超材料前沿研究”一周精选 2018年12月3日-12月9日- 大数跨境

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超材料前沿研究”一周精选 2018年12月3日-12月9日

两江科技评论

2018-12-09

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及热学元器件，多声子Fock态，高性能超轻多孔材料，全光阿秒干涉测量法，三维光子晶体薄膜、单像素成像、极紫外等离子体学和切仑科夫辐射、异常高阶拓扑

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及热学元器件、多声子Fock态、高性能超轻多孔材料、全光阿秒干涉测量法、三维光子晶体薄膜、单像素成像、极紫外等离子体学和切仑科夫辐射、异常高阶拓扑绝缘体等，敬请关注！

索引

1、温度“隐身”——类比光学零折射率的热学超材料器件

2、在体态声波谐振器中多声子Fock态的产生和控制

3、Advanced Materials综述：高性能超轻多孔材料

4、利用全光阿秒干涉测量法探测电子波函数

5、大面积三维光子晶体薄膜

6、NATURE PHOTONICS 综述：单像素成像的原理和展望

7、硅材料中的极紫外等离子体学和切仑科夫辐射

8、异常高阶拓扑绝缘体

1、温度“隐身”——类比光学零折射率的热学超材料器件（Thermal meta-device in analogue of zero-index photonics）

——通过协调零折射率超材料的一般性质和热传导的特定扩散性质，在理论上和实验上证明了热学的零折射率伪装。

受光学超材料（photonic metamaterials）发展的启示，热学超材料（thermal metamaterials）的概念开辟了调控热流的新途径。给定边界条件，热学超材料可以获得不同寻常的温度“隐身”（temperature profiles）。光子学中，存在同时具有正负介电常数的天然材料，可以创建有效参数（effective parameters）非常广泛的超材料。相比之下，热学领域中天然材料可获得的热导率范围要窄得多，严重限制了热学超材料的有效参数和极端环境中的可能应用。近期，来自新加坡国立大学的C.-W. Qiu团队和同济大学、美国斯坦福大学等单位合作，从理论上确定了麦克斯韦方程中零折射率（zero index）与傅里叶定律中无限热导率之间的严格对应关系，在实验上展示了一种调控热流能力得到极大增强的热学超材料。实验提出了一种带有集成对流元件的传导系统，它可以产生极其有效（extreme effective）的热导率，相当于光子学中的近零折射率超材料。与传统的热伪装相比，这种可调元器件可以在任何背景下工作。同时，被伪装的物体对外部温度变化具有高度灵敏性，可以作为瞬态温度传感器使用。该工作提出了一种优于传统热伪装，并且对材料几乎没有限制的高效调控热流的思路。相关研究发表在近期的《Nature Materials》上。

文章链接：Ying Li, Ke-Jia Zhu, Yu-Gui Peng, et al., Thermal meta-device in analogue of zero-index photonics, Nature Materials (2018).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-018-0239-6

2、体态声波谐振器中多声子Fock态的产生和控制

机械运动的量子态可以作为量子信息、计量学和基础物理学研究的重要资源。最近与声谐振器耦合的超导量子比特的演示开辟了在宏观运动模式上执行量子操作的可能性，可用于长寿命量子存储器或换能器，潜在地还能用于探究在宏观物体中的退相关机制、对标准量子理论的其他的一些修改。而要做到这些，前提是我们要能制造和表征复杂量子态，例如具有明确定义的声子数的态（声子Fock态）。

最近，来自耶鲁大学应用物理系、耶鲁大学量子研究所的Yiwen Chu, Prashanta Kharel, Taekwan Yoon等人，通过实验在高声泛音体态声波谐振器(high-overtone bulk acoustic-wave resonator (HBAR))中实现了多声子的Fock态和声子间的叠加，并对其进行全量子断层扫描（full quantum tomography）。由于有新型、具有鲁棒性的倒装芯片器件（flip-chip）的几何结构，可以分别优化声谐振器和量子比特的设计以扩展声子相干性，同时增强耦合到单模的选择性。这个新的设计在实验中展现出了仪器在机电耦合、声模频谱和相干性方面的改进，结果展示了在宏观尺度的机械谐振器中，运动的量子态可以在电路量子声动力学（circuit QAD）中被制备、控制和充分表征。相信随着器件性能的进一步提高，应该可以演示更复杂的量子态，实验中的仪器（HBAR）可能很快被用于各种量子声学演示，引发新的量子技术，同时进一步加深我们对基础物理学的理解。相关研究发表在近期的《Nature》上。

文章链接：Yiwen Chu, Prashanta Kharel, Taekwan Yoon, Luigi Frunzio, Peter T. Rakich & Robert J. Schoelkopf, Creation and control of multi-phonon Fock states in abulk acoustic-wave resonator, Nature 563, 666-670 (2018)

3、Advanced Materials综述：高性能超轻多孔材料

和体块材料相比，多孔结构的材料有着更低的密度和更好的力学性能。虽然密度降低的同时性能会降低，但是通过结构的设计和材料的选择，可以得到又轻又强的力学材料。近日，来自韩国科学技术研究所的博士Seon Ju Yeo以及成均馆大学的Min Jun Oh和Pil J. Yoo教授在《Advanced Materials》发表了关于高性能超轻多孔材料的综述。文章首先介绍了多孔材料的力学原理，涵盖了开放结构（open cell）、封闭结构（closed cell）和层次化结构（hierarchical structure）。接着详细介绍了超轻多孔材料的制造工艺。以开放结构，封闭结构为大类，分别阐述了随机结构（Stochastic Structures）、周期结构（Periodic Structures）以及混合结构（Hybrid Structures）的合成办法。最后，文章总结了高性能超轻多孔材料的应用。例如，由于特殊的几何结构和变形模式，超轻多孔材料可以用于能量吸收；金属基和石墨烯基的超轻材料由于其高电导率和热导率可以用作电池、超级电容器以及热交换器件。在文章的最后，作者对超轻多孔材料存在的问题做出了总结，并对发展前景提出了自己的看法。

