今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及柔性结构的拓扑弹性、通过掺杂介电系数近零的介质进行阻抗匹配、光诱导库仑屏蔽效应、基于量子光学和电路量子电动力学的量子信息处理等敬请期待！
索 引
1.柔性结构的拓扑弹性
2.通过掺杂介电系数近零的介质进行阻抗匹配
3.活体神经组织千赫兹双光子荧光显微成像
4.用于自主血管通路的深度学习机器人引导
5.基于量子光学和电路量子电动力学的量子信息处理
6.光学腔增强表面等离子体共振生物传感器
7.光诱导库仑屏蔽效应
8.基于声空介质设计任意形状的声能集中器
9.硅基光子晶体中自旋，色散，手性路径的直接观测
10.基于铌酸锂压电光力晶体实现高效的微波与光波的双向转换
11.基于激光写入波导的可靠相干光存储器
柔性结构的拓扑弹性
力学超构材料定义为诸如折纸或具有重复元素图案的弹簧网络之类的结构，具有在均匀的材料平板中未发现的力学特性，例如优异的强度质量比和甚至是负（膨胀）弹性模数或泊松比。特别令人感兴趣的是柔性力学超构材料，其具有低能量的变形模式，可用于实现形状改变，程序化响应和强非线性。这些特性中的一些现在已通过切割石墨烯带，纳米光刻和DNA“折纸”在微观尺度上得到了证明。这些尖端技术引发了这样一个问题：当以比单位晶胞大得多的规模操纵此类系统时，会发生什么情况。这种情况恰好是常规固体力学的极限，它远远超过原子尺度。但是，传统的弹性理论假定应变场是平稳变化的，因此它无法捕获短距离的柔性重排。这一结果反映在无序结构的物理结构中，例如拥挤的填料，刚度渗滤网络和纤维材料，它们在临界配位数下看到了新的宏观长度尺度。
柔性力学超构材料具有重复的结构图案，这些图案赋予它们新颖，令人兴奋的特性，包括可编程性，异常弹性模量以及非线性和稳定的响应。近日，来自美国佐治亚理工学院的研究小组通过微晶的连续弹性来解决此类结构的问题，该弹性允许单位晶格内高度不均匀的变形（传统弹性中所缺失），而晶格间的变形却很平滑。结果表明，整体的微观结构引起边界弹性项的产生。离散晶格理论表明，临界协调结构具有拓扑不变性，该不变性决定了低能模式在此类系统边缘的位置。在连续系统中，出现了一个新的拓扑不变量，它与两个相对边缘之间的这种模式的数量有关。在晶格结构的连续极限的指导下，研究人员确定了这些拓扑性质的宏观实验可观察性，这些微观性质可在高于微观结构的新长度尺度上独立观察到。相关研究发表在杂志《Physical Review X》上。（刘乐）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.011052
过去几十年见证了超构材料范式的激动人心的发展，涉及具有非常规属性和高级功能的合成结构，例如隐身，超分辨率成像，异常的传输和反射，模拟计算和数字编码。近来，由于其奇特的波物质相互作用现象，折射率接近于零的介质，即，近零折射率（NZI）的介质引起了越来越多的关注。当介电常数和/或磁导率接近零时，介质中的波长以及光的相速度趋于无穷大，从而导致空间静态，而在时间上动态。这些具有较小的本构的相对参数材料可以产生许多有趣的现象和应用，例如通过任意形状的通道进行波的超级耦合，操纵波物质相互作用以及实现芯片上的导波器件。此外，NZI介质还被引入到几何不变谐振器的设计中，控制量子发射器的发射，增强非线性效应以及在开放谐振器中捕获光。
光子掺杂的新兴技术赋予介电系数近零（ENZ）介质具备很大的可调节有效磁导率的能力。近日，来自清华大学的研究小组在理论上和实验上证明了有限尺寸的掺杂ENZ区域反直觉地表现为集总电路元件，建模为可控的串联电抗。基于此概念，可以构建一个通用的匹配网络来匹配具有任意复数阻抗的负载，有趣的是，还可以通过微调掺杂剂的特性来修改其工作带宽。为了证明这一概念的普遍性，研究人员对各种负载进行了匹配，包括微波电路，天线和吸收颗粒。由于这种通用的阻抗匹配技术不仅限于特定类型的负载，也不限于特定的几何形状，并且可以很容易地从微波移植到光学状态，因此所提出的方法有助于在一般情况下最大程度地利用功率进行阻抗匹配，具有广阔的应用前景。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.034005
