超材料前沿研究”一周精选 2019年3月11日-3月17日- 大数跨境

超材料前沿研究”一周精选 2019年3月11日-3月17日

两江科技评论

2019-03-17

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及硅微结构中的激光驱动电子透镜、利用空间折叠的各向异性超材料实现单检测器声学相机、声子晶体中II型外尔点和费米弧的实验实现等，敬请关注！

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及硅微结构中的激光驱动电子透镜、利用空间折叠的各向异性超材料实现单检测器声学相机、声子晶体中II型外尔点和费米弧的实验实现、用于单光子极化量子比特的高效量子存储、基于人工规范场的光波导、基于光频梳的时域激光腔孤子等，敬请关注！

索引

1.PRL:硅微结构中的激光驱动电子透镜

2.PRA:利用空间折叠的各向异性超材料实现单检测器声学相机

3.PRL:声子晶体中II型外尔点和费米弧的实验实现

4.用于单光子极化量子比特的高效量子存储

5.基于人工规范场的光波导

6.基于光频梳的时域激光腔孤子

1、PRL:硅微结构中的激光驱动电子透镜

介电激光加速器(DLA)是一种利用飞秒脉冲激光使电子产生线性加速的介电结构加速器，其加速度梯度比传统的金属加速器高几个数量级。微结构是一种亚波长光栅，其光学近场与传播的电子束相位相匹配，从而使电子束加速。虽然加速器尺寸与其驱动波长相当，但也带来了一些问题。关键问题之一是要将电子束限制在μm级的DLA通道内，这就需要镜头的聚焦能力比目前的镜头高几个数量级。

近日，斯坦福大学Dylan S. Black等人报道了一种激光驱动可调谐的单片硅电子透镜。该透镜由两排对称的硅柱阵元组成，并且同时在两侧施加了300 fs，1.95 μm波长，nJ级的脉冲激光束。硅柱结构的光学近场使得电子聚焦于垂直于柱轴线的平面内。当入射激光场强度为100 ± 10 MV/m时，测得的透镜焦距为50 ± 4 μm，通过改变入射激光场强，镜头焦距的可调范围从21±12 μm (B’> 3.3 MT/m)到厘米尺度不等。其聚焦强度与等离子体中观察到的强度相当，远远超过任何静态场透镜。此外，该透镜设计简单，可与现有的光子加速器体系结构进行整体集成，其强度足以将电子束限制在一个加速器通道上，使之小于1μm。相关研究近期发表在《Physical Review Letters》上。

文章链接：Dylan S. Black, Kenneth J. Leedle, et al. Laser-Driven Electron Lensing in Silicon Microstructures. (2019).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.104801.

2、PRA:利用空间折叠的各向异性超材料实现单检测器声学相机

声学成像技术在不同应用方面有关键作用，例如靶向追踪，医疗设备，结构性健康监测。目前的声学成像主要使用大型的，复杂的传感器阵列。近日，来自上海交通大学的Qingbo He团队提出了一种具有随机结构参数的空间折叠各向异性超材料来实现单检测器声学相机，解析和数值模拟结果证明了空间折叠式的高各向异性超材料能够对输入声波产生正交定向调制。因此，声源的信息可以在压缩感知框架下通过调制的混合信号来重建，实验结果表明多个宽带声源的定位和成像可以在平面几何形状和方位角上来实现。材料结构由36块扇形单元构成，在扇形单元里为空间折叠式的通道，不同入射角下的声学模式有实质性区别。这种基于单检测器声学相机的超材料拓展了单检测器声学成像的应用，因而指出了另一类声学检测系统设计的思路。相关文章发表在《Physical Review Applied》.

