1、莫尔(moiré)石墨烯超晶格中支持纳米光子传输的光子晶体

——借助可转动角度的、双层堆叠的石墨烯超晶格（即莫尔石墨烯超晶格）构造周期势垒，实现可调控的并支持纳米光子（也就是波场局域且波长极短的等离激元）传输的光子晶体

光子晶体利用其特有的周期结构可实现对电磁波的有效调控，例如可以通过构造光子晶体带隙隔绝电磁波的传播。这一原理同样可应用于调控波场局域且波长极短的表面等离激元（也称为纳米光子）。但传统上要实现纳米光子波段的光子晶体需要利用自上而下的纳米微加工（top-down nanofabrication），这一过程非常昂贵且精度可控度较低。最近，来自美国哥伦比亚大学、California–San Diego大学、哈佛大学、Instituto deCiencia de Materiales de Madrid和National institute for materials science （NIMS）的研究人员通过在双层堆叠的石墨烯中调制两者之间的扭转角度实现了莫尔石墨烯超晶格。他们发现，在扭转角度较小的情况下，双层石墨烯中发生原子重构，可将超晶格转化为具有周期性势场分布的光子晶体，从而避免了使用由上自下的纳米微加工。由于光子晶体尺寸较小，可支持波长极短的表面等离激元传输，其传输可通过改变双层石墨烯的扭转角度、层间耦合以及外加电压等进行调控。他们在莫尔石墨烯超晶格中引入拓扑理论，解释了周期排列的势场是由拓扑保护的边界态形成。该工作提供了制备和表征纳米光子尺寸光子晶体的新机理和新技术，并且为拓扑材料的应用和器件化提供了进一步的思路。相关研究发表在近期的《Science》上。

文章链接：Sunku et al., Photonic crystals for nano-light inmoiré graphene superlattices, Science 362, 1153-1156 (2018).

2、双晶格光子晶体谐振器-实现高亮度低发散对称光束的半导体激光器

激光器被广泛的应用于医学，照明，自由空间无线电信，能量传输和材料加工等领域。相较于传统的气体和光纤/盘式激光器，半导体激光器具有更紧凑的结构和相对低廉的制作成本，因此，近年来半导体激光器有了长足的发展。然而，即使是使用了边缘发射型谐振器(edge-emitting-type resonators)的半导体激光器，在亮度上仍然比传统气体和固态/光纤激光器小一个数量级，同时其光束具有大的发散：包括强烈的不对称和象散现象(astigmatism)。来自日本京都大学的John Gelleta，Susumu Noda及其研究团队提出了一种基于双晶格光子晶体的谐振器。该谐振器由在x和y方向上错开四分之一操作波长的两个不同晶格光子晶体组成，其抑制高阶模式的振荡的能力比传统的单晶格光子晶体强一个数量级以上。因此，该光子晶体可以实现单（或低阶）模式操作，从而获得具有极高亮度，大发射面积和低发散的激光束。研究团队在脉冲条件下实现了大约10W的输出功率，极小的发散角（500μm直径的圆形发射区域，在x和y方向上的发散角小于0.3°），以及极高的亮度（超过300MW cm^-2sr^-1）。同时在连续波条件下获得了高达7W的输出功率。  

更进一步的理论计算表明，优化过的双晶格光子晶体能够在保证1-10GW输出功率的前提下，达到比单晶格光子晶体宽两个数量级以上的发射直径。该研究对于亮度媲美传统激光器的紧凑型半导体激光器的发展有非常重要的指导意义。研究成果于近日发布在《Nature Materials》上。

文章链接：Double-lattice photonic-crystal resonators enabling high-brightness semiconductor lasers with symmetric narrow-divergence beams, Published online: 17 December 2018; doi:10.1038/s41563-018-0242-y

