超材料前沿研究一周精选 2019年8月12日-8月18日

量子密钥分发(QKD)是一种保证无条件通信安全的量子通信技术。QKD已成功应用于光纤通信、自由空间通信、卫星通信等多种平台。硅光子技术使片上量子密钥分发具有许多优点。近年来，人们探索了用于量子密钥分发集成芯片的不同基底材料。利用磷化铟(InP)、铌酸锂(LiNbO3)和磷酸钛酸钾(KTP)制备了片上激光器和快速调制器。硅提供低损耗延迟线和光纤芯片耦合器，依赖于成熟的微加工制造技术，非常适合作为片上的光子元件。QKD系统主要有两大类，即离散变量QKD (DV-QKD)和CV-QKD。以光纤为基础的DV-QKD已被证明在高达400公里范围内具有超低损耗。同时在硅晶圆上已经证明了几种DV-QKD协议，包括光子偏振编码、空间维数编码和时间宾斯编码。为了在芯片上检测光子，基于超导纳米线的单光子检测器集成在硅片上，检测效率高达90%。与DV-QKD相比，CV-QKD与现有的电信技术兼容，更适合于集成光子芯片。2013年，基于光纤的CV-QKD系统在传输距离为80公里时，其安全密钥速率约为1kbps，并且通过控制额外的噪声，进一步将传输距离提高到100公里以上。近年来，一些基于相位波动和真空波动检测的片上量子熵源被报道出来。基于芯片的零差检波器的增益为4.5 Kva^-1，带宽为150 MHz。

高性能、高性价比的QKD系统是建立量子通信网络的关键。通过将除激光源外的所有光学元件集成在一个硅光子芯片上外，该团队之前已经实现了一个稳定、小型化、低成本的连续可变QKD (CV-QKD)系统，该系统与现有的光纤通信基础设施兼容。在最新的研究中，新加坡南洋理工大学G. Zhang等人展示了用于CV-QKD的集成硅光子芯片。它具备广泛研究的高斯调制相干态协议，该协议对激光的正交连续分布信息进行编码。此外，该基于原理验证芯片的CV-QKD系统能够在模拟距离为100公里的光纤中产生0.14 kbps(在集体攻击下)的密钥速率，为低成本、可扩展和可移植的量子网络提供了新的可能性。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。

文章链接：G. Zhang et al, An integrated silicon photonic chip platform for continuous-variable quantum key distribution.Nature Photonics(2019).

doi.org/10.1038/s41566-019-0504-5.

运动控制从弱耦合和局部耦合向强耦合和全局耦合的集中很难在特定的建模框架之外进行评估。动物的运动，即主动地从一个位置和方向移动到另一个位置和方向的任务，是通过非线性动力学实现的，其中控制通常分布在许多组件上。为了有效地运动，肌肉和四肢在空间和时间上的协调是产生定向力的必要条件。运动协调既可以通过组件之间紧密连接的强全局耦合来实现，也可以通过稀疏连接的弱局部耦合来实现。这些极端耦合范式之间的连续体被认为是运动控制的集中/分散轴。虽然集中化的概念很普遍，但是很难找到一种可以应用于各种系统的可量化的度量方法。例如，Brambilla等人定义了一个分散的机器人群体，由自治个体组成，但这些个体在本地通信，不接收任何全局信息。

近日，美国乔治亚理工学院Izaak D. Neveln等人开发了一种经验的、无模型的集中化度量方法，用于比较控制信号与全局和局部状态之间的信息。其中联合信息，量化了全局和局部控制中的网络冗余。实验中，研究人员首先验证了该测量方法可以在相耦合振荡器的仿真中预测集中。然后，测试了在自由奔跑的蟑螂中，集中度是如何随着速度变化的。令人惊讶的是，所有速度的集中都是恒定的，整体运动状态的肌肉活动(所有腿的平均值)的信息比腿的局部状态更加丰富。最后，研究人员用一个有腿机器人来证明，机械耦合可以改变腿运动的中心化。这些系统的结果跨越了生物系统和机器人系统的集中和协同信息的设计空间。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。

文章链接：Izaak D. Neveln et al. Information-based centralization of locomotion in animals and robots. Nature Communications (2019) 10:3655.

doi.org/10.1038/s41467-019-11613-y.

拓扑态在各种系统中被广泛研究。拓扑态由体拓扑不变量表征，这些不变量决定了具有较低维度的边界物理。该概念已被推广到在角或边界(hinge)上具有新颖边界状态的高阶拓扑绝缘体或超导体上。最近，非厄密效应对高阶拓扑物理的影响引起了研究人员的注意，在已报道的工作中，研究人员通过非对称隧穿(asymmetric tunnelings)效应引入非厄密，从而观察到了一系列有趣的效应：如高阶趋肤效应和双体正交极化(biorthogonal bulk polarization)。然而，对于非厄米高阶拓扑态与角态-体态的对应尚没有一个一般性的认识。此外，与非对隧穿效应相比，在光子和原子实验中引入非厄米更简单、更可调谐的方法是直接控制粒子耗散。 

