超材料前沿研究一周精选 2019年8月4日-8月11日

近几年来，瞬态成像技术，如条纹照相机、门控传感器、单光子雪崩二极管(SPADs)或干涉仪等，取得了很大的进步，其对时间分辨图像信息的获取处理增强了对部分或完全隐藏在直接视图(即非视线成像)下的目标成像。非视线成像通过分析二次继电器表面的间接漫反射，使物体能在部分或完全被遮挡在直接视线之外时被观察到。尽管有许多潜在的应用，但现有的方法缺乏实际的可用性，比如单散射假设、理想的漫反射以及在隐藏场景中缺乏遮挡等限制。尽管依赖于线性衍射波传播的简单数学过程，但视线成像系统对成像场景没有任何假设性要求。

近日，美国威斯康辛大学麦迪逊分校Andreas Velten等人通过引入虚波场，即相量场，证明了非视线成像问题也可以表示为衍射波传播问题。在传统的视线成像系统中，利用数学方法对波的传播进行建模，可以通过原始的时间数据对非视线场景进行成像。但本文的研究人员使用一类新的成像算法，模拟了视线摄像机的功能。为了证明他们技术可行性，研究人员推导了三种成像算法，它们是根据三种不同的视线系统建模的。这些算法依赖于求解波的衍射积分，即瑞利-索末菲衍射积分。快速求解瑞利-索末菲衍射及其近似解是一种有效的方法。同时研究人员演示了具有强多重散射和环境光、任意材料、大范围和遮挡的复杂场景的非视线成像。该方法在不明显反转光传输模型的情况下处理这些具有挑战性的情况。此外，该方法具有灵活，快速，且存储效率高和计算复杂性低等特点，因为它不需要倒置一个传输模型。该文章作者坚信，此方法将有助于非视线成像技术的发展，并促进相关应用的发展，而不仅仅局限于实验室条件。相关研究工作发表在《Nature》上。

文章链接：Xiaochun Liu et al. Non-line-of-sight imaging using phasor-field virtual wave optics. Nature(2019).https://doi.org/10.1038/s41586-019-1461-3.

一个最佳的单光子源应该是确定地一次只发射一个光子，而不需要在光源的效率和光子的不可分辨性之间进行权衡。然而，所有报道的难以分辨的单个光子的固态源都必须依赖偏振滤波，使得效率降低了50%，从根本上限制了光子量子技术的规模。

近日，中国科学技术大学潘建伟等人克服了这个长期存在的问题，通过相干驱动量子点确定性耦合到具有极化选择性珀塞尔微腔中。研究人员给出了两个例子:窄带椭圆微柱和宽带椭圆布拉格光栅。同时为了减小谐振激励下的偏振滤波损耗，他们设计了一种偏振正交激励方案，从而证明了微柱(布拉格光栅)器件的偏振单光子效率为0.60±0.02(0.56±0.02)，单光子纯度为0.975±0.005(0.991±0.003)，不可分辨能力为0.975±0.006(0.951±0.005)。该设计与成熟的交叉极化装置兼容，不需要复杂的样品制作和侧激励装置等。这使得制造出单一的难以分辨的光子偏振源成为可能。微柱腔对微腔发射体光谱共振的匹配要求比靶心器件更高，但由于其窄带特性，可以抑制声子的发射。将这两种纳米结构结合起来利用它们各自的优点，包括紧密约束、最小的散射损耗和抑制声子辅助发射，将是未来的研究热点。总之，该工作为同时具有近单元不可分辨性和近单元系统效率的真正理想单光子源提供了潜在解决方案。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。

文章链接：Hui Wang et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities. Nature Photonics(2019).https://doi.org/10.1038/s41566-019-0494-3.

几个世纪以来，几何学和光学材料之间的联系已广为人知，费马原理的时代决定了光学射线在比光学波长大得多的尺度上的行为。随着本世纪超构材料的出现，通过变换光学（TO）的发明，已经在麦克斯韦方程的水平上重新建立了光的几何形状，适用于从宏观到深度亚波长的所有尺度，不仅控制光线而且控制电磁领域。然而，理想的TO器件通常是非常不均匀和各向异性的，并且它们通常需要沿三个正交方向的电响应和磁响应。因此，仍然缺乏实现理想TO设备的一般策略。大多数先前的TO演示都依赖于所谓的eikonal近似，它仅对光线有效，而它却丧失了TO控制电磁场的力量。

近日，基本的掺杂半导体概念已经被引用在介电系数趋近零（ENZ）介质平台的光子学中，通过掺杂非磁性杂质，ENZ介质可以表现出几乎是任意的磁性。然而，这种原始的光子掺杂方法仅在各向同性介质中产生，因此不能实现所有入射角的阻抗匹配。