要想理解大脑中的信息处理过程，就需要在高时空分辨率下监测神经元活动。利用双光子荧光显微镜(2PFM)可以在不透明的大脑深处进行亚细胞分辨率的活动测量，而由于毫秒范围内的动态变化，成像膜电压变化(神经元活动最直接的测量)更具挑战性。电压成像对于传统的2PFM来说速度太快，迄今为止主要是通过空间分辨率差的宽视野显微镜来实现的，并且局限于表面深度。为了在不透明的大脑中获得高空间分辨率的膜电压变化图像，需要将2PFM帧速率提高到千赫兹。传统的光栅扫描2PFM的速率被检流镜限制在每秒数十帧(fps)。虽然使用声光偏转器可获得千赫兹的帧率，并用于电压成像，但只能跟踪预先选定的位置。线投影2PFM系统能在千赫兹下检测到体内谷氨酸释放，但仅限于稀疏标记的样本。尽管其空间分辨率和成像深度有所降低，但宽场检测与并行双光子激发相结合，可实现千赫兹的钙活性成像。
近日，美国加州大学伯克利分校Na Ji等人利用一个基于自由空间角啁啾增强延迟(FACED)的全光激光扫描仪，演示了在1000 fps和3000 fps以及亚微米空间成像分辨率下的光栅扫描2PFM场景，像素驻留时间灵活配置，以达到荧光寿命极限。实验用的激光功率在10-85 mW范围，并且没有观察到光损伤的迹象(例如，树突的起泡)，这表明高阶非线性光损伤影响可忽略不计。此外，随后的激发脉冲经过1ms的延迟后到达相同的样品位置，为荧光团提供了充足的时间，使它们从容易受损的状态回到基态，这一过程在之前报道中被证明可以显著减少光漂白。研究人员将该技术应用于钙活性、谷氨酸释放和膜电位的超快监测，并对头部固定且处于清醒状态下的小鼠脑部电流活动进行在线监测。相关研究工作发表在《Nature Methods》上。（丁雷）
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Jianglai Wu et al, Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo,Nature Methods(2020)https://doi.org/10.1038/s41592-020-0762-7.
用于自主血管通路的深度学习机器人引导
医疗机器人有望通过超越人类感知和灵活性的极限来提高精度、安全性和效率。近年来，图像识别、感知、机器人规划和计算能力方面的进步为医疗机器人系统提供了智能性和机动性，使其能够在软组织上执行具有监督自主性的挑战性介入任务，其表现可与训练有素的医生相媲美。其中定位引导尤为重要的一项任务是经皮穿刺血管等软组织。获取血管是众多诊断和治疗程序的关键的第一步，包括采血、给药、引入血管内设备和监测生理状态。及时提供这些干预措施可能会降低发病率和死亡率，但在困难的条件下，血管通路可能极具挑战性。在偏远和资源有限的环境中，往往需要医务人员在最混乱的情况下执行挽救生命的任务。 据统计，约有20%的手术失败，而在小的(直径小于1毫米)、血管弯曲或塌陷的患者中，情况会更加严重，这在儿科、老年人、慢性病患者和创伤性患者中很常见。在这些人群中，第一针的准确性低于50%，通常需要五次或五次以上的插管尝试，这会导致治疗延迟。当重要的邻近组织(大动脉、神经或内脏器官)被穿刺时，可能出现严重的出血并发症，而多次尝试插管的并发症风险显著增加。
近日，美国新泽西州立大学Alvin I. Chen等人设计了一种便携式机器人设备，能够将针头和导管引入可变形的组织，如血管，以自主地抽血或输送液体。机器人插管是由一系列深度卷积神经网络的预测驱动的，这些神经网络从多模态图像序列中编码时空信息来指导实时伺服。通过对志愿者的成像和机器人跟踪研究，研究人员证明了该设备在存在解剖变异和运动的情况下，对周围血管进行分割、分类、定位和跟踪的能力。此外评估了机器人在仿体和动物模型中难以获得血管的性能，并表明，与训练有素的操作员手工插管相比，该设备可以提高成功率和减少操作时间，特别是在具有挑战性的生理条件下。这些结果表明，自主系统有可能在复杂的视觉运动任务上超越人类，并展示了将这种能力转化为临床应用的一个步骤。相关研究工作近期发表在《Nature Machine Intelligence》上。（丁雷）
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Alvin I. Chen et al, Deep learning robotic guidance for autonomous vascular access. Nature Machine Intelligence(2020).doi.org/10.1038/s42256-020-0148-7.