来自The University of Texas at Dallas的Chuanwei Zhang教授及其研究团队发现，通过向平庸厄密系统引入交错的现场(on-site)增益和损耗，体系中可以出现更高阶的拓扑角态：在这样一个非厄密系统中，研究人员通过双正交嵌套威尔逊环(biorthogonal nested-Wilson-loop)和边缘极化理论建立了一般的体态-角态对应关系。更重要的是，该理论可以应用于具有更高阶拓扑阶的广义非厄密系统，同时定义了用来表征由反射或手性对称性保护的非厄密多极矩（例如角态）的拓扑不变量。

该工作提供了一种可调的通过耗散控制操纵角态的方法，对研究各种非厄密引起的高阶拓扑态及其分类据有重要意义。研究成果于近日发布在《Physical Review Letters》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.073601

慢光或光捕获具有光信号的时域处理，电磁场的空间压缩以及非线性光学效应的访问等应用前景。这些现象是许多光学装置的操作基础，例如光学开关，光学存储器和光子集成电路。等离激元波导中的导波本身是缓慢的，因为它们在金属层中的功率流与波传播的方向相反。已经有研究表明不同波导层中的能量流可以完全相互抵消，通过仔细选择构成波导的材料的折射率和厚度，导致能量消失。

光捕获的想法，一个“被困的彩虹”，已经被研究作为减缓固态系统光的有前景的方法，包括锥形波导，光子晶体和等离激元光栅。然而，到目前为止，大多数关于被困彩虹的研究工作都采用了简单的线性波导几何结构，并且从未探索过如何改变波导的形状会影响光捕获的性能

近日，来自So Korea Advanced Institute of Science and Technology的Min Seok Jang研究小组寻找用于光捕获的自由形式的金属-绝缘体-金属（M-I-M）等离子体波导的最佳几何形状，并揭示其与传统线性锥形结构明显不同的独特性质。

通过使用三种不同的数值优化算法结合传递矩阵方法来优化波导几何结构，并使用基于有限元方法（FEM）的全波模拟来确认结果。优化的光捕获结构具有显着增强的品质因数，几乎达到材料损失所施加的理论极限。它还具有独特的模态动力学和对材料损耗的独特依赖性，两者都与传统的线性锥形结构完全不同。其特征长度（达到最大品质因数的一半所需的最小长度）与材料损耗成反比，优化结构的品质因数在更短的长度内饱和。此外，为了证明所提出的设计方法的可行性，还分析了在可见光和中红外频率下用真实材料获得的优化结果。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.024030

光，因其具有丰富的自由度，是信息处理、光通信等重大发展的基石。可调制的光场的自由度包括振幅、相位、极化和轨道角动量（OAM）。最近，有证明由空间变化的超构原子组成的光子超构表面提供了一种前所未有的能力来定制不同程度的光自由度。在某种程度上，基于超构表面的设备比许多传统的光学元件更紧凑，功能更集成。超构表面的应用，如平面透镜、反光镜、超构表面全息图、光学扩散器、偏光测量和增强现实等，已经成功得到应用。在工作机制系列中，相控是操纵光场特性的有力工具。

超构表面操纵光传播的空前能力扩展到非线性光学系统，为非线性光学安全和加密提供了大量应用。这一领域的一个关键问题是如何任意控制非线性波的矢量极化剖面。近日，来自Southern University of Science and Technology的Xianzhong Chen研究小组提出并实验演示了一种非线性光子超构表面，它可以生成非线性成像的矢量极化剖面。高分辨率灰度图像可通过超薄非线性超构表面的二次谐波生成（SHG）光束读取。SHG波的极化可以通过简单地改变等离激元超构原子的方向角度进行局部操作。灰度图像使用基于马鲁斯定律的线性偏振器进行显示。基于非线性超构表面的富极化信息在非线性光图像加密、安全性、防伪等方面具有巨大的应用潜力。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

具有背散射抑制和缺陷免疫的光学传播具有极大的应用价值和吸引力，所以光学拓扑绝缘体的发展十分迅速。然而，到目前为止，光学拓扑绝缘体的实现主要依赖于二维（2D）系统中的光子晶体和波导阵列中的模式，从而模仿电子系统中的拓扑绝缘体，这使得其难以集成化和微型化。基于电磁场的内部对称性（即，EM对偶性）也能够实现量子自旋霍尔效应（QSHE）。通过匹配超材料结构单元的介电常数（ε）和导磁率（μ）从而能够利用横向磁（TM）模式和横向电（TE）模式的线性组合构造退简并自旋态，而TE和TM模之间的双向性耦合起到类似于电子拓扑系统中自旋轨道相互作用的作用，并产生一个人工规范场，分别作用于、退耦的自旋态。然而，基于超材料的拓扑保护边界态的实现具有设计复杂和工作带宽较窄等劣势。

近日，来自加州圣迭戈分校发研究人员通过在互补电磁响应的超表面上耦合表面模式，可以以直接的方式实现类似于量子自旋霍尔效应的对称性保护的拓扑态。组成超表面的堆叠单元直接导致横向电模式（TE）和横向磁模式（TM）简并的双Dirac锥，在引入微小的层间平移时简并破缺并产生非平庸带隙。因此，该研究实现了利用超薄结构产生具有鲁棒性的无能隙边界态，该边界态被束缚在表面中的一维（1D）线上。研究人员通过近场成像技术在微波频率处成功证实了拓扑边界态的存在。这种方法具有简单性和多功能性，是一种有吸引力的技术，不仅能够作为研究经典拓扑相的优异平台，也为片上集成器件和片上拓扑绝缘体提供了一种新的思路。

文章链接：D. a. J. Bisharat and D. F. Sievenpiper, Laser & Photonics Reviews 0, 1900126.

