超材料前沿研究一周精选 2021年10月5日-2021年10月10日

高频纳米光机械系统除了在探索基础量子物理方面具有吸引力外，作为未来量子网络的节点也有很大的前景。首先，可以设计它们的光学特性来匹配特定的应用，包括在低损耗通信波长下的操作以及与其他系统(例如原子跃迁)的共振匹配。第二，机械模式可以被设计成相干地存储量子信息超过10微秒，这在本就以电信波长运行的系统中是无可比拟的。第三，力学模式提供了一个直接的界面，以其他量子系统运行在千兆赫频率范围。从外部源到量子节点的未知输入态的量子传输被认为是远程量子通信协议的关键组成部分之一。它已经在纯光子量子系统以及由光子通道连接的原子和固体自旋系统中得到证明，但将光学输入态的量子隐形传态传输到长寿命光机械存储器仍然是一个突出的挑战。

近日，来自荷兰代尔夫特理工大学量子纳米科学系、Kavli纳米科学研究所的Niccolò Fiaschi等人演示了偏振编码光输入态到一对纳米机械谐振器的联合态的量子隐形传态。他们的协议还允许在双轨编码光力学量子存储器上存储和检索任意量子比特状态。这项工作展示了单个量子中继节点的全部功能，并提出了光机械系统作为量子网络节点应用的一个关键里程碑。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）

文章链接：Fiaschi, N., Hensen, B., Wallucks, A. et al. Optomechanical quantum teleportation. Nat. Photon. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00866-z

硫系玻璃已成为红外光子学的优良材料体系之一,其高线性折射率和强克尔非线性的优点使它们成为一个很有优势的片上信号处理平台，如光开关、波长转换和再生、分子指纹、环境监测、传感应用和天文学。此外，硫系玻璃的光改性特性使其适合于超小光子元件的直接激光直写技术，可以很容易地一步就刻写到硫系玻璃薄膜中。虽然硫族化合物在红外方面的应用非常广泛，但由于吸收率过大使得它们在电磁光谱的紫外(UV)部分的应用受到阻碍。而许多现代应用，包括水下通信、环境监测和生物医学成像，都需要UV光源。因此，与现有光子平台兼容的紧凑、集成的紫外线辐射源的需求很大。

近日，美国杜克大学的Natalia M. Litchinitser教授团队通过实验演示并报告了通过泵和第三谐波信号的非均匀部分之间的锁相机制实现基于As₂S₃的超表面上的近红外到紫外的频率转换。由于锁相，不均匀成分与泵浦脉冲共同传播，遇到与红外泵相同的有效色散，因此很少或没有吸收，从而为硫化物玻璃科学和应用打开了以前未开发的光谱范围。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26094-1

相干性是光的性质之一，存在着许多利用相关性存在或不存在的测量模式。例如，激光器通常是高度相干的光源，它有许多有用的特性。其中一个特性是相干激光的亮度不匹配，这在大多数成像应用中是可取的。然而，散斑的形成是光照的主要限制因素。当一个高度空间相干的场在其波前具有快速变化的相位时，就会产生散斑图案。如果光具有高相干性，散斑对比度也很高，这将导致照明不均匀，并在生成的图像中丢失信息。虽然它导致了较低的亮度，通常的照明方法是使用低空间相干度的光。另一方面，散斑可以用于检测和流体成像。这种方法称为散斑对比成像，其核心思想是利用相干光从时变样本中产生散斑。当流体流动时，它会使光的波前达到时变相位。因此，在有流动的地方，每个散斑模式是不同的，并且在足够长的检测时间内平均得到一个清晰的流动区域图像。Köhler照明和散斑对比成像在医学和生物学中都很有用。由于其能够在传统的高分辨率成像和带散斑对比度的流动检测之间进行快速切换，因此将这些技术集成到一个单一的系统将是非常有益的。新的激光设计主要集中在成像、惯性约束和自由空间通信应用上。作为这些特性的延伸，具有可切换相干特性的光源得到了相当多的关注。虽然它们可以实现一定程度的相干切换，但这些方法使用相对较大的4f成像系统，这必然需要机械部件。

近日，来自坦佩雷大学坦佩雷高等研究院、工程与自然科学学院的Matias Koivurova等人从理论上证明了在激光腔中插入一个增强的epsilon-near-zero (EENZ)镜如何对发射光束的相干特性进行特殊控制。通过利用EENZ材料对偏振的特殊敏感性，他们实现了对发射激光的空间相干性的良好控制，仅通过偏振光学便可以在几乎不相干和完全相干之间任意切换。他们的EENZ腔设计有望成为一种高效、紧凑、可重构、易于扩展的光源，用于照明和散斑对比成像，以及任何其他受益于可控空间相干的应用。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（詹若男）

文章链接：Matias Koivurova et al. Coherence Switching with Metamaterials. Physical Review Letters 127, 153902 (2021).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.153902

