超材料前沿研究”一周精选 2019年5月25日-6月2日

1、隐身声学材料

在波动物理领域，散射是被广泛研究的现象，当入射波辐射到一个障碍与相邻材料有着不同折射率的系统时候，入射的能量既被障碍物辐射出去一部分，也被障碍物吸收一部分，形成了一种散射模式，这种模式在很大程度上取决于障碍物的几何形状大小，以及对入射波的频率成分也有依赖。对波的散射模式的调控是在声学，光子学，电磁学等领域内的人们很感兴趣的一个研究主题，因为在基础物理和潜在应用方面具有的巨大可能性。复参数介质，近年来的超构材料，被证实可以作为调控不同类型的波的候选方案，尤其是超构材料，在声学和电磁波领域都可以用来诱导圆柱形和球形物体散射波的截面成分显著下降，使得物理对外界观察者而言是几乎不可见或透明的。有序材料，为众人所知的光子晶体，声子晶体，因为其独特的色散关系而被人们发现，例如在不同频率范围内的能带间隙，在周期结构中，无处不在的有序形成了布拉格散射，局域态等物理现象。另一方面，无序材料也是一种很好的控制波散射的方式，通过随机引入散射体位置的局部相关性，控制材料整体的散射强度，并产生波透射系数对频率的强烈依赖性。

来自法国勒芒大学的V. Romero-García等人实验上设计了一种一维的声学隐身材料，在给定入射波频率范围内可以抑制波散射的材料结构，实验结果与理论计算符合良好，结构的鲁棒性可以促使人们设计在声学乃至其他波动物理领域内的透明材料的设计。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.11.054076

2、完全集成于硅上的高功率亚kHz窄线宽激光器

超低噪声(ULN)，高功率的半导体激光器的应用范围非常广泛，包括高性能的相干通信系统，频率合成，光谱以及分布式传感系统。此外，在RF光子模拟链路和处理以及光学处理相控阵天线中，对高功率ULN激光器有着巨大的市场需求。由于激光的噪声会直接影响到产生射频信号的保真度，因此对于任何涉及光混合的系统，ULN都是一个关键指标要求。例如，在高速光电探测器中，两个ULN激光器可以相互作用，产生稳定的微波信号。此外，需要极低相位噪声的ULN激光器的另一个主要用途是在光纤传感领域，例如用于勘探的干涉声学传感系统、声纳传感系统或分布式传感系统。所有这些应用对激光器性能的一个共同要求是非常低的相对强度噪声(RIN)以及非常低的频率噪声和洛伦兹线宽。目前商用的固态激光器和光纤激光器虽然具有高性能，但在尺寸、重量和功率(SWaP)或成本方面无法与半导体激光器相竞争。

近日，美国加州大学圣巴巴拉分校DUANNI HUANG等人设计了一款完全集成在硅上的扩展分布式布拉格反射(DBR)激光器，该激光器线宽为1 kHz，输出功率超过37 mW，以及一个高Q的环形辅助DBR激光器,其线宽小于500 Hz。扩展DBR激光器是通过在硅上非均匀地集成III-V材料作为增益段，再在一个超低损耗的硅波导中设计一个15 mm长的低kappa布拉格光栅反射器制备而成。其中低波导损耗(0.16 dB/cm)和窄带宽长布拉格光栅(2.9 GHz)是降低激光线宽，同时保持高输出功率和单模工作模式的关键。窄线宽和高功率的结合使其在相干通信、射频光子学和光学传感中得到有效应用。作者表示，未来的工作包括通过调整光栅的位置，以增加边模抑制比（SMSR）和减少多模效应，同时改进环形辅助DBR的设计，从而尽可能地减少损耗。相关研究工作发表在《Optica》上。

文章链接：DUANNI HUANG,MINH A.TRAN,JOEL GUO et al. High-power sub-kHzlinewidth lasers fullyintegrated onsilicon. optica (2019).

 https://doi.org/10.1364/.

3、用于偏振加密数据存储的3D Janus等离子体螺旋纳米孔径

手性是指几何图形或点群其镜像不能与自身重合。手性结构十分常见，小至生物分子，如氨基酸和核苷酸，大至生物大分子如蛋白质和核酸，都具有手性。虽然互为对映的两种结构可以具有相同的化学和物理性质，但是却可能具有完全不同的生物学功能。通常，分析生物手性结构需要圆二向色光谱分析，但是天然材料中光学手性效应十分微弱。螺旋结构由于其固有的光学手性而引起了相当大的关注。因为圆偏振光（CPL）的电场矢量也遵循螺旋轨迹。当螺旋纳米结构的螺旋性与CPL的螺旋性相匹配时，光 - 物质相互作用能够得到显著增强。然而，螺旋纳米结构的制造仍然具有挑战性。

