超材料前沿研究一周精选 2021年2月8日-2021年2月15日

系统噪声识别是鲁棒量子系统工程的关键。通过用适当设计的外部控制场驱动量子位，并测量其在环境噪声存在时的响应，可以提取噪声的频谱成分。这种噪声光谱学技术通常被称为量子噪声光谱学(QNS)协议。过去的二十年里，QNS协议被探索用于脉冲(自由演化)和连续(驱动解决方案)控制方案，并在许多量子位平台上实验性地实现。由于QNS协议通常假设一个量子位平台，它们通常是在两级系统近似下开发的，而不考虑更高的能级。因此，尽管取得了巨大的进步和成功，但QNS协议在应用于弱非简谐振子量子位时仍有一定的局限性(例如带宽有限)。然而，由于弱非简并超导量子位是被认为是实现量子信息处理器的最有前途的平台之一，因此必须开发出将这些量子位的高激发态效应结合在一起的噪声光谱技术，以进一步提高它们的相干性和门性能。在现有的QNS协议中，自旋锁定方法已被证明适用于经典和非经典噪声谱。虽然此方法适用于低频，但当人们试图在接近和超过量子位非简谐性的频率下进行噪声光谱分析时，由于额外能级的影响，其有效性会下降，从而导致提取的噪声光谱中出现系统误差。

近日，来自美国麻省理工学院电子研究实验室的Youngkyu Sung等人开发了一个多能级自旋锁定QNS协议，并使用通量可调的transmon量子位和五个能级对其进行了实验验证。他们展示了在50至300 MhZ频率范围内工程通量噪声的精确频谱重建，克服了传感器约200 MHz相对较弱的非谐性带来的频谱限制。此外，通过测量跃迁的去相位噪声的功率谱，他们从通量噪声和光子散粒噪声中提取并唯一识别噪声成分，这种属性在两级近似下是不可能的。他们的协议扩展了弱非简谐量子位光谱仪的光谱范围，超越了目前因缺乏强非简谐性而设置的限制。其次，通过探测更高激发能级获得的额外信息使他们能够识别和区分来自不同潜在噪声机制的贡献。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Youngkyu Sung et al. Multi-level quantum noise spectroscopy. Nature Communications 12:967

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21098-3

自空间不均匀的超表面首次被证明后，基于谐振相位超表面的各种波阵面成形现象得到了广泛的研究。然而，谐振相位取决于几何参数的精细控制，因此导致复杂的设计、高精度和窄带宽。最近，为克服窄带宽的局限性，已经广泛研究了Pancharatnam–Berry（PB）相位φ（即几何相位）。几何相位附着在圆偏振入射光的交叉偏振分量上。因此，宽带圆偏振转换是对几何超表面进行宽带波前操纵的前提。近年来，双曲线超材料（HMMs）已得到广泛研究，以实现宽带双折射和圆偏振转换。然而，基于HMMs的宽带波前操纵在可见光范围内很少被证明。随着超构材料应用领域的不断扩大，多维功能材料日益成为超构材料发展的焦点。一方面，通过控制光的单一光学参数，已经证明了各种多路复用的超表面。另一方面，基于对输入和输出光的多个光学参数的同时控制，产生了一些引人注目的光学器件。

近日，中国科学院物理研究所顾长志研究员展示了基于双曲超材料（HMMs）的多维可切换图像和3D集成分束器。一方面，通过设置具有不同偏振转换性能的HMMs，可以实现由输出螺旋度和输入波长控制的可切换图像。另一方面，通过对具有宽带半板性能的子单元进行空间工程设计，可以生成偏振复用宽带分束器。通过将多路分束器与滤波器超构材料集成在一起，该多维分束器可以进一步实现按空间和波长分离输出光。这种集成的超构材料可以实现对输入和输出光学参数的同时控制，并实现微尺度的新型光学功能，为将来的多功能光学设备设计提供了更多启发性的可能性。相关研究发表在《Nano Letters》上。（徐锐）

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S. Hu, S. Du, J. Li, et al. Multidimensional Image and Beam Splitter Based on Hyperbolic Metamaterials[J]. Nano Letters, 2021.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04795

