超材料前沿研究一周精选 2021年1月18日-2021年1月24日

1.基于孤子微梳的谱域光学相干层析成像

光学相干断层成像(OCT)于1991年演示以来，已成为一种重要的生物组织非侵入性成像技术。今天，OCT是眼科的标准诊断工具，并已扩展到血管内成像和脑成像。在过去的十年中，频域方法(FD-OCT)，即谱域OCT(SD-OCT)和扫描源OCT(SSOCT)，通过其较高的灵敏度取代了时域OCT。此后，用于FD-OCT (SD和SS-OCT)的光源和探测器都得到了改进，提供了低噪声、更大的带宽和更快的采集速率。最近，一组由离散频率组成的源被提议用于FD-OCT，因为它们提供了更高的深度灵敏度，降低了曝光功率，同时保持了较高的轴向分辨率。最重要的是，这种新型采集源提供的层析成像的周期性通过所谓的光域子采样提供了一个扩展的成像范围，并以数据高效的方式显著扩展了OCT成像范围。总的来说，这种梳状照明在非平面样品成像方面有很大的前景，这在手术中很常见。

这种梳状源在SDOCT中的一个有前景的实现是孤子微梳。这种微梳是在2007年首次发现的，它是通过微谐振器内部的非线性转换过程产生的。通过调整激光功率和失谐，可以激发耗散克尔孤子(DKS)态，提供相干长度和带宽分别与连续波激光器和飞秒激光器相当。DKS态的光谱由完全相干的激光线组成，线宽等于连续波泵浦激光线宽(通常是~100 kHz)，从而产生千米尺度相干长度。它的整体频谱带宽可以通过色散工程进行调整，可以达到跨越八度的覆盖范围。除了它们的光谱特性，最近的制造技术的进步已经大大降低了DKS产生的功率要求，从而允许直接与半导体泵浦激光器集成。总的来说，由于其优异的光学特性和晶片尺度的制造，DKS微梳是很有前途的成像源。

近日，来自瑞士联邦技术研究所的Paul J. Marchand等人探索了耗散Kerr孤子微康在谱域OCT中的应用，并表明，通过使用光子芯片尺度的Si3N4谐振器与1300nm泵浦激光器结合，光谱带宽超过商业OCT源的带宽是可能的。此外，他们还证明了所有孤子梳齿的经典振幅噪声都是相关的，即共模，而不是超致发光二极管或非相干微梳态，这为提高成像速度和性能超过热噪声极限开辟了一条新的途径。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20404-9

2.一种实现复值神经网络的光学神经芯片

与实值神经网络相比，复值神经网络有许多优点。传统的数字电子计算平台无法执行真正复杂的表示和操作。相比之下，对相位和幅度信息进行编码的光学计算平台可以通过光学干涉执行复杂的运算，从而显著提高计算速度和能效。目前已经提出了几种神经网络的光学实现。在这些技术中，基于光子芯片的光学神经网络因其高兼容性、可扩展性和稳定性而日益成为主流。虽然这种光学芯片是基于光干涉的，但实现的神经网络算法是实值的，这就丧失了复值神经网络的优势。到目前为止，大多数光学神经网络的演示仍然只使用为数字计算机设计的传统实值框架，丧失了光学计算的许多优势，如高效的复值运算。

近日，来自新加坡南洋理工大学量子科学与工程中心的H. Zhang等人重点介绍了一种实现真正复值神经网络的光学神经芯片(ONC)。他们在四个设置中对我们的复值ONC的性能进行了基准测试:简单的布尔任务、虹膜数据集的分类、非线性数据集分类(圆形和螺旋形)和手写识别。在虹膜分类中，他们在芯片测试中获得高达97.4％的精度。非线性决策边界在圆形和螺旋数据集的分类中可视化。在手写识别任务中，他们使用4×4的隐藏层实现了90.5％的测试准确度，比实际值对应的内容提高了8.5％。此外，仅在编码和解码模块处于密集状态时，性能差距仍然存在，指示巡视相位敏感的ONC即使对于所有实值接口也表现出操作优势。他们的结果为通过专用集成光学计算芯片实现深复数值神经网络以及高维量子神经网络提供了一条有希望的途径。与实值算法相比，他们的复值算法具有很强的学习能力(即高精度、快速收敛和构造非线性决策边界的能力)。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男） 

