今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及纳米光子分子的压缩光，具有阿秒分辨率光场的片上采样，谷光子晶中拓扑慢光波导的实验研究，不受限制的微型机器人的3D和4D光刻等敬请期待！
索引：
1.纳米光子分子的压缩光
2.极端色散光学超表面的三维成像
3.具有阿秒分辨率光场的片上采样
4.谷光子晶中拓扑慢光波导的实验研究
5.用于低损耗自旋波操纵的纳米磁振子Fabry-Pérot谐振器
6.利用光电-压电效应实现微机械光电二极管的光驱动
7.高产量，晶片规模制造超低损耗，色散工程氮化硅光子电路
8.不受限制的微型机器人的3D和4D光刻
压缩是量子传感和各种量子计算算法的重要资源。压缩光源是量子信息处理光子技术的基本构件。最近，许多研究已经投入到使用集成光子学来设计这种光源的可扩展实现中。基于回音壁模式谐振器，已经开发出紧凑且高效的压缩源。对于需要大量组件的应用，高折射率对比纳米光子平台是优选的，因为它们能够在单个单片芯片上与数百或数千个元件进行大规模集成。在纳米光子结构领域中，已经证明了在参数振荡阈值以上驱动的氮化硅环形谐振器中的亮强度差压缩。通过改变有效谐振器耦合条件，使用双环结构来调谐压缩水平。除了限制可用的压缩量之外，过量噪声的存在对于量子计算应用来说是特别不希望的，因为这种噪声降低了所使用的量子态的纯度。目前还没有纳米光器件被证明能够在单一简并光谱模式下有效地产生正交压缩真空，且不受来自非参数和不需要的参数过程的过量噪声的污染。调谐到独立谐振的两个经典泵可以在单个简并光谱模式中产生压缩，这种谐振器也是人们所希望的，然而，在这样的系统中，许多不需要的参数效应会给压缩带增加噪声，不可逆转地破坏输出。虽然已有策略通过从共振解谐泵浦实现了抑制寄生过程，但这种策略在压缩和泵功率的效率之间有很大的折衷，损害了期望的压缩过程的效率。
近日，来自加拿大多伦多市Xanadu的Y. Zhang以及意大利帕维亚大学物理系的L. Zatti等人展示了一个由集成纳米光子芯片上的两个耦合微环谐振器组成的光子分子，旨在产生不受有害寄生非线性过程噪声污染的强压缩光。通过调整光子分子以选择性地耦合并因此仅杂交不需要的过程中涉及的模式，实现了寄生参量荧光的抑制。这种策略使得微环谐振器能够有效地产生简并压缩光:没有它，简单的单谐振器结构就不能避免非线性噪声的污染，而不会显著降低泵浦功率效率。我们使用该器件在芯片上产生8(1)分贝的宽带简并压缩光，直接测量到1.65(1)分贝。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Y. Zhang et al. Squeezed light from a nanophotonic molecule. Nature Communications (2021) 12:2233
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22540-2
2.极端色散光学超表面的三维成像
超表面由于其具备对入射光的相位、偏振和振幅的极端控制能力，因此具有革命性成像技术的潜力。它已经成为传统衍射光学的强大替代品。与衍射光学器件类似，超表面是由二维光学散射体阵列(称为超单元)组成。然而，它们的相位梯度并不是由光传播过程中逐渐的相位变化引起的。相反，由于光在每个超单元上增强的局部相互作用而导致的相位不连续使所需的相位梯度成为可能。这种增强的局部光相互作用在亚波长范围内改变了入射光的相位，从而允许功能多路复用并增加了设计灵活性。然而由于光的局部相互作用增强，超表面具有高度色散性。这种强色散被认为是实现超表面常规成像的主要限制。
近日，美国休斯敦大学电气和计算机工程系Gururaj V.Naik等人认为这种强色散为计算成像增加了设计自由度，有可能打开新的应用。特别是，研究人员利用超表面的这种强色散特性，提出了一种紧凑的、单镜头的、被动的3D成像相机。该系统包括一个经过工程设计的超透镜，以对不同深度的波长进行聚焦，以及两个深度网络，以从系统获取的彩色、散焦图像中恢复深度和RGB纹理信息。与其它基于超表面的3D传感器相比，该设计可以在大视场(FOV)的全可见范围内工作，并有可能生成复杂3D场景的密集深度图。通过在直径为1 mm的超透镜上的模拟结果表明，它能够捕获0.12到0.6 m范围内的3D深度和纹理信息。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。(丁雷)
文章链接：Shiyu Tan et al, 3D Imaging Using Extreme Dispersion in Optical Metasurfaces, ACS Photonics(2021).
