超材料前沿研究”一周精选 2019年1月21日-1月27日

1、在Ge/Si纳米线双量子点中形成的门控可调谐空穴电荷量子比特与微波光子耦合

能够产生量子比特（quantum bits）的电路量子电动力学（Circuit quantum electrodynamics），由于其器件几何结构设计的灵活性、量子比特腔相互作用的持久性和光刻的可扩展性，为实现固态量子处理器开辟了可行的途径。与超导量子比特类似，在半导体量子点中形成的量子比特，即受限的电子或自旋，也展现出相干的光-物质（light-matter）界面。最新的研究进展使得快速量子态操控、达到毫秒量级的极长相干时间成为可能，同时也满足了量子比特腔的耦合强度g超过量子比特退相干率γ和谐振器光子损失率κ这一基本准则。但是到目前为止，这方面的实验都集中在单电子和电子自旋上，半导体量子点体系中实现基于空穴的量子比特耦合到电路腔的实验很少被报道。

最近，来自日本理化学研究所RIKEN的Rui Wang等人，演示了一个微波传输线谐振器可控地耦合到空穴电荷量子比特的杂化结构，其空穴电荷量子比特是在Ge/Si（核/壳）纳米线中形成。该纳米线是一种天然的具有强自旋轨道相互作用、没有“核-自旋”散射的一维空穴气（hole gas），能够借助电场调控的方式和长的相干时间，极有可能实现电子自旋的快速操控。量子比特的跃迁能量可以通过电化学势能差和相邻量子点的隧道耦合相互作用而被独立地调控，为实现量子比特操控和相互作用开启了横向和纵向的自由度。由于量子比特的跃迁能量可以通过局域栅电压调控，实现光子能级的可控调谐，因此可以方便地控制耦合强度的开启和关闭。实验结果与该杂化系统的动力学数值模拟相符，通过自旋轨道相互作用实现的空穴-光子耦合速率可以达到10MHz，电荷-光子耦合强度达到约gc=2π×(35~55)MHz，表明Ge / Si 纳米线量子点中的空穴可以有效地耦合到谐振腔中。该结果将有助于未来对Ge / Si纳米线中相干空穴-光子相互作用的进一步研究。相关研究发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Rui Wang, Russell S Deacon, Jian Sun, Jun Yao, Charles M. Lieber, and Koji Ishibashi，Gate tunable hole charge qubit formed in a Ge/Si nanowire double quantum dot coupled to microwave photons，Nano Letters，DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04343，January 14, 2019

2、具有高热电性能的TaFeSb基半赫斯勒化合物

——基于p型TaFeSb的半赫斯勒化合物在973K下显示出~1.52的高ZT值，最大热电转换效率可达~11.4％。

热电材料（Thermoelectric Materials, TE）可以实现电能和热能的相互转化，对于改善能源问题至关重要。热电材料的能量转化效率称为热电优值（ZT），ZT=S²σT/κ，其中S为塞贝克（Seebeck）系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率，ZT值越大，则热电性能越好。半赫斯勒（half-Heuslers）化合物是目前富有前景的热电应用候选者之一，Gautier团队研究了400种未报道的半赫斯勒化合物的热力学稳定性，筛选出了54种稳定的化合物，并在实验上验证了其中的15种，显示出反向设计法（inverse design approach）寻找热电材料的优势。近期，来自美国休斯顿大学、密苏里大学的研究团队与中国科学院物理研究所等单位合作，采用反向设计法的思路，预测了新的半赫斯勒化合物，并在实验上验证了其优异的热电性能。文章首先对于半赫斯勒化合物的V¹-VIII-V²族进行了热力学稳定性分析，预计该族中的六种稳定化合物（VRuAs，NbRuAs，TaRuAs，TaFeSb，NbOsSb和TaOsSb）。随后，为了验证这一预测，文中合成了基于TaFeSb的半赫斯勒化合物，并优化了它们的热电性能。结果表明，Ta_0.74V_0.1Ti_0.16FeSb在973K时可以达到~1.52的ZT峰值，优于所有现有p型半赫斯勒材料。更重要的是，基于TaFeSb的半赫斯勒的最大热电转换效率可达~11.4％，表明该材料在热电发电领域的巨大应用前景。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：Hangtian Zhu, Jun Mao, Yuwei Li, et al. Discovery of TaFeSb-based half-Heuslers with high thermoelectric performance, Nature Communications, 10: 270 (2019).

 https://doi.org/10.1038/s41467-018-08223-5

3、双色光子晶体中的拓扑边界态

整数量子霍尔效应（IQHE）自1980年发现以来一直是凝聚态物理领域的研究热点。霍尔电导平台的整数值揭示了微观和宏观世界之间的深层联系。最近，拓扑概念已经从电子领域类比到光学领域，并且在光子系统中成功发现了非平庸拓扑态。例如，当时间反演对称性被打破时，光子晶体（PhCs）可以产生拓扑保护的边界态。然而，在光学范围内缺乏合适的非互易材料。因此具有空间调制、含时调制等外部调制光学系统逐渐进入人们视线，并成功在其中发现了光学拓扑效应。