来自新加坡南洋理工大学的Baile Zhang团队通过增加各向异性来扩展ENZ介质的光子掺杂方法，从而实现全向透明和全向阻抗匹配。更重要的是，这种各向异性掺杂的ENZ介质在任意坐标变换下保持其材料参数，从而提供了一个强大的各种理想的变换光学器件的构建平台。例如，一个全参数全向隐形斗篷被证明可以隐藏各种入射角度的物体。他们所提出变换不变的超构材料不仅补充和扩展了ENZ介质的新兴技术，而且构成了实现理想转换光学器件的重要步骤。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。

文章链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.067701

超表面是一种亚波长的结构阵列，它能够施加局部或随空间变化的相移，从而对透射或反射的电磁（EM）波进行波前调制。不同种类的超表面，例如有纳米结构梯度变化的亚波长薄层、介电光子晶体和金属双曲线超表面，以及被用于控制自由空间中电磁波的面内和面外模式。应用超表面调制波前的方法显著减少了简单功能组件所占用的空间，同时，对于用于并行信号处理的多输入/输出器件的性能有巨大的优化，这使得在超紧凑尺寸内的片上并行光信号处理成为可能。然而，已报道的超表面设计方法较大的固有散射损耗（范围从几dB到几十dB）限制了它们的大规模应用。

近日，来自University of Delaware的顾庭怡副教授及其研究团队，应用单层高对比度透射阵列（HCTA）表面可以最小化散射的原理，通过轻微调整器件层中定义的空隙槽的尺寸，实现了低损耗并行传输的波前调控。研究展示了在标准的绝缘硅片工艺上构建的一维HCTA透镜，其在具有200 nm带宽的基础上，保持了高透射率（<1 dB损耗）。另外，研究人员还通过级联三层HCTA实现了具有傅立叶变换和微分功能的基础系统。超系统（meta-system）设计具有实现片上变换光学、数学运算和光谱仪的潜力；在成像，传感和量子信息处理领域具有很大的应用前景，该工作于8月7日发表于《Nature Communication》。

文章链接: 

https://doi.org/10.1038/s41467-019-11578-y

超构材料由具有周期性或非周期性排列的人造亚波长单元结构组成，具有灵活操纵电磁波的能力。基于超构材料，已经提出了许多奇妙的作品，如负折射，隐形斗篷，变换光学镜片等。通过将亚波长散射体放置在表面上的二维（2D）图案中，可以将超构表面视为平面超构材料，其也具有处理电磁波的强大能力。超构表面通常在反射和透射模式中分为两种类型。对于反射型表面，很容易使用单层反射阵列同时实现高反射和360°相位控制。然而，对于透射型表面，通过使用单层或双层透射阵列难以同时实现高透射率和360°相位控制。

通过将亚波长散射体放置成二维阵列图案而构造的平面表面或界面的超构表面近年来引起了很多关注。然而，已经表明，当级联层的数量小于3时，没有通孔的透射型表面难以同时实现高透射率和360°相位控制。为了实现高透射率（-2.5dB标准）和360°相位控制，来自东南大学的崔铁军教授团队提出了一种仅由无通孔双层透射阵列元件组成的超薄惠更斯的超构表面。受益于双层透射阵列元件的反对称设计，所提出的惠更斯的超曲面激发了相互干扰的电偶极共振，允许同时实现高传输和360°相位控制，这是对称单元结构无法实现的。基于超薄惠更斯的表面，设计，制造和测量了高增益发射阵列天线，在13 GHz的微波频率下，只有0.033波长的非常小的厚度，可以实现高达61.04％的高孔径效率。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.024012

单光子在量子计算中扮演了比特单位的作用，被广泛应用于各种量子模拟场景如量子行走、玻色子采样等。单粒子量子行走能够精确的映射到经典波行为，然而量子力学中奇特的量子行为也被限制在了单粒子的范围。与此相对，多个全同粒子能够提供明显的非经典相关性，并且这种量子行为成为量子计算的独特优势，因此在构建多粒子量子计算机时保留非经典特征至关重要。例如，双粒子量子行走可以计算图像重构问题、量子误差校正等。起源于凝聚态物理的拓扑光电子学能够成功提高系统对耗散和缺陷的鲁棒性。片上拓扑边界态能够扩展到量子状态从而直接保护量子相关性，从而提供一种有效地保护量子性的方式。