文章链接：Jiang, T., et al. (2019). "Proposal for the Realization of a Single-Detector Acoustic Camera Using a Space-Coiling Anisotropic Metamaterial." Physical Review Applied 11(3).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.034013

3、PRL:声子晶体中II型外尔点和费米弧的实验实现

外尔点（WP）作为三维动量能带结构中的双重简并点，携带有量子化的拓扑电荷，同时具有一系列奇异的性质，例如：具有鲁棒性的表面波和手性反常（chiral anomaly）。最近，研究人员在凝聚态系统和光子学系统中提出了II型外尔半金属，其在费米面附近具有锥形的色散关系，同时，相较于I型外尔半金属其色散具有更大的斜率。虽然理论已经预测了声子晶体中II型外尔点的存在，但到目前为止尚未有实验验证这一预测。近日，来自南开大学的陈树琪教授及其研究团队，通过实验实现了II型外尔声子晶体。该声子晶体在布里渊区中的高对称线上具有II型外尔点。

实验展示了不同kz下，kx-ky平面中能带的闭合和重新打开的过程，以及在外尔点频率观察到的拓扑转变和外尔频率之间的拓扑声表面波。其实验结果与理论分析完全一致。该工作为3D拓扑声学提供了新的见解，并弥补了II型外尔声子晶体实验工作的不足。此外，同时承载表面模式和体模的II型外尔声子晶体可能进一步拓宽外尔声子晶体在在声音操作中的应用，包括不对称波导和无反射的异常折射。并可能进一步扩展到其他系统，例如光子和冷原子。

该研究成果于近日发表在《Physical Review Letters》。

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.104302

4、用于单光子极化量子比特的高效量子存储

量子存储器允许存储未知量子态并随后以可控时间延迟按需检索，这对于实现基于中继器的长距离量子网络和大规模量子计算机至关重要。与经典存储器不同，量子存储器的效率在保存量子信息中起着更重要的作用。例如，在没有后选择的情况下克服量子非克隆限制需要大于50％的存储器效率，并且高的存储效率对于单向量子计算中的一些纠错协议也是必需的。然而，实现具有均一稳定存储效率和量子态高保真度的量子存储器仍然是一个挑战。

光子存储器是实现量子存储的有效手段。它的实现主要依赖于飞行光子模式和长寿命物质状态之间的光物质界面上。现阶段已经有许多研究证明了有效的光学存储，例如光子回波技术的效率为87％，非共振拉曼相互作用的效率为30％，电磁感应透明技术（EIT）为92％。然而，所有这些实验演示都是用衰减的弱相干激光脉冲进行的。虽然弱相干激光脉冲可以包含单光子水平或低于单光子水平的平均光子数，但是精确光子数的不确定性使得这种类型的激光脉冲不利于许多量子信息处理协议。

近日，来自南方科技大学、香港科技大学和南京大学的联合团队展示了一种基于EIT原理的冷原子量子存储器，效率超过85％，保真度超过99％。他们通过将二维希尔伯特空间中的未知光量子态映射到原子介质中的两个平衡空间模式并使用单个控制激光束来动态地写入和读取存储的量子位，从而成功的实现了用于单光子偏振量子比特的量子存储器。通过与其他滤波技术相结合，系统噪声能够被降至最低，从而实现高量子态保真度和单光子纯度。同时，由大角度分离引起的相位失配显着地抑制了四波混频（FWM）非线性过程。此外，该团队进一步证明，单通道时间模式量子存储器的优化效率可高达90.6％。存储器的延迟带宽乘积约为10，单光子量子位可以存储多达10个脉冲时间延迟，效率超过80％。该工作与传统EIT量子存储器以及其他各种量子方案兼容，因此具有较大的实际应用潜力。

文章链接：Yaakov Lumer, Miguel A. Bandres, Matthias Heinrich, Lukas J. Maczewsky, Hanan Herzig-Sheinfux, Alexander Szameit, and Mordechai Segev, 'Light Guiding by Artificial Gauge Fields', Nature Photonics (2019).

