超材料前沿研究一周精选 2020年12月14日-2020年12月20日

1. 超表面启用量子边缘检测

光子超表面、由金属或介电结构构成的二维超薄阵列是通用的光学组件，能够实现局部相位、幅值和极化的电磁场操纵。量子纠缠是多种光学元件的重要来源，特别是在量子成像领域，可以利用光子对之间的强度相关性来超越量子成像的经典极限。最近的研究趋近于将超表面与纠缠的光子结合在一起以实现各种在量子光学中的潜在应用。与此同时，边缘检测是最常见的一种图像处理中的操作。与传统的数字化方法相比，模拟技术具有很高的速度和省电优势。各种模拟边界检测方法在超材料和超表面中也已经提出。但是，基于紧凑的超表面的边缘检测的理论从未在量子光学领域提出。

近日，来自湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室的Junxiao Zhou等人制定并实现了偏振纠缠的光子源以及高效超表面可切换的光学边缘检测。通过在纠缠光子源的导引臂中选择合适的偏振态，可以得到法向像或边缘像。它可以看作是一个纠缠辅助的边缘检测远程开关。与使用经典光源的情况相比，量子边缘检测方案在相同光子通量水平下具有较高的信噪比。该实验丰富了超表面和量子光学领域，也对面向具有显着信噪比的量子边缘检测和图像处理提供了一个有希望的方向。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（詹若男）

文章链接：J. Zhou et al. Metasurface enabled quantum edge detection. Sci. Adv. 6, eabc4385 (2020).

DOI: 10.1126/sciadv.abc4385

2. 声学晶体绝缘体中的螺旋高阶拓扑态

起源于凝聚态物理，拓扑绝缘体（TIs）的概念极大地促进了经典波动系统中超构材料的发展。TIs有两种自然类别：已在光和声系统中成功实现了具有Chern数特征的量子霍尔（QH）绝缘体和具有Z2指数特征的量子自旋霍尔（QSH）绝缘体。最近，具有较高阶拓扑（HOT）状态的拓扑晶体绝缘体（TCIs）引起了广泛关注。直接从物理现象出发，二维（2D）二阶TCIs可以在中间间隙处同时显示一维（1D）间隙边缘状态和零维（0D）角状态。与传统TIs中的无耗散拓扑状态不同，TCI中HOT状态的出现既不需要打破时间反转对称性，也不需要引入强（赝）自旋轨道耦合，并且由晶格的某些点群对称性决定。但是，由于不是螺旋状态，这些HOT状态仍然会耗散，例如由于晶体的边缘或角落的任意散射而导致的能量损失。最近的工作中已从理论上证明了具有C6对称晶格的电子TCI系统中存在有自旋的四极子相，并且无耗散的拓扑状态可以出现在有限结构的锯齿形边界处。

量子霍尔绝缘体和量子自旋霍尔绝缘子体呈螺旋状出现的拓扑态被认为是无耗散的。但是，在没有自旋轨道耦合的晶体系统中，现有的高阶拓扑态被认为不是螺旋形的，能量在传播过程中会耗散。近日，来自南京大学的Xin-Ye Zhou 和Jian-Chun Chen研究小组通过引入内在的赝自旋自由度，在理论和实验上基于声学样本提出了C6对称拓扑晶体绝缘体中螺旋高阶拓扑状态的存在。研究者没有考虑大块的全局相互作用，而是根据简单的等效模型进一步直观地揭示了晶体几何形状对这些状态的生成机理和自然行为的影响。研究者表明，尽管在没有强外部场或自旋轨道耦合的情况下，TCI中的固有伪自旋仍然可以保证拓扑状态为螺旋形。这些结果有望用于探索TCI中具有新颖特征的拓扑状态，并对其他Cn对称性具有一般性和指导意义。为指导所需拓扑材料的设计提供了一种通用的方法。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.125.255502

