超材料前沿研究”一周精选 2019年6月16日-6月22日

Berry相位的概念将非相互作用系统边界的鲁棒性与体的拓扑性质联系起来，从而能够表征物质的拓扑相。Berry相位是与能量 - 动量能带结构相关的几何相。最近，通过推广Berry相位和量子化极化之间的基本关系，从偶极矩到多极矩，提出了一类新的拓扑相，称为高阶拓扑相。例如，在电子系统中，Berry相位表明在2D量子霍尔/自旋霍尔系统的一维边界上的一维绝缘体量子化电荷/自旋电流中存在量子化零维（0D）电荷，并且在三维拓扑中存在二维面绝缘体。通常，该体边对应关系由（n-1）维边界携带的量化电荷/电流与n维体的量子化电偶极矩相关。Berry相位和体边界对应也适用于中性玻色子系统。使用原子、光子以及声子晶格已经实现了一维系统中拓扑鲁棒性的局部0D角态和二维系统中传播的一维边界态。为了寻找更高阶拓扑相，最近的研究中使用微波和声子超材料观察到具有强大的0D角态的2D四极拓扑相。

近日，来自马里兰大学、ITMO大学和澳大利亚国立大学的联合研究团队报道了采用集成硅光子平台的四极拓扑相的光学实现。使用光谱测量和直接成像，研究人员揭示了局部角态的存在，并表明它们对于纳米光子系统中普遍存在的某些制造障碍具有鲁棒性。此外，通过在系统中引入四极域边界，研究人员证明观察到的角态不是晶格物理角落处的平庸缺陷态。角态也可以出现在没有四极矩的系统中，但是与零体积四极矩相关的拐角态相比，其在实验观察中表明对制造障碍没有免疫力。

文章链接：S. Mittal, V. V. Orre, G. Zhu, M. A. Gorlach, A. Poddubny, and M. Hafezi, Nature Photonics (2019).

近年来，拓扑现象在光子学和凝聚态物理学中得到了广泛的探索，因为这些系统可以具有无序状态下实现背散射免疫的奇特现象。在三维情况下，最简单的一类拓扑非平庸系统是Weyl材料，它们在其带结构中具有一组孤立的简并，是Berry曲率的源，并且通过费米弧表面态相连接。由于这些Weyl点具有拓扑电荷，因此总是成对出现或消失，从而能够保证布里渊区中的总电荷保持为零。因此，系统中任何孤立的Weyl点都受到保护，免受厄米扰动的影响。与电子系统不同，光子系统的一个重要特征是它们能够通过材料吸收或增益以及辐射耦合来打破厄米性。这使得光子学能够实现非Hermitian系统专有的现象，例如奇异点。奇偶时间对称系统中常见的奇异点与拓扑平庸光学系统中的各种异常行为有关，例如非常规反射和透射，单模激光器，偏振控制和谐振腔的Purcell因子增强。

近日，来自美国宾夕法尼亚大学、中科大和新加坡南洋理工大学的联合研究团队在飞秒激光直写制作的三维（3D）光子晶格中实现了Weyl奇异环，该光子晶格由渐逝耦合的单模螺旋波导组成。为了确认系统具有Berry电荷，研究人员首先表明波导阵列呈现拓扑转变，从而观察到受保护的表面态。通过观察当系统是非厄米情况时在简并处缺乏锥形衍射，实验人员证明了这种转变是一类新的拓扑转变，其中上下带在一个环而不是一个点处简并。这些测量表明在该系统的倒空间中实现了环状简并，其具有量子化的Berry电荷 – 即Weyl奇异点。

文章链接：A. Cerjan, S. Huang, M. Wang, K. P. Chen, Y. Chong, and M. C. Rechtsman, Nature Photonics (2019).

如果说上帝创造了固体，魔鬼制造了表面，那么气泡无疑是魔鬼的杰作。生物细胞由大量的膜构成，而这些膜大多处于闭合状态，这无疑是一个个相互交织的泡泡。对气泡的热传导，热对流和热辐射问题的研究或许可以启发人类对细胞水平的热学现象的认识。

“God made the bulk, the surface was invented by the devil” --Wolfgang Pauli

 肥皂泡几千年来一直保持神秘的面纱，它的影响可以追溯到一个历史的弧线，包括巴比伦占卜仪式，印象派绘画，以及大量像牛顿这样物理学家的长期研究。在此基础上，全面研究了气泡从出生、湿润、挥发和蒸发，到其最终破裂。这些研究被应用于各种实际应用，如能量回收、药物输送和清洁设备。尽管人们对气泡的关注时间很长，关于它的冻结研究还很少。不同于水滴或水坑往往会由于一次冰冻锋的传播而冻结，与液滴、水坑或表面结合的液膜不同，气泡没有导热的体积。与此同时，摄像师已经证明，当肥皂泡冻结时，过多的正在生长的冰晶会在视觉上形成一种美丽的视觉冲击，让人联想到一个雪球。然而，关于气泡如何冻结的基本物理还没有被研究。 