自从20多年前首次观测到超导量子比特中的相干量子行为以来，超导量子电路领域有了长足的发展。其中一个关键性进步是将腔量子电动力学（QED）的概念引入超导电路，从而产生了电路量子电动力学。这种方法在一个单一的体系结构中实现了量子计算的基本要求，并已被用于运行简单的量子算法和同时操作数十个超导量子比特。由于这些原因，电路量子电动力学是量子计算的主要结构之一。在量子信息处理方面取得这些进展的同时，电路量子电动力学为在新的参数空间探索量子光学的丰富物理特性提供了新的机会。
近日，来自加拿大谢布鲁克大学、美国耶鲁大学和加州理工学院的研究人员发表综述文章，综述了如何利用电路量子电动力学对人工原子进行控制，探索了腔量子电动力学的物理内涵和片上量子光学，以及如何挖掘量子技术的潜力等问题。研究人员首先介绍了电路量子电动力学的基本概念，以及与腔量子电动力学相比，电路量子电动力学中可以获得的新参数空间如何为量子光学带来了新的可能性。接下来，研究人员讨论了量子信息处理背景下的电路QED。然后，提出了电路QED朝着量子计算方向发展的下一步的展望，包括量子纠错（QEC）等，并讨论了走向可伸缩量子计算的一些挑战。（朱学艺）
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Blais, A., Girvin, S.M. & Oliver, W.D. Quantum information processing and quantum optics with circuit quantum electrodynamics. Nat. Phys. 16, 247–256 (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0806-z
表面等离子体共振（SPR）是一种强大的光学工具，被广泛应用于药物筛选、食品安全、环境监测和生物标志物检测等方面。 SPR传感器利用表面等离激元极化来检测界面折射率（RI）的变化，从而反映出界面上的目标分析物数量和性质。SPR检测方案具有无标签、快速和实时检测的优点。然而，由于灵敏度不足和共振带宽过宽，常规的SPR传感器在检测分子量小于500 Da的小分子和超低浓度的分析物方面仍然不能胜任。SPR传感器的RI灵敏度与金属界面附近的电场特性以及界面上分析物相互作用引起的波动密切相关。一种提高灵敏度的有效方法是通过Fabry-Perot（FP）共振的方式增强金属表面上的电场。
近日，来自暨南大学和马来西亚国立大学的研究团队提出了一种通过将光学腔与全内反射结构相结合来增强表面等离子体共振（SPR）的新方法。由高反射光子晶体（PC）、缺陷层和金（Au）膜组成的光学腔在缺陷层中形成Fabry-Perot（FP）共振，从而缩小了金属中的SPR共振宽度，同时增加倏逝区的电场强度和穿透深度。与传统的Au-SPR传感器相比，利用这种方案所制造的传感器的品质因数提高了5.7倍，并且线性系数更高。这种PC / FP腔/金属结构为提高SPR性能提供了的新设计思路。（朱学艺）
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Gui-Shi Liu, Xin Xiong, Shiqi Hu, Weicheng Shi, Yaofei Chen, Wenguo Zhu, Huadan Zheng, Jianhui Yu, Nur Hidayah Azeman, Yunhan Luo, and Zhe Chen, "Photonic cavity enhanced high-performance surface plasmon resonance biosensor," Photon. Res. 8, 448-456 (2020)
具有超快响应的强耦合单层WS2与光子晶体复合器件：光诱导库仑屏蔽效应
