超材料前沿研究一周精选 2020年2月10日-2020年2月16日

有一类重要的光学设备具有将输入波形转换为任意输出波的功能。尽管有许多此类设备的设计方法，但一种特别直观的方法是全息法，其中所需的输出波形被传播回孔径平面并干扰入射波形或参考波。在平面或全息图上产生相位和幅度变化。 当将此空间变化的相位和幅度分布添加到参考波时，会生成所需的输出波形，表面全息是一种概念上简单明了但功能强大的设计方法，只要可以在某些物理介质中实现所需的幅度和相位变化，就可以对波阵面进行任意控制。

与可以响应单个输入波形而产生单个输出波形的超构表面相反，立体的三维超构材料具有对许多不同的输入波形执行独立功能的能力。近日，来自杜克大学的Divya Pande研究小组在通过使用一种交感设计的三维超构材料实现了这种多路复用能力的实验演示，该材料在强散射极限下实现了高效的多路复用结构。与仅适用于弱散射介质的诸如体积全息术之类的设计方法相反，研究人员提供了一种综合方法，该方法考虑了设计和制造方面的约束，并且可以在仿真中进行验证。然后实验演示了以10 GHz频率运行的交感设备的实现，该设备已针对对应于三个不同输出波形的三个不同输入波形进行了优化。该设备使用低损耗的三维打印材料实现。交感设备由具有变化半径的介电圆柱单元的晶格组成，在平行板波导中激发以增强二维场的对称性。实验结果显示与耦合偶极子方法模拟和有限元模拟非常吻合。进一步证明了交变超构材料的可扩展性及其在先进的射频和光学设备中的可行性，相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐)

标题：Symphotic Multiplexing Medium at Microwave Frequencies

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024033

在横跨多个几何尺度的许多学科中，控制弹性介质中波传播的能力至关重要。共振和周期性材料的目的是提供一种通过精确设计的结构几何形状的周期性变化来缓解或引导弹性波的方法，从而使波控制的功能与结构本身相关。近年来，具有独特的色散特性（包括可调带隙，拓扑边缘状态和负效应特性）的弹性超构材料领域受到了越来越多的关注。最近，新颖的构想已被提出来打破基本的弹性动力学原理之一，即互易性，并开始出现类似二极管的行为。互易性通常与叠加和对称性原理结合使用，对于电磁，声学和信号处理中的许多分析方法至关重要，但是在实践中，反向散射波存在许多问题和局限性。因此，开发具有鲁棒的非互易波传播行为的结构是至关重要的。具有时空调制材料的线性系统已成为研究波放大和非互易性的许多方法的重点。由于它们的特性随时间变化，这些系统不再受互易性的约束，而它们的响应与振幅无关，与一般的非线性材料结构不同。

时空变化的材料可以通过引入人工的动量偏差在线性系统中传递不可逆的色散。尽管这种材料设计范式消除了对介质进行实际运动的需求，但是具有动态变化材料特性的时空结构的实验仍然难以实现。近日，来自纽约州立大学布法罗分校的M.Nouh研究小组介绍了一种弹性超构材料，该结构利用了几何相移谐振器阵列中的刚度变化，而不是利用外部材料的诱导来引入时间调制。通过实验证明，所产生的偏压打破了共振超材料中的时间反转对称性，并实现了动态调制范围内色散模式的非互易传播。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐)

标题：Real-Space Characterization of Cavity-Coupled Waveguide Systems in Hypersonic Phononic Crystals

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.021001

近年来，拓扑相的概念被扩展到超越传统体边对应的高阶拓扑相。二维二阶拓扑绝缘体可以同时具有受拓扑保护的零维无带隙角态和一维有带隙边界态。四极子的量子化在四方晶格、经典力学系统、电磁超材料、呼吸kagome晶格和声学超材料中实现了零维角态。由于这些角态的拓扑特性，信息可以被束缚在系统的各个角落，即使在系统中存在缺陷的情况下也不会受到影响，这使它成为信息处理的潜在应用对象。但是角态和其他拓扑模式彼此隔离，很难重叠(它们是正交的本征态)。因此，尽管信息处理需要多个模式的耦合，但是在目前还没有关于多个拓扑模式耦合(尤其是角态)的报道。

