超材料前沿研究一周精选 2020年11月9日-2020年11月15日

硅光子技术正在成为发展量子技术的尖端芯片平台。它被用来实现通用可编程网络来处理芯片上产生的量子态，有数百个单独的组件，以及更具体的任务，如量子随机数生成和芯片到芯片的量子通信。然而，集成量子光子学的经典接口硬件仍在与限制器件可扩展性和性能的大足迹离散电子学一起实现；硅量子光子学尚未开发与单片互补金属氧化物半导体(CMOS)电子学的集成。 充分利用CMOS兼容性对于减少总器件占用具有特别重要的意义，高性能的经典控制和读出资源必须与支撑量子硬件一起扩展。总之，这使得小型量子器件的小型化和大规模制造-用于通信、传感和产生随机性-并保证了组装有用的量子计算机所需的精度和规模。

同差探测器通过干扰两个平衡光电二极管检测的本振来测量微弱信号。它们通常用于光的敏感测量。应用领域包括相干Ising机器，双组合光谱，量子安全通信，量子态和过程层析成像，量子计算，随机数产生，量子隐形传态和超灵敏干涉测量，如引力波天文学。对于最近提出的性能低于Landauer极限的光学神经网络，也需要零差探测器。但在许多应用中，速度性能受到非单片电子电路的皮法拉电容和垂直照明光电二极管的最大速度的限制。特别是，检测器带宽可以定义连续可变(CV)量子计算机的时钟速率和CV量子通信的安全密钥交换速率。此外，高速同差探测器可以大大减少表征脉冲量子态所需的时间，或消除在预先准备状态时需要长延迟线，并可用于测量光腔的高频梳状压缩和连续波(CW)泵产生的宽带压缩。

由于光电二极管固有区域的分布吸收，PIN光电二极管在传输时间滚转以上的频率上遭受过多的损耗。这种效应在垂直照明二极管中很明显，因为需要一个厚的本征区域来实现高的量子效率，导致长的传输时间和过量的损耗，随着频率超过100MHz(Si)和1GHz(GaAs)而增加)。由于波导耦合的Ge光电二极管是边缘耦合的，在不增加传输时间限制带宽的情况下，通过增加二极管长度可以实现高效率。高效率的Ge光电二极管已被证明具有超过70 GHz的传输时间限制带宽，因此在此频率范围内不受分布式吸收的有效损失。

同差探测器的速度性能也受到跨阻放大器(TIAs)的限制，TIAs用于放大两个低噪声光电二极管的弱光电流减法，以测量包括量子签名在内的微弱信号。理想巴特沃斯响应跨阻放大器的3 dB带宽-使用具有增益的电压放大器-时间带宽积A₀f₀和并联反馈电阻R_F。对于给定的放大器技术和增益R_F，f_3dB只能通过减小C_Tot来增加，C_Tot是光电二极管结电容、放大器输入电容、放大器输入和反馈回路的总寄生电容之和。原则上，C_Tot可以很低；集成光电二极管可以达到低到9 fF的电容而放大器的输入电容可达100 fF。然而，对于有限的射击噪声应用，集成光子学方法-这只被用来测量真空和激光-到目前为止还没有超过150MHz。它远低于自由空间光电二极管可实现的1 GHz带宽。这是因为TIA是用封装放大器和印刷电路板(PCBs)实现的。对于使用基于PCB的TIA的集成同差探测器，仅PCB电路的寄生电容就可以到~215 pF而封装运算放大器的输入电容通常为若干皮法拉。因此，C_Tot在这些情况下主要是寄生效应，否定了集成光电二极管的优势。此外，由于电路的频率相关噪声功率与C²_Totf²成正比。这种杂散电容也强烈地限制了在高频下可以实现的射击噪声间隙。

 近日，来自英国布里斯托尔大学量子工程技术实验室的Joel F. Tasker等人通过将互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的硅和硅上锗纳米光子与硅锗集成放大电子学相结合，减少了同差探测器的总电容，以提高量子光测量的速度性能。该探测器具有1.7 GHz的3 dB带宽，拍摄噪声限制在9 GHz，所需足迹最小为0.84mm²。他们表明，该探测器可以测量连续波激光器泵浦的宽带压缩光源从100 MHz到9 GHz的连续压缩光谱，并利用该探测器进行状态层析成像。这为连续可变量子光学提供了快速、多用途、同差探测器，为光子量子器件的全叠集成开辟了道路。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-020-00715-5