基于Harper-Aubry-André（HAA）哈密顿量控制的系统也能够实现光学拓扑效应。HAA哈密顿量控制的系统是IQHE的一维动量空间投影，并且继承了其非平庸的拓扑性质。基于这种哈密顿量的光学拓扑系统已经在冷原子、具有复合晶胞的一维PhCs和耦合波导阵列中得到了实验验证。

近日来自代尔夫特理工大学的L. KUIPERS教授及其研究团队报道了一种新型的拓扑光学结构。研究团队报道了一类基于PhC的纳米双色结构。这种双色结构以往多被用于实现高品质因子光学微腔，后来也被用于降低四波混频的功率阈值等。双色结构的设计思想是通过在光子晶体波导中精确设计晶格常数，从而控制两个不同晶格周期的叠加，这类似光的等效“双色势能”的概念。在这种纳米双色结构系统的边界处观察到了具有良好局域性质的拓扑保护的边界态。该项工作理论上证明了双色结构与HAA模型具有相同的物理特性，因此为IQSH的模拟提供了良好的光学平台。

文章链接: F. Alpeggiani and L. Kuipers, Topological edge states in bichromatic photonic crystals,Optica  6 (1): 96-103 (2019)

 DOI:10.1364/OPTICA.6.000096.

4、Nature:受晶体增强机制启发的高性能结构材料

     通常的结构材料是通过单元结构的排布组成的，结构材料和组成单元一般有着相同的取向。这样的结构在受到大于临界应力的外力时会发生崩塌，这种行为同单晶在受到外力时崩塌的行为非常类似。近日，来自英国帝国理工学院的Minh-Son Pham等和谢菲尔德大学的Iain Todd在《Nature》发表文章，介绍了一种借助晶体材料中的强化机制来设计结构材料的方法。这种方法设计的结构材料能够承受很大的破坏，同时具有鲁棒性。作者通过研究证明了晶体中的位错滑移（dislocation slip）和结构材料中的剪切带（shear bands）非常类似，可以把晶体的强化机制例如晶界强化（Grain-boundary hardening），沉淀硬化（Precipitation hardening）和多相强化（Multi-phase hardening）的思想运用于结构材料，从而增强结构材料的力学性能。同时对于这种结构材料的学习能够反过来帮助我们理解晶体中的复杂行为。这种晶体和结构材料的结合提供了一种设计高力学性能超材料的思路。

    文章链接：Minh-Son Pham, Chen Liu, Iain Todd & Jedsada Lertthanasarn, Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure, Nature 565, 305–311 (2019)

5、非互易微腔和延时-带宽限制

集成光子电路一直以来都是热门的研究课题，其研究关键在于不断对光学元件进行缩小和集成，从而满足日益增长的信息处理需求。实现小尺寸的常见方法是使用谐振腔，其可以通过在谐振寿命期间对光的储存效应，来显着增强光与物质相互作用。然而，这种方式是以牺牲操作带宽为代价的：单个谐振腔遵守其谐振带宽Δω与其时间延迟Δt之间的反比例关系。腔的时间延迟和带宽之间的严格关系意味着：可以存储的脉冲的光谱带宽与可以在其上施加的时间延迟之间的折衷。最近，有人认为，非互易光学腔（Nonreciprocal cavity）可以通过打破它们的内耦合和外耦合系数的严格相等来克服这种约束，但是相关的研究依然存在很大争议。

近日，来自纽约城市大学和德克萨斯奥斯汀分校的研究团队提出了一种描述非互易微腔动力学的一般性时间耦合模理论。其研究对象为线性、不随时间变化的磁偏置腔中的被动非互易性，从而排除了非互易性对延时-带宽极限和腔体动力学的特定影响。该理论表明，非互易性本身对于微腔的延时-带宽限制没有特别的益处，带宽完全由总衰减率决定，因此延时-带宽限制与非互易系统中耦合率之间的任何不对称性都没有关系。此外，该理论证明，输入和输出速率在任何线性、不随时间变化的空间中都是严格相关的，与互易性是否成立无关。

该理论阐述了非互易性与光子系统中延时带宽限制之间的关系，对于光学中的非互易研究及相关器件设计提供了帮助。

文章链接：S. A. Mann, D. L. Sounas, andA. Alù, Nonreciprocal cavities and the time-band width limit, Optica  6 (1):104-110 (2019) 

DOI: 10.1364/OPTICA.6.000104.

精彩回顾   

1. 南大Nat. Photonics：激光“雕刻”3D非线性光子晶体

2. 科技快讯 |打开光子计算之门——首个半导体单光子晶体管

3. 国家重点研发计划“人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片”项目2018年度研究成果合集

4. 芯片级的单光子量子光源

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：Jessica_2313 、18796017560