高相干激光器的优点延伸到许多应用领域。需要赫兹级线宽来询问和操纵具有长相干时间的原子跃迁，这构成了光学原子钟的基础。线宽也直接影响光学传感和信号产生应用的性能，如激光陀螺仪、光探测和测距(激光雷达)系统、光谱学、光频率合成、微波光子学和相干光通信。在考虑这种高相干性技术的未来转移到大规模制造形式时，半导体激光源是最引人注目的选择。它们是直接电泵，晶片规模可制造，并能够与其他光子设备复杂集成。事实上，它们的巨大优势已经使它们成为一种光子引擎，适用于几乎所有的现代光源技术，包括商用台式激光光源。尽管如此，大规模制造的半导体激光器，如通信系统中使用的激光器，其线宽从100kHz到几兆赫，对于上述应用来说，这是一个大数量级。

缩小激光线宽的一种强有力的方法是通过外部反射镜进行光反馈，对噪声的抑制程度与反射镜质量(Q)因子的平方成正比。超高q微谐振器是实现实质性线宽窄化的优秀候选器件，并已在广泛的材料上作为离散或集成组件进行了演示。为了比较不同作品的激光线宽，由高偏置频率白噪声底电平表示的短期线宽是一个有用的度量。其中线宽是指短期线宽。尽管自注入锁定到离散晶体微谐振器的半导体激光器已经实现了亚赫兹线宽，但在进入更高集成程度时保持超高Q因子既至关重要又具有挑战性。作为难度的衡量标准，尽管经过多年的努力，目前的窄线宽集成激光器的表现仍然是线宽在40Hz到1kHz之间，这是由于Q系数的限制。

近日，来自美国加州大学圣巴巴拉分校的Warren Jin等人提出了在高体积互补金属氧化物半导体(CMOS)铸造中制造氮化硅波导的关键进展。其中Q因子超过2.6亿，这与迄今为止演示的集成谐振器相比是很高的。通过对这些超高Q微谐振器的传统半导体分布式反馈(DFB)激光器进行自注入锁定，将噪声降低了5个数量级，在高偏移频率下产生0.2Hz²Hz₋₁的频率噪声，相应的短期线宽为1.2Hz--这是集成激光器先前无法达到的水平。相关工作发表在《nature photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-021-00761-7

超材料是一种含有亚波长元素的结构材料，它能产生自然界中无法发现的波动响应。通过裁剪超材料，前所未有的特性，如负折射率，亚衍射成像和隐形隐形被证明。超表面--二维的超材料--允许我们用平面光学任意地调整经典光的波前和传播。与此同时，光子由于其相干时间长、室温稳定性好、易于操作和光速信号传输等优点，是极好的量子信息载体。利用单光子源、分束器、移相器和单光子探测器的量子光子学已经成为量子计算、量子模拟和量子通信的主要平台之一。因此，将超材料对光的无与伦比的控制与量子光学相结合，可以在量子信息应用方面带来未被探索的可能性。

量子双光子干涉(QTPI)是用于线性光学量子计算、玻色子采样、量子行走和量子通信等光子量子信息处理应用的核心操作单元。分束器是这种量子操作的关键元素。当两个不可区分的单光子同时到达50:50分束器的两个输入端口时，QTPI表现为宏欧曼德尔(HOM)效应。在原来的HOM实验中，两个光子总是聚集在一起，并离开分束器在同一个输出端口，产生一个有效的量子光子--光子之间的相互作用。然而，由于光子的玻色子性质和传统的统一分束器的固定相位响应，QTPI中的有效光子相互作用在本质上局限于聚束。由于这种相互作用是量子信息处理的终极引擎，因此在QTPI中操纵有效光子相互作用的能力是至关重要的。到目前为止，这都通过使用必要的额外纠缠资源来构建全局对称的特殊输入态来模拟费米或任何电子统计来解决。然而，这种方法必须限制整个量子电路的量子统计，并且在单个分束器水平上的局部操作是不可能的。还探索了使用多端口光通道或表面等离子体的替代方法，但它们仅限于具有极其有限可控性的特定输入和输出状态。

近日，来自美国加州大学伯克利分校的Quanwei Li等人展示了一个新的自由度(DOF)，它是由一个非统一超表面来实现的，它解决了量子光学中的这一重要需求。他们实现了QTPI中临界量子相位的有意转向，它决定了两个单光子的有效相互作用，而不是它们固有的玻色子性质。这是通过亚波长尺度设计的双极本征运算来实现的，它起源于各向异性相位响应，在传统的光学元件中是不可能的。相关工作发表在《nature photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-021-00762-6

