今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及三维折纸结构微纳光学超表面、通过非线性有源电声谐振器提高声波的吸收、金刚石中单晶硅空位自旋的相干声学控制等敬请期待！
索 引
1.利用介电超表面调控LED发射
2.三维折纸结构微纳光学超表面
3.用于声通信中快速解码的非共振型超构表面
4.通过非线性有源电声谐振器提高声波的吸收
5.金刚石中单晶硅空位自旋的相干声学控制
6.频率梳用于相位相干光波通信
利用介电超表面调控LED发射
发光二极管（LED）是光子学和光电子学研究的主要目标之一。自20世纪初发现以来，发光二极管作为一种高效、低成本和紧凑型光源取得了广泛的应用。光子器件集成化发展要求将LED集成到复杂的光子设备中，这需要对发射光的波前进行精确调控。一个可能的方案是将LED与超表面技术相结合。超表面是一种二维空间散射体阵列集合，可以为操纵光提供前所未有的超高自由度。然而，大多数超表面结构仅在具有大的空间相干性的激光照射下才能正常工作，因而利用超表面调控LED光源具有较大技术难度。另一方面，LED具有类似朗伯角的宽角度发射模式，其特征是空间相干性低，这使得超表面器件与LED光源相集成充满了挑战性。
近日，来自新加坡南洋理工大学、新加坡科技研究局等单位的 Zhengtong Liu, Volkan Demir, Arseniy I. Kuznetsov等科研人员提出了一种在LED上进行超表面集成的新方法。通过组合谐振腔和超表面，以集成方式实现了LED辐射的全波前控制。该方法利用空腔结构，通过角度准直来增加LED空间相干性。研究人员利用GaP LED作为基本架构，并结合混合金属-布拉格腔，通过在顶部集成硅超表面，从而在紧凑型器件设计中成功实现了两种重要功能：LED以特定角度出射和具有轨道角动量的涡旋光束LED出射。这种设计具有一般性，能够适用于其他非相干光源，从而成功实现了非相干光源与平面波超表面相融合。这种方法使LED光源能够与超表面相结合从而实现更高级的功能，例如透镜、复杂光束整形和全息成像等，为紧凑的功能性光源开辟了新的途径。（短文作者：朱学艺）
文章链接: Khaidarov, E., Liu, Z., Paniagua‐Domínguez, R., Ha, S. T., Valuckas, V., Liang, X., Akimov, Y., Bai, P., Png, C. E., Demir, H. V., Kuznetsov, A. I., Control of LED Emission with Functional Dielectric Metasurfaces. Laser & Photonics Reviews 2019, 14, 1900235. https://doi.org/10.1002/lpor.201900235
三维折纸结构微纳光学超表面
近几十年来，3D微/纳结构被广泛应用于微/纳机电领域、生物医学装置、能量存储等方面，在力学、光子学、生物学等领域展现出了极大的应用潜力。3D结构一个很有意义的应用之一是3D光学超材料领域。与2D相比，3D结构在电磁波的空间调制方面具有更大的自由度。3D折纸是一项著名的技术，它通过弯曲或者折叠二维纸张或薄膜从而形成宏观的3D复杂结构。受这一想法启发，在介观领域一系列折纸技术都被广泛地开发研究，如利用压缩拉伸、应力失配甚至毛细现象、细胞牵引等引起的弯曲，构建出精致的3D结构。
近日，来自中国科学院物理研究所以及南开大学的李俊杰与陈树琪研究团队报道了一种基于聚焦离子束（FIB）工艺的三维折纸结构微纳光学超表面。金属/电介质膜中残余应力能够形成离子辐照，从而诱导2D结构产生弯曲。利用这一机制能够成功制造出3D微米/纳米级体系结构。通过调控离子辐照剂量和能量，可以对较大面积范围内的2D图案进行可控弯曲，从而加工出具有丰富结构的3D微米/纳米结构，特征尺寸低至175 nm。这种方法的好处之一是能够较容易的将3D结构超表面加工成非对称结构。利用这种方法，研究人员成功实现了高效的单向无反射效应。这种基于FIB的折纸加工工艺是一种在微米/纳米尺度上实现3D结构的快速加工工艺，具有极其灵活的空间方向可控性，为基于3D结构的各种光学功能设备（尤其是3D超表面）提供了一种极具潜力的实现方案。（短文作者：朱学艺）