最近来自弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）和巴黎高等物理化工学院的研究人员描述了肥皂泡在结冰的基板上冻结的物理特性，并揭示了两种不同的冻结模式。第一种模式，发生在各向同性的过冷气泡，产生强烈的马朗戈尼流，夹带冰晶产生上述的雪球效应。第二种模式是在温暖的环境中使用冷级，导致自下而上的冻结锋，最终由于气泡的传导不良而停止。结合实验、尺度分析和数值方法，对冻结锋和马朗戈尼流的动力学特性进行了描述。

文章标题：How soap bubbles freeze

DOI：10.1038/s41467-019-10021-6

太赫兹（THz）电磁波在非极性材料中具有极高的透射率和非电离特性，使其在基础研究和工业应用中具有许多新的可能性。然而，由于缺乏高效、经济的THz摄像机，表征THz场横向结构通常依赖于探测器或样品的扫描，导致低信噪比（SNR）和耗时长。近年来，涉及计算采样方法的新型光束形成方法已经出现。计算采样方法将计算算法与光学成像技术相结合，可以提高采样速度和图像质量，特别是在弱光照条件下。这些计算方法通常不需要复杂的传统技术，如多像素THZ检测阵列和光栅扫描装置，但可以用计算算法和单像素相机重建横向场。然而，以前的许多工作都是基于直接使用专用的THz空间光调制器（SLM）在空间上操纵THz光束，或通过光子激发的自由载流子在半导体或纳米薄膜中调制THz空间透过率。与光学SLM相比，THz对应的SLM通常具有较低的时间调制速率和较大的像素尺寸，这主要受到相对较长的THZ波长的限制，导致空间调制精度和空间分辨率相对较低。因此，对于需要亚波长特性的采样应用，THz-SLMS不是理想的设备。

最近来自罗切斯特大学（University of Rochester）和渥太华大学（University of Ottawa）的研究人员通过使用商用近红外SLM编码800纳米近红外探测光束来确定太赫兹场的空间分布。当THz场与ZnTe相互作用时，它会引入双折射，这会改变共传播800纳米近红外（NIR）探测光束的偏振。通过测量极化旋转来确定随时间变化的太赫兹电场。因此，只有时空上与近红外探测光束重叠的太赫兹场才能产生可测量的偏振位移。从取样的角度来看，当我们用所需的模式编码近红外光束，并仔细地将这些模式与太赫兹辐射对齐时，可以有选择地测量感兴趣的场。在这项工作中，通过将一系列空间掩模近红外探测光束并同时通过物体的太赫兹光束，利用光电效应，将太赫兹光束的空间信息传输到近红外探测光束上，测量其总功率。对每个空间掩模重复此过程后，通过使用Hadamard矩阵（HM）算法，使用128×128采样点检索携带近场信息的THz场分布。空间分辨率估计为62μm。该分辨率比THZ中心波长（0.32 THz时为940μm）小15倍。采用压缩传感（CS）算法，采样率为50%时，可以恢复高保真场（95%以上的保真度）。这种简单的技术提供了微米级的采样精度和亚波长分辨率，同时继承了THz传感的大部分优点，如宽带光谱信息和生物医学样品的无创检测。

文章标题：Spatial sampling of terahertz fields with sub-wavelength accuracy via probe-beam encoding

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-019-0166-6

DOI：10.1038/s41377-019-0166-6

由于近年来微/纳加工技术，声子晶体以及声学超材料的发展，声子学已经成为一个新兴的研究领域。所设计的声子晶体结构不仅通过缩小器件的体积，提供了更强的声子与光和物质的相互作用，而且通过声子库工程提高声子寿命，从而能将声子器件的性能提高到前所未有的水平。最近的量子声学实验把物质声子和光子声子相互作用的研究推到了单量子水平，使基于声子的混合量子系统和量子记忆成为可能。与光子和电子器件相比，声子器件具有理想的特性，即GHz频率范围对应于m级的波长，这一特性独特地桥接了光和电路之间的频率和波长间隙。尽管在微/纳电力学和光力学领域致力于开发新型声子结构，但与电子和光子电路相比，可伸缩声子集成电路(PnIC)在很大程度上仍未得到开发。实现和集成声子波导、多端口声子结构、倏逝耦合声子谐振器和可伸缩的输入/输出耦合器是实现具有复杂功能的PnIc的关键一步。

近日，耶鲁大学Hong X. Tang等人利用蓝宝石上的氮化镓平台实现声子波导和声子集成电路的形成，该平台对声子具有较强的约束和控制能力。受到光子电路元件的关键构件的启发，研究人员设计了具有声子功能性和可扩展性的电路系统。整个系统包含三个关键组件:(1)可伸缩的输入输出端口;(2)限制、引导的声子电路;(3)用于存储、增强和调制声子的环谐振器。此外，传播声子模式的单向激励能够使得在该电路平台上探索声子的非常规自旋轨道相互作用，为声学陀螺和非互易器件等新型应用开辟了道路。这种声子集成电路为经典和量子信息处理提供宝贵的资源。相关工作发表在《Nature Communications》上。

文章链接：Wei Fu, Zhen Shen, Yuntao Xu,et al. Phononic integrated circuitry and spin–orbit interaction of phonons. (2019) 10:2743.