3. 频率选择的双功能编码声超表面

超表面作为具有亚波长厚度的二维超材料，由于其在控制波传播方面的出色能力而成为近年来的热门话题。一般的超表面是由超结构单元构成的，并通过控制每个单元的波响应来调制波前。如今，一种数字超材料被称为编码超材料，其目的是简化有限单元的结构并以更灵活的方式控制波。最简单的编码超材料只包含两种类型的编码单位：“ 0”和“ 1”，与“ 0”和“π“相位响应分别对应于开和关状态。由于编码超材料的简单性和灵活性，该概念随后被引入声学，非线性光学超表面和拓扑结构。通过定义具有不同相位响应的“ 0”和“ 1”代码（0和π）或不同的拓扑状态（平凡和非平凡）并将这些单元以任意模式排列，编码超材料可以有效且简单地控制波的传播。但是，先前的声学编码超表面以单一频率工作，并且在指定编码模式时仅具有一个功能。频率选择的多功能声学编码超表面的实现仍然是一个挑战。

近日，南开大学物理科学学院和泰达应用物理研究所的陈树琪团队提出基于两层亥姆霍兹谐振器样结构的频率选择双功能编码声学超表面。他们选择四种类型的编码单元作为两个特定频率独立工作的“ 0”和“ 1”代码。他们将这些编码单元布置为不同的模式，通过理论预测，数值模拟和实验演示了频率选择的异常反射，声扩散和声Airy-beam的形成。与常规的频率选择声超表面相比，该团队所提出的频率选择双功能编码声超表面在没有非共振机制的情况下将频率选择的功能分配到每个亚单元中。该设计具有较高的工作效率并且消除了长波长的限制，这为设计频率选择的多功能声学设备开辟了另一种方法。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.14.064057

4. 基于二元相位光栅的角度选择声传播

频率滤波是声学应用中最常见的滤波功能，在音频信号处理和噪声控制中，以消除不需要的频率分量。有许多设计用于声学模拟频率滤波的结构，例如具有不同横截面积的波导，开放或闭合的侧分支，光栅，声子晶体等。 除频率滤波外，还有另一个称为角度选择的滤波功能，它可以选择能够通过系统的入射波的方向，并去除不需要的波。角度选择在诸如方向感应，超声成像，能量收集以及噪声控制等应用中发挥重要作用。在先前开发的声学角度选择系统中，角度选择属性通常与频率有关。例如，当波传播到与周围背景环境不同声阻抗的材料板时，可以观察到声传播的角度依赖性。在特定的频率下，仅当入射波处于某个角度时才满足阻抗匹配条件，因此在该角度处的声传输最大。如果频率改变，则最大波透射的角度也改变。在其他基于合成结构的声波选择系统中，例如声子晶体和光栅，也观察到了频率依赖性和入射角依赖性之间的耦合。

近日，麻省理工学院机械工程系的Nicholas X. Fang团队提出了一种双光栅结构，解决了声波滤波中将频率依赖性和角度依赖性解耦的难题。该结构由彼此相邻放置的两个二元相位光栅组成。二元相位光栅是一种特殊的声学超表面，由周期性排列的0和π移相器形成，并且仅具有奇数阶衍射。双光栅结构此前已应用于声学和光学中的非对称波传输。非对称传输是一种角度选择类型，用于选择入射波可以从中通过系统的两个相对侧之一。但是，它不能为入射波提供更好的角度选择性，这项工作提出了新的思路。他们的仿真结果和实验结果均表明，将两个具有不同周期的二元相位光栅组合使用可以实现角度选择声传输。此外，声传输的入射角依赖性和频率依赖性可以在这种结构中解耦，从而能够分别调整所选的角度或频率而不会互相影响。该双光栅系统有可能作为构建元件，在频率角空间中构建任意的滤波系统。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.14.064058