文章链接：Pan, R., Li, Z., Liu, Z., Zhu, W., Zhu, L., Li, Y., Chen, S., Gu, C., Li, J., Rapid Bending Origami in Micro/Nanoscale toward a Versatile 3D Metasurface. Laser & Photonics Reviews 2019, 14, 1900179. https://doi.org/10.1002/lpor.201900179
用于声通信中快速解码的非共振型超构表面
水下通信在海洋环境监测和近海工业勘探等各种应用中起着至关重要的作用，在这些应用中，对高清信号传输迅速增长的需求使得高速传输大数据成为必要。尽管基于空气中的微波或光波的无线通信已经取得了显着进步，但是电磁通信技术仍无法在水下长距离有效地使用。微波在水下的显著损耗本质上将射频通信限制在水下仅几厘米，并且由小颗粒引起的可见光的强烈散射抑制了光波在长距离上的传播。当前，声波被用作水下通信的主要信息载体，因为声波的衰减比电磁波的衰减至少小三个数量级，但是由于声速低，声波信息传输仍然存在固有带宽不足的缺陷，在过去的几十年中，人们采取通过各种方案来增强声学通信的能力，例如波分复用（WDM），时分复用（TDM）和多级幅度或相位调制格式来对信息进行编码。不幸的是，即使采用先进的编码方法，声音通信能力仍不能满足快速增长的需求。
近年来，轨道角动量（OAM）作为一种替代的复用自由度，可以将数据编码到涡旋波束上，以增加声学通信的能力。现有的从多路声涡旋中获取信息的办法有主动扫描方法和被动共振方法。费时的扫描和复杂的后处理极大地限制了数据传输速度，而无源技术中的大量谐振级联设备本质上导致系统效率低和体积巨大。来自加州大学伯克利分校的Zhang Xiang研究小组提出并通过实验证明了一种无源且非共振的方法，该方法具有使用抛物线形超构表面并行分离多路声涡旋束的不同OAM状态的能力。超构表面将携带各种角动量的涡旋光束的螺旋相位模式转换为具有不同面内线性动量的平面波。这种方法与多路复用技术兼容，可以大大提高了声音通信的速率，相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.014014
通过非线性有源电声谐振器提高声波的吸收
低频宽带吸声在科学研究和工程实践中仍然是一个挑战。常规的吸声材料，例如多孔和纤维状材料，由于声音响应的因果关系，不能有效地在低频条件下用薄层实现有效吸收，这取决于吸收谱和材料厚度有关的求和规则。此外，对于任何无源，线性和时不变系统，带宽和吸收效率是相互约束的，与“Bode-Fano准则”一致。通过撤销其固有假设来绕开此类固有界限，已经可以允许设计相应的宽带吸声器件。
低频吸声的主要解决方案是使用无源窄带谐振器，利用非线性效应可以进一步提高其吸收水平和带宽。但是，这些效应通常是在高强度水平下触发的，而对非线性吸收机制的形式没有太多控制，近日，来自洛桑联邦理工学院的Hervé Lissek研究小组提出并实验证明了以电声谐振器为原型的非线性主动控制框架，从而可以对非线性形式和任意低强度阈值的声波进行控制。具体地，其提出的架构既有位于扬声器正面的麦克风对前压力的线性前馈控制，也考虑测量后腔内部压力与外壳上麦克风所估计的膜位移的非线性反馈控制。实验表明，即使在弱激励水平下，也可以观察到和控制系统的非线性行为。通过数值和实验证明，在低频范围（50–500 Hz）中，非线性控制律可以改善吸声性能，即在增加最佳吸声带宽的同时增大吸声性能，最大化吸收系数值，并且仅产生可忽略不计的非线性失真。该项实验方法可以扩展为实现各种类型的线性和/或非线性混合控制，从而为控制非线性波和实现非平庸的波动现象开辟了新途径。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.014018
金刚石中单晶硅空位自旋的相干声学控制
声子或机械振动为固态量子系统之间的量子信息传输提供了独特的优势。因为它们可以耦合各种各样的独立量子比特位（qubits），所以被认为是不同类型量子比特位之间的通用量子换能器（quantum transducers）。其中，金刚石和碳化硅中的一些缺陷自旋在光学实验上可行，而且具有很长的相干性时间，使它们可以用作长寿命的量子存储器。尽管已经证明了用机械振动可以控制这些缺陷的自旋，但是由于它们的低应变特性，获得强的自旋-声子耦合仍然是一个挑战。
