质界面上的表面等离子体激元的连续激发。此外，当用等离子体石墨烯取代金属时，可以通过在石墨烯层上添加外部电压获得可调谐的HMMs。应该注意的是，这种可调谐性仅局限于负介电常数分量，而正有效介电常数分量等于介电常数分量。然而，在微波和太赫兹区域，上述方法不能发挥作用，因为几乎所有的天然等离子体材料，在有限的选择范围内，只能在可见光和红外波长可用。

近日，北京大学信息科学技术学院刘濮鲲教授团队基于结构诱导欺骗性表面等离激元的概念，证明了任意单介质可以构造具有独立有效介电常数分量的双曲型超材料。此外，相对有效介电常数分量的可达范围是无限的。此外，研究人员设计并制备了三种具有不同介电常数张量的概念证明双曲型超材料，并对其独特的反常衍射进行了数值和实验验证。为了进一步说明该方法的优越性，科研人员提出并演示了一种损耗极低的新型全金属双曲超材料。该方法显著降低了双曲超材料的设计复杂性，并为微波和太赫兹聚焦、超分辨率成像和电磁隐身等需要大介电常数覆盖的场景提供了新思路。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

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Li-Zheng Yin et al, Constructing Hyperbolic Metamaterials with Arbitrary Medium,ACS Photonics(2021).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01789.

在许多现代应用中，对纯毫米波(30-300GHz）和太赫兹波(0.1-10太赫兹）的需求正在增长。在无线通信领域继续部署5G(频率<90GHz)和6G（<多太赫兹频率）技术来扩展数据容量，其中低相位噪声振荡器有助于在相位调制方案中增加每位符号的比特数，同时保持误码比最小化。精确分辨频率范围内分子和芯片尺度分子钟的旋转谱需要一个窄线宽振荡器。此外，科学应用，包括射电天文学和激光驱动的太赫兹电子加速器，以及军事和民用应用，如遥感和汽车雷达，最终将受益于最先进的仪器相关的噪音和稳定性。在光学领域，可以得到具有极端性能的光谱纯净和精确的电磁波。通过应用基于产生相干和低相位噪声光信号的新技术，如光电振荡器、电光(EO)分频、布里渊振荡器、光分频(OFD)和高q微谐振器振荡器。原则上，类似的方法也可以通过超快光电器件适应毫米波和太赫兹波领域，这是近年来在相关领域光子学和电子学广泛研究的结果。

近日，来自美国朗蒙特公司博尔德研究实验室的Tomohiro Tetsumoto等人用超快单载波光电二极管对一个耗散的克尔孤子进行了光分频，实验证明了一个3.6太赫兹参考子的光分频达到了300 GHz。这是一种新的测量系统，基于锁定在被测300 GHz信号上的微波参考相位的特性，产生了阿秒级的时间噪声灵敏度，克服了传统的技术限制。这项工作使耗散克尔孤子成为毫米波和太赫兹波领域的领先技术，有望在基础和民用应用方面取得突破。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-021-00790-2

用于被动操纵光波前的超表面的发展在过去的十年中取得了巨大的进展。研究重点现在转向动态超表面，它为探索科学提供了新的应用和方向，因为它们不像静态元素那样受到相同的基本限制。创造能够动态改变其光散射行为的超表面像素，不仅需要使用共振结构来促进光物质的相互作用，而且还需要其共振行为的广泛可调性。操纵共振的有效方法是应用机械运动、电门控制来更改载流子浓度或诱导Stark效应、电化学、液晶和相变材料。表现出晶体和非晶态之间结构相变的材料具有特殊的前景，因为它们提供了在具有明显不同光学性质的非晶态和晶体态之间的高速电切换。它们的高折射率已经被用来制作紧凑的光学天线。具有非易失像素的超表面可以方便地编程所需的功能，并降低功耗，因为在任何外部刺激被移除后，像素仍保持在所需的状态。使用纳米级像素阵列的动态超表面降低功耗正成为未来的关键挑战之一，因为它将与密集集成的电子电路相媲美。

近日，美国斯坦福大学先进材料Geballe实验室Mark L. Brongersma等人通过展示电控开关相变天线和超表面，在可见和近红外光谱范围内提供强大的，可逆的，非挥发的，多相转换和光谱调谐光散射超表面。实验的成功依赖于研究人员对天线元件进行了精心的热和光优化，天线元件包括一个银条，它同时充当电激子谐振器和一个微型加热台。科研人员表示，利用两个通道之间的破坏性干涉，该超表面在755 nm波长提供了超过四倍反射率的电调制。这项工作为创建广泛的具有可编程和主动波前操纵能力的动态随机访问的超表面提供了应用潜力。相关研究工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（丁雷）

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Yifei Wang et al, Electrical tuning of phase-change antennas and metasurfaces,Nature Nanotechnology(2021).https://doi.org/10.1038/s41565-021-00882-8.

从体育场罩棚到太阳帆航天器，依靠可展开系统来设计大型结构，这些结构可以迅速压缩到很小的体积。理想情况下，大型可展开结构在折叠时应占据最小的体积，展开时具有自主性，展开后锁定在适当的位置，并且提供结构坚固的外壳（如果设计用于定义封闭的环境）。从先前的研究来看，主要有两种策略被用于设计可展开系统。第一种也是最常用的方法包括由相互连接的杆单元组成的机构，这些杆单元可以同步展开和收缩，有时通过双稳态单元锁定到位。第二种策略是利用可充气膜，该膜通过单个压力输入即可变形为目标形状。然而，这两种策略都不能轻易用于提供一个在展开后能够锁定的封闭域：在基于连接的结构中集成保护罩是具有挑战性的，并且气动系统需要恒定的施加压力来保持其膨胀的形状。

近日，美国哈佛大学Chuck Hoberman和Katia Bertoldi团队从折纸艺术中汲取灵感，设计出多稳定、可充气的刚性可展开结构。折纸原理广泛用于机器人、超构材料，因为它们提供基于折痕的多用途形状设计方法。在几何分析和实验的指导下，创建了一个双稳态折纸图形库，可以通过单一的流体压力输入来展开。然后，将这些单元组合起来，以建立米级的功能结构，例如拱门和紧急避难所，为建造大型充气系统提供了直接途径，这些系统在展开后会锁定在适当的位置，并通过其坚硬的表面提供坚固的外壳。如果封闭系统，可通过充气轻松促动，可产生有效的大规模可展开结构。设计用于支持多个能源井结构的自锁能力；通过其面孔创造保护性环境的可能性。虽然以前的折纸系统分别研究了充气性和多重稳定性，但在文章证明了这两个属性可以共存，从而开创了前所未有的米级充气结构的设计空间，该结构利用多重稳定性来维持其展开的形状而无需连续致动。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）

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D. Melancon, B. Gorissen, C. J. García-Mora, et al. Multistable inflatable origami structures at the metre scale[J]. Nature, 2021, 592(7855): 545-550.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03407-4

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