隔声广泛应用于从噪声控制到建筑声学的各种场景，常规声屏障会同时阻挡气流的传输，在某些要求同时降低噪音和允许气流通过的特定情况下，这是不可行的。声学超材料通过螺旋形、迷宫式结构或者亥姆霍兹共振器等结构提供透气屏障的可能性。然而，上述超材料由于共振的分散性通常作用频带较窄。而实际噪声频带宽且入射方向随机性大，因此设计全向宽带声学通风屏障仍然是一个挑战。拓扑优化是一种展现如何将材料放置在指定的设计域内以获得最佳结构性能的方法。当前使用最广泛的方法是基于密度的方法，该方法使用归一化的密度作为设计变量来实现两相或更多相的材料分布。最近的研究工作，例如声子晶体，局部共振的声学材料，二维（2D）弹性波障，室内声障，波动转换和反应式消声器已证明了在声波处理领域中使用拓扑优化的好处。然而，大多数拓扑优化设计没有实验验证，这正是扩大声学拓扑优化方法的实际应用所必需的。

近日，南京大学物理系声学研究所的程建春教授团队使用拓扑优化方法设计并实验性地实现了全方位宽带声学通风屏障。该团队利用在阻抗不连续处发生的布拉格散射机制提出一种利用隔声收缩结构和中央空心通道构成的宽带声屏障。随后，他们在这个声屏障的基础上采用基于密度的拓扑优化方法进行了逆向设计，在保持低传输率的同时将隔音层扩大近90％。拓扑优化方法系统地优化了在初始屏障中按间隔分布的散射体的大小，形状和方向尺寸，使其具有许多复杂的特征，从而在所需的频率范围内产生最大的反射率。此外，他们还进行了不同入射角的实验，以验证优化的设计，其结果与仿真结果一致。由于减少了固体材料的填充率和减少了空气动力学损失，与初始屏障（49.2％）相比，优化屏障的测得通风率达到60.8％，这显示出较高的通风效果。他们的设计开辟了设计隔音材料的途径，这些隔音材料可使应用同时具有透气性和隔音性。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：Xu, Z.-x., et al., Topology-Optimized Omnidirectional Broadband Acoustic Ventilation Barrier. Physical Review Applied, 2020. 14(5): p. 054016.

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054016

近年来，由于对拓扑绝缘体，半金属及其应用潜力的基本兴趣，人们一直致力于研究拓扑不变量。几何相位，也称为Pancharatnam-Berry相位，是Pancharatnam在1956年提出的，用于描述通过一系列偏振器传播的光，并在1984年被Berry用于量子力学。在二维系统中，拓扑不变性的特征在于第一Chern数，该Chern数与包围第一Brillouin区的Berry相位成正比。在一维（1D）系统中，拓扑不变性的特征是Zak相，Zak相是沿一维体带定义的一种特殊的Berry相位。如Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型所述，在凝聚态物理中发现，非平庸的Zak相表明存在边缘态。现在，随着材料的发现，拓扑不变量在现代物理学中扮演着越来越重要的角色。Zak相位描述了一维系统整个频带上波函数的全局特性，并且对局部扰动和紊乱具有鲁棒性。最近，Zak相位的概念已经从凝聚态系统扩展到声学和机械系统。拓扑的概念提供了对PC中对称性基础的物理学的更深入了解

尽管声学系统被证明是例证多种拓扑性质的出色平台，但由于通常在较高频率范围内实现这种界面状态，而缩小器件的规模仍然具有挑战性。近日，来自南京大学的研究小组在理论上和实验上都报告了在亥姆霍兹谐振器的一维链的低频带隙中界面状态的实现。通过数值检查所提出系统的体带的Zak相，研究者揭示了低频范围内带结构的转变点，并阐明了频谱中最低带隙处的界面态的潜在机制。晶格常数可以减小到亚波长范围，而不是与波长相当。通过测量界面状态的声强，其提出的机制得到了实验验证。实验结果与理论预测非常吻合，表明在所需频率下存在的界面态。该工作为声学功能设备的小型化和集成开辟了可能性，并在诸如增强感测和生物医学成像等各种应用中产生深远的影响。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054028

