超材料前沿研究一周精选 2020年3月9日-2020年3月15日

超表面是光学研究领域中最受到关注的一个方向之一，材料的光散射特性可以通过人为设计的亚波长结构（“超单元”）随意调控。低损耗纳米介电超表面已经成为超薄光学和前沿光子应用的一个突破性平台，包括光束整形、聚焦和全息技术。然而，其组成材料的静态特性在一定程度上限制了它们其它的功能应用。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Aleksandrs Leitis等人设计了一种可调全介电红外惠更斯超表面，该超表面由多层Ge磁盘元单元组成，并引入非挥发性相变材料Ge₃Sb₂Te₆。实现了对电偶极子和磁偶极子模式之间光谱重叠的动态控制。每个“超单元”充当一个具有可变光相位的惠更斯源。同时在中红外光谱中具有高透过率。实验结果与数值计算具有高度一致性。可调谐惠更斯超表面的多功能性通过光学编程证明了高精度的空间光的相位分布并通过高光谱测量获取高分辨率相位编码图像得到证实。可编程超表面概念克服了传统介电超表面的静态限制，为通用超表面和高效、超紧凑的有源光学元件(如可调透镜、动态全息相机和空间光调制器)铺平了道路。此外，该研究瞄准了具有重要应用的中红外光谱波段，使其能够应用于关键领域，如天文学中的自适应光学、国防和安全的红外成像、自由空间光通信和遥感。同时，随着近红外和可见光波段低损耗相变材料的出现，可进一步拓展超表面应用领域。相关研究工作发表在《Advanced. Functional. Materials》上。（丁雷）

文章链接：

Aleksandrs Leitis et al, All-Dielectric Programmable Huygens’ Metasurfaces, Adv. Funct. Mater. 2020, 1910259.

DOI: 10.1002/adfm.201910259.

透镜是一种光学元件，它将入射的准直光聚焦到一个焦点上。垂直于镜头测得的距离范围内，光斑保持高度聚焦的距离通常被称为聚焦深度(DOF)。DOF和焦点大小满足如下计算公式：

  其中λ为波长，NA为透镜数值孔径。当用于成像时，在对象侧的等效范围之外的物体图像会变得模糊。很明显，有很多原因需要扩大这一范围来提高成像质量。这可以通过波前编码或通过关联计算或通过将这两者结合来实现。波前编码和相关类似的方法，如使用对数非球面模型，通常会导致在分辨率和DOF之间的权衡，有时会以牺牲图像质量为代价，这主要是由于旁瓣的增加。锥透镜可以用来增强DOF，但是图像分辨率和视场受到严重限制。总结起来，传统的透镜在成像过程中需要不断调整物平面和像平面之间的距离来获取最佳成像分辨率。这种调焦机制增加了成像系统的成本、复杂性和重量。

近日，美国犹他大学电子与计算机工程系Sourangsu Banerji等人通过对多级衍射透镜(MDL)的合理设计，可以大幅度提高4个数量级以上的聚焦深度。实验中，使用这种透镜，能够对相距约6米的物体保持聚焦。具体来说,当被准直光束在λ=0.85 μm时, MDL产生的光束可在5到1200 mm范围内聚焦。聚焦光束半峰全宽测量值从6.6μm(距离MDL 5 mm)到524μm(距离MDL 1200mm)不等。由于旁瓣被很好地抑制，主瓣接近衍射极限，因此在整个焦斑范围内以40° ×30°的水平垂直视场成像被证明是有可能实现的。该研究为透镜的设计开辟了一个新的方向。通过将焦平面中的相位作为一个自由参数来处理，可以实现极深聚焦成像。相关研究工作近期发表在《Optica》上。

文章链接：

Sourangsu Banerji et al, Extreme-depth-of-focus imaging with a flat lens,Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.384164.

