超材料前沿研究一周精选 2020年10月26日-2020年11月1日

在过去的几十年里，将机械能转化为电能的压电能收集研究引起了广泛的关注。收集到的电能可用于为小型电子元件供电，如消费性电子产品和无线传感器网络。通过压电能量的收集，可以大大降低电池的更换或处理成本。迄今为止，许多压电式能量收集器已经被提出用于收集各种不同性质的机械能源，如振动波、声波和弹性波。弹性超构材料是一种人工材料，可以用于控制弹性波。在弹性超构材料中引入点缺陷可以形成弹性超构材料腔。弹性超构材料腔具有腔（缺陷）模态，弹性波被限制在腔内。针对弹性超构材料腔能量收集器提出了多种设计方案，利用空间变化的弹性超构材料构造梯度折射率透镜和龙勃透镜已经取得了一些研究成果。入射波可以引导到透镜的焦点上，在附有压电贴片的焦点处，弹性波被聚焦并放大，从而提高了捕获性能。此外，基于弹性超构材料的抛物面和椭圆反射镜被设计用来聚焦传播的弹性波，从而增加电输出。

近日，德国锡根大学土木工程系张传增教授和北京交通大学工程力学研究所汪越胜教授团队设计了具有多模的弹性超构材料腔，用于获取弯曲波能量。超构材料板是通过在薄铝板中钻出周期性孔而形成的，该铝板具有弯曲波模式带隙。设计了超构材料L1-L4腔。由于带隙的存在，弯曲波被限制在这些超构材料腔内。对于多个腔模式，可以利用设计的腔限制机械波的传播并将其转换为电能。为了验证多模腔设计，制造了超构材料L3腔。测试了L3腔的三种模态，结果与数值预测吻合较好。在超构材料L3腔内安装三个压电片作为能量收集器。测量电输出以评估超构材料能量收集器的性能。与裸板上的参考采集器相比，超构材料L3腔在三个谐振频率处放大了平均功率输出。对于最佳阻力负载，L3腔体能量收集器可实现40倍以上的功率放大。由于现有的基于超构材料腔的能量收集器通常仅对单个频率有效，因此多模式超构材料腔设计可以有效地拓宽能量收集器的频率带宽。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

Ma, T.-X., et al., Flexural wave energy harvesting by multi-mode elastic metamaterial cavities. Extreme Mechanics Letters, 2020: p. 101073.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.101073

大自然中有很多具有轻质且超强韧性的生物复合材料，如竹子、贝壳和骨头。这些生物材料通常是由具有明显模量差异的硬相和软相组成，并在裂纹扩展过程中获得其断裂韧性，这样的组合有利于能量的耗散。在工程设计中引入这种机制引起了研究人员的极大兴趣，如通过引入一些低熔点的液态金属，以实现对软聚合物结构的显著增韧效果。液态金属增韧聚合物的韧性与天然材料相似，有趣的是，由于液态金属的熔点较低，聚合物液态金属材料还具有热愈合和形状记忆等新特性。这些混杂的复合材料也是一种超构材料，表现出前所未有的力学性能和变形行为。尽管其具有优越的力学性能，但这些生物激发的液态金属聚合物杂化结构仍然局限于薄膜或纤维，而相应的三维结构仍然具有挑战性，且报道较少。

近日，香港城市大学陆洋教授报道了一种新型的液态金属填充聚合物微晶格超构材料。这项工作提出了液态金属真空填充法来填充3D打印的空心晶格支架，与传统的注射器注射方法相比，该方法效率高、缺陷少。这种超构材料由面投影微立体光刻3D打印和镓真空填充制成，断裂韧性高达0.8 MJ·m⁻³。液态金属超构材料表现出形状记忆效应，甚至在严重断裂时都可以恢复其原有形状。这些独特的特性源于镓在相对较低温度范围内的可调特性。该结果为设计和制造具有可调性能和高可恢复性的柔性机器人、柔性电子器件和生物医学应用的力学超构材料提供了新的见解。相关研究发表在《Small》上。（徐锐）

文章链接：

Zhang, W., et al., Liquid Metal-Polymer Microlattice Metamaterials with High Fracture Toughness and Damage Recoverability. Small, 2020: p. e2004190.

https://doi.org/10.1002/smll.202004190

光学量子技术包括从量子传感、量子通信以及计算的广泛应用。量子纠缠是这些应用中最常见的方法。高质量大的光子簇态的生成可用于光子单向量子计算，这与固态系统中广泛使用的基于图灵的基于门的模型相比是有利的。此外，已经有人提出了光子簇状态来实现基于测量的量子通信网络，该结构与其他基于存储器的同类通信系统相比，可以实现更高速率的长距离量子通信。但是到目前为止，这只能通过将概率源限制为本质上较低的效率以及增加的硬件开销来完成。