文章链接：

H. Zhang et al. An optical neural chip for implementing complex-valued neural network. Nature Communications (2021) 12:457

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20719-7

3.梯度超材料实现高效模式转换和轨道角动量产生

海洋是人类赖以生存的地球系统的重要组成部分。近来，水下声学通信受到了广泛的关注，因为声学的衰减至少比电磁波的强度小3个数量级。微波的大量损失和可见光的强散射实质上导致了对光波的极大抑制。但是与电磁波相比，声波（作为标量波）没有极化或自旋的自由度。此外，声波通信信道的容量还受到低工作频率（低于20 kHz）和低固有速度的限制。因此，如何进一步扩展声通信的带宽已经成为要解决的关键问题。近年来，模式的分离和复用（MDM）是波导通信系统中非常有前途的研究领域。此外，具有螺旋相位分布的声涡旋波已得到扩展，以开辟用于大容量声通信的替代复用和去复用方法。作为传统技术的另一种独立自由，轨道角动量（OAM）有望在水下声通信方面带来巨大的革命。传统的产生声OAM的方法需要有源阵列，该有源阵列由大量独立的换能器组成，或者具有不均匀厚度和螺旋结构的无源材料，这限制了它们的实际应用潜力。近来，声谐振器被用于通过OAM将平面波转换成输出涡旋光束。然而，由于亥姆霍兹谐振器的特性，工作频率严格来说是单一频率，并且谐振器的复杂结构可能不适合于器件的小型化。尽管目前的研究已经初步证明了声OAM的潜力，但远远不能满足实际应用的要求。

近日，来自厦门大学的Huanyang Chen研究小组将梯度超材料（GIM）与圆形波导集成在一起，提出了一种设计，可以在圆形波导中实现具有多频率和高效率的多模态声转换器。通过使用软多孔硅橡胶材料实现需要的模式转换，数值模拟和分析结果表明，声学模式的零阶在不同子区域的间距变小时，可以转换为一阶模式甚至更高阶的模式。此外，通过优化GIM的参数，进一步证明了附着在波导刚性壁上的GIM可以用作无源的轨道角动量（OAM）发生器。这种具有背散射抑制和高模式转换效率的模式转换方案可能会在集成声学和水下通信中找到许多应用，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.15.014035

4.蓝宝石薄膜铌酸锂上实现千兆赫声子集成电路

光子集成电路可集成片上光学元件，实现前所未有性能的光学系统。这在很大程度上是由高约束波导实现的，这些波导紧凑，允许紧弯曲，并将能量局域到一个小的模区以实现有效的相互作用。然而，对于声子电路，类似的功能还不存在。引导、控制和混合声波的能力可能使一些重要设备支撑经典和量子信息系统的发展。机械波较慢的速度和较低的损耗使紧凑而高效的元件能够在无线电和微波频率上延迟、滤波和存储电信号。发现更好地控制声子在晶片上传播的方法是实现大规模声子电路和系统的重要一步。

近日，美国斯坦福大学应用物理系Safavi-Naeini等人提出了一个平台，受集成光子学几十年的进展的启发，利用在蓝宝石上的铌酸锂薄膜中的强压电效应来激发引导声波。研究人员演示了一个有效的传感器匹配50欧姆电阻和1微米宽的机械波导作为这个平台的关键构建块。将这些组件组合在一起，实现了用于传感应用的声延迟线、跑道型谐振器和曲流线波导。为了评估这一平台对新兴量子技术可能带来的前景，研究人员还表征了低温下的损耗，并在4 K时测量得了质量因子约50000。最后，演示了这些电路中的四波混频声子，并测量了非线性系数，以提供相关过程所需功率的估计。作者期望随着这些技术的进步，所演示的平台将使量子和经典声子电路和系统具有当前技术无法达到的能力。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：

Felix M. Mayor et al, Gigahertz Phononic Integrated Circuits on Thin-Film Lithium Niobate on Sapphire,PhysRevApplied(2020).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014039.