5. 级联超表面助力抗反射和波前处理

对两种介质界面处的电磁波的控制对于许多射频技术来说都是非常重要的。特别是，在空气和材料界面处抑制反射和操纵波前的能力可以增强通过障碍物的无线信号传输，从而能够对地下物体进行雷达成像，并使无线电力传输到植入的医疗设备中。层状结构在光学中被广泛应用于控制界面上的波的反射和传播，但它们相对于波长的厚度阻碍了它们在射频领域的应用。

近日，新加坡国立大学电子与计算机工程系Fengyuan Yang等人设计并通过实验展示了具有深度亚波长厚度的级联超表面，它既能提供抗反射性能又能控制波前。研究人员描述了从指定的散射响应的超表面层的系统合成，并论证了能够提供通过玻璃的近乎完美的微波传输以及无线信号从空气到水的抗反射聚焦设计的可靠性。这种抗反射超表面可用于其它普通建筑材料，可使无线信号(如Wi-Fi)穿透室内障碍物而不反射，从而增强连通性。为了消除相邻层之间的相互作用，可以通过使用较小尺寸的单元格进一步减少表面的厚度。此外，薄超表面可以带来更加灵活的设计，可以与目标物体连接，以减少反射和聚焦能量，以及用于无线传感或电力传输的生物医学应用。该研究结果为在长波长范围内控制不同材料界面处的电磁波提供了一种通用的方法。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：Fengyuan Yang et al, Antireflection and Wavefront Manipulation with Cascaded Metasurfaces. Physical Review Applied(2020).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.064044.

6. 基于CMOS平台的超表面减色滤光片

滤光片作为重要的光学元件，在彩色显示、成像、传感、全息投影、光电器件、光学测量系统等方面有着广泛的应用。传统的基于染料的滤色片基于化学键的波长选择性光吸收/反射工作，在高温或紫外线照射下存在环境危害和性能退化等问题。随着纳米技术的进步，新兴的结构彩色滤光片引起了人们的广泛兴趣。这种滤色片是基于入射光与纳米结构（如Mie共振）的相互作用来实现波长相关的光吸收/反射，从而克服了传统染料滤色片的缺点。此外，它的制造可以使用最先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的制造设备来完成，这些设备目前在微电子工业中广泛使用。自第一次报道周期性金属亚波长尺度阵列的超常光传输以来，由周期性柱孔结构构成的窄带结构彩色滤光片得到了广泛的研究。加色滤光片（ACF）的通带可以通过调节亚波长结构的周期、基频或维数来设计。与对应的减色滤色片（SCF）相比，ACF的透射/反射效率相对较低。SCF的工作原理是去除频谱内的互补色以达到滤色效果，因此可以获得更高的透射/反射效率。

近日，来自新加坡微电子研究所（Institute of Microelectronics）和中山大学（Sun Yat-sen University）的研究人员展示了使用CMOS兼容的制造工艺在12英寸（300毫米）玻璃晶片衬底上制造的SCF。为了在透明玻璃基片上制备透射式SCF，研究人员采用自行开发的层转移工艺来解决制造工具中的玻璃晶片处理问题。为了研究SCF性能与柱高之间的关系，制作了三批不同柱高的晶片。展示了不同颜色的功能性SCF，并通过在红-黄-蓝（RYB）色轮内匹配过滤后颜色的互补色来验证所显示的颜色。这项工作为大规模生产结构彩色滤光片铺平了道路。文章以“Metasurface-based subtractive color filter fabricated on a 12-inch glass wafer using a CMOS platform”为题，发表在《Photonics Research》上。（鲁强兵）

