超材料前沿研究一周精选 2020年3月30日-2020年4月6日

今天的计算系统主要是建立在冯·诺依曼架构的基础上的，在这种架构下，数据必须被移动到一个处理单元。在执行各种计算任务期间，需要在处理单元和内存单元之间来回切换大量数据，这将带来巨大的延迟和能量消耗。从内存单元访问数据的延迟是一系列应用程序的关键性能瓶颈，特别是对于日益突出的与人工智能(AI)相关的工作负载，使这个问题更加严重。这就需要彻底脱离传统的系统，而非冯·诺依曼的计算方法之一就是内存计算。因此，某些计算任务是通过利用存储器设备的物理属性在存储器本身中执行的。基于电荷和基于电阻的存储设备都被用于内存计算。

内存和处理单元(通常称为内存墙)之间的速度差距越来越大。移动数据的能源成本是另一个重大挑战，因为冷却约束和移动计算设备的增加严重限制了计算系统的功率。即使在相对较老的45 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)节点上，将两个数相乘的成本也比从内存中访问它们的成本低几个数量级。当前的方法，例如并行使用数百个处理器(例如，图形处理单元)或为特定应用程序定制的特定于应用程序的处理器，不太可能完全克服数据移动的挑战。因此，需要在内存和处理更好地配置的地方探索新的体系结构，这一点变得越来越明显。

近日，IBM研究中心Abu Sebastian等人在《Nature nanotechnology》上发表相关综述文章，对这些存储设备所支持的关键计算原语以及它们在科学计算、信号处理、优化、机器学习、深度学习和随机计算等方面的应用进行概述。综述中，作者首先概述了促进内存计算的内存设备以及设备所支持的关键内存计算原语。随后，作者介绍一系列利用这些原语所设计的应用程序。最后，展望了未来的发展机遇和挑战。（丁雷）

文章链接：

Abu Sebastian et al, Memory devices and applications for in-memory computing,Nature nanotechnology (2020).

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0655-z.

近几十年来，新奇的“光工具”在神经科学领域建立了新的范式。其中，荧光功能指标的出现彻底改变了我们在不同动物模型中通过大脑监测信息处理的方式，具有前所未有的对比度、分辨率和特异性。用这种方法，光学分辨率通常不是最重要的，通常只需要粗(细胞)分辨率。此外，当神经元的位置是已知的，就有可能不需要借助缓慢的光栅扫描技术，并在高帧率的情况下只对需要的位置成像。脑组织通常是不透明的，在大脑深处发出或传递的光经常很快受到多次散射的影响。这导致了几个散射长度(相当于几百微米)后方向性的丧失，并最终意味着所有的宽视野或扫描显微镜技术都无法在较大深度处得到有效利用。虽然一些生物体的大脑足够小和/或透明，可以对其进行完整成像(例如，秀丽隐杆线虫、果蝇或斑马鱼)，但哺乳动物的大脑，从最常见的动物模型——老鼠开始，因其大脑太大，光散射性太强，因此无法完整成像。当对表层成像时，就有可能用多点式多光子激发或用宽带激励和后端去激发来实现宽场记录，利用少量的前向散射光或弹道光子作为种子光来分离单个神经元的贡献。然而，通过大脑皮层或头骨观察超过一毫米的神经元活动仍然极具挑战性。

近日，法国巴黎大学Claudio Moretti 和Sylvain Gigan两人证明了通过利用矩阵分解算法从低对比度荧光斑纹模式的时间序列中提取这些信息，可以有效地提取位于高度散射骨组织下方的荧光时变源的功能信号。实验中，研究人员的目标不是检索荧光物体的图像，也不是对其进行定位，而是通过在大范围内记录它们的荧光，从深埋的波动源(理想情况下是一组神经元的功能活动)检索时间活动性。研究人员所依赖的事实是，每一个源，在穿过厚厚的不透明介质散射后，将在探测器上产生一个空间模式(即散斑)，这将是其独特的指纹，该模式将被及时解调并与其他模式相加。该工作为通向宽视野功能成像开辟了一条独特的途径。相关研究工作近日发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）

文章链接：

Claudio Moretti and Sylvain Gigan，Readout of fluorescence functional signals through highly scattering tissue，Nature Photonics(2020).

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0612-2.

热辐射从物理上源于材料中热感应随机电流发出的电磁波，在许多领域都起着至关重要的作用，例如能量转换，红外感应，辐射冷却和热管理。近年来，由亚波长等离激元热辐射体阵列组成的超构表面已经成为主动控制和操纵远场热辐射的重要平台。尽管在准正规模式（QNM）理论和耦合模式理论的框架下很好地理解了单个等离激元热辐射体的远场热辐射，但在超构表面上紧密堆积的纳米级等离激元辐射体的集体行为仍然是未知的。

近日，来自美国卡内基梅隆大学的研究小组基于准正规模理论得出了一个新的标度律，以阐明由密集堆积的等离激元纳米发射体组成的超构表面的远场热发射。这一新理论基于QNM理论和紧密结合（TB）方法，准正规模式理论描述了超构表面中一个单独的亚波长发射器的热发射，而紧密结合方法被用来量化由于发射器之间相互作用而产生的热发射谱的位移。基于这个新的标度律，我们可以定量地描述单个等离激元发射器在同一相中与相邻发射器耦合时对热发射的抑制。可以发现，根据单个发射器的QNM特性，超构表面的整体远场热辐射可以与发射器的堆积密度正相关或负相关。研究者通过制造和测量由金纳米棒制成的等离激元超构表面，实验验证了新的标度律。因此，这种新的标度律可以作为设计具有所需热发射特性的超构表面的一般理论框架，这对热能转换，热管理和红外传感具有重要意义。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.124.137401