近日，来自新加坡南洋理工大学的研究人员及其合作者从理论上提出了一个激子-极化激元耦合的方形微柱晶格模型：激子-极化激元是由量子阱激元与微腔光子强耦合而产生的光物质准粒子。在该工作中，研究人员通过改变相邻微柱之间的交叠或在主微柱之间放置辅助微柱来实现格点间耦合符号相反，从而实现了一个二阶拓扑极化激元能带结构。在建立了极化激元角态的基础上，研究了极化激元-极化激元散射的影响，使它们能够耦合到边缘态。通过边缘态与角态的耦合，其中一个角态的激发引起其相邻角态的激发，从而实现了线性系统中不具备的效应。研究人员还演示了以二进制编码的信息从一个角到另一个角的传输，这种传输在具有一定程度缺陷的实际系统中依然有效，并且与常规非拓扑方晶格相比，信息传递的速度更快，所需功率更小。该工作对拓扑模式用于信息处理以及在单一系统中耦合多个拓扑模式具有指导作用，并于近日发表在《Physical Review Letters》。(短文作者：王济乾)

文章链接：10.1103/Phys Rev Lett.124.063901

量子行走（Quantum Walks）是粒子的一种离散动力学现象，是粒子（行走者）受其类自旋自由度限制所呈现的一种瞬时状态。量子行走是经典随机行走现象在量子力学领域中的类比，能够用于实现量子搜索算法和通用量子计算。量子行走已经在多种实验体系中得以验证，如量子阱、超冷原子、超导和光子系统等。量子行走是一种可以用于量子计算和量子拓扑系统设计的强大工具。尽管在许多平台上进行了模拟，但是真正的二维量子行走仍然具有挑战性。

近日，来自意大利Università degli Studi di Napoli Federico II和西班牙ICFO、ICREA等单位的研究人员报道了一种基于光学系统的新颖二维量子行走现象。以往的光学体系量子行走往往使用不同光路。而在该系统中，光子演化发生在单个光束内，该光束在传播时会获得复杂的内部结构。行走者的位置被编码在单个光束的横向波矢量分量中。所需的动力学调制可以通过一系列液晶器件实现，这些设备将与偏振有关的横向相互作用应用于光束中的光子。研究人员们对量子行走进行了精确设计，从而实现了周期性驱动的陈绝缘体，并通过检测光子波包的异常位移来探测其拓扑特征。这种紧凑、多功能的平台为二维量子动力学和拓扑系统的光子模拟提供了广阔的前景。（短文作者：朱学艺)

文章链接：Alessio D’Errico, Filippo Cardano, Maria Maffei, Alexandre Dauphin, Raouf Barboza, Chiara Esposito, Bruno Piccirillo, Maciej Lewenstein, Pietro Massignan, and Lorenzo Marrucci, "Two-dimensional topological quantum walks in the momentum space of structured light," Optica 7, 108-114 (2020). https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-2-108

周期性驱动的量子系统中时间平移对称性的自发破缺会产生一种新的物相：离散时间晶体（DTC）。这种物相表现出集体次谐波振荡，其取决于非平衡驱动、多体相互作用和遍历性破缺等多种方面。当系统的长程动力学具有周期性，并且该周期是基础运动方程周期的固定倍数时，就会发生次谐波响应。这种次谐波响应也是经典动力学系统中的特征，例如法拉第波、交流驱动的电荷密度波等。这些经典现象是否显示出与量子DTC相同的刚度特性成为了一个有趣的话题。

