今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及用于半导体环形激光器中的耗散克尔孤子,电可调非线性极化超表面,具有连续机构运动和双稳态的3D模块化超结构 等敬请期待！
索引：
1.半导体环形激光器中的耗散克尔孤子
2.硅片上高 Q 光子晶体纳米腔之间的电控按需光子传输
3.高度各向异性介质光子晶体中近零折射率控制的准直效应:模拟与实验
4.低频宽带超消声器
5.电可调非线性极化超表面
6.基于图论来评估折纸结构的可重构性
7.具有连续机构运动和双稳态的3D模块化超结构
1.半导体环形激光器中的耗散克尔孤子
耗散Kerr孤子是一种自组织的光波，它可以在色散的、非线性的和有损耗的介质中传播，同时保持其形状和振幅。由Kerr效应引起的自相位调制平衡了色散引起的波包传播。类似地，它的振幅是由外部泵浦激光器提供的参数增益来保持的。耗散Kerr孤子首先在有源和无源光纤谐振器中被证明，最近由于具有超高品质(Q)因子的集成微谐振器的发展而引起了人们的关注。这些微梳已经被证明是相干通信、超快光学测距、精密计量和频率合成方面的一种颠覆性技术。
近日，来自瑞士量子电子研究所的Bo Meng等人报道了在快速半导体增益介质的环形腔中产生耗散性Kerr孤子的实验观察。量子级联激光器的巨大谐振Kerr非线性补偿了环形腔的中等品质因子，该谐振腔比Si3N4激光器大100多万倍。通过对空腔色散的设计，他们观察到在中红外范围内明亮耗散的Kerr孤子的形成。两种独立的技术揭示了孤子的波形和相干性，并确定了重建的时间宽度大约为3 ps。此外，通过光学滤除色散波，得到了无背景的3.7 ps孤子脉冲。他们的研究结果将孤子微梳的光谱范围扩展到中红外波长，并将在分子指纹图谱领域形成集成的、电池驱动的和交钥匙式的光谱仪。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）
文章链接：
Bo Meng et al. Dissipative Kerr solitons in semiconductor ring lasers. Nature Photonics (2021)
https:/ / doi.org/10.1038/ s41566-021-00927-3
2.硅片上高 Q 光子晶体纳米腔之间的电控按需光子传输
光缓冲存储器不依赖于光和电信号之间的中间转换，可用于实现低延迟、低能耗的光网络。光子晶体纳米腔可以将光子长时间限制在一个非常小的区域内，因此可以作为这种光学缓冲存储器的核心元件。然而，目前需要一种可伸缩的方法来在纳米腔之间按需传输光子。
近日，来自日本京都大学电子科学与工程系的Masahiro Nakadai等人展示了一个光电集成解决方案，实现了在硅片上耦合超高品质因子(Q)纳米腔系统的电气控制。该系统具有基于平面内p-i-n二极管的折射率控制机制，并通过电控制脉冲实现存储纳米腔之间的高效光子传输。采用基于机器学习的方法对该系统光子晶体（PC）结构的重要设计元素进行优化，以实现纳米腔之间的大耦合系数，同时保持高Q因子。他们还开发了制造方法，可以减少在二极管制造过程中的污染。该系统的传输效率为76%，传输后的腔光子寿命为1.3 ns (Q因子为1.6 × 106)。这种控制方案将有助于实现光缓冲存储器，在芯片上按需存储和提取光子信息。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）
文章链接：
Masahiro Nakadai et al. Electrically controlled on-demand photon transfer between high-Q photonic crystal nanocavities on a silicon chip. Nature Photonics (2021)
https:/ / doi.org/10.1038/ s41566-021-00910-y
3.高度各向异性介质光子晶体中近零折射率控制的准直效应:模拟与实验
近零折射率人工介质的发展(NZRIs)提供了控制波传播的新方法，从而设计出了先进的电磁和光子器件，如隐形衣、波导、调制器和透镜。进一步研究发现各向异性的NZRI介质可以扩大这种应用。超材料和光子晶体(PhCs)被认为是实现NZRI相关现象的合适介质。特别是，由低损耗全介电元件组成的PhCs对于开发高效率的NZRI器件具有特别的吸引力。
近日，美国密歇根理工大学的Saeid Jamilan等人证明了由介电棒组成的二维光子晶体(PhCs)，以精确确定的晶格常数规划在矩形晶格中，可以支持入射波在TM偏振和TE偏振下沿单胞短边的近零折射率单向传播(NZRIs)。波沿正交方向，即沿单胞长边的传播完全被抑制，从而导致入射发散波的准直。结果表明，所观察到的准直效应与PhCs的平坦等频线有关，而工作频率则对应于晶体介质第二传输能带的下缘。为了验证仿真结果，作者使用全波电磁求解器，在微波范围内记录了工作频率光子晶体片段以外的波型。制备的样品由直径毫米的陶瓷介质棒组成。样品采用发散的TM极化电磁波照射。相关工作发表在《 Applied Physics Letters》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0077201
4.低频宽带超消声器