近30年来，相位分布不均匀和相位奇点的光学涡旋一直是人们关注的问题。一个典型的涡旋通常表现为螺旋相位波前和环形强度截面。一个复杂的结构涡，如拉盖尔高斯(LG)束、贝塞尔高斯(BG)束或马修(Mathieu)束，表现为多环或多点强度分布，不同区域螺旋相的拓扑电荷可能相同或不同。由于涡旋光束携带轨道角动量，提供了光与物质的相互作用，因此可以广泛应用于光镊、光俘获、量子通信和量子信息处理等领域。自定义强度和螺旋相分布的结构涡在三维螺旋加工等领域具有广阔的应用前景。产生涡旋光束的方法有很多种，如光束干涉、叉形光栅、空间光调制器、螺旋狭缝、螺旋相位板和超表面。与其他方法相比，超表面可以通过光场与纳米结构的相互作用引起空间变化的光响应，而不是沿光程的空间积累效应。

近日，山东师范大学物理与电子科学学院滕树云教授等人提出了一种基于刻蚀在银膜上的矩形纳米孔组成的超表面的结构涡旋发生器，所产生的涡旋具有沿径向分布相同或不同的拓扑电荷。利用光学全息技术完成几何超表面，结构涡发生器工作效率高，信息容量大。此外，所提出的涡旋发生器在圆偏振光照射下工作，而多路涡旋发生器的再现涡旋与圆偏振光的旋转方向有关。结构涡旋的产生可以实现多个涡旋的并行输出，可用于光学操纵，包括多通道的粒子筛选和捕获，此外，偏振复用结构涡旋发生器可以被灵活控制。超表面具有超薄的结构、灵活的控制、大的信息容量和易于集成等优点，为所提出的结构涡旋发生器提供了从高分辨率成像、微操控到量子通信等更多潜在的应用。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。

文章链接：Zhen Mou,et al, Structured vortices generated by metasurface Holography, Photonics Research,(2021).

https://doi.org/10.1364/PRJ.427745.

在过去几年中，新一代卫星系统的发展，如纳米和微型卫星，推动了对微波和毫米波系统的研究。微波滤波器是无源器件的主要组成部分，通常依赖于微带、电介质、同轴和波导技术。波导滤波器是空间应用的理想解决方案，因为它具有低能量损耗和高功率处理能力，并且没有频率限制。波导滤波器的主要缺点是其体积大、重量高，这是由于其本构波导腔的尺寸与工作波长（λ）成正比。这些空腔使用E面或H面虹膜、短柱或柱进行耦合。最近的研究中，同轴梳状滤波器和倏逝波导滤波器已分别成为空间应用的小型微波滤波器，具有同轴和波导接口。梳状滤波器的尺寸减小，因为它们使用平行耦合同轴腔，其中级联同轴腔实现了一系列TEM模式与自电容和互电容耦合。这些滤波器的工作频率在很大程度上取决于脊或杆与顶板之间的气隙，其整体横向尺寸和长度与工作频率密切相关。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院波工程实验室的Maliheh Khatibi Moghaddam和Romain Fleury研究团队展示了局域共振超材料在超材料波导滤波器中的应用，超材料波导滤波器与标准波导接口兼容，与当前解决方案相比，其尺寸和重量显著降低。为了说明所提出的元过滤器的功能，他们介绍了复合针管波导（CPPW）的示例模型，其通带与主波导的截止频率密切相关，该概念还与周期和随机谐振器布置以及各种类型的端口兼容。结合亚波长超材料端口，该团队改进了这种复合针管波导滤波器与标准矩形波导之间的匹配，并制作了低阶和高阶复合针管波导带通滤波器，其带宽范围从4.5%到17.5%不等，占地面积小且固定。此外，他们还制造了一款尺寸减小80%的带通滤波器，保留了其射频规格，并确认镀银是优化插入损耗的可行选择。本研究证明了复合针管波导概念的相关性，成功制备出罕见的小尺寸、小体积和轻重量的高效设备，同时保持与标准波导端口的兼容性，并且与传统设计相比，不会牺牲射频规格。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.044010

构建超透镜、亚波长成像、隐形斗篷和设计复杂金属介质的可能性促使研究人员在光学负指数超材料(NIMs)方面进行广泛的工作。理论上，负指数超材料（介导常数(ε)和渗透率(μ)都是负的）的存在在半个世纪前就得到了证明。然而，由于获得具有负渗透性的天然材料的限制，大量研究人员提出的各种新型、奇异的人工工程材料成为现代物理学的焦点之一。通常，一对与电场对齐的短导线支持ε <0的共振，沿着磁场H方向的导线作为磁谐振器，提供负μ。但即使是这样的排列构建负指数超材料，重叠的电和磁共振是一个非常困难的任务。为了解决这一问题，提出了一种网格结构，在近红外(NIR)频率下同时实现μ <0和ε <0。

