超材料前沿研究一周精选 2020年6月22日-2020年6月28日

混合量子系统对于实现分布式量子网络至关重要。特别地，以典型的超导量子比特频率运行的压电力学系统具有低热激励特性，并提供了一个吸引人的平台，来实现桥接超导量子处理器和光通信通道。然而，在低温下整合超导组件和光力学组件，使其拥有足够强的相互作用仍然是巨大的挑战。

近日，来自美国耶鲁大学Hong X. Tang课题组的研究人员报道了一个集成的超导腔压电光力平台，其中频率为10 GHz声子可同时与超导腔和纳光子腔中的光子发生谐振耦合。利用大的压电力学协作性和脉冲光泵增强的光力耦合，作者通过观察有效的微波-光子转换，证明了在低温下的相干相互作用。这种混合接口向大规模的量子通信迈出了实质性的一步，并且对GHz声子作为媒介的微波-光子纠缠和量子传感的作出新的探索。相关成果发表在《Nature communications》上。（张子栋）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17053-3

近年来，梯度折射率超材料/声子晶体引起了研究人员的广泛关注。通过逐渐地调节材料的晶格结构，可以在空间上有效地改变其折射率分布，从而控制波的传播。目前，梯度折射率声子晶体的设计维度主要集中在2维或2.5维，其中折射率的变化发生在单个平面中。

近日，来自佐治亚理工学院的研究团队提出了一种简易的梯度折射率声子晶体的设计方法，可用于水下声波的操控。声子晶体的元胞为聚乳酸弹性基质和空气夹杂物组成。聚乳酸作为基质，与水的阻抗接近匹配，而空气则作为阻抗失配介质。改变空气的填充比可以方便地调节材料的有效折射率。研究人员通过3D打印制备了梯度折射率的声子晶体透镜，并实验验证了该透镜的水下声波聚焦能力。该研究促进了声能传播和聚焦的研究，为水下声学透镜提供了新的设计方案。文章于近日发表在《Physical Review Applied》上。（田源）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.064064

自从法拉第在1821年发明第一台发电机以来，电磁致动器作为构成机器人的关键部分，它的设计已经发生了许多变化。绝大多数的常规致动器仅由诸如铜或铁的硬质材料制成，这限制了它们在生物体或易碎物体场景中的应用。然而，柔性致动器的开发也遇到了一系列困难，如响应速度慢、功率低、控制精度差等。

近日，来自约翰开普勒林茨大学的研究团队通过在弹性壳体中嵌入的液态金属来代替固态金属线圈，设计了一种快速启动且高度可控的厘米级柔性电磁致动器（SEMA）。它们的整体柔软性和低驱动电压（＜1V）使它们在与生物体或易碎物体接触时无害。研究人员研究了一系列基于SEMA的应用实验，包括：SEMA驱动柔性鲨鱼机器人，SEMA与乒乓球互动，利用SEMA将染料和水快速混合，控制SEMA的多层螺旋花在数十毫秒内开花或闭合，立方SEMA执行已编程的运动序列。该工作为柔性致动器朝着小型化、低功耗和高机械效率的方向发展开辟了新的途径，有望应用至柔性抓取、微创医学等多个领域。文章于近日发表在《Science Advances》上。（田源）

 文章链接：

DOI: 10.1126/sciadv.abc0251

宇宙学是现代物理学的重要分支，对黑洞等物体的探索意义重大。宇宙学学者Yakov Zel’dovich理论上提出旋转的黑洞可以放大入射波能量，并且这种现象也同样存在于其它旋转系统。但是，关于旋转吸收体的波增强效应尚待实验验证。在该现象（称为超辐射）中，旋转体散射的波将能量带离散射体，比入射波包含更多的能量。该机制是黑洞失去能量的机制之一，可用于黑洞的观测，对其研究具有重要意义。

近日，来自格拉斯哥大学和亚利桑那大学的研究团队基于声学系统研究了旋转体的波增强效应。该实验采用声源阵列发射携带轨道角动量的声波，声波与由吸声材料制成的旋转盘相互作用。然后，位于旋转盘远端的麦克风来测量声信号。实验结果显示，正如Zel’dovich预测的那样，随着转速的提高，通过旋转吸收材料的声信号幅值也会增加，这意味着声波从旋转体中获取了能量。该工作为实验室研究黑洞的相关物理效应开辟了新的途径。文章于近日发表在《Nature Physics》上。（田源）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-020-0944-3