近日，来自以色列耶路撒冷希伯来大学拉卡物理研究所的D. Istrati和Y. Pilnyak等人报告了占用单个空间模式的线性簇状态下偏振编码的可独立寻址光子的资源高效生成。他们在光纤环路配置中采用单个纠缠门来依次纠缠源自当前最高效的单光子源技术（半导体量子点）的不断增长的光子流。使用这种设备，他们演示了在单模光纤中最多四个光子的线性簇状态的生成。可以对报告的体系结构进行编程，以实现光子单向量子计算方案所需的任意数量的光子的线性簇状态。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

D. Istrati, Y. Pilnyak et al. Sequential generation of linear cluster states from a single photon emitter. Nature Communications (2020) 11:5501

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19341-4

光子晶体光纤(PCFs)又称微结构光纤或孔洞光纤，是一种单材料光纤，其中一列微观纵向中空通道可以实现光引导。PCFs纵向中空通道的几何设计是控制和调整光纤波导参数的有力工具，这些参数包括光模式的大小和形状、模态色散、双折射和非线性。随着PCFs的发展，在更大范围内实现了对光纤波导参数的前所未有的精细控制，从而使得产生超连续谱、光纤色散工程和超高双折射等特性成为可能。此外，中空芯PCFs具有重要的应用，如超低非线性光纤传播或新型气体和光流传感器。。

近日，来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Andrea Bertoncini和Carlo Liberale两人展示了如何利用PCF设计直接高分辨率3D打印制作光波导片段，以及如何将这些片段组合实现复杂的光子器件。实验中，研究人员打印了第一个基于PCFs的光纤偏振分束器，证明了该方法前所未有的精度和灵活性。此外，该设备在标准单模光纤的端面直接一次性打印，长度为210 μm，可在光纤通信c波段提供宽带操作。该方法利用了高分辨率3D打印和PCF设计的潜力，为新型微型化复杂光子系统的发展铺平了道路，这将有助于推进光通信、传感器技术和生物医学设备的进一步发展。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

文章链接：

Andrea Bertoncini et al, 3D printed waveguides based on photonic crystal fiber designs for complex fiber-end photonic devices,Optica(2020).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.397281.

将操作观点扩展到量子理论，通过测量作为时钟的量子系统来定义时间。量子钟的这种描述是在量子计量学的背景下发展起来的。在这方面，时间可观测性被识别为正算子值度量(POVMs)，它与作用于所使用的时钟系统的时间平移组进行协变变换。这种协方差特性确保了这些时间可观测值给出了时钟所经历时间的最佳估计;也就是说，它们饱和于Cramer Rao边界。此外，协变时间可观测性允许时间-能量不确定性关系的严格公式，规避泡利对时间算符构造的著名异议，并在关系量子动力学中发挥重要作用。

既然时钟归根结底是量子系统，它们也要服从叠加原理。在相对论的背景下，这导致了时钟经历固有时叠加的可能性。这种情况已经在相对论时钟干涉法的背景下进行了研究，其中一个物质波干涉计的两个分支由于特殊的或一般的相对论时间膨胀而经历了不同的固有时。这样的设置导致通过干涉可见性的降低而经历固有时叠加的物质的特征。其他的工作集中在双悖论的量子变异体和展示相对论情形下的非经典效应。

近日，来自美国圣安瑟姆学院的Alexander R. H. Smith等人引入了一个被定义为在弯曲时空中运动的相对论性粒子内部自由度的协变POVM的固有时观测。这允许他们考虑两个相对论量子钟，A和B，并构造A读取一个特定固有时的概率，条件是B读取一个不同的固有时。为了计算这种概率分布，将关联量子动力学的Page wootter方法扩展到具有内部自由度的相对论性粒子的情况。然后，他们考虑在局域动量波包中准备的两个时钟，并证明它们按照狭义相对论观察到平均经典时间膨胀。然后他们举例说明当一个时钟在两个局域动量波包的叠加中运动时发生的量子时间膨胀效应。他们描述了这种叠加时钟所观察到的经典时间膨胀的平均量子校正。此外，还将固有时描述为协变POVM，允许将固有时和粒子质量都视为动态量子可观测物，从而导致时间-能量/质量不确定性关系。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18264-4 

近年来，量子信息处理器（QIP）迅速发展，且错误率得到稳步抑制。改进的有关QIP错误类型和原因的理论和模型在量子计算的进步中起着至关重要的作用。但是，几乎目前所有的技术都假设QIP是稳定的，即一秒钟或一个小时内获取的数据反映了处理器的某些恒定属性。如果实际的错误机制与时间有关，则这些方法可能会严重失灵。然而，QIP中的时间不稳定性普遍存在。用于驱动逻辑门漂移的控制场，T1次数会突然改变，低频1 /fα噪声很常见，并且实验室设备会产生强烈的振荡噪声。随着技术进步抑制了稳定且易于理解的错误，这些与时间相关的内在错误机制变得越来越重要。因此，表征具有时间依赖性行为的QIP的技术变得越来越必要。

