超材料前沿研究”一周精选 2019年6月24日-6月30日

移动微机械系统不仅具有探测和操纵微观世界的巨大潜力，而且还具有在微观尺度和介观尺度上创建功能序列和组件的潜在能力。理想的微机械系统应该由多个部件、材料或化学成分组成，这些部件、材料或化学成分具有不同的功能，如驱动、传感、传输和递送等等。功能模式和性能将取决于这些组件在机器内如何组织和交互。由于功能部件的定向装配在空间控制方式上具有一定的难度，所以目前的微机械系统通常被制造成一个整体单元。由模块子单元组成的微型机器可以通过控制组件的相对配置，实现可重构和多种功能以及更复杂的运动模式的结合。

实现将微观部件组织成特定结构的一个突出方法是自组装，即部件之间的物理相互作用自发地驱动它们的组装。由外部场或化学燃料提供的能量可以驱动微机械的活动，同时指引子单元自组装的物理相互作用。例如，在旋转磁场下相互作用的磁性粒子组装成链或轮，这些链或轮能够在固体表面附近运动，再通过光的选择性激活一些微单元从而组装成活性晶体结构和自旋转齿轮。总之，定向场和自驱动胶体组装已被用于制造能够执行复杂运动和功能的微型机器。然而，将异构组件集成到具有特定结构、动态和功能的微机器中仍然具有挑战性。

近日，德国斯图加特马普智能系统研究所Metin Sitti等人设计了一种通过对结构和移动单元预先编程的物理相互作用来实现动态自组装的移动微机械装配。该组件由介电泳相互作用驱动，编码为各个部件的三维形状。由磁性和自驱动电机部件组装而成的微型机器，表现出可重构的运动模式和额外的旋转自由度，这是传统的单片微系统所不具备的。同时在不同的可重构、层次化和三维微机械装配上，证明了该装配设计的通用性。该研究结果展示了形状编码的装配过程如何使可编程、可重构的移动微机器成为可能。并且研究人员说道，他们所提出的设计原则将推动和激励更复杂、模块化的微型机器的发展，并将其集成到多尺度层次系统中。在微机器人、胶体科学、生命科学等领域具有巨大的应用潜力。相关研究工作近期发表在《Nature Materials》。

文章链接：Yunus Alapan , Berk Yigit  et al. Shape-encoded dynamic assembly of mobile micromachines. Nature Materials (2019).https://doi.org/10.1038/s41563-019-0407-3.

具有空间变化偏振态的光学矢量光束由于其独特的性质，例如紧密聚焦，自旋和轨道角动量以及强纵向电场，在许多领域引起了相当大的兴趣。矢量光束的应用范围从光学镊子到单分子成像，近场光学和自旋变换。

最近，与非衍射特性相结合的矢量光束在理想条件下显示了沿光束传播的不变横向光束轮廓和偏振态。基于麦克斯韦方程组的精确解，得到了三种类型的非衍射标量光束，包括Bessel，Mathieu和Weber光束。

最常见的非衍射矢量光束是径向和方位角偏振Bessel矢量光束，已被证明可用于成像和计量学的应用，到目前为止，用于生成非衍射矢量光束的方法仍然受限于使用庞大的空间光调制器（SLM）以及复杂的4-f透镜系统和空间滤波器来分离和组合矢量光束的不同自旋分量。此外，SLM材料的色散性质以及光学元件的像差和不对准极大地降低了系统的性能并限制了工作波长范围。

最近，金属薄膜中的纳米天线阵列制成的等离子体超构表面被设计用于定制光束波前，来自美国 Missouri University of Science and Technology的Xiaodong Yang团队设计了一种通过使用环形等离子体几何超构表面生成无衍射的Bessel，Mathieu和Weber矢量光束。非衍射矢量光束是由Whittaker积分描述的两个离轴右旋和左旋圆偏振非衍射标量光束的叠加产生的，它们由具有环形相位轮廓的单个超构表面同时产生。通过斯托克斯参数分析所产生的非衍射矢量光束的偏振态，并且通过光束干涉测量轨道角动量状态。此外进一步证明了非衍射矢量光束的自愈特性，表明不仅可以在小的不透明障碍物后面恢复光束轮廓而且可以恢复偏振态。研究所展示的环形等离子体超构表面为生成复杂的无衍射矢量光束提供了紧凑而有效的平台，并为与旋转和轨道角动量转换，量子信息处理，光学操纵和光通信相关的许多有前景的应用铺平了道路，文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.064059

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。而机械系统的不断发展促进了包含电、光、原子和声学自由度的混合量子技术的发展，而纠缠是实现量子器件的关键。连续变量纠缠场被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)态，是空间分离的双模压缩态，可用于量子隐形传态和量子通信。在光学领域，EPR态通常是用非简并光放大器产生的，在微波频率下，约瑟夫森电路可以作为非线性介质。一个非常好的想法是用机械振荡器确定性地产生和分布纠缠态，而这需要在超低噪声环境中很好的控制激励、冷却和耗散之间的平衡。