最近，高阶拓扑绝缘体（HOTIs）由于其独特的边界特性而引起了广泛的关注，而众所周知的一阶拓扑绝缘子（FOTIs）却没有这种特性。常规n维拓扑绝缘体（TI）具有（n -1）维（一阶）拓扑边界态，而较高阶（即k阶）TI允许（n -k）维拓扑边界模式，例如角态和链态，其中2<k <n。HOTI的拓扑描述超出了常规的体边界对应关系，并具有几个新的拓扑不变量的特征，例如嵌套的Wilson环，格林函数零点和量化的体极化（Wannier中心）。目前仅在非磁性材料中报道了HOTI的证据。为了探索其在自旋电子学中的可能应用，需要从天然材料到超构材料的系统中，是否都可以存在磁性HOTI。对于磁性系统来说，用于表征高阶拓扑的适当拓扑不变性仍然是未知的，该磁性系统通常包含各向异性的远距离偶极相互作用。

近日，来自成都电子科技大学和香港科技大学的研究小组合作预测基于自旋的超材料的动力学中二阶拓扑绝缘体的出现。研究者提出量化的陈数和Z6 贝里相可以完全表征非平庸的拓扑。通过研究蜂窝晶格中磁涡旋的集体回旋，得出了完整的相图，并表明拓扑零能量角模式受到六分格子中广义手性对称性的保护，从而导致了对紊乱和缺陷的鲁棒性。有趣的是，根据晶格边界是扶手形还是锯齿形，我们可以在钝角或锐角拐角处观察拐角状态。完整的微磁模拟结果很好地证实了理论预测。这项发现为在磁性系统中实现高阶对称保护的角状态并最终实现拓扑自旋电子存储器，成像和计算开辟了一条有希望的途径。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.13.064058

超构材料使我们能够创建自然界中未发现的具有有效介电常数和磁导率的系统，从而为操纵电磁波的性质开辟了新的可能性。通常，介电常数和磁导率张量的允许形式受到对称性因素的强烈约束。对于磁导率为1的非磁性介质，能量守恒，时间反演对称性（T）和互易性（R）的约束分别用  表示。这些约束是相关的，因为任何两个都可以推导出第三个。因此，在线性时不变介质中，可能恰好有五类介电张量：满足所有三个条件的普通无损电介质；仅满足T且不满足其他两种条件的有损电介质；非互易的无损电介质例如理想化的磁光材料，其仅满足 ；具有时间反演对称性的非互易电介质；违反这三个约束的介质。出乎意料的是，在这五类材料中，实际上以前没有对具有时间反演对称性的非互易电介质的材料或超构材料进行任何系统性研究，而对所有其他类型的介电张量进行了广泛的探索。

近日，来自斯坦福大学的研究小组探讨了具有时间反演对称性的不可逆超材料系统。这样的系统必然是非厄密的。研究者首先从这种介质的特征值和本征态导出极化动力学。它们具有两个不同的相，相隔一个奇异点，类似于PT对称系统。这些相位分别显示出与方向和偏振有关的增益和损耗以及对成对的偏振态的任意偏振转换。研究人员表明处于破缺相时此类介质可用于构建独特的双向定向放大器，其放大方向取决于入射极化。然后使用过渡金属二缩合乙二胺（TMD）层设计了范德华异质结构，从而实现了所提出的介电张量。这项工作为使用紧凑，大面积且无磁性的结构实现强大的光学不可逆性和偏振相关的定向放大提供了一条途径。相关研究发表在杂志《Physical Review LETTERS》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.257403

血管渗入人体器官，提供氧气和营养，并从活组织细胞中清除代谢物质。一旦血管异常，不论是结构性的还是动态的，在许多疾病中都有很强的病理表现特征。常见的脑血管疾病，包括动脉粥样硬化、血栓形成和动脉瘤，可以导致中风和多种形式的神经功能障碍和退化。炎症性肠病(IBDs)和肠道微生物感染与消化道丰富的血管和微出血有关。内出血是外伤和咯血死亡的主要原因之一。多血管肿瘤以丰富的血管生成为特征。因此，探测异常脉管系统对一系列生物医学检查具有重要意义。但由于血管固有的复杂性和生物组织的不均匀散射性，一直是影响血管病理的影像学检查准确性的一个重要原因。

近日，清华大学戴琼海等人报道了一种VasNet技术，即一种血管感知的无监督迁移学习算法，以克服生物医学成像中有限的数据获取，广泛的病理特征的多样性，以及训练神经网络时劳动密集型的图像配准和真实标记所带来的挑战，增强了病理血管小样本无标记荧光和数字减影血管造影图像的识别能力。VasNet采用域对抗性神经网络损失函数的多尺度融合策略，通过增强与视网膜血管参考相关的特征，弱化不相关的特征，诱导有偏置的模式重建。VasNet提供输出“结构+ X”模式(其中X表示多维特征，如血流、血液扩张和可疑的对等物的区分，以及新模式出现对疾病进展的依赖性)。因此，该设计策略有望增强医学诊断，因为它提高了性能，同时降低了人力专家、设备和时间消耗的成本。相关研究工作发表在《Nature Machine Intelligence》上。（丁雷）

文章链接：

Yong Wang et al, Augmenting vascular disease diagnosis by vasculature-aware unsupervised learning. Nature Machine Intelligence. (2020).https://doi.org/10.1038/s42256-020-0188-z.