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10852-3.

许多新兴的物联网(IoT)应用领域将受益于一个占地平台小于1 mm²的高效短距离的无线通信基站。由于微电子技术和微封装技术的显著进步，可以将能量收集设备、微处理器和内存以及无线通信设备集成到一个系统中，从而使这个灰尘大小的平台微型化成为可能。此外微型化还能显著降低成本。然而，随着平台占地面积的缩小，能量收集和存储能力也急剧下降，从而导致从小于1 mm²的平台中仅仅获得1微瓦的功率。在这样一个功率和尺寸受限的系统中传输和接收数据，对传统的射频(RF) 设备具有很高的挑战性。由于天线和射频波长的尺寸不匹配，射频发射机的功率消耗在毫瓦范围内，如果按亚厘米的尺寸进行缩放，效率会非常低。光学器件可以在保持其效率的同时缩小到更小的尺寸，从而达到数量级的尺寸和能量降低，但现有器件的功耗仍然很高。激光器有一个阈值电流要求。据报道，最好的纳米激光器需要几十到几百微安的阈值电流，输出功率较低。然而，发光二极管(LEDs)没有阈值要求，这对于降低功耗至关重要。但是由于低载流子密度下非辐射复合效应超过辐射复合效应，传统的发光二极管(LEDs)在低电流下面临效率下降的问题。目前还不存在尺寸小于几百微米的射频或光学无线通信解决方案，也不存在微瓦级功率的高效通信。

为了克服这一普遍存在的问题，近日，IBM沃森研究中心Ning Li等人，开发了在超低电流和电压下高效率的LEDs，采用了新颖的量子阱设计和高质量的接口来抑制非辐射复合，增强辐射复合。该器件在小于1×10^^-4Acm^-2的低电流密度下具有接近单位内部量子效率，比传统LEDs低三个数量级。LED偏置电压比光电压（hν/q）降低了约30％。无线通信在该低功耗条件下可实现新的应用在智能尘埃和传感器网络，低成本的区块链和身份验证，医疗等以及任何需要低功耗高效率的领域。随着LED内部量子效率扩展到更小的电压和电流，高效电致发光冷却等新现象成为可能。除此之外，该低功耗LED还可应用在例如新兴的光遗传学领域，以最大限度地减少在医疗过程中对活体组织的损伤。相关研究工作近日发表在《Nature Photonics》上。

文章链接：Ning Li , Kevin Han, William Spratt et al. Ultra-low-power sub-photon-voltage high-efficiency light-emitting diodes. Nature Photonics.(2019)

https://doi.org/10.1038/s41566-019-0463-x.

点缺陷对半导体中的各种物理现象都有重要影响。例如，它们提供了一种设计平衡自由载流子密度的方法，它们可以作为量子发射器，承载可以用光学寻址的离散量子自旋系统。这些应用中的一个主要挑战是缺陷的精确定位，这对于传统的三维半导体来说尤其困难，因为缺陷通常深埋在体结构中。解决这一难题的一种方法是降低材料的物理维度。在过去的十年里，制造和操纵原子厚度的二维材料逐渐成为可能，这种材料具有有趣的电子和光电特性。最近在WSe₂、GaSe、MoSe₂、和WS₂中也发现了局域激子的量子点状发射。然而，对于它们的应变势的控制是具有挑战性的，这也限制了这种量子发射器集成到量子光子电路的的应用前景。

近日，德国慕尼黑工业大学A. W. Holleitner教授研究组通过使用亚纳米聚焦氦离子束可控制地照射单层MoS₂来确定性地产生缺陷，从而克服了这一挑战。具体地，他们在理论和实验上证明了二维层中的局域缺陷会产生俘获势，在这种势中形成了束缚配合物，其发射的能量范围在MoS₂中自由激子线以下，约为100meV。他们的实验方法是通过在原子级厚度的薄MoS₂上的小区域(100×100 nm)内进行位置选择性氦离子暴露，来确定性地产生这种点状缺陷，缺陷定位的精度仅受氦离子束分辨率的限制。与应变工程相比，亚纳米束尺寸非常适合在纳米尺度上构建二维结构材料，氦离子可控曝光具有更好的性能。随后用高质量h-BN封装离子暴露的MoS₂薄片，并且实验证实在可见光谱范围内产生光子的光谱窄发射线。基于从头计算法（ab-initio），他们认为这些发射线源于在局部氦离子暴露产生的缺陷状态下，高局域电子-空穴复合物的重新组合。这项工作在二维材料中诱导高度可控的缺陷发射体开辟了新的途径，为实现耦合的单光子源和相互作用的激子晶格等奇异的多体系统提供了一种可行性方法。相关工作发表在《Nature Communications》期刊上。