近日，奥地利科学技术研究所S. Barzanjeh等人发现了一种采用机械振荡器来产生纠缠辐射的方法。该振荡器为一个30 μm长的硅纳米线振荡器。由一万亿个原子组成，虽然30 μm对于我们肉眼来说十分微小，但是对于量子世界来说非常巨大。这个微机械系统的运动与每秒每赫兹50个光子相关联，从而导致量子失谐，这种量子失谐对微波噪声具有很强的鲁棒性。这种可分离态的广义量子关联对量子增强探测非常重要，它直接证明了机械振荡器的非经典性质，而无需直接测量其状态。这种非侵入性的测量方案可以推断出其他难以接近物体的信息，对传感、开放系统动力学和量子引力波的基本测试具有潜在的意义。在将来，类似的芯片设备可以被用来纠缠不同能量尺度的子系统，比如微波和光学光子，从而应用于量子计算机。相关研究工作近日发表在《Nature》上。

文章链接：S. Barzanjeh1, E. S. redchenko,et al. Stationary entangled radiation from micromechanical motion.(2019).https://doi.org/10.1038/s41586-019-1320-2.

电磁感应透射（EIT）是原子系统中众所周知的物理效应，是由于两个激发路径之间的量子破坏性干扰导致的。陡峭的色散和低吸收发生在一个清晰的透明窗口，这使其非常适用于减慢光线，增强光学非线性，和数据存储的大量潜在应用。Autler-Townes 劈裂（ATS）是光响应的场引起的分裂，与干涉效应无关，并且被描述为两个洛伦兹量的非相干之和。EIT和ATS在现象学上可能看起来相似，但它们在性质上是不同的，一个是量子干涉，另一个是线性交流斯塔克效应。 近年来，EIT和ATS的经典类比已引起人们对光子学，光力学，等离子体和超构材料等平台的兴趣日益增加。许多讨论都致力于研究它们容易混淆的吸收或透射光谱。除了它们在物理机制上的差异之外，还提出了Akaike信息准则（AIC）来定量识别ATS中的EIT，从而实现了从ATS到EIT的转换。从EIT到ATS的交叉已经证明存在于热分子和开放式梯形系统中。在声学方面，EIT的类似物，被称为AIT，已经在不同的结构中进行了研究，但是ATS的类似物及其与AIT的比较仅在最近才被报道。此外，ATS和AIT的声学模拟之间的区别和过渡尚未进行过定量研究。

近日，来自Univ. Lille的Yuxin Liu团队报道了ATS和AIT的相关研究，在这项工作中，Love波与两列柱状超构表面的相互作用通过有限元方法进行了数值研究。通过改变支柱线之间的距离，首先在两行相同的支柱中展示ATS，法布里-珀罗共振和空腔模式的声学模拟。通过使一条柱的半径失谐，当两列之间的距离是半波长的倍数时，法布里-珀罗谐振以及两个不同的柱谐振产生EIT（AIT）的声学模拟。ATS和AIT公式模型用于拟合透射光谱，显示与数值结果的良好一致性。通过使用AIC来定量评估拟合模型的质量。结果表明，ATS和AIT之间的理论和分析在方法论上是互补的。这些结果应该对潜在的声学应用产生影响，例如声波控制，以及超构材料和生物传感器的设计。文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.064066

非线性光学系统能够生成不同于输入频率的频谱。这种现象在低光功率的固态系统中不可用，大多数材料倾向于仅表现出线性光学响应。此外，输入和输出频率之间的光谱分离通常受到常见非线性介质的色散特性的限制，这使得相位匹配具有挑战性。然而，由于谐振器几何结构中提供的强场限制和极大的光子寿命，纳米光子系统可以在较低输入功率下实现超高光学强度。强场限制还能够产生几何色散以平衡材料色散，因此可以实现宽频率分离的相位匹配。在紧凑、低功耗平台上实现光波信号的光谱转换是非线性纳米光子技术的核心。例如，将通讯波段与可见/近红外波长连接的设备可以实现基于可扩展纳米制造技术的高性能芯片集成激光器与用于时间和频率计量的原子系统之间的连接。

近日，来自美国马里兰大学的研究团队展示了一种芯片级系统，通过超低功率非线性纳米光子学，在> 250 THz的光谱分离上连接通讯波段光子和可见光波长光子，实现了亚毫瓦级泵浦功率的高转换效率。尽管研究人员使用了更弱的三阶非线性，然而系统能够通过相对于泵浦功率的平移效率来量化，器件的性能超过了芯片集成的二阶非线性系统的性能。通过在氮化硅微环谐振器中将谐振增强与纳米光子模式工程相结合，研究人员证明了从通讯波段（~1,550 nm）到可见波段（~650 nm）的连续波信号通过腔增强的有效光谱转换。在> 250 THz的宽光谱范围内转换效率为（30.1±2.8）％，并且使用（329±13）μW的超低泵浦功率。转换效率在1 mW时达到（274±28）％，比现有纳米光子器件的转换效率高出一个数量级。该研究工作说明了使用共振增强和精确纳米光子器件工程能够显着增强非线性光学过程。

文章链接： X. Lu, G. Moille, Q. Li, D. A. Westly, A. Singh, A. Rao, S.-P. Yu, T. C. Briles, S. B. Papp, and K. Srinivasan, Nat. Photonics (2019).