近日，来自密苏里科技大学的研究人员报告了一种独特的3D Janus等离子体螺旋纳米孔径。该结构具有方向控制的偏振灵敏度，并且能够通过一步式灰度聚焦离子束铣削的方法简单制造。由于螺旋纳米孔径内的自旋相关模式耦合过程，在前向实验上实现了大于0.72的透射圆二向色性。在背向实验中，纳米孔径在透射率高达0.87的同时具有显著的线性二向色性。通过用具有指定旋转角度的两个纳米孔径编码Janus 超表面，研究人员首次演示了方向控制的偏振加密数据存储，其中二维快速响应代码图像在指定旋向性的圆偏振入射下前向显示，而背向显示不同的灰度图像。这种Janus螺旋纳米孔径具有广泛的应用价值，在多功能偏振控制、传感、数据加密和解密、光学信息处理等方面都具有应用潜力。

 文章链接：Y. Chen, X. Yang, and J. Gao, Light: Science &Applications 8, 45 (2019).

4、基于单层半导体材料的Vally 光机械学

现代电子设备依靠电荷和自旋自由度来携带和存储信息，从而实现通信和计算功能。而在最近的研究中，谷（Vally）自由度，即电子在动量空间中退简并后的能量极值，有可能在信息处理方面补充甚至超越传统电子和自旋电子。为了推进谷电子学，需要将谷自由度和机械自由度，即微/纳机电系统（MEMS / NEMS）相结合。机械系统本质上不受电磁干扰的影响，因此常常用做开关、振荡器、滤波器等。而且机械系统在各种环境中都具有适用性和低损耗，因此无论是经典系统和量子系统，都能够找到机械传感器的身影。

在单层半导体过渡金属二硫属化合物能带结构中，K和K'谷形成称为谷 - 赝自旋的二元系统。由强自旋 - 轨道耦合和破缺的反转对称性引起的独特的光学选择效应提供了用光学手段选择性地操纵谷自由度的方式，从而实现了谷赝自旋的有效电磁控制。此外。由二维纳米材料制成的机械装置表现出高强度，高品质因子，以及出色的力和质量敏感性。基于以上优势，单层半导体过渡金属二硫属化合物是探索谷 - 机械相互作用的理想选择。

近日，来自美国加州伯克利分校和香港大学的联合研究团队在由单层半导体MoS₂制成的谐振器中实现了谷 - 机械耦合，并成功的将谷信息转换为机械状态。耦合通过利用具有磁场梯度的谷载波的磁矩能够成功实现。研究人员利用光学方法激发谷态并使用激光干涉测量法观察所产生的机械致动。因此，能够通过调节泵浦激光、磁场梯度和温度来控制谷 - 机械相互作用。该工作为实现谷驱动装置和混合谷量子系统铺平了道路。

文章链接：H.-K. Li, K. Y. Fong, H. Zhu, Q. Li, S. Wang, S.Yang, Y. Wang, and X. Zhang, Nat. Photonics 13, 397-401 (2019).

5、波数-螺旋声镊：动态可重构操纵粒子和细胞

操纵微纳物体,比如细胞和细胞外囊泡等在许多学科领域中起着重要的作用，比如生物学、化学、工程、和医学。在各种操作技术中，如光学、电学、磁学和声学镊子。其中由于声学镊子能够实现非接触的、无标记的和生物兼容的操纵，最近受到了越来越多的关注。特别是声表面波(SAW)镊子在精确度、通用性等应用方面具有额外的优势。SAW镊子能够操纵微/纳米物体，应用范围很广，包括控制细胞与细胞的相互作用，细胞打印，粒子/细胞的分离和分类，操纵生物体，液滴的产生和转化，以及分离细胞外囊泡等等。尽管在这一领域取得了巨大的进步，但是目前的SAW镊子只能生成一组有限的波场分布阵列，这也就在一定程度上限制了粒子/细胞的可操作性，可重构性，自由度和功能性。理想的声镊子应包含更多的独立控制传感器，同时具有不同的配置和方向，从而具有更大的动态响应功能，更好的性能，并且能够重构出来自不同方向的波场分布。

近日，杜克大学Tony Jun Huang等人提出了波数螺旋声镊，它能够动态地调制声表面波(SAW)波场到指定的压力分布状态，以方便操控动态和可编程的粒子/细胞。通过简单地调制多路激励信号，可以同时且独立地控制在多个方向上传播的SAW。这能够重构出实验人员想要的波场分布状态，从而实现对可编程的粒子/细胞的操控。实验证明了波数螺旋声镊具有多重功能，其中包括多结构模式;平行合并;模式平移、转换和旋转;以及单个微粒沿复杂路径的动态平移。这种波数螺旋结构的设计有可能颠覆未来声学镊子的发展轨迹，并进一步促进其应用，包括微尺度组装、生物打印和细胞-细胞相互作用的研究。相关研究发表在《Science Advances》上。 

文章链接：Zhenhua Tian, Shujie Yang, Po-Hsun Huang et al. Wavenumber–spiral acoustic tweezers for dynamic and reconfigurable manipulation of particles and cells.Science Advances(2019).