链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-10632-z

模拟计算的概念在十九世纪初被开创,传统的模拟计算机或计算器以机械或电子方式执行一般数学运算，然而,这些解决方案实际上具有反应慢和规模相对大的缺点, 因此在迅速变化的技术时代,人们主要发展数字计算方案,模拟计算受到的关注较少。然而，由于最近在显然不相关的超构材料领域上蓬勃发展的成就,模拟计算作为一个新概念,在竞争中取得了不菲的回报,因为它们可以摆脱其数字的一些固有限制，如数据转换损耗。受最近对基于超构材料的模拟计算重新产生兴趣的激励,新兴的模拟计算基本上可以分为两大类时空计算，基于时域计算的建议通常会导致非常大的设备很难集成，在空间领域,这种计算能够毫无能源成本地对整个图像进行大规模并行处理,这为图像的标准数字处理提供了显著的优势

近日，来自Iran University of Science and Technology的Ali Abdolali团队从理论上提出了一种以通用板材转换条件(GPC)和表面易感张力为特征的多通道非局域超构表面计算机。该研究探索了偏振和角度多路复用超构表面,当不同方向的不同偏振射光光束照亮时,可实现多个和独立的并行模拟空间计算。提出的方案克服了先前设计施加的重大限制,例如由于需要额外的子区块而产生的大型建筑；反应缓慢等。设计的多功能性得到了证明,超紧凑、集成和均匀的超构表面辅助平台可以执行各种光信号处理操作,如空间差异化和集成。实践证明,具有非对称性的超构表面可以看作是一种新范式,可以打破反射的均匀对称性,对来自正方向的输入场执行偶和奇对称的数学运算。数值模拟还通过从不同方向投影元表面的多个图像来说明多通道边缘检测方案的不同方面。这种吸引人的发现不仅规避了以前设计的主要潜在缺点,而且还可能在基于波的信号处理、边缘检测、图像对比度增强、隐藏对象方面提供高效、易于制造和灵活的方法检测。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.064042

对称性的基本原则是若干波处理技术的基石，它要求两点之间的波传播在源和接收方互换时是对称的。最近,打破对称性已被承认为设计前所未有的波操作装置的手段，其中包括二极管、循环器和拓扑绝缘体,可应用于高级振动隔离、信号处理、语音逻辑、声学通信和能量定位以及约束和收集利用装置，实现非对称性的方法之一是利用非线性材料中发生的谐波生成现象,这些现象是由足够大的信号驱动的。另一种方法是引入角动量偏置,不服从时间反转对称性,如在包含陀螺仪或循环流体的介质中。实现非互易性的第三个解决方案是使用具有空间不均匀且时间变化特性的动态材料利用时空调制打破互惠关系,为设计前所未有的光学、声学和机械波导提供了机会，一个主要的挑战是物理上实现基于连续体的超构材料,其特性可以在传播波的长度和时间尺度下在空间和时间尺度上快速调谐。

近日，来自美国University of Missouri的 Guoliang Huang团队设计了一种可调谐的弹性超构材料,通过在光束中嵌入一组永磁体,并将振荡的电线圈同轴地放置在每个磁体附近，通过在空间和时间对线圈的交流输入进行编程,磁线圈的有效耦合刚度与谐振频率一起调制。然后,在实验中观察到明显非对等的弯曲波传播。此外,通过应用不同的调制电流振幅、材料阻尼系数和调制频率,定量分析了单向波段间隙和波能量偏置的稳定可调性。提出并分析了调制超构材料的简化分析和基于有限元方法的数值模型,以验证实验工作，具体来说,在实现大调制振幅时,首次讨论了二阶模式相互作用引起的单向变频和带隙。提出的模型揭示了非对称波导的原理,可应用于高级波二极管、声像逻辑、能量定位、约束和利用。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.064052

长按二维码
关注我们吧

精彩回顾  

1.超材料前沿研究”一周精选 2019年5月20日-5月24日

2.超材料前沿研究”一周精选 2019年5月13日-5月19日

3.超材料前沿研究”一周精选 2019年5月25日-6月2日

4.超材料前沿研究”一周精选 2019年6月3日-6月15日

免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

邮箱：janechou@imeta-center.com

微信号：18305163023