近日，来自美国桑迪亚国家量子性能实验室的Timothy Proctor等人演示了一种用于解决量子处理器中时间依赖性的频谱分析技术。他们的方法快速、简单且统计合理。它可以应用于任何量子处理器实验中的时间序列数据。他们使用来自仿真和捕获离子量子比特实验的数据来证明，当将本方法应用于流行的表征协议（包括随机基准，门控断层扫描和Ramsey光谱）时，如何解决时间依赖性。在实验中，他们检测了不稳定性并对其来源定位，采用漂移控制技术来补偿这种不稳定性，然后证明该不稳定性得到了抑制。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：

Timothy Proctor et al. Detecting and tracking drift in quantum information processors. Nature Communications (2020) 11:5396

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19074-4

源于Polder和Van Hove开创性工作的近场热辐射可以突破传统的黑体极限，并超过几个数量级。理论上和实验上都已经证明，诸如表面等离激元（SPPs）或表面声子激元（SPhPs）等倏逝波模式的隧穿可提供辐射热传输的额外通道。增强近场热通量提供了如电子设备的冷却，主动热管理和热光伏系统等潜在的应用。由于热通量振幅在这些应用中至关重要，因此如何进一步提高这种近场热通量已在迄今为止的微电子领域和纳米研究中引起了广泛关注。

超表面已经展现出前所未有的光学和热性能，包括超普朗克热辐射等。最近已经有研究者提出了对二维材料进行不对称构图以激发附加的表面双曲线模式，这可以增强辐射能的传输。近日，来自哈尔滨工业大学（深圳）的研究人员进一步研究了对称模式的影响。选择石墨烯超表面作为示例，以展示对称图案在辐射热通量中的改进作用。结合散射矩阵理论和严格的耦合波分析的涨落电动力学被用来精确地计算近场热通量。结果表明，具有正方形图案的石墨烯超表面之间的辐射热通量与片材对应物相比最大提高了35倍，远远超过了基于不对称图案形成的性能。增强的热通量通过具有高面内波矢的石墨烯表面等离激元的激发和红移的不同机制主导。研究者还研究了衬底，真空间隙距离以及具有对称图案的两个超表面之间的表面几何参数的影响。这项工作开辟了一条替代途径，以增强和调制基于超表面的辐射传热，以便在微米和纳米尺度上进行有效的热能管理。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.044054

在固体和流体混合物组成的介质中传播的机械波是流体中标量声波和固体中矢量弹性波的叠加。声波和弹性波在每一个固-液边界上都是耦合的。声场和弹性场的自由度是不一样的。声波通常用一个自由度来描述，例如，压力，而弹性波最多用三个自由度来描述，例如，在物理空间中的位移。固-液边界条件是压力连续和正常粒子加速度连续。

由周期性固-液复合材料形成的声子晶体在实验中非常实用，因为多孔的固体晶体或人造结构很容易浸没或充满空气或水。声子晶体传感器已经提出使用固体基质内流体包裹体的共振。流体基质中固体包裹体的逆向情况已被广泛地考虑以证明声子带隙、波导、负折射、隧道或拓扑性质。这种情况下局域共振的出现实际上取决于夹杂物和基体之间的对比。当矩阵是空气,声波感到任何刚性固体边界条件，几乎相当于一个完全刚性边界条件,这是因为巨大的阻抗反差。该问题因此有效地简化为单标量声波动方程。在有重金属夹杂物的水中，一种经常被实验性地考虑的组合，声弹性边界耦合肯定会引起固体包裹体中弹性波的激发，但对波色散的影响主要是波段的位移，至少对第一个布拉格带隙以上的频率是这样的。然而，对于胶体晶体的软夹杂物或尼龙棒在水中的随机复合材料，在已经低于第一个布拉格带隙的能带结构中可以观察到杂化现象的出现。由于平面内的弹性波具有剪切极化和纵向极化的混合特性，固体包裹体的弹性共振确实可以与流体中的纵向声波耦合。

近日，来自天津大学的Yan-Feng Wang等人研究了声弹性声子晶体的周期情况。他们观察到尼龙在水中的声子带结构中填充了额外的杂化带，而钢在水中则没有。比较这两种情况，他们明确地将杂化带与浸没在无限水域中的单个固体包裹体的谐振模式(也称为准正交模式)联系起来。用随机激励技术对谐振模式进行了数值识别。为了刻画共振模与布洛赫波连续体的杂化，他们计算了考虑声弹性耦合的倏逝布洛赫波的复合声子带结构。在六边形声弹性声子晶体的特殊情况下，观察到在不破坏晶体对称性的情况下，第一布里渊区K点处的声狄拉克锥会受到严重的影响。

相关工作发表在《Physical review B》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.144303

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