3、基于外尔轨道的量子霍尔效应

量子霍尔效应（quantum Hall effect）一直是凝聚态物理重点研究的现象之一，同时它也与拓扑相、电子强关联、量子计算等领域的研究息息相关。通常情况下，量子霍尔效应源于二维电子系统中的手性边界态。更高维度下量子霍尔效应是否存在是一个值得研究的问题。最近，复旦大学的修发贤课题组报道了三维拓扑半金属Cd₂As₃纳米结构中的量子霍尔效应。这一现象起源于系统中的外尔轨道（Weyl orbits），这一轨道是由表面态的费米弧和体态中的一维手性朗道能级连接而成的电荷通道。同时，他们发现由于引入了体态中的电子输运，量子霍尔输运将会受到样品厚度的调制，且调制效果可用修正的栗弗席兹-翁萨格关系（Lifshitz–Onsager relation）进行很好的预测。这一工作第一次报道了三维空间中的量子霍尔效应，为量子霍尔现象的深入研究提供了新的体系与思路。相关研究发表在近期的《Nature》上。

文章链接：Faxian Xiu et al., Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd₃As₂， Nature 2018, DOI number:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0798-3.

4、可编程光学‘分子’结构

具有离散能级的物理系统本质上是普遍存在的，并且是量子技术的基本组成单元。实现可控的基于光学系统的人造原子和分子结构将能够对光子的频率、振幅和相位进行相干和动态控制。哈佛大学的Marko Lončar教授及其研究团队发表了一项最新的研究成果，他们使用耦合的铌酸锂微环谐振器构造出了具有两个不同能级的“光学分子”，并能够通过外部微波激发来控制它。其中，光的频率和相位可以通过编程的微波信号精确控制，能够精确的模拟两级系统中的概念和现象，包括Autler-Townes分裂，Stark偏移，Rabi振荡和Ramsey干涉等。通过相干控制，研究人员将光学分子重新配置成明暗模式对，从而能够按照实际需要模拟出光存储和光信号反演恢复 。这种技术能够在可编程和可扩展的电光系统中实现光的动态控制，为微波信号处理、频域中的量子光子门以及探索光学计算和拓扑物理学中的概念提供了较好的应用平台。

文章链接：M. Zhang, C. Wang, Y. Hu, A.Shams-Ansari, T. Ren, S. Fan, and M. Lončar, Electronically programmable photonic molecule, Nat. Photon  13 (1):36-40 (2019) DOI: 10.1038/s41566-018-0317-y. 

5、双量子点中的超导电流

杂化半导体-超导体一维异质结构微加工的最新进展促进了可控基态的Josephson junctions的实现。与半导体弱耦合的单量子点中的电子数可以由门电压精确控制，而双量子点Josephson junction给对系统基态的控制提供了更大的自由度。

最近，来自哥本哈根大学Niels Bohr研究所、 Jožef Stefan研究所、卢布尔雅那大学数学与物理学院的J.C. Estrada Saldaña, A. Vekris, G. Steffensen, R. Žitko,P. Krogstrup, J. Paaske, K. Grove-Rasmussen, and J. Nygård等人，首次展示了通过两个杂质Anderson模型（impurity Anderson model）实验上实现了门控（gate-controlled）S-DQD-S型（S代表超导铅superconducting lead）Josephson junction，并着眼于两个超导铅的弱耦合区域，发现临界电流（critical current）的不连续性取决于量子点中的电子总数，当每个量子点的highest-lying能级的电子数是奇数（偶数），双量子点的基态是双重态（单重态）。另外，他们探测了双量子点系统特有的分子轨道基态，发现了临界电流随着能级简并的失谐（detuning）而变化，在最大轨道杂化时，可以获得最大的临界电流。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上

文章链接：J.C. Estrada Saldaña, A. Vekris, G. Steffensen, R. Žitko,P. Krogstrup, J. Paaske, K. Grove-Rasmussen, and J. Nygård，Supercurrent in a Double Quantum Dot，Physical Review Letters 121，Article number:257701(2018)

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