5.具有稳定记忆的可重编程力学超构材料

超构材料通过其底层结构布局的几何排列来实现奇异的物理特性。传统的力学超构材料通过单元优化实现目标泊松比或形状变换等功能，通常具有空间异质性。这些功能以一种无法改变的方式被编程到超构材料的布局中。尽管最近的努力已经产生了制造后调整这些特性的方法，但它们还没有表现出类似于数字设备的机械可重编程性，例如硬盘驱动器，其中每个单元都可以根据需要实时写入或读取，且稳定地改变以材料为基础的系统的力学行为的能力是非常重要的。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Mark Pauly教授和Pedro M. Reis教授团队通过使用一种可平铺的力学超构材料的设计框架克服了这一挑战，该材料在单胞级具有稳定记忆特性。设计结构包括一组物理二进制元素（m位），类似于数字位，并清楚地描述了写入和读取阶段。每个m位都可以使用磁驱动在双稳态壳的平衡之间移动，从而在两个稳定状态（充当内存）之间独立且可逆地切换。在变形状态下，每一种状态都有明显不同的力学响应，这是完全弹性的，可以可逆循环，直到系统重新编程。将一组二进制指令编码到分块数组上会产生明显不同的力学性能。具体地说，可以使刚度和强度在一个数量级上变化。期望在这种设计范式中，力学性能的稳定记忆和按需可重编程性将促进力学超构材料的先进形式的发展。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）

文章链接：

Chen, T., M. Pauly, and P.M. Reis, A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory. Nature, 2021. 589(7842): p. 386-390.

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03123-5

6.分数电荷在拓扑绝缘体的体缺陷处被俘获

拓扑绝缘体是以量子化拓扑不变量为特征的材料，这些不变量是根据间隙体哈密顿量的对称性来定义的。最广为人知的一类拓扑绝缘体是那些在一维边界上具有鲁棒性的间隙态绝缘体材料，并且这种材料受到局部对称性（如时间反转）的保护。值得注意的是，鲁棒的边界状态具备的特征谱为实验的辨识提供了可能。除了局部对称性，晶体对称性同样可以保护拓扑不变量，例如量化的电极化。然而，拓扑晶体绝缘体（TCI）（在文中，作者将任何具有非平庸拓扑晶体不变量的系统称为TCI，包括被描述为阻塞原子极限的相和根据拓扑量子化学范式定义为拓扑绝缘体的相）受到这些对称性的保护在体禁带中可能并不总是表现出光谱特征，因为晶体对称性在许多情况下只保护边界局域态的简并性，而不限制它们的能量。

拓扑晶体绝缘体（TCIs）可以表现出不寻常的量子化电现象，如分数极化和边界局部分数电荷。这种量子化的分数电荷也可以成为TCI的识别的新方法。有人预测，在晶体缺陷破坏TCI晶格结构的地方，分数电荷也会显现，这可能提供晶体拓扑的体探针。然而，这一方法尚未在实验中得到证实。最近，来自伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究人员通过实验证明了在TCI超材料中，向错（旋转对称性缺陷）能很好地俘获分数电荷，并且表明即使在没有任何光谱特征的情况下，这种俘获电荷也能显示非平庸的、高阶的晶体拓扑结构。此外，研究人员还揭示了陷阱电荷与这些缺陷处存在的拓扑束缚态之间的联系。结果表明，TCIs中的向错能很好地俘获分数电荷和拓扑束缚态，证明了分数电荷作为晶体拓扑探针的优越性。文章以“Trapped fractional charges at bulk defects in topological insulators”为题，发表在《Nature》上。（鲁强兵）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03117-3 