近日，来自美国加州大学伯克利分校和美国普林斯顿大学的研究人员发表文章探讨了这一问题。在周期性驱动的哈密顿动力学与有限温度热浴相耦合，该有限温度热浴既提供摩擦力又提供至关重要的外部噪声。研究结果表明，噪声和相互作用的组合驱动了离散的时间平移不变相与活化的经典离散时间晶体之间急剧变化的一阶动态相变。研究人员将这种相变过程映射到直流驱动电荷密度波的锁定/滑动的相变过程中。最后，基于概率元胞自动机领域的研究结果，研究人员推测经典时间晶体具有长程有序，其中时间平移对称性被无限次打破。（短文作者：朱学艺)

文章链接：Yao, N.Y., Nayak, C., Balents, L. et al. Classical discrete time crystals. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0782-3

在超声频段，实现片上对声子的控制在生物化学检测传感、模拟信号处理和无线通信等广泛应用中起着至关重要的作用。此外，片上声子可以驱动其他自由度，如光子、电子和自旋。在这些系统中，可以利用超声振动来有效地激发或调节这些粒子，并在不同子系统之间交互信息，推动了量子声学或自旋机械学的发展。因此，提高对超高频声学声子的操控能力就显得越来越重要。利用声子晶体可以调控声波的色散关系和带隙，从而实现对声波传播的控制。例如，在周期结构中的局部调制可以产生声学腔或波导，它们分别在空间上对声波的局域或定向传导。在超声频段，声子晶体的概念已经被应用于各种微机械系统，包括声表面波器件、悬浮的纳米梁和薄膜等。悬浮压电薄膜声子晶体由于其有高质量因子和小的体积，且容易集成，因此是一种合适的平台去实现片上对声波的调控。

近日，日本电报电话公司（NTT）的D. Hatanaka等在悬浮的压电GaAs薄膜上制备了声子晶体腔和波导，并且对腔、波导及其耦合结构进行了全面的研究。他们通过激光测振仪在实空间上表征了腔和波导中的机械振动特性。在设计的各种谐振腔中多级谐振模式被单独表征，并且具有波长规模大小的谐振腔其品质因子在大气条件下可以达到4200。而后，他们对波导的传导模式和腔波导的耦合模式进行实空间表征。这些方法为构建紧凑的低功耗的用于信号处理的超声集成电路和混合的量子系统提供重要的工具。相关研究以“Real-space characterization of cavity-coupled waveguide systems in hypersonic phononic crystals”为题发表在《Physical Review Applied》上。（短文作者：张子栋)

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024005

光刻技术是半导体制造中最常用的技术之一，是所有现代电子器件制造的基础。然而，深紫外和极端紫外光刻系统以及相应的光刻掩膜都是相对昂贵的。电子束光刻或聚焦离子束刻蚀的制备方法也以低速、高成本的为基础。因此，在微纳米结构的制备中，迫切需要一种无掩蔽的高速方法。在所有无掩蔽光刻的方法中，激光直写是一种重要且被广泛采用的微加工技术。如果基于非线性曝光的激光直写，其特征尺寸可降至几十纳米。然而，激光直写的速度是一个技术瓶颈。针对这一问题，提出了并行激光直写方法，包括自组装微球激光图形化、激光干涉光刻和多焦阵列激光直写。

近日，新加坡国立大学洪明辉教授课题组总结了这些并行激光直写技术的原理、优势、挑战和应用。这些方法实现了大面积纳米尺度分辨率的任意周期图案制作。同时，这些技术具有独特的三维结构构建能力，而不单单是传统的二维图形，这是未来微纳米加工的发展方向。这些技术被广泛应用于传感器、太阳能电池和超材料领域的表面处理和功能器件制造。以“Parallel Laser Micro/Nano‐Processing for Functional Device Fabrication”为题发表在《Laser & photonics reviews》上。

文章链接：https://doi.org/10.1002/lpor.201900062

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