超材料前沿研究一周精选 2020年12月28日-2021年1月3日

1.片上波导中光子量子位的按需量子存储

光子量子存储器是量子信息处理（QIP）的核心元素，在量子信息处理（QIP）中起着重要作用。典型应用包括基于量子中继器方法的长距离量子通信、增强量子计量学的精度、将先驱光子转换为按需光子以及同步光子、量子计算中的运算等。基于集成结构的量子存储器可以进一步满足可伸缩网络应用的易用性、鲁棒性和低功耗的要求。为了可扩展方便的实际应用，研究人员已经对基于固体中制造的各种波导的集成量子存储器进行了巨大的努力。但是，量子点的按需存储是QIP的基本要求，但要使用这种集成的量子存储器来实现仍然是一项挑战。

近日，来自中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室的Chao Liu和 Tian-Xiang Zhu等人利用Stark调制的原子频率，报告了在¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体的表面上制备的片上波导存储器中按时位量子位的按需存储。单光子级相干获得的量子位保真度为99.3％±0.2％脉冲，远远超出了使用经典的测量和准备策略可达到的最高保真度。这种具有按需检索功能的集成量子存储器的开发代表了迈向集成量子节点在量子网络中的实际应用的重要的一步。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（詹若男）

文章链接：Chao Liu, Tian-Xiang Zhu et al. On-Demand Quantum Storage of Photonic Qubits in an On-Chip Waveguide. Physical Review Letters 125, 260504 (2·020)

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260504

2.光子反手性边界态的观察

已知二维拓扑材料在体的边界呈现单向或手性的边界态。例如，在著名的Haldane模型中，展示了具有破缺的时间反演对称性的量子霍尔效应，手性边界态必须沿边界顺时针或逆时针传播，这取决于Chern数的符号。因此，一个典型的条形样品必须支持沿其两个平行边界反向传播的边界状态。时反转不变量子自旋霍尔效应可以看作是叠加效应，在Haldane模型中，当自旋固定时，手性边界态出现。这种手性边界状态不仅彻底改变了凝聚态物理，而且开辟了光子学和声学的新篇章，其应用范围从单向波导和鲁棒光学延迟线到拓扑激光和光子电路。对于上述所有系统，给定条形几何中的手性边界态必须在两个平行边处向相反方向传播，左右移动边界态的数目必须相等。

最近的理论预测了另一种可能性：两个平行边的边界状态可以向同一方向传播，完全不同于传统的手性边界态，因此被命名为反手性边界态。这些反手性边界状态只能发生在无间隙系统中，因为它们需要相关的体态按照能量守恒的要求向相反的方向传播。理论上已经提出了一系列可能实现反手性边界态的平台，包括石墨烯结构和旋磁光子晶体等。然而，由于具有打破时间反演对称性的具有挑战性的构型，在现实中并没有观察到反手性边界态。

 近日，来自电子科技大学的Peiheng Zhou等人报道了微波回旋磁光子晶体中抗手性边界态的实验观察。这种光子晶体利用旋磁材料打破了时间反演的对称性，并被用来演示光子手性边界态，由此产生了拓扑光子学这一新兴领域。并且进一步在该平台中加入了磁化的现场调制，成功地观察到了抗手性边界态的独特特性，这在其他平台中仍然是困难的。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.125.263603

3.太赫兹频率高效漏波天线可产生高定向波束

随着人们对互联网带宽需求的不断增长，当前的网络系统面临前所未有的压力。这种情况促使人们开始研究将太赫兹频段（0.1–10THz）的载波频率用于无线通信的可能性。高频率下的通信系统具有多种优势，包括超高速数据传输的大带宽和物理上安全的点对点链路的高定向波束。这种方向性激发了利用发射的思想 漏波天线的特性。漏波天线已在微波范围中进行了深入研究，并且最近已在THz频率引入。早期工作大部分都研究较低频率，开发的传统漏波波导架构可能无法针对THz频率进行优化。例如，在微波范围内，泄漏结构的尺寸总是在宽度上深亚波长。这确保了导波在缝隙宽度上是均匀的。相反，最近许多THz架构采用泄漏结构，该泄漏结构与波长的大小相当。在这种情况下，波与泄漏结构在波长尺度上的相互作用不再被忽略。

