超材料前沿研究”一周精选 2019年7月28日-8月3日

薛定谔方程是描述量子力学系统波函数的基本方程。薛定谔方程和近轴波动方程之间的相似形式，使得从量子力学到经典场的范式转变成为可能，从而发现了包括光学超振荡行为在内的大量有趣现象。从理论物理到应用科学的各种教科书中，频率低于最大极限的波函数随处可见。直观地说，人们可能认为频率有限的波函数的振荡频率不会超过它的最高频率分量。然而，在20世纪90年代，Aharonov等人给出了反例，证明了这样一些波函数的存在，这些波函数的暂时振荡频率远大于它们最高的傅里叶分量，他们称之为超振荡波函数。在此之后，超振荡行为被引入到经典的波系统中，产生了各种奇特的效应，如远场超分辨率聚焦。在过去的几十年里，突破衍射极限是光学和声学领域长期追求的目标。自负折射和双曲折射超材料提出以来，在这些超材料中获得了携带超分辨率信息的倏逝波。然而，由于介质损耗，超分辨率聚焦和成像仅能在近场实现。因此，将光或声聚焦到远场的深亚波长点上具有重要的应用价值。

近日，华中科技大学祝雪丰等人提出了一种超声超透镜，用于产生具有不同空间动量的超振荡声波包，然后将它们叠加到衍射极限破缺点上，以捕获微小的环形粒子来进行视觉表征。实验中，他们利用超振荡波包来打破超声波在远场中的衍射极限。从波方程直接构造了具有时间周期特性的声学超振荡函数，虽然所建立的超振荡波包具有较弱的振幅，但有明显的压力梯度，这就保证了其具有非常强的声辐射能力。此外，他们提出了一种结合不同空间频率的超声波的方法，通过无优化的方法产生超振荡波函数的静态空间分布。此外，基于该聚焦超振荡波包，研究人员通过实验验证了超分辨率超声成像这一概念，为先进的声学成像、生物医学应用和通用的远场超声控制开辟了一个新的领域—超振荡超声领域。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。

文章链接：Ya-Xi Shen et al. Ultrasonic super-oscillation wave-packets with an acoustic meta-lens. Nature Communications (2019) 10:3411.  

doi.org/10.1038/s41467-019-11430-3.

回音壁模式(WGM)共振器在需要增强光与物质交互作用的实验和设备中占据一席之地。它们之所以在基础研究和应用研究领域吸引人们感兴趣，是因为 WGM 的寿命非常长，以质量因子Q来衡量，同时占用少量V。这使得它们对环境的变化极为敏感，因此，作为生物传感器，它们尤其有趣。事实上，通过线性过程，对蛋白质或病毒大小的单个纳米粒子或分子的检测已经过实验证明。此外，在质量方面已经达到类似的检测极限，但使用非线性光学器件可以大大降低分子量(<500 Da)极限。除了传感，WGM 还特别高效的非线性光源:激光器、光学参数振荡器、二次谐波，拉曼和三次谐波源，以及近年来的频梳。

高效的微谐振器同时需要高的品质因子Q.和小体积V.然而，前者最终受到弯曲损耗的限制，弯曲损耗是在改变传播方向时不可避免的波能量辐射。当V减小时，这种弯曲损耗呈指数增加，并最终导致Q的下降。因此，圆形腔室通常设计成具有比光学波长大得多的半径。辐射能量的相同泄漏限制了光子集成电路中的弯曲的锐度。近日，来自德国Max-Born-Institut的Nirmalendu Acharyya等人提出了一种减少圆形微谐振器弯曲损耗的方法。所提出的方案包括一个或多个与腔同心的外部介电环，这些环改变腔外的场，设置在腔内径向振荡，从而控制远场辐射，结果，Q因子可以增加几个数量级，同时保持小的腔体积。因此,质量因子只能受到材料因素的限制,而不能受弯曲损失的限制。这可能为在基于WGM的激光操作、传感或量子腔电动力学实验中性能的一级改进铺平道路。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接： https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014060