最近的实验表明，金刚石中的负电荷硅空位（SiV）中心具有作为自旋量子位的潜力，这种量子位由于其基态的轨道具有简并性因此有着很高的应变灵敏度，特别适合与声子耦合。最近，来自哈佛大学（Harvard University），麻省理工（California Institute of Technology）和德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的研究人员利用这种高应变响应来演示单SiV自旋的相干、低功率的声学控制并执行单自旋的声驱动Ramsey干涉测量。结果证实了SiV自旋量子位的电子-声子耦合是一种很有前途的单自旋和声子之间的传导途径。这将有助于产生单声子的量子非线性，并实现声子介导的带自旋的混合量子系统。（短文作者：鲁强兵）
金刚石基表面波装置的示意图。（a）由于氮化铝（AlN）的压电响应，可以作为叉指换能器（IDTs），在微波信号作用下产生声波。用聚焦激光束探测金刚石中的siv。插图是一对传感器的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）SiV.分子结构。（c）非零外磁场下SiV的电子结构。实心红色箭头表示用于自旋初始化和读出的光学跃迁，虚线红色箭头表示其他光学跃迁。蓝色箭头表示自旋量子位的两个级别之间的声学转换。（d）共振光激发下SiV的C-跃迁的荧光光谱，显示出精细的结构。这四个峰对应于跃迁C1-C4。
文章标题：Coherent acoustic control of a single silicon vacancy spin in diamond
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13822-x
DOI：10.1038/s41467-019-13822-x
频率梳用于相位相干光波通信
光学频率梳最初建立是用于原子钟之间的比较，也可以作为合成光学频率的工具，还可以成为相干光纤通信的一个有吸引力的光源，在那里它们可以取代用于传输数字数据的数百个激光器。频率梳在光通信中的一个关键优点是连续线路之间的间隔非常稳定。在使用频率梳代替多个激光器的光波通信系统中，梳线的相位锁定的重要性在于，所有信道都遭受类似的光学相位噪声的干扰。
相位噪声主要来源于载流子和局域振动光源（LO）（通常是半导体激光器）的随机相位变化。虽然频率梳的线路也受到随机相位变化的影响，但宽带相位相干性将波分复用信道之间的变化关联起来。现代光波通信系统使用数字信号处理（DSP）来补偿相位噪声，而数字信号处理是接收机功耗的主要来源。该DSP功能可以通过使用模拟方法来将LO锁定到载波，但是要以降低频谱效率和增加模拟复杂度为代价。
最近来自查尔默斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员演示了两个联合处理方，一个减少相位跟踪复杂性和一个增加传输性能。在这项工作中，他们用20GBaud偏振复用的64进制正交幅度调制（PM-64QAM）发送25个信道，最大可达160 km，并通过在同步相干接收机中同时接收两个信道来评估联合载波恢复。这是首次证明这种联合载波恢复在存在标准传输损伤（如色散、偏振漂移、放大器噪声和光纤非线性）的情况下工作。（短文作者：鲁强兵）
（a）传输系统中相关相位噪声重要性的说明。星系图被相同的相位噪声所扭曲，这使得联合相位处理成为可能。
（b）频率梳的线路被单独调制，然后一起传输。在接收器中，第二频率梳充当本地振荡器。
（c）多个冗余相位估计块的传统载波恢复。
（d）主从相位恢复，相位噪声从一个信道估计，然后应用到所有信道，消除多余的相位估计块。
（e）联合相位估计。通过在多个信道上平均估计的相位噪声，可以检测到更快的相位变化。
文章标题：Phase-coherent lightwave communications with frequency combs
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-14010-7
DOI：10.1038/s41467-019-14010-7
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