天然材料在光学频率下的磁性可忽略不计，因为光场对物质的直接作用远弱于电场作用。天然材料中缺乏强光学磁性，促使许多研究人员寻求各种策略，以在经过特殊设计的纳米结构和超构材料中实现强磁响应。即使由非磁性成分制成，超构材料也可以具有由光学感应磁矩驱动的磁性材料的许多特性。例如，由于亚波长单元（通常称为“超构原子”）的特定选择形式和排列方式，它们的有效渗透率张量不同于单元张量。通常，超构原子组成的阵列结构作为有效的介质对电磁波做出响应，从而表现出动态的共振磁响应。

近日，来自澳大利亚国立大学的研究小组可以在由亚波长单元结构（也称为“超构原子”）的周期性阵列组成的超构材料中实现光频率下的人工磁性。光感应磁矩既可以排列成与铁磁（FM）顺序自然相关的非交错结构，也可以排列成与反铁磁（AFM）顺序相对应的交错结构。在这里，研究者证明了这种超构原子晶格的磁偶极子阶数可以出现在每个非对称介电（非磁性）结构支持的局域限制模式的低对称米氏共振超构表面中，揭示了这些全介电共振超构表面不仅具有强大的光学磁响应，而且在FM和AFM共振下都显示出传播电磁波的显著极化旋转。研究者通过直接测量在全介电超构表面中激发的不同模式的光谱特征，并绘制微波频率下电磁场的近场模式，来通过实验证实这些发现。这种超构表面可以用作实现增强的光-物质相互作用的有效平面光学平台，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.13.044003

超材料是一种具有独特电磁特性和功能的人工材料，具有诸多自然材料无法实现的特殊功能。超材料由一系列金属或介质亚波长共振单元构成，这些共振单元被称为人工“类原子”。通过设计这些人工类原子的各个参数，能够调节其共振特性，从而可以影响光与物质相互作用特性。由于超材料具有很高的灵活性和设计自由度，因而被广泛应用于光子晶体负折射、零折射率、波束整形等领域。超材料在经典光学领域获得了广泛的应用，此外，它还可以在量子光子学中发挥重要作用。近年来，非线性光学超材料的研究为产生和操纵纠缠光子态提供了一个潜在的平台，从而为量子信息处理提供了一种新的有潜力的发展方向。光子的空间自由度能够用于形成无限维希尔伯特空间，能够降低量子信息处理所需的光子数，从而可以提高系统效率和可操作性。

近日，来自常熟理工学院、南京大学的研究团队利用非线性超材料直接产生了具有预期特性的纠缠光子态。通过设计和排列人工类原子，可以控制非线性超材料内部的参量下转换（PDC）过程，从而有效地设计和调控光子纠缠态。为了更准确地描述这类系统，研究人员基于非线性惠更斯-菲涅耳原理和等效分束衰减方法，建立了一个完整的理论框架。这种集成化的功能有利于降低实际系统的复杂度，提高系统效率，为基于超材料的量子信息处理提供了新的可能。（朱学艺）

文章链接：

Ming, Y., Zhang, W., Tang, J., Liu, Y., Xia, Z., Liu, Y., Lu, Y., Photonic Entanglement Based on Nonlinear Metamaterials. Laser & Photonics Reviews 2020, 1900146. https://doi.org/10.1002/lpor.201900146

动态光隔离是集成光路信号处理和通信的重要环节。然而，任何线性不含时的光学系统中的光传输都遵守洛伦兹互易性。要破坏这种互易性并获得非对称传输，本质上需要打破时间反演对称性。在光学中，这通常可以通过采用磁光法拉第效应来实现。然而这一方法与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术并不兼容，因而带来极大的制造复杂度，并且该方案还会引入较强的材料损耗。因而，在集成光子学中探索无磁替代品已成为当务之急。现存的替代方法有利用非线性参量放大、热光效应、布拉格散射等，然而这些替代方案在实验效果上仍不够理想。

近日，来自南京大学、美国芝加哥大学和肯尼索州立大学的联合研究团队展示了一种基于芯片的可调谐全光隔离器。该隔离器基于高品质因子硅基微环谐振器，其物理根源来自于体受激布里渊散射（SBS）。与大多数最先进的器件相比，该器件具有显著的优点，包括高隔离比、无插入损耗和大工作功率范围等。由于声学导波及相关的动量守恒条件，体SBS也有助于实现两个直接耦合微谐振器中的非互易时空对称性。时间反演对称性破缺的成功实现为许多集成光学器件，例如单向单模布里渊激光器和超灵敏光子传感器等，打开了新的大门。（朱学艺）

文章链接：

Ma, J., Wen, J., Ding, S., Li, S., Hu, Y., Jiang, X., Jiang, L., Xiao, M., Chip‐Based Optical Isolator and Nonreciprocal Parity‐Time Symmetry Induced by Stimulated Brillouin Scattering. Laser & Photonics Reviews 2020, 1900278. https://doi.org/10.1002/lpor.201900278

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