超材料前沿研究”一周精选 2019年7月1日-7月7日

随着电子设备使用数量的快速增长，第五代(5G)通信不仅将涉及人与人之间的通信，还将涉及对象与对象以及人与对象之间的通信。因此，除了提高网络容量和频谱效率，建立额外的通信模式也是5G发展应用的一个方向。随着研究的深入，数字编码可编程超表面(DCPM)被提出用于设计更多的功能器件和/或系统，从而将超表面引入到信息领域。DCPM是由具有相反相位响应的亚波长数字编码元件组成的一种功能系统。通过配置数字编码单元，DCPM可以构造出动态的近场图像模式，使图像每个像素的强度都可以动态地、独立地调制，从而实现空间和时间的同步调制。

利用这一优点，近日，东南大学崔铁军等人，实现了近场信息的多通道直接传输。在近场区域选取三个点，形成三个独立的通道；通过在DCPM上编写各种数字相位码，从而由幅值码(即弱幅值和强幅值)定义的独立二进制数字符号通过这三个通道直接传输。实验测得的系统近场分布和时间传输与数值计算结果非常吻合。实验中，研究人员在近场微波消声室中对DCPM进行了空间调制。在近场测量过程中，将DCPM置于木质平台上，在距离DCPM 600 mm处放置波导探头来记录近场图像，所有测量均由消声室软件系统自动控制。同时，为方便测量，DCPM的孔径编码在每次测量中保持不变。对于时间调制，通过一系列编码方案依次配置DCPM，并使用通用信号处理单元作为数字接收装置对波导探头记录的信号进行采样。通过计算和测量观察空间域和时间域的波动。与传统的多通道传输相比，该机制将DCPM作为能量辐射体和信息调制器，实现了对空间和时间的同时调制，从而使DCPM在近场信息处理和通信方面具有很大的应用潜力和价值。相关工作发表在《Light: Science & Applications》上。

文章链接：

Xiang Wan, Qian Zhang et al. Multichannel direct transmissions of nearfield information. Light: Science & Applications (2019) 8:60.

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

随意操纵电磁（EM）波的偏振状态是一个研究热点，因为许多实验现象本身对偏振就很敏感。为此而设计的常规器件主要为基于法拉第效应的双折射晶体，其尺寸通常比较大。幸运的是，最近开发的平面二维超曲面（MSs）提供了一种有效的策略来控制EM波的偏振态，这种超曲面由人工设计的亚波长超构原子组成，成本低，损耗低，并且尺寸较小。此外，超构表面也被证明是实现许多奇异现象和功能的有效方法，如负反射和/或折射，超透镜，涡旋光束发生器，隐形斗篷等等。偏振转换已经在超构表面的研究中得到了广泛的研究，以实现广泛的运行带宽，但其应用仍局限于一些实际场景。

近日，来自空军工程大学和南京大学的团队合作设计了宽带交叉偏振转换的超构表面，并将其应用于形成具有低轮廓和高极化率的定向辐射卡塞格伦天线。研究人员首先在带宽内优化具有高交叉偏振转换效率和全相位调制的准I形超构原子，利用施加在表面上的双曲线相位轮廓，设计了一种能够将聚焦和偏振转换成其交叉偏振分量的超构表面；然后，通过引入偏振光栅作为子反射器，并同时固定设计的超曲面将其作为主反射器，平面卡塞格伦天线在宽频带中具有小尺寸，高增益和高极化率。这种宽带偏振转换策略及其设计卡塞格伦天线的尝试为高性能功能器件奠定了基础，在实际应用中具有巨大潜力。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.12.014009#fulltext

声子热传输的工程是一个具有广泛兴趣的话题，其应用包括改善电子器件的散热效果，减少热电器件中产生的声子热导通道，利用声子中的热量进行信息处理，增加低温辐射热探测器的灵敏度。传统上，通过引入无序、杂质、纳米颗粒、粗糙表面等来实现导热率的降低，从而增加热声子的扩散散射。例如，在低于亚温度的温度下，简单地粗糙化薄板表面已被预测会导致超低热导率，这与超灵敏的辐射探测器应用相关，或者在室温下，表面上的薄自然氧化物可以显着增加散射。另一方面，一个有趣的问题是热传导是否也可以通过声子的色散关系或能带结构的变化来改变。