集成量子技术被广泛的应用于量子通讯、量子模拟和量子计量等领域，在大规模集成方面已经取得了重大进展。但是随着集成量子技术的发展，人们需要高度微型化的集成系统用于实现更复杂的功能，例如轨道角动量光子、自旋光子等。然而这些功能的片上集成仍悬而未决。

先进的超表面技术能够实现绝大多数光的波前操纵，从而可以用于成像、适量光束、全息光学甚至非线性相位操纵等。通过人工设计纳米结构表面的局部几何形状能够实现不同的功能。虽然超表面及其应用能够完全依赖经典的电磁描述，但是超表面在量子领域的应用仍然亟待探索。能够片上集成的超表面为小型化的量子系统提供了新的思路。

近日，来自德国的研究人员展示了一种混合集成量光系统，能够实现在电介质表面产生纠缠光子对和将纠缠光子对退相干。通过在纳米结构的电介质超表面上单光子对的干涉，能够产生具有圆偏振的路径纠缠的双光子NOON态，表现出86±4％的量子HOM干涉可见性。此外，研究人员在基于超表面的干涉仪中证明了非经典性和相位灵敏度，在重合计数中条纹可见度为86.8±1.1％。这种高可见度证明了干涉仪内部由超表面引起的路径纠缠。该研究成果为高维模式空间中的混合集成量子技术提供了新的可能，有望应用于成像、传感、量子计算等各个领域。

文章链接：P. Georgi, M. Massaro, K.-H. Luo, B. Sain, N. Montaut, H. Herrmann, T. Weiss, G. Li, C. Silberhorn, and T. Zentgraf, Light: Science & Applications 8, 70 (2019).

在妊娠和分娩期间，由于胎儿与母体血管界面之间的氧气输送受损，导致妊娠引起的高血压疾病（PIHD），可能对母体和/或胎儿造成致命影响，受其影响导致多种并发症。根据世界卫生组织的一项调查，全世界每天约有830名妇女死于与妊娠和分娩有关的并发症，其中约14%归因于PIHD。此外，胎盘功能不全和母体慢性缺氧会阻碍向胎儿供氧，导致一些严重后果，包括宫内生长受限和胎儿死亡。因此，通过定期监测发育过程中的胚胎和胎盘的解剖结构和功能特征具有重要意义。

随着成像技术的进步，一些探测机制，如多普勒超声（US）、X射线计算机断层扫描（CT）、和血氧水平依赖性磁共振成像（BOLD MRI）已被广泛应用。多普勒超声能为结构表型提供高空间分辨率，但缺乏测量胎盘血氧饱和度的能力。X射线CT对软组织的对比度较低，其辐射暴露限制了长时间研究，尤其是在产科。血管核磁共振成像可以提供高分辨率的解剖图像以及对胎盘氧饱和度进行估计。然而，其高昂的价格，和庞大的机身限制了临床应用。总的来说，没有一种临床上的成像技术能够提供胎盘和胎儿血氧饱和度的实时成像。

光声成像（OA）出现在21世纪初，是一种新型的无创成像方法，利用光学成像和声学成像的优势，在不牺牲分辨率的情况下，提供功能和分子属性的高对比度成像。最近来自德国慕尼黑技术大学（Technical University Munich），慕尼黑亥姆霍兹中心生物和医学成像研究所（Institute for Biological and Medical Imaging, Helmholtz Center Munich）的研究人员设计了一种基于圆柱聚焦超声传感器阵列的环形光声断层扫描（ROAT）系统。对小鼠胚胎进行了无创成像和血氧浓度的功能成像。重点分析了断层扫描不同区域（母体外周动脉、胎盘和胚胎区）的血液动力学参数，如HbO、HbR的血氧饱和度（SO2）的时空分布。该系统可以提供大面积（直径约40 mm）的横截面图像，空间分辨率约200 mm。文章以Non-invasive determination of murine placental and foetal functional parameters with multispectral optoacoustic tomography为标题发表在Light: Science & Applications上。

a. 环形光声层析成像（ROAT）系统的原理图。b. E19孕鼠腹腔两个不同横截面（CS1和CS2）的活体断层扫描图。c. 来自E14妊娠小鼠的相似横截面（CS1和CS2），腹部各脏器的解剖表型。（b，c）的比例尺均为5 mm。三维光声断层扫描（SVOT）获得E14小鼠三维腹部图像。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-019-0181-7 

DOI：10.1038/s41377-019-0181-7

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