机动性和鲁棒性是机器人应用的两个重要特征。由高分子材料制成的软机器人具有同时实现这两种特性的可能。与基于高刚度/密度材料的大型机器人和由笨重的执行器/电机驱动的大型机器人不同，小型软机器人通常局限于基于低刚度/密度材料的低输出功率的小型执行器。因此，昆虫大小的软机器人很容易被损坏，运动控制能力差，或者由于其小结构的性质移动缓慢。因此机动性和鲁棒性问题是软体机器人开发过程中一直面临的两个关键性问题。

近日，清华-伯克利深圳学院吴一川等人本研究提出了一种基于弯曲单晶压电结构的柔性机器人，其相对速度为每秒20个体长，与快速移动的节肢动物相当，是已报道的昆虫机器人中速度最快的。这款软体机器人运用了多种动物运动的原理，不仅能够负重、爬坡，而且具有蟑螂的健壮性。更令人惊奇的是在承受了成人脚步的重量(大约是机器人的100万倍)后，该昆虫机器人仍存活了下来，并在之后继续移动。可以说是一只“打不死的小强”。相对较快的运动速度和较强的鲁棒性归功于具有较大振幅振动的弯曲单晶压电结构，这是其他方法无法比拟的。此外，该机器人可以在只有8 v的低电压下工作，这表明了进一步集成板载电路在未来的应用前景。在测试过程中研究人员发现更高的谐振频率，更小的体积可以进一步提高相对速度，但精密制造、供电线路的要求和不受约束的操作可能是追求小型机器人的关键挑战。该设计原理、驱动机构和工作特性可以进一步优化和扩展，以提高性能，它在环境探测、结构检测、信息侦察和救灾等方面具有潜在的应用前景，也可用于其他柔性器件。相关研究工作发表在《Science Robotics》上。

文章链接：Yichuan Wu et al. Insect-scale fast moving and ultrarobust soft robot. Science Robotics eaax1594 (2019).

DOI: 10.1126/scirobotics.aax1594.

近年来科学家在相位梯度超曲面（PGM）的发展方面取得了进展，这提供了一种前所未有的方法来控制动态波或光的传播，以实现全息图，超透镜，光子自旋霍尔效应，超薄隐形眼镜和其他超薄光学器件。通常，PGM被构造为周期性光栅，其包括沿着界面在空间上重复的超晶胞，其中每一个超晶胞由m个单位单元组成（m是整数）以产生跨越2π的所需突变相移，例如在PGM的开创性工作中便是m=8，每一个超晶胞由八个单位单元组成。直观地说，超晶胞中单位晶胞的数量m不会改变PGM衍射特性的性质，只是小的m（<4）会导致衍射效率下降。然而，最近的一些实验工作表明情况并非如此，已经发现，在透射型PGM中可以观察到从相反角度（正和负）入射的声波的不对称透射，这归因于高阶衍射的损耗诱导抑制，在电磁波中通过实验也报告了类似的结果

最近在相位梯度超曲面中证明了不对称吸收率。这种效果从整数m变化，整数m是超晶胞中的单位单元的数量。仍然缺乏分析公式来揭示吸收率与m值之间的关系。近日，来自苏州大学的徐亚东团队通过考虑光学频率下的亚波长金属光栅来丰富以前的研究，并提出了一种简单直观的半解析方法来解释观察到的不对称吸收率。其理论清楚地表明，m依赖不对称吸收率的现象非常稳定，并且可以在具有相位梯度的任何光栅中观察到。其机制是相位梯度确保了光栅内部多次全内反射的额外过程，从而导致更多的耗散和不对称的衍射响应。该工作为有效产生热电子的基础研究提供了另一种方法，这种方法在光电能量转换中发挥着重要作用。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.024006