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00110.
3.具有阿秒分辨率光场的片上采样
具有亚周期分辨率的任意电场的时域采样使对系统电磁响应的互补时频分析成为可能。这种时频分析提供的是吸收光谱不单独提供的动态信息。因此，亚周期、时域采样已被证明对电子系统的理解和设计至关重要，并彻底改变了太赫兹光谱区域的光谱学。商用太赫兹时域光谱系统现在很容易获得，并经常用于工业应用，如化学和材料分析。太赫兹系统中的亚周期场采样也帮助了许多基本的科学研究，包括对量子阱中电子波包动力学的追踪、对半导体系统中动态布洛赫振荡的研究、对量子真空涨落的观察和表征以及其他非线性现象。
在可见光到近红外(NIR)光谱区域的亚周期光场采样如果很容易得到，同样也将为科学和工业提供巨大的利益。例如，阿秒条纹光谱学已被用于研究光场控制的相干电子动力学在控制化学反应路径中的作用，以及研究固态系统中的petahertz级电流。近也有研究表明，与传统的频域光谱方法相比，生物系统自由诱导衰变的亚周期场采样可以提供一个数量级的检测下限，并提高分子灵敏度。尽管有了这些引人注目的结果，但将这些技术扩展到近红外和可见光谱区域仍然具有挑战性。虽然操纵阿秒电子波包发射、电光采样和阿秒在可见光到近红外光谱区域的条纹已被证明是在时域直接光场采样的可行途径，但这些技术很少可实现，需要大的驱动脉冲能量。目前，在可见光到近红外光谱的实际应用中，还没有一种紧凑的、可积分的亚周期光场采样技术，具有足够的带宽和场灵敏度。
近日，来自美国麻省理工学院的Mina R. Bionta等人演示了一种芯片上的光电器件，能够在任意、低能量的环境条件下采样、近红外波形。文章中提出的探测器使用共振纳米天线的场驱动光发射来产生阿秒电子爆发，以探测弱光波形的电场。除了采样弱光学波形之外，他们的测量结果还直接揭示了原位发射纳米天线的局域等离子体动力学。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00792-0
光子晶体慢光波导在光子集成电路等领域有着广泛的应用前景。它们不仅可以用于先进的光信号控制还可以用于研究增强光与物质的相互作用。此外，它们在缩小光延迟和调制，以及增强光学增益、非线性和量子光学等方面发挥了关键作用。但是，后向散射在慢光波导中增加，特别是在存在结构缺陷和/或尖锐波导转弯的情况下。因此，对于慢光波导的实际应用，减小后向散射是至关重要的。解决后向散射问题的一个可能方法是利用拓扑光子晶体。到目前为止，已经证实了光子量子类霍尔和量子自旋类霍尔系统边界态的后向散射抑制。然而，拓扑慢光模式的实现并不简单，因为拓扑边态本质上表现为线性色散，表现为快光。
最近来自日本东京大学（The University of Tokyo）的研究人员报道了一种在光学波段实现拓扑慢光的方法。研究发现在谷光子晶体（VPhCs）中形成的须状界面（bearded interfaces）可以支持拓扑慢光模式。VPhC波导不需要特殊的材料或结构，可以在普通介质中实现。因此，VPhC结构为实现与现有光子集成电路技术兼容的拓扑慢光波导提供了一条新的途径。在文章中，研究人员首次实验证明了大群指数超过30的通信波长的拓扑慢光波导；在硅板上的空气桥VPhCs的须状界面上制作了直的和Z形的拓扑波导形。利用光学显微镜，测量了所制备器件的透射光谱，并观察到在拓扑慢光模式下，即使在存在急弯的情况下，波导仍然存在。同时，研究还发现在同一个VPhC界面上同时存在一个简单的波导模式，在很大程度上抑制了光的传输。这两个结果的对比突出了慢光传播中拓扑保护的重要性。相关研究工作以“Experimental demonstration of topological slow light waveguides in valley photonic crystals”为题发表在《Optics Express》上。（鲁强兵）
文章链接：
https://doi.org/10.1364/OE.422962
5.用于低损耗自旋波操纵的纳米磁振子Fabry-Pérot谐振器