人们通常将粘度可忽略不计的理想流体（例如空气或水）中的声波描述为纵向声波，其粒子速度与行波的方向相同，并且不可极化。与它的横向对应物，例如电磁（EM）波或光波相比，缺少极化的自由度使得声波的操纵和应用不够多样化和复杂。例如，声波在进入波导中并在波导中传播时没有波数变化或频率选择性，这是因为波导的边界约束是横向的，而粒子速度是纵向的。结果，只要波导比分子自由程宽，传统的波导就允许任何声波穿透。值得注意的是，调整边界条件是操纵横向EM和光波并实现众多功能的最简单方法。对于在声学中以横向粒子速度实现相应的声波具有重要意义。

超表面的出现为声波处理提供了广泛的灵活性。然而，通过超构表面实现具有横向极化的粒子速度的声波尚无法实现。近日，来自韦仕敦大学（The University of Western Ontario）研究小组证明了垂直于传播方向的极化粒子速度的声波可以存在于声超构波导中。所述超构波导由一对隔开的声学超构表面制成，每个超构表面包括交替布置的膜，这些膜可逆地共振。声波具有横向极化的粒子速度，显示出横向依赖性，频率选择性和对纵向不规则性的不敏感性，所有这些都与传统波导中的不同。更有趣的是，横向粒子速度是轴对称的，因此，在超构波导的中心形成了声泳陷阱。具有横向粒子速度的声波的出现可能为更复杂的声学应用打开另一条途径，例如无电阻绝缘，声学“电路”以及与波物质相互作用相关的生物声学。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054025

拓扑状态为操纵光提供了一种新的方法，尤其是“光子拓扑绝缘体”（PTI）的特定光子结构通过对称保护的边缘状态支持光沿着界面定向传输，这些边缘状态显示出对无序反向散射的强烈抵抗力。这激励了使用光子拓扑边缘状态来传输具有抑制的损耗的光信号。由此一来，一类新的拓扑材料，即高阶拓扑绝缘体，能够在其角处捕获局部状态，表现出稳健的拓扑状态的空间层次结构。结合光学增益，有源拓扑腔体对发光器件的设计具有特殊的希冀。迄今为止，大多数研究都集中在有限系统或畴壁的拓扑边缘处的激光发射。最近发现的高阶拓扑阶段可以在拐角处对光进行严格的高质量限制。

近日，来自高丽大学物理系的Ha-Reem Kim和Min-Soo Hwang等人展示了纳米光子拓扑结构中角状态的激光作用。通过高光谱成像，他们识别出几种具有不同发射谱的多极角模，且识别出了泄漏拓扑态的非Hermitian辐射耦合的特征。另外，根据大腔体中的泵位置，他们从拓扑带隙内的边缘或拐角状态选择性地产生了激光。他们的研究可为活动拓扑纳米结构中多极激射和工程化集体共振提供直接的观察。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Ha-Reem Kim, Min-Soo Hwang et al. Multipolar lasing modes from topological corner states. Nature Communications (2020) 11:5758

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19609-9

高品质因数（Q值）光学谐振器展现出丰富的物理现象，例如增强光发射、化学和生物传感和非线性光学，在光子系统中有着广泛的应用。连续介质中的束缚态（BIC）体系因为谐振器中的能量被捕获而不会泄漏到连续体中，原则上提供了一种实现无限Q值的方法。理想的BICs可以被认为是零泄漏的共振，实现BICs有两种主要方法：一种方法是创建对称保护BIC，其中给定对称性的陷波模式嵌入到具有明显对称性的连续体中，从而禁止陷阱模式的泄漏；第二种方法是创建一个“意外”BIC，其中目标系统的参数被调整以实现对连续介质的输出波的抵消。在光学和光子学中，对称保护和“意外”BIC已经在耦合波导、光栅、光子晶体、光子电路和超材料/超表面（MM/MS）中实现。光子BIC已经实现了一系列惊人的特性和应用，包括增强激光、无间隙波导和鲁棒拓扑状态。最近，动态BICs已经通过全介质MSs中载流子的光注入得到了证实。在大多数金属超表面获得的BICs中，选择具有反转和π-旋转（C2）对称性的单元单元生成对称保护BICs，通过对称性破坏实现高Q准BICs。

最近，来自波士顿大学（Boston University）和加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的研究人员通过调整亚表面单元的结构参数（不破坏对称性），BIC演化为可观测的准BIC高Q Fano共振，此外他们还研究了互补超表面（CMS）BIC结构，并讨论了Babinet原理的有效性。并使用一个基于耦合模理论（CMT）的分析模型和MS和CMS结构的数值模拟来阐明“意外”BICs的物理基础。该发现有助于理解金属MSs中的“意外”BICs，为金属MSs中对称保护BICs提供了一个补充视角，有助于开发高Q滤波器、检测器和其他功能器件。所采用的理论模型可推广应用于其它频段的准BICs的设计。文章以“Terahertz investigation of bound states in the continuum of metallic metasurfaces”发表在Optica上。（鲁强兵）