基于光子的超构材料是用于控制光波传播的人工结构。可以使用周期性排列的结构元素在亚波长尺度排列，从而定制透射，折射和折射等与频率有关的电磁响应。就像光子超构材料能够操纵相干电磁波一样，电子超构材料也应该能够操纵电子的相干波。正如可以通过周期性地调制三维（3D）晶体中的折射率和光速来控制光的传播一样，可以通过调制二维（2D）双层石墨烯(BLG)中的静电势和费米速度来控制电子的传播。电子和光子的相干波应该具有相同的定性行为，主要区别是静电势比折射率容易调制。然后，在电子超构材料中操纵电子时，应在更宽，更灵活的范围内调制包括散射，干涉，衍射以及光子材料中光子罕见行为的现象。

近日，来自美国密西根州立大学大学的研究小组研究周期性选通的双层石墨烯中的弹道运输，作为二维电子超构材料的候选材料。计算使用了平衡格林函数形式，并考虑了量子力学方面的校正，以校正由周期性调制的顶栅电压引起的电荷密度变化。其结果揭示了一个有趣的类似于Fabry-Perot干涉仪的类似干扰的模式，它的电阻是施加到扩展底栅的电压和施加到周期性顶栅的函数。对观察结果进行了定量解释。研究者发现周期性门控的双层石墨烯是电子分布布拉格反射器的合适候选者。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.034034

近年来，有关超导性的许多研究都集中在其拓扑特性上。 从历史上看，这种方法始于认识超流体的拓扑性质，包括时间反演不变的拓扑性质。拓扑绝缘体的后续发展导致了当前的理论解释，即所有超导状态都可以根据其拓扑结构进行分类。拓扑非平庸（以下简称“拓扑”）超导体的主要特征是在其边界和各种缺陷的核心存在马约拉那费米子。它们在拓扑量子计算中的潜在应用极大地激发了人们对拓扑超导的兴趣。已知具有拓扑超导性的经过实验验证的物理系统，尤其是时间反演不变性的物理系统的稀缺，引起了人们对识别新候选材料的强烈需求。

近日，来自韩国国立蔚山科学技术研究院 和首尔大学的研究小组合作研究了一种异质结构，该结构由过渡金属氧化物二维电子气（2DEG）夹在顺电/铁电（PE / FE）相变附近的绝缘体组成。它的相关特征是过渡金属自旋轨道耦合和铁电磁化产生的奇偶性声子。它引起了波动的Rashba效应，该效应可以传递配对的相互作用，以实现时间反演不变拓扑超导性。由于可以通过在异质结构上施加应变来驱动PE / FE相变，因此该系统提供了可调谐的电子-声子耦合。通过对（001）[BaOsO₃] [BaTiO₃]₄的第一性原理计算，研究者发现，在夹在（001）BaOsO₃之间的单层BaOsO₃中，这种电子声子耦合在很宽的施加拉伸双轴应变范围内都很强，因此有资格作为良好的候选材料。此外，这种材料的拓扑超导性的稳定性通过其轨道物理特性得以增强，从而引起了各向异性色散。相关文章发表在杂志《Physical Review Materials》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/ PhysRevMaterials.4.034202

在生物体感觉系统中，信息的感觉、传递和处理依赖于分布的和并行的机械敏感性受体、神经元和突触网络，这些网络紧凑而有效地解决了现实世界中复杂的和无结构的问题，使人类能够有效地感知和处理触觉信息。携带环境特征信息的外部刺激被编码到由神经元和突触传递的动作电位中，并与神经编码和学习协同结合处理检测到的信息。受躯体感觉系统的启发,具有神经形态功能的设备已经被开发模拟生物尖峰传感和处理,目的是提高它们的性能，从而实现智能功能,如图像识别、视觉信息处理、语音识别、智能传感和神经形态计算等。

近日，芬兰阿尔托大学理学院Hongwei Tan等人受生物体感觉系统的启发，报道了一种具有神经编码、感知学习和记忆能力的光电尖峰传入神经来模拟触觉感应及处理。该系统通过基于氮化物传感器感知压力，通过将发光二极管耦合到模拟数字电路中来将压力信息转换为光脉冲，然后使用光忆阻器集成光脉冲。通过神经编码，研究人员设计的尖峰神经不仅能够检测同步的压力输入，还能识别莫尔斯电码、盲文和物体运动。此外，通过降维特征提取和学习，该系统可以识别和记忆手写的字母和单词，为电子皮肤、感觉记忆计算、仿生传感器、神经机器人和人机交互技术提供了一个很有发展潜力的方向。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷） 

文章链接：

Hongwei Tan et al, Tactile sensory coding and learning with bioinspired optoelectronic spiking afferent nerves,Nature Communications, (2020) 11:1369.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15105-2.