近日，来自上海交大等单位的研究团队实验验证了光子芯片上拓扑光子晶格中双光子量子关联的演化动力学及其拓扑保护。研究人员观察到边界态没有明显的关联性的下降。相比之下，发散态中的双光子关联程度会极大降低。通过测量高达30个标准偏差的Cauchy-Schwarz不等式的打破从而验证边界状态下双光子关联的保持。通过使用不同的量子源，研究人员进一步通过实验验证了拓扑保护对波长差异以及光子可区分性仍然是鲁棒的。这种拓扑保护能够成功的片上集成，从而提供了一种保护量子关联性的可行方法，从而实现了拓扑光子学和量子信息之间的交叉。

文章链接：Yao Wang, Xiao-Ling Pang, Yong-Heng Lu, Jun Gao, Yi-Jun Chang, Lu-Feng Qiao, Zhi-Qiang Jiao, Hao Tang, and Xian-Min Jin, "Topological protection of two-photon quantum correlation on a photonic chip," Optica 6, 955-960 (2019)

产生具有低相位噪声和宽带可调谐性的微波信号在通讯、雷达、电子系统等方面具有非常重要的应用价值。传统的电子谐振器只能在低频下产生具有低相位嗓声的微波信号。而为了获得高频信号，往往需要使用倍频的方式，这使得相位噪声大大提高，信号质量降低。光电谐振器(OEO)是产生具有低相位躁声和宽带可调谐性微波信号的有前途的解决方案。例如，现今最先进的光电谐振器能够在16km长的光纤环路中将16GHz的微波信号的相位噪声降低至-163dBc/Hz，频率偏移低于6kHz。然而，长光纤环路导致超窄的模式频率间隔，往往需要结合带通滤波器，又会导致模式跳跃问题。

时空对称为光电谐振器提供了一种新的方向。通过精确控制耦合腔之间的增益损耗和耦合系数，能够针对特定的本征模式破坏时空对称性，从而实现稳定的单模振荡。近日，来自华中科技大学的研究团队提出了一种具有选择性时空对称破缺的光电谐振器，具有极高纵模抑制比(SMSR)和宽带可调谐性。使用可宽带调谐的微波光子滤波器能够选择不同的模式来打破PT对称性，从而实现光电谐振器的宽带可调谐。在实验中，测得的振荡频率从2.6到40GHz宽带可调谐。所选模式的输出功率增强了12.9dB，最大SMSR达到71.4 dB. 此外，测得的0E0在17.74GHz处10 kHz的偏移频率下的相位躁声达到-129 dBc/Hz。选择性PT对称性破缺提供了开发具有超高SMSR和优异的低相位噪声的可广泛调谐的OEO的可能性。

文章链接：Haitao Tang, Yuan Yu, and Xinliang Zhang, "Widely tunable optoelectronic oscillator based on selective parity-time-symmetry breaking," Optica 6, 944-950 (2019)

连续谱中的束缚态（BIC）在物理学中引起了广泛的兴趣，因为它们理论上具有无限的品质因子。在特定限制的参数空间内，BIC模式不能与任何辐射通道耦合。在不考虑材料损耗的情况下BICs具有无限的弛豫时间和零线宽。一种实现BIC的方式是利用超表面来束缚光，亚波长尺寸的点阵能够通过对称性来控制特定的透反射通道，从而能够通过控制系统参数来抑制特定通道，从而实现对称性保护的BICs。具有鲁棒性的BIC和准BIC模式能够实现高品质因子微腔从而实现诸如激光、增强检测等作用。

近日，来自西班牙和荷兰的研究团队展示了基于可调谐偶极子的超表面，这种超表面设计简单并容易在实验上实现，能够在非衍射区域实现鲁棒的BIC模式。这些BIC的对称性保护不会因为重复单元内偶极子的位移而破坏或消失，从而增加了系统对缺陷的耐受性。随着偶极共振失谐消失，共振从FANO共振演变为对称性保护的BIC，THz波段透射光谱中窄线宽随着共振的降低而显著增加。通过实验证明这种BIC在THz波段出现在金属棒状结构二聚体表面，并且BIC条件与重复单元中单胞偶极子/金属棒之间的相对位置、晶格常数无关，因此这些属性使得一系列失谐偶极子成为一种通用的场景，能够在各个波段设计强大而通用的超表面，从而支持整个电磁波谱中连续束缚态，在探测、激光等应用场景具有重要的意义。

文章链接：Diego R. Abujetas, Niels van Hoof, Stan ter Huurne, Jaime Gómez Rivas, and José A. Sánchez-Gil, "Spectral and temporal evidence of robust photonic bound states in the continuum on terahertz metasurfaces," Optica 6, 996-1001 (2019)

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