近年来，过渡金属二硫化合物（TMD）引起了人们广泛的研究兴趣。由于具有明显的激子谐振强度（高跃迁偶极矩），因而TMD具有较大的结合能和明显的谷自由度。与其他材料系统相比，这些特殊的性质使tmd适合应用于强耦合领域，催生了一系列有趣的现象，如谷激子-极化子以及极化子发光二极管等。受益于布洛赫模的非定域性及其可设计性，光子晶体（photonic crystals，PhCs）正成为利用TMDs研究激子-光子强耦合的重要平台。
近日，来自国防科技大学、复旦大学和中国人民解放军军事科学院国防技术创新研究所等单位的研究人员报道了一种光学复合器件设计，其中光子晶体（PhC）板和单层二硫化钨（WS2）之间发生相干强耦合作用。研究人员利用稳态角分辨光谱和瞬态吸收显微镜（TAM）研究了该器件的耦合行为，在这种复合光学器件中成功观察到反交叉型色散，表明在40.2mev处发生了Rabi劈裂。在近共振激发下，该偏振子器件的瞬态吸收（TA）谱中出现了一个新的谱特征，这一特征随后被证明是激子-极化子杂化态。此外，通过仔细分析单WS2和WS2-PhC极化器件在离共振和近共振激发下的超快响应，发现非平衡热衰变导致单层WS2产生库仑屏蔽，这对激子-极化态的形成有重要影响。这项工作的结果不仅可以提高人们对强光-物质耦合机制的理解，而且为设计基于TMD的相干器件奠定了基础。（朱学艺）
文章链接：Tang, Y., Zhang, Y., Ouyang, H., Zhao, M., Hao, H., Wei, K., Li, H., Sui, Y., You, J., Zheng, X., Xu, Z., Cheng, X., Shi, L., Jiang, T., Ultrafast Response of a Hybrid Device Based on Strongly Coupled Monolayer WS2 and Photonic Crystals: The Effect of Photoinduced Coulombic Screening. Laser & Photonics Reviews 2020, 1900419. https://doi.org/10.1002/lpor.201900419
基于声空介质设计任意形状的声能集中器
近年来，声波的操纵（如声波的近场集中）在很多领域受到广泛的关注。声能集中器可在较小的目标区域产生较大的声压，在医疗诊断和治疗中起着重要的作用。但是，常规的设计思路限制了它的形状设计，因此，非常需要一种用于设计任意形状的声能集中器的方法。变换声学是操纵声波的强有力的工具，研究人员基于它实现了很多新颖的声学现象，如声准直、声幻象和声隐身等，也可实现声能集中器的设计。目前，声能集中器的工作大多为圆形横截面的设计，实现任意形状的设计仍存在挑战。
近日，来自伊朗科技大学的研究团队基于变换声学方法，创新性地提出了一种可以设计任意形状的声能集中器的方法。该方法通过引入一种均匀的各向异性的介质，称为声空介质（acoustic null media），能够将入射声波集中在任意域中。另外，该方法的声能集中现象与集中器的形状无关。也就是说，不管设备的几何形状如何变换，使用同一声空介质，都能够实现声能集中的功能。为了验证该方法，研究人员研究了由两种天然材料制成的声能集中器，其结果与理论预测吻合良好，说明了声空介质作为一种极限介质可以用天然材料实现。该工作提高了声能集中器的灵活性和适用行，有潜力应用于生物医疗和声波操纵等。文章于近日以“Arbitrary Shaped Acoustic Concentrators Enabled by Null Media”为题，发表在杂志《Physical Review Applied》上。（田源）
文章链接：DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.034004.