随着人们对高性能、高节能计算系统和大容量数据中心需求的不断增加，光互联技术成为了一个热门的研究课题。光互联技术比电互联技术拥有更高带宽和更低功耗，光传输技术也在长途通信和数据中心网络中占主导地位。在较小尺度范围甚至片上集成器件中，光器件同样也开始具有越来越重要的作用。例如在密集波分复用（DWDM）技术中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）能够提供更高的插座效率、GHz频率调制速度，从而被广泛采用。在未来的DWDM系统中，可广泛调谐的激光器是在高流量网络中提供动态波长管理的关键组件之一，它的额外优点是允许公共组件存储，从而能够节省库存成本，并增加了构建光网络的灵活性。

近日，来自美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校、中国浙江大学的联合研究团队报道了一种以量子点（QDs）作为有源区的1.3µm波段单模可调谐激光器。由于量子点三维载流子限制和独特的态密度分布，相对于量子阱激光器而言量子点激光器具有更低的阈值和更高的耐高温性质。更重要的是，量子点对缺陷和反馈不敏感，这降低了其加工难度，提高了性能。结合量子点的优点和半波耦合腔结构，研究人员第一次演示了在1.3µm波长范围内直接调制的单模可调谐InAs/GaAs量子点激光器。该量子点激光器具有27通道波长切换，其SMSR高达35dB，输出功率超过9毫瓦。此外，其还具有716 khz的洛伦兹线宽、4 GHz 的3 dB带宽，以及8 gbit /s的非归零信号调制。（朱学艺）

文章链接：

Wan, Y., Zhang, S., Norman, J. C., Kennedy, M., He, W., Tong, Y., Shang, C., He, J., Tsang, H. K., Gossard, A. C., Bowers, J. E., Directly Modulated Single‐Mode Tunable Quantum Dot Lasers at 1.3 µm. Laser & Photonics Reviews 2020, 14, 1900348. https://doi.org/10.1002/lpor.201900348

从0.1到10太赫兹波段的太赫兹（THz）波是一个热门的研究课题，其在化学分析、无损生物医学检测、高速通信等领域都具有潜在的应用价值。在过去的十年里，由有源介质和人工“类原子”组成的THz超材料光子学器件得到了广泛的应用，大大改变了传统的THz波的操纵方法。这种复合人工“原子”能提供在自然材料中无法获得的强大光-物质相互作用能力。基于超材料人工类原子的电磁诱导透明（EIT）能够通过耦合谐振单元模拟三能级原子系统中激发态之间的量子破坏性干涉来实现，从而在宽吸收光谱中产生一个尖锐的透射窗口。这在慢光器件、超灵敏生物传感、增强非线性效应等方面显示出巨大的应用潜力。然而，这些器件目前仅限于在给定频率下调谐，这严重阻碍了它们的实际应用。

近日，来自国防科技大学的研究人员首次报道了一种EIT共振移频超器件。该器件是通过硅桥断丝（CWs）和裂环谐振器（srr）组成的具有光活性的THz超原子来实现的。通过将离散的超原子进行光学融合，可以在高达36%的调谐范围内调谐EIT共振频率。此外，研究人员还探讨和证实了泵浦功率对EIT开关行为的影响。在足够高的抽运功率下，在移位频率处会形成新的EIT窗口。当泵浦功率较低时，系统表现出典型的超快开关有源传输响应和基频的慢光振幅开关特性。超快动力学现象表明开关速度在≈1ns的时间尺度内。这种技术还可以应用于从红外到THz的宽带光谱，这为新一代的新型开关器件研究打开了大门。（朱学艺）

文章链接：

Hu, Y., Jiang, T., Sun, H., Tong, M., You, J., Zheng, X., Xu, Z., Cheng, X., Ultrafast Frequency Shift of Electromagnetically Induced Transparency in Terahertz Metaphotonic Devices. Laser & Photonics Reviews 2020, 14, 1900338. https://doi.org/10.1002/lpor.201900338

两江科技评论编辑部

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