“超材料前沿研究”一周精选 2018年9月3日-9月9日- 大数跨境

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“超材料前沿研究”一周精选 2018年9月3日-9月9日

两江科技评论

2018-09-09

导读：今天我们继续为大家带来这一周的超材料前沿研究精选，内容涵盖三维光学晶格、拓扑电路、变换波动学、等离激元学、光子晶体等，能够在量子计算、量子通信、海洋工程、机器学习、纳米结构设计与制备等方面有着重要的应

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今天我们继续为大家带来这一周的超材料前沿研究精选，内容涵盖三维光学晶格、拓扑电路、变换波动学、等离激元学、光子晶体等，能够在量子计算、量子通信、海洋工程、机器学习、纳米结构设计与制备等方面有着重要的应用。

索引

1、Nature：三维光学晶格中的超冷原子排序实现“麦克斯韦妖”

2、拓扑角模式的拓扑电路实现

3、水波能量聚集器

4、光子二维量子行走中的拓扑保护边界态

5、基于深度学习的等离基元纳米结构的设计和表征

6、光力主导的Au纳米盘定向重塑

7、光子晶体在低频极限下违反能量-动量的线性比例关系

1、Nature：三维光学晶格中的超冷原子排序实现“麦克斯韦妖”

1872年，麦克斯韦提出了著名的“麦克斯韦妖”（Maxwell’s demon）假想实验：假设有一个“麦克斯韦妖”存在，它可以通过辨别气体中的哪些粒子是热的、哪些是冷的，进行一系列可逆的分类操作，就可以将粒子重新排列成明显的低熵状态。这是明显违反“热力学第二定律”的著名悖论，因为二十世纪以来的理论工作表明：宇宙的“熵”（entropy）通常会在收集信息时有所增加，并且存在与“麦克斯韦妖”记忆相关的不可避免的熵增。然而，这一极具吸引力的假想实验仍然导致了许多被描绘成“麦克斯韦妖”的真实的实验；但是以往的实验没有中间信息的存储，仅产生了系统熵的微小变化，或仅涉及四个或更少粒子的系统。最近，来自美国宾夕法尼亚州立大学的David S. Weiss教授课题组提出了一个能够体现麦克斯韦假想实验全部精髓的实验系统：他们从约60个原子组成的随机半填充的三维光学晶格（3D optical lattice）开始，通过将原子充分冷却，使得主要的熵来自于初始原子排列的无序度。在确定了原子的位置之后，他们采取了一系列的可逆操作，以创建完全填充的子晶格（sublattice），这是一种明显的低熵状态：分拣过程（sorting process）将系统的总熵降低了2.44倍。于是，这里就出现了令人难以置信的“麦克斯韦妖”！作者认为，这种高度填充的超冷阵列可以应用于基于中性原子的量子计算机。相关研究发表在9月5日的《Nature》上。

文章链接：Aishwarya Kumar, Tsung-YaoWu, Felipe Giraldo & David S. Weiss,Sorting ultracold atoms in athree-dimensional optical lattice in a realization of Maxwell’s demon, Nature 561, pages83–87 (2018).

2、拓扑角模式的拓扑电路实现

Berry相位为描述能带结构和单粒子系统的拓扑特性提供了一种强有力的分析工具，它允许人们在相似的理论框架下处理费米子（fermion）和玻色子（boson）的量子系统。此外，Berry相位的概念也不仅限于希尔伯特空间（Hilbert space），而是适用于任何给定坐标空间的连通性（connectivity），因此也考虑了经典自由度。所以，随着各类拓扑量子态的发现，人们也可以在经典体系下获得相似的现象：首先是在光子学领域的探索，然后转移到力学、声学和电学等其它领域。最近，来自德国维尔茨堡大学的Ronny Thomale教授领衔的科研团队介绍了实现拓扑角模式（topological corner modes）的拓扑电路设计（topolectrical circuit design）实验，测量结果表明：在电路边角处的阻抗曲线表现为拓扑边界共振（topological boundary resonances）模式。虽然电子晶体（electronic crystal）的量子化体块四极矩（quantized bulk quadrupole moment）在经典的拓扑电路框架中没有直接的体现，但角模式继承了相同的量子形式。由于电路的灵活性和可调性，它们是研究角模式的镜面对称保护特性的理想平台，能够依据拓扑电路来弥补量子理论建模和拓扑能带结构的实验实现之间的差距。相关研究发表在近期的《Nature Physics》上。

文章链接：Stefan Imhof,Christian Berger, Florian Bayer, Johannes Brehm, Laurens W. Molenkamp, Tobias Kiessling,Frank Schindler, Ching Hua Lee, Martin Greiter, Titus Neupert & RonnyThomale, Topolectrical-circuit realization of topological corner modes, Nature Physics 14, pages 925–929 (2018).