近日，来自芬兰University of Jyvaskyla的Ilari J. Maasilta团队使用周期性的孔阵列声子晶体（PnCs）可以强烈地改变声子色散关系，并且能够相干地影响热传导，特别是在低温下显著地抑制声子的体散射。影响这种效果的一个非常重要的参数是结构的周期。在这里，使用超导隧道结温度测量法测量具有相同空穴填充因子但周期不同（4,8和16μm）PnCs的亚开尔文热导率。结果发现，所有测量的样品都可以将热导率抑制一个数量级，并且具有比先前测量的较小周期1μm和2.4μm结构更低的热导率。8μm的PnCs提供所有上述样品的最低导热率，并且具有在PnCs中迄今观察到的每单位加热器长度的最低比热。相反，相干传输理论预测最长周期应具有最低的热导率。与非相干模拟的比较表明，扩散边界散射可能是相干理论部分背后的部分机制被破坏。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.12.014008#fulltext

偏振是光线的一个特征，它在表面反射时发生变化。偏振及其测量在几乎所有的科学领域以及成像技术中都备受关注。在过去的几十年里，全息介质、微纳米制造以及其它领域的进步，使具有定制的、空间变化的偏振特性光学元件成为可能，比如在亚波长尺度上以及在光学频率上进行调制。在这些器件中，光的偏振状态可以人为的精确控制，实现点对点的改变。然而这些器件之所以表现出不同的行为取决于照明光的偏振，因此一个自然的问题是如何巧妙地设计它们来并行实现许多偏振相关的功能。传统相机只对光强敏感，但偏振相机可以揭示原本传统相机无法揭示的事物特征。全斯托克斯矢量是对光的偏振最完整的描述，但一款相机具备这种功能的相机至少需要四种单独的测量的装置。这导致光学系统往往体积庞大，依赖于运动部件，而且时间分辨率有限。

为了解决以上问题，近日，哈佛大学Federico Capasso等人基于傅里叶光学理论提出了矩阵傅里叶光学概念，并将其应用于实现任意平行偏振分析的超表面光栅的设计。最终研究人员将这些光栅成功应用于设计一款紧凑的全斯托克斯偏振相机中。该单镜头偏振相机不需要运动部件，不需要特殊的图案像素，也不需要传统的偏振光学元件。此外，这种相机的尺寸和拇指差不多，或许在将来的某一天人们可以在无人驾驶车辆，飞机或者卫星遥感系统中看到它们的身影。相关研究工作近日发表在《Science》上。

文章链接：

Noah A. Rubin, Gabriele D’Aversa et al. Matrix Fourier optics enables a compact full-Stokes polarization camera. Science 365, 43 (2019).

DOI: 10.1126/science.aax1839.

更快、更密集、更节能的光子集成电路（PIC）是硅基光子学领域的研究热点。基于光子晶体（PhCs）平台可以实现密集的信号布线以及对波导组速度和色散的出色控制，然而光子晶体平台的损耗和背反射往往不可忽略，这主要源于不可避免的制造缺陷。

在这种背景下，基于拓扑光子学的新型PIC平台因其强大的抗干扰能力而备受关注。与拓扑保护波导的蓬勃发展相比，拓扑光子学中紧凑型光学谐振器的发展要慢得多。有一些体积相对较大的拓扑微谐振器的实验已经得到报道，其中一些已被用于拓扑半导体激光器，但纳米级光子腔仍然亟待研究。

为了实现拓扑光子纳米腔，最近兴起的高阶拓扑绝缘体（HOTI）的想法提供了一个新的视角。HOTI支持较低维度的边界状态：对于2D情况，拓扑0D状态位于HOTI的角落处。通过这种方式，HOTI可以自然地将静止腔模式引入系统中。HOTI和拓扑0D拐角状态已经在微波电路，声子晶体，晶体材料，电路，声学系统和光波导阵列中进行了实验研究，但到目前为止还没有在光子晶体中实现。

近日，来自日本的研究团队报告了基于拓扑拐角状态的PhC纳米腔的设计和制造。在二维光子晶体的90度角边缘，研究人员成功观察到拓扑拐角状态。实验人员通过实验观察了一个在空间中紧密定位的角态模式，同时支持超过2,000的高Q品质因子，验证了它作为纳米腔的潜力。这些结果为在拓扑光子学平台中引入纳米腔提供了新的视角。

文章链接：

Yasutomo Ota, Feng Liu, Ryota Katsumi, Katsuyuki Watanabe, Katsunori Wakabayashi, Yasuhiko Arakawa, and Satoshi Iwamoto, "Photonic crystal nanocavity based on a topological corner state," Optica 6, 786-789 (2019)