法布里-珀罗谐振器（或干涉仪）是由两个平行反射面构成的光学腔。当入射波与腔内的循环波发生强干涉时，光波通过谐振器会因相消干涉产生影响其传输。与电磁波相比，磁系统中自旋波或磁振子（自旋波的量子）的波长在GHz频率下要小几个数量级，有利于微波器件的小型化。与光学法布里-珀罗谐振器类似的磁振子，特别是在纳米尺度上工作时，将为操纵自旋波传输提供有效方案。在磁腔中利用自旋波干涉在概念上不同于周期性磁结构（磁晶体）上的布拉格散射。当波长（λ）与2a/n（晶体周期a，整数n）匹配时，磁晶体中传播自旋波的散射打开了禁带。当单个散射单元的散射效率较低时，只能对大量散射单元形成稳定的带隙。由于最小晶体周期至少是传播自旋波波长的一半（n = 1），磁晶体的尺寸通常比自旋波波长大得多。此外，磁晶体中的散射不仅抑制了带隙内自旋波的传输，而且限制了在通带频率下的传输信号。
近日，芬兰阿尔托大学理学院应用物理系的Sebastiaan van Dijken教授和德国马丁·路德大学哈雷·维滕伯格物理研究所的Georg Woltersdorf教授等人。通过实验证明了混合YIG（钇铁石榴石铁氧体）材料结构中的可重构自旋波输运，该结构可充当Fabry-Pérot纳米谐振器。磁共振腔是由连续YIG薄膜中自旋波色散关系的局域频率下移形成的，这种下移是由铁磁性金属纳米线的动态偶极耦合引起的。在双层区域内，自旋波波长的急剧缩小使得可以在仅是其波长的一小部分的长度尺度上对传播的自旋波进行可编程控制。根据条纹宽度的不同，这种器件结构提供了完全的非互易性、可调谐的自旋波滤波以及在允许频率下几乎为零的传输损耗。他们的结果为实现具有可控输运特性的低损耗YIG基磁器件提供了一条实用的途径。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：
Qin, H., Holländer, R.B., Flajšman, L. et al. Nanoscale magnonic Fabry-Pérot resonator for low-loss spin-wave manipulation. Nat Commun 12, 2293 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22520-6
硅光子技术已经发展成为一种成熟的技术，可以通过不同材料的异构或混合集成，在芯片上产生、调制和检测光信号。许多集成器件已经使用硅光子学进行了演示，包括硅基激光器。在过去的20年里，它们已经从学术研究转移到数据中心互连中的大规模商业部署。第二场革命正在进行中，光子集成电路(PICs)的光非线性，通过连续波激光器获得的光非线性可以使新器件成为可能，其中克尔频率梳是研究过程之一。耗散克尔孤子频率梳(“孤子微梳”)构成了太赫兹到微波领域的宽带和重复频率的芯片级频率梳，为航空系统或空间的各种应用提供了一条高度紧凑的频率梳的路径。微梳与晶片规模的制造兼容，以及与III-V/Si激光器的混合集成，并且已经被用于各种系统级的演示，包括相干电信、天文光谱仪校准、超快测距、大规模平行相干LiDAR、频率合成器、原子钟结构和神经形态计算。许多用于微梳的集成非线性光子平台已经出现，从氮化硅、金刚石、钽和碳化硅到绝缘子上的高度非线性砷化铝镓和磷化镓，以及电光平台，如LiNbO3和AlN。
近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所的Junqiu Liu等人演示了一种满足晶圆级产量、性能和长度尺度的所有要求的制造技术。该氮化硅制造技术基于光子大马士革工艺，使用标准CMOS制造技术，如DUV步进光刻、干蚀刻和低压化学气相沉积(LPCVD)。在四英寸的晶圆上对数万个光学共振的统计分析，确定光子微谐振器平均Q因子超过30×106，对应于1.0dB m−1光损失。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z