3、水波能量聚集器

在海洋工程中，水波的聚集（concentration of water waves）对于沿海保护和波浪能量的收集至关重要。目前，水波能量的利用率并不令人满意，其中一个原因是海平面上的波浪是分散的，这需要大面积地部署许多能量转换装置，以用于实现能量收集；因此，用于水波能量聚集的装置将有可能解决大范围海浪能量收集的问题。这种装置的关键特性通常是不均匀的和各向异性的。然而，即使具有这些特性，基于坐标变换（coordinate transformation）原理的水波聚集器也是几乎不可能构造出来的，因为它们不仅需要强烈的各向异性水深分布，而且还需要与自然环境明显不同的重力加速度。最近，来自厦门大学的陈焕阳教授课题组、浙江大学的王振宇教授以及杜克大学的Qing Huo Liu教授等人将变换光学（transformation optics）的概念引入到水波的操控中，设计并在实验上证明了两种用于水波聚集的环形装置，采用了基于Fabry-Pérot共振的梯度深度剖面（gradient depth profile）。实验测量和数值模拟结果都证实了环形装置的水波聚集效应，并表明它们对水波实际上是“不可见的”，即聚集器的存在不会对水波的传播产生太大的影响，有一点的“隐身”效果。研究表明，变换光学是设计器件以提高波浪能量收集效率的有效研究框架，它们很有可能在海岸线海洋工程中有着潜在的应用。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Chunyang Li,Lin Xu, Lili Zhu, Siyuan Zou, Qing Huo Liu, Zhenyu Wang, and Huanyang Chen, Concentrators for Water Waves, Phys. Rev. Lett. 121, 104501 – Published 7 September 2018.

4、光子二维量子行走中的拓扑保护边界态

自旋电子学和拓扑量子计算的潜在应用促进了人们对量子系统拓扑相位的广泛研究。在过去的数十年中，拓扑保护边界态（edge state）也被证明是存在于Floquet拓扑绝缘体（Floquet topological insulator）这一周期性驱动的系统（periodically driven system）中。周期性驱动的系统在静态系统中没有对应的类比，但却显示出各种新颖的物理现象，丰富了物质量子相的分类，激发了科学家们广泛的研究兴趣。最近，来自中国科学技术大学的潘建伟教授、陆朝阳教授以及浙江大学的王大伟教授等人采用离散时间量子行走（discrete-time quantum walks）来研究二维周期驱动系统特有的非平庸拓扑效应（nontrivial topological effect）：手性边界态可以存在于Chern数消失的Floquet绝缘体界面处。受益于资源节约和灵活的光纤环路架构（fiber-loop architecture），研究人员在局部参数可调节的51×51等效点阵上，实现了最多可达25步的非均匀二维量子行走。在两个不同的量子行走区间的边界处，他们还观察到了自旋极化的手征边界态。这里的研究结果有助于建立一个用于探索非平庸拓扑相位的量子平台。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Chao Chen, XingDing, Jian Qin, Yu He, Yi-Han Luo, Ming-Cheng Chen, Chang Liu, Xi-Lin Wang,Wei-Jun Zhang, Hao Li, Li-Xing You, Zhen Wang, Da-Wei Wang, Barry C. Sanders,Chao-Yang Lu, and Jian-Wei Pan, Observation of Topologically Protected Edge States in a Photonic Two-Dimensional Quantum Walk, Phys. Rev. Lett. 121, 100502– Published 6 September 2018.