具有狭窄共振特性的人工结构是很多领域科学进步和技术的关键。高Q值微谐振器使光学频率方面的突破性进展成为可能。高Q值和紧凑的设计使单片谐振器成为推动基础研究和技术发展的理想平台。特别是，微谐振器被用来理解有趣的量子现象以及前所未有的非线性过程。此外，微谐振器还被用于诸如单分子生物传感器和未来通信网络的重要构件模块等尖端应用。而我们知道要充分利用太赫兹频谱所带来的潜在应用，就需要研发太赫兹波段的高质量的共振结构。因此，实现这样的谐振器一直是科学家一个长期的目标。然而，尽管研究人员做出了很大的努力，但绝大多数谐振结构具有复杂的设计和显着的损耗，阻碍了未来太赫兹技术的突破。

近日，新西兰奥克兰大学物理系DOMINIK WALTER VOGT等人提出了一种亚波长厚度太赫兹硅盘微谐振器的新范式。实验中，研究人员利用连续波太赫兹光谱在0.6THz时获得的品质因子超过120,000。圆盘厚度减小到是波长的一部分，因而减少了来自硅衬底的损耗，并为在THz频率范围内的光物质相互作用的无与伦比的可能性应用铺平了道路，比如作者设想具有亚波长厚度的圆形谐振器或许将为探索电磁波谱的最终边界作出重要贡献。相关研究发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

文章链接：

DOMINIK WALTER VOGT et al, Subwavelength thick ultrahigh-Q terahertz disc microresonators. Photonics Research(2020).

https://doi.org/10.1364/PRJ.392288.

视觉系统的神经网络地图的绘制，对于脑科学的研究至关重要。对于对视觉感兴趣的神经科学家来说，一个基本的目标是在中等尺度上确定视觉皮层的整体结构，而在微观尺度上研究行为背后的神经元活动的规律。然而在生物清醒状态，通过视觉刺激并同时对脑神经元和脑组织活动进行观察存在巨大挑战。

目前，功能磁共振成像可以得到视觉映射图谱，但是分辨率较低；光学成像在非人灵长类动物中有使用普通光学成像、电压敏感染料成像或钙通道蛋白敏感的双光子显微成像。尽管这三种方法能提供微观到介观分辨率的成像，但在成像深度上极大地受到限制，此外成像视野也受到限制。

最近，来自法国索邦大学（Sorbonne Université），巴黎理工大学（Paris Sciences et Lettes Research University），艾克斯马赛大学（Aix-Marseille Université）等单位的研究人员开发了一种功能性超声（fUS）技术，能够对视觉任务进行血流动力学成像。该技术利用超快多普勒结合基于奇异值分解的时空杂波滤波，可以测量微血管内脑血容量（CBV）的变化。因此，和功能磁共振成像一样，它依赖于大脑活动的神经血管耦合。文章报道了通过对两个清醒的非人类灵长类动物执行被动注视任务的fUS成像，在距骨和月骨沟的视觉皮层深处构建了视觉映射图，这些视觉映射图可以在一个小时的时间里获得。尽管存在噪音因素，这些初步结果表明，深部组织中fUS的时空分辨率和敏感性为初级视觉皮层的非光学可触及的深皮质层以及沿跟骨和月骨沟的更深层脑区提供了活动途径。文章以Functional ultrasound imaging of deep visual cortex in awake nonhuman primates为题发表在PNAS上。（鲁强兵）

（A） 被动注视任务：固定中央绿色正方形时，周边视觉刺激闪烁0.5或2秒；（B） 解剖MRI（ML+7mm）显示了T猴（左）和S猴（右）fUS成像平面（白点矩形）的定位；（C） 深部解剖fUS采集，黑白图像表示平均CBV的振幅；（D） 重复视觉刺激期间的CBV测量。（比例尺，1厘米[B]和2毫米[C和D]）

文章链接：

https://www.pnas.org/content/117/25/14453 

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）。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。

亲爱的读者，请点击在看，多多支持我们呦！