文章链接：

https://doi.org/10.1364/PRJ.404124 

7. 基于反馈控制的非牛顿拓扑力学超构材料

量子力学中受拓扑保护的波现象及其对后向散射的抗扰性的发现，激发了人们在经典系统中寻求实现的机会，用声子或光子色散关系代替电子能带结构。这些经典的类似物不仅是一种模拟众所周知的效应的方法，而且是一种将拓扑物理学研究推向新领域的方法。但是，受牛顿动力学控制的系统，例如支持声波或弹性波的机械结构，通常不会自然地表现出拓扑特性。这一见解正在推动当前旨在设计拓扑力学超构材料的活动激增。经典实现所考虑的特殊量子效应决定了超构材料的设计。由于经典力学系统受到牛顿运动定律的约束，所能观察到的已知拓扑现象的范围是有限的。量子自旋霍尔效应或量子谷霍尔效应是通过打破晶格中的空间对称性来实现自旋轨道耦合，它符合牛顿动力学，可以用纯无源元件实现。然而，有些量子相却与这种简单的经典类比不符。例如，创建声学模拟量子霍尔效应，这需要打破时间反演对称，这是相当复杂的，因为被动设计变得不够。因此，只有极少数的报告在力学或声学系统中打破时间反演对称。

近日，以色列特拉维夫大学Lea Sirota教授介绍一种设计不受牛顿动力学约束的拓扑力学超构材料的方法。晶格中的单元会受到主动反馈力的作用，该反馈力通过预先编程的自主控制器进行处理，以实时生成所需的局部响应。以量子霍尔丹模型为例，这是一个具有非互易耦合项的两波段系统，在力学系统中实现该模型需要违背牛顿第三定律。他们证明了只需要闭环控制，就可以在类似力学系统中实现以手性边缘模式为特征的拓扑相位。这种方法能够在力学超构材料中实现霍尔丹模型的改进版本。在此，复数值耦合以在晶格相对边缘上的模式沿相同方向传播的方式极化，并通过反向传播的体模来平衡。该方法具有通用性和灵活性，并且可用于在单个平台上实现任意晶格参数，例如非局部或非线性耦合、时变势、非厄米动力学等。相关研究发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（徐锐）

文章链接：

Sirota, L., et al., Non-Newtonian Topological Mechanical Metamaterials Using Feedback Control. Physical Review Letters, 2020. 125(25).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.256802

8. 单个微谐振器中微梳的光谱扩展和同步

基于微谐振器的频率梳（“微梳”）为光学频率梳系统的小型化提供了一个很有前途的平台，由于其紧凑性、从10GHz到1THz的高重复频率和宽光谱带宽，在过去的十年中引起了人们的广泛关注。特别是，微谐振器中孤子的形成被证明能产生低噪声、完全相干的频率梳。到目前为止，微芯片已成功地用于光学频率合成、光学相干通信、基于激光的光检测和测距、双组合光谱和低噪声电子信号的产生。

宽带光学频率梳需要精确的光学频率计量和光谱。利用氮化硅谐振子的色散特性，我们已经证明了孤子的谱带宽度可以达到一个八度以上，并且直接实现了太赫兹模式间距的跨八度孤子微梳。使用高度非线性光纤或非线性波导，具有GHz模式间距的孤子微梳的光谱可以从外部展宽到覆盖一个倍程。 利用无阈值泵浦强度和稳定频率梳重复频率的优点，研究了类似波长微谐振器的双色调泵浦生成微梳。最近，Bichromatic泵浦已经被证明可以在理论和实验上产生双正交极化微梳。与双色调泵浦相类似，还表明第二频率梳可以通过微谐振器内的拉曼增益产生。

近日，来自德国马克斯·普朗克光科学研究所的Shuangyou Zhang等人演示了双色差泵浦对孤子微梳光谱带宽的扩展。其中一种泵浦激光器，在C波段(1530-1565nm)内，用于产生初级亮孤子微梳，其中微谐振器的整体群速度色散是反常的。另一种O波段(1260-1360nm)泵浦激光器用于补偿微谐振器在孤子产生过程中的热效应，并通过Kerr交叉相位调制(XPM)与主孤子脉冲产生第二频率梳，从而将梳状光谱扩展到正常的色散区。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19804-8

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