在声学工程中，如何在保持通风效果的同时，以较小的厚度实现低频和宽带噪声消除是一个关键问题。传统的吸声材料和隔声屏障不仅需要大尺寸结构（窗户、墙壁等）来消除低频噪声，而且不能在消除噪声的同时保证空气流通。声学超材料和声学超表面可以实现具有亚波长结构尺寸的低频声波的调节，如负折射、声隐身和声学异常反射。声学超材料和声学超表面的优异低频吸声性能，各种超结构已应用于吸声器的设计，以应用于噪声控制领域。通过结构的局域共振和Fano共振，声波会发生显著的声能耗散，这样的设计使得亚波长结构能够调节低频声波，为低频声波调控提供了新策略。考虑到噪声通常是宽带的，低频宽带噪声的消除一直是研究的重点和挑战。现有的很多研究已经提出了具有优化单元共振和声学干扰的多种共振模式的耦合结构来解决上述问题，但是，在保证一定的通风下实现低频和宽带声音消除仍然是一个挑战。
近日，东南大学机械工程学院江苏省微纳生物医学仪器设计与制造重点实验室的Hui Zhang和法国洛林大学Jean Lamour实验室的Badreddine Assouar联合研究团队提出了一种声学超表面吸声器（AMM），用于低频宽带噪声消除。已有相关研究提出了可调谐声滤波器，它由亥姆霍兹谐振器和波导组成的复合波导实现。这篇文章将复合波导与微穿孔板结合作为AMM的单元，这种耦合结构能偶增加系统的低频共振态密度以增加隔声带宽。基于粘热效应和多参数共振单元，实现了低频宽带噪声的消除。他们首先通过建立有效的电路模型（声电类比）进行理论分析，然后通过仿真和实验验证了该理论的有效性。结果表明，该结构可以在100～1600Hz范围内实现宽带噪声消除（平均隔声量大于20dB），厚度仅为6.2cm，这种低频宽带高效的通风声屏障具有相当大的使用价值。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.064057
5.电可调非线性极化超表面
文章链接：
Jaeyeon Yu, et al. Electrically tunable nonlinear polaritonic Metasurface, Nature photonics(2021).
6.基于图论来评估折纸结构的可重构性
折纸技术是通过对折纸艺术的总结和提炼，从数学和物理学的角度提出的一门新兴技术。同时，大量的折纸结构已经实现了可编程的力学特性，可调控的光学、声学特性，并在航天工程，机械工程，医学和光学专业都有广泛的应用。需要指出的是许多可编程的特性依赖于胞元的结构拓扑及其几何参数的设计。然而，现有的绝大部分结构难以实现结构的拓扑及几何参数的转变（也就是说，结构的拓扑已由几何参数与空间布局所唯一确定）。因此，模块化设计与装配是一种高效可行的设计策略，可以充分发挥不同折纸胞元的折展特性及其折痕的可编程特性。其次，胞元的设计及装配的多样性进一步丰富了折纸超材料功能及特性的可编程性。然而，当每个折纸单元可以有多个阶段变形时，如何考虑折纸组装的所有可能的几何配置往往是一个挑战。
近日，华盛顿大学Jinkyu Yang团队提出了一种基于图论理论来评估分析了TMP折纸结构的连接性与可重构性方法，建立了一套高效的计算框架来分析折纸超构材料的镶嵌策略。鉴于该框架的简单性，该图论方法可以应用于其他类型的超构材料镶嵌设计。此外，该图论方法暗示了回答以下问题的可能性;基于给定的目标几何形状和属性，通过胞元的局部设计中找到全局性能最优的超材料的布局。相关工作发表在《Materials & Design》上。（何玉龙）
文章链接：
Yamaguchi K , Yasuda H , Tsujikawa K , et al. Graph-theoretic estimation of reconfigurability in origami-based metamaterials[J]. Materials & Design，2021：110343.
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110343
7.具有连续机构运动和双稳态的3D模块化超结构
力学超构材料可以实现负泊松比、负压缩性、压缩-扭转耦合可调刚度、超高比刚度、多稳态等新功能。具有双/多稳定性的超构材料因其在自主驱动冲击缓冲和形状重构方面的巨大应用潜力而受到广泛的关注。基于经典的斜梁原理，设计具有两种几何兼容结构的平面四边形结构和吸管结构，可以实现双稳态。这种设计通常要求组成材料承受大应变而不会失效，从而限制了可实现的变形幅度和可重构性。基于双稳态结构的超构材料的局限性可能会被基于机制的设计策略所克服。根据形式的不同，基于机制的超构材料包括由薄片材料折叠而成的折纸超构材料和由铰链块组装而成的模块化超构材料。与结构不同的是，机构通常具有确定的零能量或非常低能量的变形模式，由可以解析导出的运动学兼容路径控制。这不仅可以实现大变形和变形路径的定性规划/预测，而且还可以对相关力学性能进行定量编程。然而，来自铰链旋转的单一输入呈现单调增加的能量景观而没有双稳态。已经尝试在折纸超构材料中诱导自锁和刚度转变以丰富材料特性，但对模块化超构材料进行的研究很少。
近日，天津大学陈焱教授、马家耀副教授团队提出了一种创新的3D模块化双稳态超结构，基于两种不同类型的具有部分兼容运动范围的机构，它们具有两个不同的低刚度机构运动范围，其中两个基于机构的运动学兼容，由于基础机构运动之间的不相容性导致高刚度结构变形。通过建立机构运动学模型和结构力学模型，可以对机构运动和结构变形的详细范围进行编程，甚至获得超结构的稳定状态，同时还可以通过以下方式微调刚度过渡调整几何参数和铰链刚度。这项工作有望为具有定制多稳态的3D模块化超构材料的设计开辟新的道路。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。(徐锐)
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