为了产生遵循频率-角度关系的输出光束，只能使用非常薄的矩形槽。这会极大的降低设备效率，因为辐射能量（每插槽长度）非常低。这是一个重大缺陷，因为在太赫兹频率下发电仍然是一个重要的挑战。美国布朗大学工程学院的D. M. Mittleman教授等人通过引入替代的槽几何形状来解决此问题，其中槽宽度沿其长度线性增加（即梯形）。这保留了相位匹配约束，同时允许更高的输出耦合效率。他们表明，在高频下，与孔径的波长尺度相互作用会导致缝界面处的电场分布不均匀，而这种独特的机制在较低频率下不会产生。此外，由于使用了较宽的有效孔径，辐射光束在两个角度方向上都很窄，从而可以生成真正的铅笔状太赫兹光束。相关研究发表在《Applied Physics Letters》上。（钟雨豪）

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0033126

4.用于纳米颗粒富集和分离的声流控离心机

对纳米粒子的操纵在各种生物医学和生化应用中具有重要意义，包括基因/药物传递、精确生物测定、癌症诊断和催化反应。此外，液滴可作为一个简化模型，可以解释从细胞核到恒星黑洞等各种大小的物理现象。因此，实现纳米粒子的浓缩、分离，或实现纳米结构的自组装，已成为许多领域中突出的跨学科需求。此外，尽管人们对控制纳米尺度(小于100纳米)的物体有强烈的愿望，但只有少数方法可以实现这一级别的操纵。传统的纳米操控技术包括超离心法、纳米孔过滤法、介质电泳法、磁致变法、光镊法。尽管根据给定的应用手段和场合，每种方法都有一定的优点，但它们的常规使用仍有许多缺点。

近日，杜克大学机械工程与材料科学系Yuyang Gu等人提出了一种声流控离心技术，利用了声学流体的纠缠波驱动和射流液滴的旋转，以实现纳米颗粒的富集和分离。通过组合声流和液滴旋转，能够实现快速（<1分钟）纳米颗粒浓度和基于尺寸的分离，从而以足够的分辨率来鉴定和分离外泌体亚群。其潜在的物理机制已经在数值和实验上得到了验证，并成功地证明了处理生物样本(包括DNA片段和外泌体亚群)的能力。总之，这种声流控离心机克服了操纵纳米级(小于100纳米)生物颗粒的现有限制，在生物、化学、工程、材料科学和医学等领域具有重要的应用价值。相关研究工作发表在《Science Advances》。（丁雷）

文章链接：Yuyang Gu et al, Acoustofluidic centrifuge for nanoparticle enrichment and separation, Science Advances(2020).

DOI: 10.1126/sciadv.abc0467

5.可调谐超表面的波前整形

极端电磁环境在我们的日常生活中很普遍。尽管通常不会引起注意，但这对希望在所有条件下都能正常工作的电子系统的设计造成了很大的压力。在可能的情况下，要格外小心以应对不利影响，但是设计者很少提前知道操作环境。另外，电磁干扰（EMI）组件之间不必要的耦合在一些平台，例如飞机和航天器，可能会遭受毁灭性后果，从而导致严重的任务退化甚至人员伤亡。在具有电气封闭区域（例如运输系统中的乘客舱）中的波场表现出对频率和几何参数的极度敏感性，即使这些封闭的腔体（称为chaotic腔）无意产生混响。在这样的空腔中，电磁波场具有特定的统计属性，该属性取决于有限数量的参数。其中一个事实是，波场在统计上等于平面波的随机叠加。这样可以在更广泛的波动混沌框架中利用量子混沌研究领域常用的分析工具。 

现代电子系统在复杂的电磁环境中运行，必须处理噪声和不期望的耦合。在任何实际应用中，隔离或拒绝有害信号以缓解漏洞的能力至关重要。近日，来自马里兰大学的Benjamin W.Frazier研究小组描述了使用二进制可编程超表面来控制在电磁腔内传播的波的空间自由度，并展示了在选定端口之间的传输系数中创建零值的能力，以及创建相干完美吸收的条件。两个目标均以任意频率执行。在第一种情况下，提出了一种有效的优化算法，该算法有选择地在单个频带上或同时在多个频带上生成冷点。研究者证明了该算法在多个输入端口配置和不同的优化带宽下是成功的。在第二种情况下，研究人员建立了如何使用该技术为腔室建立多端口相干完美吸收态的方法。相关研究发表在杂志《Physical Review Research》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043422

6.用热超构材料控制宏观热传递：理论、实验与应用

“热”与人类生活息息相关，因此，可以随意控制热通量尤为重要。随着电磁/光学超构材料的快速发展，热超构材料也应运而生，并成为控制热能的有力工具。经典热力学往往有助于被动地描述自然系统的宏观热现象，这意味着几乎无法改变热现象，而是根据四个热力学定律来理解它们。相比之下，热超构材料与控制理论相结合，能够主动操纵人工系统的宏观热现象，可以随意改变热现象。此类超构材料或基于超构材料的器件是指在控制热传递方面产生新颖功能的人工结构。自2008年热隐身概念提出以来，该领域发展迅速，研究成果丰硕，从科学研究中的理论模型和实验技术，到辐射冷却、红外伪装等实际工业应用。