在过去的十年中，室内场景中需要处理和交换的无线数据量大大增加。到2020年，连接设备的数量预计将超过50o亿。为了满足更快更好的无线通信的需求，有两种主要的技术被应用于无线通讯：无线电通信和光无线通信。无线电通信，尤其是WIFI，在私人住宅和公共场所无处不在。最新的802.11ac IEEE标准允许在5Ghz频段单个数据流高达866Mbit/s。此外，超级WIFI的研究有望实现在60Ghz频段提供超过7Gbit/s的无线连接。然而，随着需求的不断增加，分配给无线电通讯的带宽将很快耗尽。当太多用户同时连接到同一个接入点时，WIFI会迅速超载，速度变得很慢。

光无线通信的研究为通讯能力带来了新的突破。光无线通讯拥有大量可用的光谱范围，从而允许超高容量和无电磁干扰的无线通讯。然而，当发射器和接收器之间的直接通路被障碍物阻挡时，光无线通讯的挑战就出现了。利用散射材料(天花板、墙面等)的漫反射光来建立的非视距光路其强度远低于直接到达接收器的准直入射光束。

近日，来自荷兰埃因霍温理工大学的研究人员提出了一种可重构的波束整形系统，从而实现节能的非视距自由空间光通讯。光线在障碍物周围转向，并从漫反射表面反射后到达接收器。相干阵列光发射器用于对漫反射表面的反射光进行空间整形。波前重构用于增强到达光接收器的漫反射光的量，从而实现了30Gbit/s正交频分复用信号的非视距自由空间光通讯。

文章链接：Zizheng Cao, Xuebing Zhang, Gerwin Osnabrugge, Juhao Li, Ivo M. Vellekoop, and Antonius M. J. Koonen, 'Reconfigurable Beam System for Non-Line-of-Sight Free-Space Optical Communication', Light: Science & Applications, 8 (2019), 69.

积分成像技术被认为是最有可能实现3D显示器的成像技术之一。该概念由lippmann于1908年首次提出，随后通过使用针孔阵列和合适的微透镜阵列得到验证。最近，通过利用匹配的微透镜阵列，积分成像技术能够成功的合并到智能手机中，从而为该技术的应用打开了新的大门。然而，微透镜阵列会引入固有色差，因而会降级成像质量。色差是指镜头无法将不同波长的光聚焦到同一平面的现象，会导致成像模糊和颜色失真。因而，矫正宽带成像区域的色差是实现全色成像的基础。在传统的光学设计中，通常将具有不同焦距的若干透镜级联在一起从而构造多波长消色差透镜系统。最常见的是消色差双胶合透镜和复消色差透镜。然而，这些消色差透镜体积庞大，限制了其在便携、可穿戴和集成设备中的应用。

超表面透镜的研究为宽带消色差提供了新的方式。通过使用能够调节Pancharatnam-Berry(PB)相的微纳共振单元，超透镜能够在平面上矫正宽带色差，因此具有巨大的吸引力。近日，来自中山大学的研究团队报道了一种在整个可见光区域工作的偏振不敏感的宽带消色差超透镜。通过使用CMOS兼容的半导体材料氮化硅来加工具有高透射率的纳米共振单元，这种纳米柱状结构具有极低的光学色散，从而有效实现了宽带消色差效应。通过制造60×60的超表面阵列，研究人员成功验证了全色积分成像。这种低成本、CMOS兼容的超透镜阵列具有广泛的应用潜力，为微光刻、3D成像、波前传感器等应用提供了新的可能。

文章链接：Zhi-Bin Fan, Hao-Yang Qiu, Han-Le Zhang, Xiao-Ning Pang, Li-Dan Zhou, Lin Liu, Hui Ren, Qiong-Hua Wang, and Jian-Wen Dong, 'A Broadband Achromatic Metalens Array for Integral Imaging in the Visible', Light: Science & Applications, 8 (2019), 67.

长按二维码
关注我们吧

精彩回顾  

1.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月1日-7月7日

2.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月8日-7月14日

3.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月15日-7月21日

4.超材料前沿研究”一周精选 2019年7月22日-7月28日

免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

邮箱：janechou@imeta-center.com

微信号：18305163023