DOI: 10.1126/sciadv.aau6062.

6、超紧凑型宽带多极化轨道角动量发生器

光的自旋角动量（SAM）通常与量子自旋，圆极化态相关，另一种角动量，轨道角动量通常是依赖于光的场空间分布而不是极化。作为光的一种基本特征，在过去的几十年里，轨道角动量（OAM）一直备受人们关注，与SAM只有两种可能的本征值相比，OAM显然不同，理论上其拓扑电荷的取值是没有边界约束的。OAM造成了光波的错位，特点是在光束中心的相位奇点和由此产生的圆环形强度剖面，也被成为涡旋光学，奇点光学家族的一员。OAM促使一系列的应用，例如调控光波，光阱，光镊，光的成像，显微镜，计量学，航天，量子信息处理等，最近还提出了OAM在水下光学通信的潜在应用。为实现OAM通信，OAM光束的产生也就变的十分重要了，硅基被视为集成光子的优秀平台，因为它高度集成化，占用面积小，低能耗，与金属氧化物半导体兼容良好。然而，大多数OAM发生器有着频带窄，极化单一，复杂结构导致占地面积相对巨大的缺点。

来自华中科技大学与中山大学团队合作提出了在硅波导的顶部引入亚波长表面结构（叠加全息光栅），将平面波导模式以及外部的自由空间OAM模式耦合，在理论以及实验上证明了1500nm到1630nm的宽带多极化轨道角动量模式的生成，具有高纯度以及效率。这种超紧凑宽带多极化OAM发生器为实现N维光复用通信，接口连接，高维量子通信系统开辟了新的视角。相关文章发表于杂志《Science Advances》上。

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaau9593/tab-pdf

7、基于人工Weyl系统的光霍尔效应和螺旋Zitterbewegung

Weyl点及包含Weyl点的各种系统由于丰富的物理特性（如费米弧和手征异常）而在凝聚态物理学、光子学和声学中受到越来越多的关注。Weyl点是Berry曲率的奇点，而Berry曲率可以理解为动量空间的磁场，因此Weyl点的物理形式与磁单极子十分类似。在具有Weyl的系统中，与Berry曲率相关的效应能够得到显著的增强。

类似于电子材料，倾斜地入射到两个透明介质之间的界面的光束经历反射/折射，光束的能量（质量）中心产生自旋相关的横向偏移。这种特殊的偏移被称为光的自旋霍尔效应（SHEL），它是由光子的自旋轨道相互作用（SOI）或自旋轨道耦合产生的。与光 - 界面相互作用相对应，也能够在倾斜偏振器的透射光束中观察到纯几何自旋霍尔效应。光的自旋霍尔效应也能够通过结构化超表面实现。最近发现，即使光线处于正常入射状态，具有线性相位梯度的超曲面也会为异常折射光束引入巨大的光自旋霍尔效应。此外，类似于拓扑绝缘体中电子的量子自旋霍尔效应，在光子拓扑绝缘体中也成功观察到了自旋-谷锁定边界态的单向传输。随着纳米光子学领域的快速发展，人工构造的光子晶体和超材料带来了操纵光子SOI的机会。

近日，来自英国伯明翰大学的研究团队在光子晶体中构造出了人工Weyl点，该光子晶体由沿着传播方向具有渐变半径的蜂窝阵列的耦合杆组成。该系统在两个动量的合成空间中具有光子Weyl点加上另外的物理参数，其具有由Weyl点附近的大Berry曲率产生的增强的霍尔效应。有趣的是，当波包非常靠近Weyl点时，观察到螺旋Zitterbewegung（ZB），这归因于由近似简并本征态导致的非阿贝尔Berry connection。

 文章链接：W. Ye, Y. Liu, J. Liu, S. A. R. Horsley, S. Wen,and S. Zhang, Light: Science & Applications 8, 49 (2019).

8、MOF中的光驱动分子马达

moto-MOF中分子马达的设计示意图

Moto-MOF的光化学和热异构化研究

 金属-有机物框架复合物（MOF）中由于有机物的存在往往具有柔性，因此其晶格往往具有较高的自由度。对其中的运动模式进行分析与调控，有助于人们更好地理解这一材料，并应用于实际。近期，来自荷兰格罗宁根大学的Wojciech Danowski等人研究了固态MOF中的分子马达（moto-MOF）。实验证明，moto-MOF中过度拥挤的烯烃基分子马达在光照驱动下可以进行大幅度的重复单相旋转，并通过X射线分析、偏振光学和拉曼显微镜对其空间位向进行了表征。这一结果证实，MOF中的分子马达不仅可以在溶液中实现，在固态下同样存在，且转速相近。这些结果为功能材料动态性能的调控提供了启示。相关成果发表于近期出版的《Nature Nanotechnology》杂志上。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-019-0401-6

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

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