超高品质因数(Q)谐振器在超窄线宽激光器、光学陀螺仪、光学原子钟以及量子通信和计算等应用中发挥着至关重要的作用。目前，用于激光线宽变窄和相位噪声降低的谐振器已经被归入台式和体光学实现。将体光谐振器的性能转化为集成波导设计将导致尺寸、功率、成本和对环境干扰的敏感性的显著降低，并实现更高水平的集成。具有大模式面积和体积的设计可以减轻光学非线性和热光频率噪声。迄今为止，集成谐振器的固有品质值仅限于环形波导的2.6亿和螺旋波导的1.5亿。采用片上蚀刻二氧化硅圆盘谐振器的混合设计取得了重大进展，显示出2.06亿个，最近达到创纪录的11亿个。然而，这些设计与晶片级制造并不完全兼容，易受环境条件的影响，并且需要气密密封以及仔细的模式工程。Qs接近5亿、容量超过10亿、谐振频率低于1 MhZ、模式面积和体积大、与光子集成和晶圆级处理兼容的全波导谐振器设计需要解决方案。

近日，来自霍尼韦尔国际公司的Matthew W. Puckett和美国加州大学圣巴巴拉分校电气与计算机工程系的Kaikai Liu等人报告了一个具有4.22亿本征和34亿吸收限制Qs的Si₃N₄谐振器。该谐振器具有453 kHz本征、906 kHz负载和57 kHz的吸收限制线宽，而迄今为止所报道的具有沉积氧化物上覆层的波导的最低0.060 dB m^-1损耗是最低的。这些结果是通过仔细减少散射和吸收损耗来实现的，他们对这些损耗进行了模拟、量化和关联。波导谐振器技术的这一进步为全波导十亿量子腔铺平了道路，使其适用于非线性光学、原子钟、量子光子学和大容量光纤通信等应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Matthew W. Puckett et al. 422 Million intrinsic quality factor planar integrated all-waveguide resonator with sub-MHz linewidth. Nature Communications (2021) 12:934

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21205-4

在过去的二十年中，声学超材料在诸如声学隐身，亚波长成像，拓扑声学以及隔声和吸收等各个领域得到了快速发展，为控制声波提供了全新的方法，这些方法具有基本的理论和应用价值。例如，吸声超材料的飞速发展解决了传统吸声结构在低频声波（<500 Hz）下低耗散而导致声能吸收效率低的关键问题。已有的一些通风的声学超材料不能解决低频吸收的困难。此外，在过去的二十年中，已经提出并证明的大多数声学超材料是具有固定几何形状的无源材料。一旦它们被制造出来，它们的工作频率和功能就无法调整。它们无法适应通常不知道噪声频率的复杂环境。为了解决这个问题，近年来已经提出并研究了多种可调声超材料。已经提出了一些可调节的机制，主要利用机械变形，压电和/或磁效应，但是它们都需要刚性的衬背来终止声音的传播，这也禁止流体的传播，例如空气和水。此外，它们复杂而复杂的机械，电子和/或磁性结构对于日常应用而言并不方便和稳定。 

对于大多数声学超材料，一旦它们被制造出来，它们的工作频率和功能就无法调整，这是开发实际应用的固有障碍。克服这一限制的研究已成为声学超材料工程中的重要问题。尽管随着近二十年来超材料的发展，已经提出了一系列方法，例如电或磁控制，但是它们中的大多数只能在没有流体通过的情况下工作。为了克服这种固有的困难，来自重庆大学的Yingzhou Huang研究小组提出了一种通风的吸声器，该吸声器在制造后可以在很大的范围内进行手动调谐。在通过复杂设计的滑块实现的调节过程中，确保了高性能的吸收和通风。通过实验证明了可调的通风式吸声器，研究者采用耦合损耗振荡器的等效模型来了解其机理。手动可调通风超材料在需要频率调节的各种复杂管道系统中具有潜在的应用价值，也为有源可调的通风声超材料的未来发展奠定了基础。相关研究发表在杂志《Applied Physics Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1063/5.0037547