文章链接：

https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-7-11-1548&id=442149

近年来，拓扑的数学概念已被用来预测和利用诸如光或声音之类的波在材料中的传播。然而，到目前为止这些进展都是在理想状态下实现的，即波不会衰减。在拓扑绝缘体中包含非厄米特征的活动激增，包括对无序、无结构系统、拓扑激光器和泵浦的可调谐波导。在这些系统中，通常会引入有源器件，打破时间反演对称性以创建具有单向边缘模式的拓扑绝缘体，泵浦拓扑保护的边缘模式，从而在非厄米设置中利用厄米拓扑。大量的理论研究将拓扑绝缘体的概念推广到厄米材料中无法实现的真正的非厄米相。然而，这种非厄米拓扑及其体边对应关系仍然是一个激烈的争论。一方面，通常的体边对应关系在非厄米环境下会失效，另一方面，针对非厄米系统的新拓扑不变量被提出，以捕捉其边缘模式的特殊性质。非厄米拓扑系统（能量不守恒）的出现推动了理论的进步，特别是引入了只能存在于非厄米系统中的新拓扑相。然而，这些相是否能被实验观察到，它们的性质是什么，仍然是一个悬而未决的问题。

近日，荷兰阿姆斯特丹大学Ananya Ghatak识别并观察到一种特殊的非厄米拓扑相的体边对应形式。发现了整体非厄米拓扑不变量的变化会导致拓扑边模局部化的改变，同时也会导致一些特殊的非厄米性质。利用量子到经典的类比，创建了一种具有非互易相互作用的力学超构材料，在这种材料中，通过实验观察了预测的体边对应关系，证明了它的鲁棒性。这项研究为非厄米拓扑学领域和以前所未有的方式操纵波开辟了道路，可以用于减振、能量收集和传感技术。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。（徐锐）

文章链接：

Ghatak, A., et al., Observation of non-Hermitian topology and its bulk–edge correspondence in an active mechanical metamaterial. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020.

https://doi.org/10.1073/pnas.2010580117

基于石英音叉的原子力显微镜（AFM）的发明极大地促进了样品形貌的纳米级可视化。尖端与表面频繁地间歇接触，从其运动状态解释界面细节。但是，在这种情况下，测量结果显示了与尖端相互作用的人造表面的形貌，而不是其真实形貌。通常的解决方案是在传统的AFM技术中通过调节杠杆的悬臂特性、光学杠杆反馈或经过特殊设计的尖端刚度精确控制从尖端施加到表面的力。但是，在剪切力反馈中，光学杠杆配置和悬臂调整不适用，特别是在高设定值时，悬臂的几何修改也不是优化正交方向上碰撞的有效方法。降低设定值可以降低振动幅度，从而减少相互作用，但是，这需要在图像质量（例如，成像精度，空间分辨率和信噪比）方面做出妥协。设定值的降低也会大大提高系统对机械扰动的灵敏度。此外，在扫描具有陡坡特征的复杂地形时，也不能动态调整设定点。因此，期望用构造压电音叉扫描尖端的新材料来补充AFM系统，以减轻尖端与样品之间具有挑战性的机械相互作用。

近日，来自东南大学生物科学与医学工程学院的Liangdong Sun等人为了避免由于扫描尖端和样品之间的间歇剪切模式接触中过度的机械相互作用而导致的扫描图像变形，他们建议利用可控的微结构材料通过利用与材料相关的能量吸收行为来构造AFM尖端。通过对尖端样品冲击的响应，导致成像质量的视觉提升。通过压缩响应的数值分析和对各种样品的实际扫描测试强有力地证明了基本的扫描功能和蜂窝缓冲层对成像优化起到了独特的作用。这种方法为蜂窝多孔固体在能量吸收领域的具体应用开辟了新途径，并为基于具有奇异性质的3D打印尖端的新型AFM的研究提供了新的启示。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Liangdong Sun et al. 3D-printed cellular tips for tuning fork atomic force microscopy in shear mode. Nature Communications (2020) 11:5732

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19536-9

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