DOI: 10.1038/s41566-019-0370-1

5、基于人工规范场的光波导

波导是许多光子学应用中的基本构件单元，它能够将光限制在一定区域中，并能够允许光在其中传播。波导的基本结构包括高折射率的波导芯和低折射率的包层，从而使光在标准波导内产生全内反射。一般而言，波导芯和包层由具有不同色散关系的介质制成。最近，研究人员提出了一种新的波导概念，其中波导的包层和核心区域具有相同的色散曲线，但是波导芯的色散通过人工规范场的控制而移动。

规范场是物理学中的基本概念，描述了带电粒子之间的基本相互作用。因此，中性粒子（例如光子）与实际的规范场没有相互作用。然而，通过适当地设计物理系统，可以产生人工规范场，该人工规范场能够控制中性粒子从而产生等效的动态调控。通常可以通过系统的几何设计或通过某种特定的外部调制来诱导人工规范场，使得系统的等效动态行为表现为好像它由真实的规范场控制。人工规范场在物理学中起着至关重要的作用，因为它们允许人工赋予系统各种有趣的特征。在光子系统中，已经提出并证明了各种人造规范场并成功实现光子Floquet拓扑绝缘体、Aharonov-Bohm相，以及含时调制硅光子学的非互易器件等。

近日，来自以色列理工学院的研究团队，通过构建人工规范场，成功地展示了光学波导结构。他们通过使用具有特殊几何结构的波导阵列来构造人工规范场。倾斜波导阵列导致规范场在核心和包层中具有不同的色散曲线，从而将光限制在核心区域。在该系统中，人工规范场仅仅来自波导的轨迹，并且不需要对材料特性进行外部调制。此外，研究团队还展示了由相同规格和色散的材料构成的波导，其中核心和包层之间的唯一差异是规范场动态的相移，在其中成功观察到了连续体中的动态束缚态（BIC）。这是首次在实验中观察到动态的连续束缚态。该研究成果提供了一种新的光子学平台，极大推动了基于人工规范场的新型器件的研究和应用。

DOI: 10.1038/s41566-019-0370-1

6、基于光频梳的时域激光腔孤子

基于微腔谐振器的光频梳，也称为“微梳”，是一种优异的光子学平台。它能够实现各种丰富的功能，同时又具有高度集成化的占位面积，因而在光谱学、通信、微波光子学、光学测距等领域具有广泛的研究价值。微腔中的时域光孤子一直以来也是人们关注的焦点。时域光孤子是耗散孤子的一个重要例子，重点研究自限制波平衡色散与有损系统中的非线性相移。然而，时域光孤子在实际应用中仍面临重大挑战。特别是，它们的“模式效率”十分有限，明亮孤子的模式效率在理论上为5％，这大大限制了其应用价值。此外，时域光孤子的重复率十分不容易控制。现阶段控制重复率的方法，诸如微波信号处理、快速腔驱动等，都过于复杂，这也限制了其实际应用价值。

近日，来自英国和中国研究人员组成的联合研究团队发表了一项新的研究成果。他们展示了一种微梳中独特的光孤子脉冲：时域 “激光”腔孤子。与外部驱动的腔孤子不同，激光腔孤子不需要泵浦背景的能量支持，而是直接从激光介质的增益中吸收能量。因而，激光腔孤子能够在没有任何背景光的情况下存在，并且本质上是最节能的光孤子类型。通过将它们的特性与多模系统的物理特性相结合，能够为微腔中的孤子生成和控制提供了一种新的范例。该研究团队展示了50nm宽的明亮孤子梳，它们的平均功率比Lugiato-Lefever孤子功率阈值低一个数量级，测得模式效率为75％，而对于明亮的Lugiato-Lefever孤子理论极限仅为5％。此外，这种激光腔孤子可以在没有任何主动反馈的情况下将重复率调整到超过兆赫兹。这种新型的激光腔孤子具有更加优异的性能，从而具有极大的应用潜力。

文章链接: Hualong Bao, Andrew Cooper, Maxwell Rowley, Luigi Di Lauro, Juan Sebastian Totero Gongora, Sai T. Chu, Brent E. Little, Gian-Luca Oppo, Roberto Morandotti, David J. Moss, Benjamin Wetzel, Marco Peccianti, and Alessia Pasquazi, 'Laser Cavity-Soliton Microcombs', Nature Photonics (2019).