硅基光子晶体中自旋，色散，手性路径的直接观测
量子自旋霍尔效应的预言和观测为拓扑物理领域打开了一扇新的大门。光子学中的拓扑保护为经典和量子信息传导和操纵提供了新的途径。研究人员通过自旋轨道耦合的机制构造出了拓扑边边界态，这些边界态具有螺旋形单向传播的特点，并且受到拓扑保护，因而能够免疫背散射。由于集成光子芯片具有纳米级路径、抗无序、单向传输和鲁棒光发射等新奇的效应，因此在电子通讯频域中创造拓扑光子态是非常有前景的。与在光线（light line）下工作的谷拓扑光子晶体不同，基于量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体可以通过远场辐射观测其性质。
近日，来自荷兰纳米光子中心的Ewold Verhagen及其研究团队，构造了具有电子材料量子自旋霍尔效应的光子类似物，并直接观测了存在于具有不同拓扑序的硅光子晶体界面处的拓扑态。基于拓扑态所固有的远场辐射，研究人员表征了它们的特性，包括线性色散和低损耗。并发现边界态赝自旋具有独特的圆形远场极化中心，并链接到边界进行单向传播，从而揭示了光子自旋轨道耦合的特征，并使用这种特征来选择性地激发具有不同光偏振的不同边界态，并直接观测了它们沿尖锐手性波导传播的路径。这项工作有助于新型光子拓扑系统的广泛应用：包括手性量子光学接口、对映体传感和纳米级激光等。该工作于近日发表在《Science Advances》 （王济乾）
文章链接：10.1126/sciadv.aaw4137
基于铌酸锂压电光力晶体实现高效的微波与光波的双向转换
微波频率和光频率之间经典信息和量子信息的有效相互转换是一个重要的工程挑战。由于大的光力响应，以及将机械能局域在微米级区域的能力，使拥有吉赫兹（GHz）频率机械模式的光力晶体成为实现该转换的有效平台之一。但是，现有的研究表明，该方法受到低光学质量因子、低机电转换效率和低光力相互作用率的限制。
近日，斯坦福大学应用物理系的Amir H. Safavi-Naeini课题组的研究人员展示了一个片上铌酸锂基压电光力转换器，它系统地解决了所有这些挑战，并且在转换效率上比以前的工作提高了近三个数量级。该调制器拥有Vπ=0.02v的声光调制。结果表明，在3.3μW红色失谐光泵（detuned optical pump）和323μW蓝色失谐光泵下，双向转换效率分别为10-5和5.5%。为了了解机械耗散、热导率和热容量的降低对效率和附加噪声的影响，需要进一步研究在毫开尔文温度下的量子传导。相关成果以“Efficient bidirectional piezo-optomechanical transduction between microwave and optical frequency”为题发表在《Nature Communications》上。（张子栋）
图1. 铌酸锂压电光力换能器的SEM图及设计原理
图2.叉指换能器（IDT）和光力晶体（OMC）的测量装置示意图及其对应单独特性的表征
图3. 高效的声光调制
图4.双向微波-光波转换
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14863-3
基于激光写入波导的可靠相干光存储器
光学量子存储器是实现大规模量子网络的关键器件，它可以高保真地在光和物质之间映射量子信息。高保真度、多模态容量、长存储时间的量子存储器已经在大块稀土离子掺杂晶体中得到了证实，是一种很有前途的器件。为了将这一性能优异的器件推广到实际应用中，科学家们为集成量子存储器的发展付出了许多努力。目前已有三种方法用于制造稀土离子掺杂晶体中的集成量子存储器。第一种是在LiNbO3中使用行业标准的Ti 扩散。高保真，宽带，多路复用，电信波长存储器，以及集成处理器已经被证实。第二种是聚焦离子束铣削。具有高保真度和电信波长的量子存储器也得到了证实。然而，这两种体系的存储时间和存储效率都明显低于大块晶体。第三种是飞秒激光微加工(FLM)。最近利用FLM在Pr3+：Y2SiO5晶体中制造的波导成功证明了可积性存储器的存在。存储时间可达15 s，存储效率高达21%，多达130种存储模式。总之，科研人员一直在探索基于这种大块晶体材料开发光量子存储器，但可集成结构(如光学波导)能够促进151Eu3+：Y2SiO5量子存储器的实际应用到目前为止尚未报道。
最近，中国科学院量子信息重点实验室李传锋等人设计了在151Eu3+：Y2SiO5晶体中使用飞秒激光微加工制作II型波导这一实验。加工出的波导与单模光纤兼容，插入损耗最小为4.95 dB。在波导中按需光储存是通过采用自旋波原子频率梳(AFC)方案和沉默再生效回声(ROSE)方案来实现的。基于这两种方案，研究人员进行了一系列的干扰实验来表征其存储保真度。自旋波AFC方案读出脉冲的干扰可见度为0.99±0.03，ROSE方案为0.97±0.02，证明了集成光存储器的可靠性。同时作者也注意到，自由感应衰减是两种存储方案的主要噪声源。这种噪声可以通过使用基于其他类型波导的偏振滤波来消除，这些波导支持一个以上的偏振模式。相关研究工作近期发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：Chao Liu et al, Reliable coherent optical memory based on a laser-written waveguide,Optica(2020).doi.org/10.1364/OPTICA.379166.
两江科技评论编辑部
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