5、基于深度学习的等离基元纳米结构的设计和表征

纳米光子学（Nanophotonics）是融合光子学和纳米技术的交叉前沿领域，近年来科学家们通过控制光波与亚波长结构的相互作用，推动了光学研究的飞速发展。然而，尽管该领域取得了许多进展，但纳米光子学功能材料的设计、制造和表征仍然普遍是一个漫长的迭代过程，设计人员需要根据经验和基本原理“猜测”出一个特定的结构，并通过求解相应的麦克斯韦方程对结构进行不断的修正和优化。更重要的是其“逆向工程设计”，即为了获得所需电磁响应的纳米光子学器件，人们往往需要在非常有限的假设框架内、通过耗时且极具挑战性的逆向设计才能够实现既定目标。最近，来自以色列特拉维夫大学的Haim Suchowski教授课题组通过实验证明：经过数千次实验训练的新型深度神经网络（Deep Neural Network），不仅能够从远场测量结果中提取亚波长尺寸结构的信息，而且还能够直接解决逆向工程问题。这里的方法允许快速地设计和表征基于超表面（Metasurface）的纳米光子学元器件，并且针对目标化学成分和生物分子的检测设计出最优化的纳米结构，这对于传感、成像和集成光谱等方面的应用至关重要。相关研究发表在近期的《Light: Science& Applications》上。

文章链接：Itzik Malkiel,Michael Mrejen, Achiya Nagler, Uri Arieli, Lior Wolf & Haim Suchowski, Plasmonic nanostructure design and characterization via Deep Learning, Light: Science& Applications 7, Article number: 60 (2018).

6、光力主导的Au纳米盘定向重塑

纳米尺度的光-物质相互作用已经在光电子学、传感、通信、数据存储和能量转化等领域中得到了丰富的应用。众所周知，纳米光子系统的各个基元结构的尺寸、形态和排列决定了其整体光学响应，因此，如何通过激光或受控光学照射的方法来制备或主动改变纳米结构的形态，正成为各国科研人员关注的重点。其中，金属纳米结构的整形重塑通常先借助强激光脉冲将纳米结构熔化或半熔化，然后通过表面张力将原始纳米结构转变成更多不同的形态。最近，来自美国莱斯大学的Naomi J. Halas教授和Peter Nordlander教授课题组报道了利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope）技术，将Al-Au异质结构组成的纳米盘实现了定向光学整形（directional optical reshaping），并通过这一方法实现了对纳米盘结构单元的加高和重新定位，并且减小了两个纳米盘之间的间隙。这个过程中有三个机制贡献：Au晶格的光热软化（photothermal softening），Al纳米盘施加到Au纳米盘的光力（optical force），以及来自AFM尖端附近的光力。通过电子显微镜成像和光学响应的变化，可以观测到金属结构实现了非对称整形。这种光力主导的纳米结构形状操纵可能在纳米加工、光学诱导纳米制造、传感和质量控制中具有潜在的应用。相关研究发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Chao Zhang,Thejaswi Tumkur, Jian Yang, Minhan Lou, Liangliang Dong, Linan Zhou, Peter Nordlander, and Naomi J. Halas, Optical-Force-Dominated Directional Reshaping of Au Nanodisks in Al–Au Heterodimers, Nano Letters Article ASAP. DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03033.

7、光子晶体在低频极限下违反能量-动量的线性比例关系

当光子以低频传播通过均匀介电体时，它满足“能量-动量”关系E=cℏ|k|，其中c是介质中的相速度。这种关系确保在零能量下光子具有零动量。这种类型的基本关系在整个自然界中普遍存在，例如，电子在低能量下以E =ℏ²/(2m_eff)|k|²的线性关系传播，其中m_eff是有效质量。这种正比例关系是研究相对论力学、粒子物理学和量子力学中的粒子和场的基础。然而，最近，来自英国曼彻斯特大学的Michael J. A. Smith和以色列本·古里安大学的Parry Y. Chen通过理论证明：在包含有正值和负值材料特性的光子晶体中，光子的频率和动量在低频率处不一定彼此成比例。他们严格求解了光锥（light cone）从k空间原点以外的点发出的闭合条件（closed-form condition），最终将第一能带从原点解耦合，证明了零能量下的光传播具有非零的晶格动量。研究人员还在数值上显示：第一个能带可以来自于任意Bloch坐标以及同时来自多个坐标体系。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》。

文章链接：Michael J. A.Smith and Parry Y. Chen, Violating the Energy-Momentum Proportionality of Photonic Crystals in the Low-Frequency Limit, Phys. Rev. Lett. 121, 103902 –Published 6 September 2018.