近年来，由于在安全通信、量子隐形传态和分布式量子计算方面的优异性能，量子通信引起了研究人员极大的兴趣。由于光子的传输特性与当前通信网络的兼容性，光子被认为是量子通信的最佳媒介。然而，目前最大通信距离受到诸如光纤的量子信道中的光子损失的严重限制。一种可行的解决方案是使用卫星作为中继，在自由空间信道上传输光子。在基于光纤的通讯网络中，量子中继器被认为是克服距离限制的最有希望的方式。量子中继器的标准范例包括三种基本技术，即纠缠交换，纠缠纯化和量子存储器。最近，在理论上和实验上都取得了重大进展。然而，除非未来有实验性突破，否则当前量子存储器的有限性能仍然是实现实际量子中继器的主要障碍。

全光子量子中继器一定程度上克服了物质量子存储器的苛刻限制。与传统的中继器不同，全光子方案引入了中继器图状态（RGS）的显式构造，其由K个核心光子的完整子图组成，每个子核连接到另外的光子以形成K个外部臂。该方法提供了对光子损失的一定容忍度，并且还避免了量子存储器的相干时间限制和长距离预测要求。这些特征使得全光子量子中继器目前引起了很多关注。

近日，来自中科大的研究团队进行了全光子量子中继器的实验演示。通过操纵12光子干涉仪，实现了一个2×2并行全光子量子中继器，并观察到纠缠生成率比标准并行纠缠交换增强了89％。这些结果提供了一种设计具有高效单光子源和光子图状态的中继器的新方法，并且表明全光子方案代表了与基于物质存储器的方案平行的替代路径 ，从而有望实现真实可用的量子中继器。

文章链接：Z.-D. Li, R. Zhang, X.-F. Yin, L.-Z. Liu, Y. Hu, Y.-Q. Fang, Y.-Y. Fei, X. Jiang, J. Zhang, L. Li, N.-L. Liu, F. Xu, Y.-A. Chen, and J.-W. Pan, Nat. Photonics (2019).

纳米结构电光开关具有开/关比高、占地面积小、工作波长范围宽等特点，是光子集成电路中用于片上光学信息处理的关键元件。虽然现在多样化硅基光电器件已经实现，但其固有的间接光学带隙和弱光调制机制限制了它们在小型化光学开关和片上光子互连中的广泛应用。相比之下，直接带隙半导体纳米结构具有优异的光电特性，在构建用于片上光子集成的纳米级光开关方面具有广阔的应用前景。然而，先前报道的半导体纳米结构光学开关存在严重的缺陷，如驱动电压高、工作光谱范围有限和调制深度低。

近年来，半导体纳米结构中声子参与的光学过程已经引起了人们的广泛关注。在过渡态可调谐的情况下，谐振单声子或多声子过程可以有效地增强所涉及的光学跃迁(有效吸收系数)，在更宽光谱范围内进行光学切换。此外，谐振条件可以通过应用电场调谐半导体的光学带隙或带尾状态来匹配。因此，结合电场调制效应和声子辅助光学跃迁，可以实现基于纳米结构的功能光学开关。

近日，湖南大学潘安练教授、王笑教授研究小组报告了一种高性能单半导体纳米结构电-光开关，并演示了室温下的功能光学逻辑门。具体的，他们通过Au催化的化学气相沉积（CVD）方法合成CdS纳米带，实现了单个半导体CdS纳米带基电动光学开关。利用电场依赖性光致发光(PL) 发射在材料带隙上下的能量，揭示了在外加电场作用下的光学跃迁动力学。由于声子辅助光学跃迁，该电-光开关不仅在近带隙发射波长处工作，而且还可以进一步扩展到更长的波长(子带隙区域)。此外，他们通过在图案化的电极上设计简单而有效的单个纳米带结构，实现了功能性NOT、NAND和NOR逻辑门。总之，该纳米电光开关具有逻辑门具有占据空间小、工作电压低、工作光谱范围广等优点，可实现片上电光信息处理，为组装用于信息光学处理的纳米级光子集成电路铺平了道路。相关工作发表在《Advanced Materials》期刊上。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201901263

长按二维码
关注我们吧

精彩回顾  

1超材料前沿研究”一周精选 2019年6月3日-6月15日

2.超材料前沿研究”一周精选 2019年6月16日-6月22日

免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。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。

邮箱：janechou@imeta-center.com

微信号：18305163023