拓扑绝缘体起源于凝聚态物理领域，其边界表现出导体的性质但内部表现为绝缘体的性质。更重要的是，边界上的能量传输受到拓扑保护，能够抵抗杂质散射和结构扰动。由于电子系统中电子之间复杂的相互作用，拓扑绝缘体的实验仍面临一些技术挑战。然而，光学或声学系统为拓扑绝缘体的研究提供了一个更简易可控的平台。其中，拓扑光子绝缘体可以开发具有最小散射损耗的高效集成光子器件，从而有望应用于新一代芯片级光子器件中，提高传输效率，降低能耗。然而，具有可调谐性质的拓扑光子器件仍然是一个巨大的挑战。迄今为止提出的大多数具有拓扑性质的光学结构都基于固定不变的设计，器件一旦制造就不能再改变其性质，但是，可调性对许多光学应用都很重要，包括调制器，开关和光缓冲器。

近日，来自美国杜克大学的研究团队提出了一种方法，能够动态控制基于硅的拓扑光子晶体中的透射信号，其使用全光自由载流子激发，能够实现快速折射率调制。通过泵浦光束引发的自由载流子（FC）激发实现了结构的可调性，导致折射率的实部减小和折射率的虚部增加。反过来，折射率变化导致带隙的移动，并且相应地导致透射-峰值位置的变化。折射率的实部和虚部的变化导致透射光谱的蓝移最多可达20nm，透射减少约85％。在该机制下，可调谐速度可以达到纳秒量级。这里提出的结构与标准半导体工业制造工艺兼容并且在通讯波段。

文章链接：

Mikhail I. Shalaev, Wiktor Walasik, and Natalia M. Litchinitser, "Optically tunable topological photonic crystal," Optica 6, 839-844 (2019)

随着二维(2D)材料的出现，范德瓦尔斯(vdW)铁磁材料引起了人们的广泛关注。二维铁磁性在三种单层vdW材料中得到了证实:CrI₃(绝缘体)、Cr₂Ge₂Te₆(绝缘体)和Fe₃GeTe₂(FGT;金属 )。巨磁电阻(GMR)的发现在2007年被授予诺贝尔奖，并将电子的第二个基本性质——自旋引入微电子学。标准的GMR器件具有三层结构，其中两个铁磁性金属被一个非铁磁性材料隔开。迄今为止，大多数GMR器件都是由在高真空室中生长的金属薄膜制成的。这些GMR器件中的非铁磁性层通常是金属，如Cr、Cu或Pd。现在也有人将尝试采用具有理想性能的非铁磁性导电材料，如多层石墨烯，将其夹在具有原子级平坦和超净界面的vdW铁磁体之间。但石墨烯与磁控溅射（通常GMR结构的生长方法）不相容，也是采用多层石墨烯GMR的一大问题。

华南理工大学赵宇军教授、墨尔本皇家理工大学助理教授王澜和悉尼新南威尔士大学Dimitrie Culcer研究组合作，报道了迄今为止在vdW异质结构FGT/石墨/ FGT器件中很少见的反对称磁阻（MR）效应。传统的巨磁阻(GMR)具有两种不同的电阻态，而这些vdW异质结构中的巨磁阻不同，它们具有明显的高、中、低电阻态。具体地，他们采用拾取转移技术制备了FGT/石墨/FGT器件，结构内的多层石墨烯厚度在3nm~11nm之间，他们对其磁阻（MR）行为进行了研究。在标准的GMR实验中，该FGT /石墨/ FGT三层器件显示出三态MR效应：当两个FGT层中的磁矩平行时，器件显示出中间电阻状态；当两个FGT层中的磁矩反平行时，器件对正磁场表现出高电阻，而对负磁场表现出低电阻（有时相反）。理论计算表明，石墨/FGT界面存在自旋动量锁定诱导的自旋极化电流。他们将观测到的三态MR行为归结于石墨薄片和FGT薄片之间的界面，以及FGT中的强自旋轨道耦合(SOC)。该工作揭示了由vdW材料组装而成的铁磁异质结构与在真空中生长的类似异质结构的性质有本质的不同，显示出利用vdW异质结构发现新的物理和新的自旋电子应用的潜力。相关工作发表在《Science Advances》期刊上。

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw0409

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