在化学和生物化学中，手性是指具有不可叠加镜像（左手或右手）的一大批分子的几何不对称性。手性在化学和生物学中，例如在对应选择性催化和药物设计中起着重要作用。在物理学中，手性通常指的是自旋和运动的锁定。尽管手性代表了不同领域中看似无关的特征，但实验表明手性几何结构与电子自旋之间存在出乎意料的关联。当通过DNA和类似的手性分子传输时，电子变得高度自旋极化，其极化取决于分子的手性。这种效应称为手性诱导的自旋选择性（CISS），其中自旋极化以意想不到的方式被诱导和操纵。现实中已经证明了CISS效应在自旋电子器件，手性电催化和对映异构体选择性方面的应用潜力。例如，手性分子以不同的速度吸附在铁磁基质上，这取决于手性和基质磁化强度，导致对映异构体的有效分离。当与磁性导线接触时，手性分子表现出取决于磁化强度的电阻率，即磁阻（MR）。然而，CISS的物理起源，即手性结构和电子自旋之间的关系仍在争论中。

DNA和类似手性分子的几何拓扑方面已引起了广泛关注，但对其电子结构的拓扑研究却很少。已有实验表明，DNA可以有效过滤金属触点之间的自旋极化电子，这一过程称为手性诱导的自旋选择性。但是，手性结构和电子自旋之间的潜在关联仍然难以捉摸。近日，来自魏茨曼科学研究学院的Binghai Yan研究小组揭示了能带结构中的轨道结构，这是由手性引起的拓扑特征。研究者发现，这种轨道结构使手性分子能够极化量子轨道。这种轨道极化效应（OPE）会在金属接触的自旋-轨道相互作用的辅助下诱发自旋极化，并导致磁阻和手性分离。光电子的轨道角动量在相关的光发射实验中也起着至关重要的作用。除了手性诱导的自旋选择性，研究者预测，即使在非手性但破坏反演对称性的材料中，轨道极化效应也可能诱导自旋选择现象。相关研究发表在杂志《Nature Materials》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1038/s41563-021-00924-5

在计算机控制的传感器、执行器、控制器、显示器等的帮助下，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等新技术给人们带来了新的感官体验。近年来，已经提出了结合VR和AR的新概念，即混合现实（MR）或混合现实。与VR和AR相比，MR涉及人、计算机和环境之间的交互，这有望提供更身临其境的“真实”体验。要将物理世界与数字世界融合在一起，不仅需要使用合适的软件优化当前复杂的计算方法，还需要在硬件上不断发展。除了当前的VR和AR系统可以提供的视觉和听觉信息外，将执行器和机器人系统引入MR系统还将为用户提供体感交互，从而进一步促进其在远程控制手术、仿生假体、精密飞机中的实际应用。尽管已经创建了各种设备（例如VR舱、头盔、手套等）来收集用户的动作，但是它们无法通过人、计算机和环境之间的充分交互来提供触觉反馈。而且，笨重的设备以及复杂的外部电路阻碍了用户的自由度，给他们的操作增加了负担。近年来，智能材料，即刺激响应材料的发展，能够感知环境的细微变化，并提供内在的性质变化，包括形状、颜色、电导率、透光率等。

近日，复旦大学俞燕蕾教授总结了当前在混合现实应用中具有潜力的软液晶执行器和机器人。液晶（LCs）是柔软且智能的材料，可以响应各种外部刺激来调整其化学或物理性质。使用这些材料来构造软执行器和机器人（称为LC执行器和机器人），有望替代当前的机械部件，从而获得功能更轻、更小、功能可调且功能更复杂的设备。特别是，将这些LC执行器和机器人与现有的虚拟现实和增强现实技术相结合，将通过视觉、听觉和体感交互产生一个混合现实（MR）的新世界。文章从介绍液晶聚合物的设计原理及其不同的激励机制入手，重点是通过电和光进行可编程控制。按照功能分类，重点介绍具有不同机械输出模式的LC软执行器。讨论了LCP的重要性，并概述了模仿自然生物的动作和功能的各种受生物启发的软机器人。具有可调整形态和拓扑结构的LC表面也被覆盖，因为它们可以对触感进行微调。尽管文章对LC执行器和机器人的当前功能描述仍然相对简单，但是对指导用于MR应用的新型LC材料以及新型LC执行器和机器人的设计有所帮助。随着液晶执行器和机器人技术的不断发展，磁流变技术有望进一步走向实际应用。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

Zhu, C., et al., Liquid Crystal Soft Actuators and Robots toward Mixed Reality. Advanced Functional Materials, 2021. n/a(n/a): p. 2009835.

https://doi.org/10.1002/adfm.202009835

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