近日，复旦大学黄吉平教授团队发表综述文章，梳理了热超构材料的研究历史，并在四个方面介绍了新颖的功能及其相关的理论。这样的理论既包括变换理论，又包括扩展理论，为方便起见被称为理论热力学。根据热传递的不同方式对这四个区域进行分类，即热传导、热传导-对流、热传导-辐射和热传导-对流辐射。文章还介绍了相应的实验和应用。最后，对超构材料热力学的未来机遇和挑战提出了自己的看法。相关研究发表在《Physics Reports》上。（徐锐）

文章链接：

Yang, S., et al., Controlling macroscopic heat transfer with thermal metamaterials: Theory, experiment and application. Physics Reports, 2020.

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2020.12.006

7.3D打印多刺激响应移动微型机器

磁性移动微型机器可以通过在狭小且难以接近的空间中提供空间精确且按时间需求的操纵控制，来实现无线芯片实验室操纵和微创目标疗法。为了实现这种潜力，已经提出了针对不同生物医学应用的各种移动式磁性微型机器，例如靶向货物输送、细胞操纵和组织工程。尽管在磁致动、运动和控制功能方面取得了巨大进步，但迄今为止，大多数已报道的微型机器都是由无源骨架材料制成的，这限制了它们的功能。为克服此限制并提高磁性微型机器执行由独立输入控制的多个任务的能力，刺激响应材料的集成可能是关键的推动因素。

近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所和土耳其科奇大学Metin Sitti教授展示了3D打印尺寸可控的水凝胶磁性微螺丝和微辊，它们可以对磁场、温度、pH值和二价阳离子的变化做出响应。这种双向尺寸可控的微螺丝可以在温度、pH值和二价阳离子的作用下可逆膨胀和收缩多次循环。这些微辊通过狭窄通道的空间适应性以及它们对小毛细血管（直径30 μm）的可控闭塞的潜力。进一步展示了一种单向尺寸可控的微螺钉，该微螺钉可以随温度膨胀达到其初始长度的65％。这些水凝胶微螺杆一旦膨胀，就只能通过酶降解以去除。这一结果可以启发3D和4D打印的多功能移动微型机器人在精确靶向性的阻塞性干预措施（例如栓塞）以及芯片实验室和器官操作方面的未来应用。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接：

Lee, Y.-W., et al., 3D-Printed Multi-Stimuli-Responsive Mobile Micromachines. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020.

https://doi.org/10.1021/acsami.0c18221

8.使用反馈控制的非牛顿拓扑力学超材料

在量子物理学中发现拓扑受保护的波现象及其对背散射抑制的能力，激发了人们在经典系统中寻找实现方法的研究，用声学或光子的色散关系类比了电子能带结构。这些经典的类比不仅是模仿众多拓扑现象的方法，而且还可以将拓扑物理学的研究推向新的状态。但是，受牛顿动力学控制的系统，例如支持声波或弹性波的力学结构，通常不会自然地表现出拓扑特性。由于经典力学系统受到牛顿运动定律的限制，因此可以观察到的已知拓扑现象的范围受到限制。通过打破晶格中的空间对称性获得自旋轨道耦合的量子自旋霍尔效应或量子谷霍尔效应，符合牛顿动力学，并且可以用纯无源组件实现。实际上有关力学拓扑超材料的绝大多数报告都实现了这些效果，例如，通过设计声波导管中的钢筋或瓶状亥姆霍兹谐振器的间距，平板上谐振器的间距，质量-弹簧晶格中的弹簧常数或带有复杂耦合的阵列。 

近日，来自以色列特维拉夫大学的Lea Sirota研究小组介绍一种设计不受牛顿动力学约束的拓扑力学超材料的方法。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治控制器进行处理，以实时生成所需的局部响应。例如，我们关注量子Haldane模型，该模型是一个具有不可逆耦合项的两频带系统，在力学系统中实现该模型需要违反牛顿第三定律。研究人员证明以手性边缘模式为特征的所需拓扑阶相在闭环控制下才能在类似的力学系统中实现，然后证明了其方法能够在力学超材料中实现Haldane模型的修改版本。在此，复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式平衡。研究者提出的方法是通用且灵活的，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，非厄密动力学等。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.125.256802

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