微/纳米机械谐振器的光学驱动已经在各种材料平台和几何形态上得到了发展。鉴于半导体材料在计算机、手机、太阳能电池、激光、光电二极管和微/纳米机械传感器等设备中普遍存在的技术，半导体材料的光学驱动引起了人们极大的兴趣。它们普遍存在的一个主要原因是它们能够大批量、高产量地制造微/纳米器件。最常用的光驱动机制是辐射压力和光热力。辐射压力是一个弱力；因此，需要大的光强度和/或复杂的光学设置，这限制了其应用的环境。光热驱动的机械结构可以承受较大的应变，但其频率响应受到材料热常数的限制。这些机制的进一步限制是需要额外的步骤集成一个电子传感器来量化光诱导应变。总之，辐射压力和光热力已经被用于光驱动由半导体压电材料如砷化镓(GaAs)制备的微/纳米机械结构。在这些材料中，光电和压电特性的耦合尚未得到充分的探索，这带来了一种新型的光驱动，研究人员称之为光电-压电效应(PVPZ)。
近日，加拿大麦克马斯特大学工程物理系A.Rampal和R.N.Kleiman通过电测量，通过直接压电效应，在一个新的扭转谐振器中光诱导应变来证明这一效应。采用晶格匹配单晶分子束外延(MBE)生长的GaAs光电二极管异质结构制作了微尺度扭转谐振腔。发现应变取决于砷化镓电光响应率和压电常数的乘积。光电-压电效应具有重要的潜在应用，如可用于神经形态光子芯片的可配置光学电路的开发、深度学习大数据处理和量子电路的开发。相关研究工作发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。（丁雷）
文章链接：
A.Rampaland R.N.Kleiman，Optical actuation of a micromechanical photodiode via the photovoltaic-piezoelectric effect，Microsystems & Nanoengineering(2021).https://doi.org/10.1038/s41378-021-00249-y.
在过去的几十年里，增材制造（AM）也被称为3D打印，拥有先进的微/纳米制造技术，特别是在轻量化工程、光学、能源和生物医学等领域。增材制造涵盖的聚合物范围包括热塑性塑料、热固性塑料、弹性体、水凝胶、功能聚合物、聚合物混合物、复合材料和生物材料。这些材料可以通过不同的制造方法进行加工，包括还原光聚合、粉末床熔化、材料和粘合剂喷射、薄板层压、挤出和3D生物打印。在这些3D打印技术中，双光子聚合（TPP）技术提供了最高的分辨率（即使在纳米尺度），再现性和可能性创建单一的3D复杂结构与各种材料（如有机和无机，活性和非活性）。此类活性物质在施加刺激后会改变其形状，或在某些条件下随时间而降解，从而使其变得动态且可重新配置（也称为4D打印）。这在医学微机器人领域特别有趣，因为需要复杂的功能，如与生物样品的温和相互作用、在小毛细血管中移动时的适应性、可控的货物释放剖面和对封装货物的保护。
近日，德国德累斯顿莱布尼茨固体材料研究所Medina-Sánchez, Mariana教授团队回顾了双光子聚合的物理、化学和工程原理，并提出了一些创新，包括使用微成型和微流控技术，并解释了这种制造方案如何为微型机器人提供其他功能和应用机会。通过将TPP与新兴的智能/智能材料相结合，已探索出一种制造不受束缚的微型机器人的新途径，该微型机器人可以在外部或局部刺激下随时间改变形状或功能。由传统聚合物制成的3D打印微型机器人在其整个产品生命周期中都保持相同的形状和特性。相反，4D打印的微型机器人将时间作为第四维度，通过响应诸如温度、力、剪切力、pH值、光和电/磁辐射等刺激，以预定义的方式具有变形能力。4D光刻基于智能材料的可控转换机制将这些智能响应结合到预编程设计中，以实现各种应用所需的结构和功能。可以考虑用多种智能材料制造微型机器人，并结合纳米和生物材料进行原位化学反应、生物功能化或成像的可能性。根据微型机器人的动力机理、功能和体系结构对其进行分类，最后讨论该领域的未来发展方向。相关研究发表在《Progress in Materials Science》上。（徐锐）
文章链接：
F. Rajabasadi, L. Schwarz, M. Medina-Sánchez, et al. 3D and 4D Lithography of Untethered Microrobots[J]. Progress in Materials Science, 2021.
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100808
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