7.通过空间周期性电介质筛选在单层半导体中产生莫尔条纹

当两种取向或晶格常数略有不同的材料重叠时，就会形成莫尔图案。莫尔条纹引入了新的长度标尺以用于每一层中布洛赫电子的布拉格散射该长度标尺是原始材料晶格常数的许多倍。这导致莫尔条纹带和丰富突发现象，包括绝缘，超导，量子磁和云纹激子等等。这些结构中的莫尔带是由层间电子杂交或原子波纹产生的空间周期性电势产生的，这种效应的强度取决于两种材料之间的原子配准。有学者提出了一种创建莫尔条纹的新方法。电荷之间的电场线基本上在材料外部延伸。这导致电子能带结构，它是强烈地依赖于周围环境。通过设计环境介电函数ε可以使准粒子带隙能量从独立单层分子中降低100s meV。如果引入空间周期性的ε，则导带和价带边沿相反方向以相同的周期移动。这为电子和空穴形成莫尔带提供了长波长电势。该方法依赖于库仑相互作用的空间周期性电介质筛选，相互作用范围很广，并且可能通过ε进行栅极可调。

近日，美国康奈尔大学应用与工程物理学院、机械工程系以及纳米科学学院卡夫里研究所Jie Shan Kin Fai Mak团队演示了通过环境介电工程在WSe₂单层中产生的莫尔条纹。他们在六方氮化硼（hBN）上使用小角度未对准的石墨烯作为二维（2D）周期性电介质衬底。由于它们的晶格常数差异很小，当石墨烯和hBN旋转未对准时，它们会形成六边形的莫尔条纹超晶格。超晶格周期λ可通过失准角调节。由于石墨烯和WSe₂之间的晶格失配较大（约25％），两层之间的旋转角度对能量的影响较小，可以插入薄的hBN间隔物以排除WSe₂和石墨烯之间的任何潜在电子杂交。器件中的载流子密度可以通过由hBN电介质和石墨电极制成的背栅来改变。由于石墨烯的狄拉克点位于WSe₂带隙内部的深处，因此对于整个实验可访问的栅极电压范围，电荷仅注入到石墨烯层中，并通过光学反射光谱法了WSe₂的电子波段结构。相关研究发表在《Nature Materials》上。（钟雨豪）

文章链接：

Xu, Y., Horn, C., Zhu, J. et al. Creation of moiré bands in a monolayer semiconductor by spatially periodic dielectric screening. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00888-y

8.可穿戴的等离子-超表面传感器

——用于生物界面上的非侵入性和通用分子指纹检测

可穿戴传感技术是未来个性化医疗的重要环节。然而，目前流行的一些传感器通常局限于一次检测一种分析物。然而，为了获得人体健康的完整图像，同时跟踪体内的多种分析物是必要的，但也是具有挑战性的。柔性等离子体超结构因能够控制、操纵和聚集纳米尺度的光，并且能够被拉伸、弯曲或变形成任意形状目前已经引起了人们相当大的兴趣。但是柔性等离子体超材料在可穿戴设备中的应用目前很少。对可穿戴传感器的一个基本要求是，它们能够抵抗身体使用时伴随的机械应变和变形。然而，在持续的身体运动和日常活动中，很难保持等离子体超表面中精细纳米结构的完整性。

近日，来自浙江大学生物系统工程与食品科学学院的Yingli Wang等人提出了一种具有“通用”分子识别能力的可穿戴等离子体电子传感器。具有表面增强拉曼散射(SERS)活性的柔性等离子体超表面被引入作为可穿戴传感器的基本传感元件，因为他们解决了在各种变形下保持其脆性纳米结构的等离子体活性的技术挑战。加上灵活的电子排汗系统，他们的传感器可以基于人体内独特的SERS光谱无创提取和“指纹”分析物。作为一个概念验证的例子，他们成功地监测了体内微量药物的变化，并获得了个人的药物代谢概况。他们的传感器通过提供一种通用、敏感的分子跟踪手段来评估人类健康，从而弥合了可穿戴传感技术中的现有差距。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（詹若男）

文章链接：

Wang et al. Wearable plasmonic-metasurface sensor for noninvasive and universal molecular fingerprint detection on biointerfaces. Sci. Adv. 2021; 7 : eabe4553

DOI: 10.1126/sciadv.abe4553

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