近日，芬兰坦佩雷大学的Humeyra Caglayan教授团队提出并演示了制造一种弯曲的网格超金属，它集成到一个由八层交替组成的卷管（二氧化硅）中。采用自卷技术制造具有足够大直径的光学表征的金属/介电介质微管进行表征。通过实验表征了所制备的网格结构，并通过数值计算，证明了所制备的结构具有较高的负折射率。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。(郑江坡）

文章链接：10.1063/5.0063120

弹性体由交联的高分子链组成，高分子链会因热运动而波动，可通过外力拉伸。交联将高分子链连接起来，因此当外力移除时，弹性体会恢复其形状。当弹性体吸收溶剂时，交联会阻止高分子链溶解。膨胀的弹性体称为凝胶。密集的交联使弹性体和凝胶变硬，但会使它们变脆。这种刚度-韧性冲突在互穿高分子网络中得到部分解决，其中一个网络在第二个网络中生长（即双网络高分子）。例如，如果一个网络具有预拉伸的短链，而另一个具有可拉伸的长链，则当受到小幅拉伸时，两个网络都不会断裂，并且短链网络会使材料变硬。随着拉伸的增加，短链网络会在孤立的点上断裂，而长链网络会传递压力并引发许多其他短链断裂。这种分布式断裂使材料变韧，但会导致明显的滞后现象。从滞后获得的韧性在循环载荷应用中无效。

近日，美国哈佛大学锁志刚教授团队合成了缠结数量远超交联数量的高分子。除了可以忽略不计的迟滞，还解决了刚度-韧性的冲突，方法是制造一种单网络高分子，其中所有链都很长，交联的数量远超缠结。缠结起到滑动链接的作用，使高分子变硬。然而，与交联不同，缠结不会使高分子变脆。当高度缠结的高分子被拉伸时，在链断裂之前，张力会沿着链传递并通过缠结传递到许多其他链。当链在单个共价键处断裂时，高分子会在许多长链上耗散弹性能。与双网络高分子不同，这种单网络高分子具有高韧性，因为所有链都很长。如果链以低摩擦滑动，则高分子的滞后可以忽略不计。自从高分子科学诞生以来，缠结如何影响刚度就已受到重视，而缠结如何影响断裂、疲劳和摩擦则尚未得到重视。在高分子熔体或溶液中，缠结在短时间内提供弹性，在长时间内提供粘性。在交联高分子中，如果不切断链，缠结就无法解开，它们作为额外的交联键使高分子变硬。当交联密度低时，缠结的硬化效果很明显。相关研究发表在《Science》上。（徐锐）

文章链接：

J. Kim, G. Zhang, M. Shi, et al. Fracture, fatigue, and friction of polymers in which entanglements greatly outnumber cross-links[J]. Science, 2021, 374(6564): 212-216.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg6320

数千年来，许多案例通过巧妙的机械机制进行计算，包括古希腊人的安提基瑟拉机制、查尔斯·巴贝奇分析机和范内瓦·布什微分分析仪。在大多数情况下，这些较旧的机械计算形式早已被更高效的电子形式所取代。最近，将信息处理、化学、生物学、材料科学和机器人技术的思想融合到新的信息处理平台中的非常规计算方法有所增加。示例包括神经形态计算、DNA计算、机器人材料、形态计算、光学计算、基于微波的量子门以及气动或微流体逻辑电路。人们也越来越认识到，一些自然系统（如捕蝇草）可能被视为非常规计算平台。这些系统与经典计算和数字电子硬件的冯·诺依曼架构有很大不同，传统计算机从图灵机映射到物理硅衬底。这提高了新机械计算系统的可能性，这些系统通过与环境交互和适应环境来增强传统电子计算。

近日，美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系Jordan R. Raney教授团队研究了一些案例，专注于使用机械机制作为处理信息的手段的新兴研究，由于增材制造、材料科学和结构工程的进步，这一概念变得合理。与古代机械计算机的齿轮和连杆不同，这些新的机械计算系统使用各种微妙的机制来感知、交互和处理来自环境的信息。通过这种方式，信息处理可以被视为一种材料特性，与传统材料属性（如强度和刚度）一样。然而，由于信息处理本质上是构成和几何的一部分，因此需要超越传统冯诺依曼架构的新设计规则和计算技术。从这个角度来看，团队使用三层计算框架来概述计算系统中信息抽象的过程，并突出每一层机械计算的创新。使用组合逻辑作为指导性计算模型，首先考虑物理基板层中机械二进制数字（位）的抽象，突出显示静态和动态表示。接下来，考虑如何将上述机制组合或联网以实现更复杂的计算并可能实现特定的工程架构。然后考虑这些系统如何与周围环境和/或其他子系统交互（输入/输出），以及与传统计算方法相比的优势。最后，总结了即将到来的挑战和机遇以及未来更广泛的社区参与的机遇。相关研究发表在《Nature》上。(徐锐)

文章链接：

H. Yasuda, P. R. Buskohl, A. Gillman, et al. Mechanical computing[J]. Nature, 2021, 598(7879): 39-48.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03623-y

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