文章链接：S. J. Yeo, M. J. Oh, P. J. Yoo, Adv.Mater. 2018, 1803670.

https://doi.org/10.1002/adma.201803670

4、利用全光阿秒干涉测量法探测电子波函数

在光电子能谱中，电离电子波函数携带有关束缚轨道结构和离子势以及光电离动力学的信息。然而，检索量子相信息一直是一个难题。近日，来自以色列 Weizmann科学研究所的Nirit Dudovich 和Michael Krüger教授及其团队，在电子波函数的测量方面提供了新的解决办法。通过测量在阿秒脉冲下产生的光电离/复合的时间反演过程，将电子相位检索问题转换为光学问题。相关成果发表在近期的《Nature Photonics》上。该成果展示了两个独立的锁相阿秒光源的全光干涉测量。这种测量能够在很大的能量范围内直接确定与简单量子系统（如氦和氖）中的电子散射相关的相移。此外，阿秒脉冲产生的强场特性通过单个散射角解决了氩气中Cooper最小值附近的偶极相位。该方法可以通过经受强激光场的共振来探测分子系统中的复杂轨道相以及电子相关性。这种新颖的对两个完全独立的XUV源的干涉控制为阿秒计量和调控打开了新的大门。

文章链接：D. Azoury, O. Kneller, S. Rozen, B. D. Bruner, A. Clergerie, Y. Mairesse,B. Fabre, B. Pons, N. Dudovich, and M. Krüger, Electronic wave functions probedby all-optical attosecond interferometry, Nat. Photon (2018) DOI: 10.1038/s41566-018

5、大面积三维光子晶体薄膜

三维光子晶体可以实现在三维空间对光线的操控，然而，要想其实用化仍然面临制造方面的巨大挑战。最近来自丹麦Technical University of Denmark的科研人员，提出了一种具有简单立方晶格结构的三维硅基光子晶体薄膜（3D PhCs）的简易制造方案。该三维光子晶体膜在1100nm的近红外波长处显示出完整的光子带隙。制造过程由标准的深紫外步进光刻和改进的等离子体蚀刻工艺组成。然后在三维结构蚀刻工艺结束后，直接应用干蚀刻释放步骤，可以将制造的3D PhCs释放并以膜的形式转移到其它各种基底上，如玻璃，聚合物或具有工程表面的基材等。该工作所示的薄膜厚度仅仅约两微米，其尺寸也仅为几毫米。该3D PhCs在其禁带频率处观察到具有高反射率，并且如果在蚀刻工艺期间故意引入平面缺陷，可以形成具有约30nm的小线宽的光学谐振腔。该研究工作发表在近期的《Advanced Optical Materials》上。

文章链接：Bingdong Chang, Chen Zhou, Abebe Tilahun Tarekegne, Yuanqing Yang, Ding Zhao, Flemming Jensen, Jörg Hübner, and Henri Jansen，Large Area Three‐Dimensional Photonic Crystal Membranes: Single‐Run Fabrication and Applications with Embedded Planar Defects，Advanced Optical Materials, 2018: 1801176.

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/21951071

6、NATURE PHOTONICS 综述：单像素成像的原理和展望

当前主流光学成像技术主要是在聚焦平面上放置多点阵探测器（charge-coupled Device, CCD; complementary metal-oxide–semiconductor, CMOS）探测物体的反射光，透射光或荧光进行成像。但是点阵探测只能获取二维信息，不能实现三维成像；此外，由于CCD或CMOS对长波长的电磁波（例如太赫兹波段）灵敏度不够，这也限制了它在可见光之外成像的广泛使用。

最近来自英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的Miles J. Padgett教授在Nature Photonics上发表综述文章，阐述了单像素成像的原理和应用。相较于传统机械扫描和振镜扫描，作者认为基于空间光调制的结构光单像素成像技术是未来发展的主要方向。通过DMD芯片，对照明光或者接收光进行不同的图案（pattern）掩膜调制，把反射光的能量收集到一个单点探测器上，这样在每一个pattern下都对应一个特定的光强度值。再多次改变图案，得到一系列光强度值，通过关联运算即可得到所需要重构的图案。使用单像素成像技术，可以得到较高的信噪比，实现三维全息成像，拓展了成像的波长范围。结合压缩感知技术，可以大大提高单像素成像的速度和质量。可用于有害气体泄漏检测，和自动驾驶设备的3维自适应感知。

文章链接：Matthew P. Edgar, Graham M. Gibson & Miles J. Padgett, Principles and prospects for single-pixel imaging, Nature Photonics (2018)

https://doi.org/10.1038/s41566-018-0300-7

7、硅材料中的极紫外等离子体学和切仑科夫辐射

——借助一种动量分辨电子能损失光谱，实验发现了硅中的极紫外表面和体等离子激元，并对宏观电动力学电子能损失理论和量子密度泛函理论进行数值模拟和解释。

硅在纳米电子学，光电学和集成光子器件上有广泛应用。由于其可控的结晶度（crystallinity），可控的导电性和广泛存在性，使其在现代工业中有着不可替代的重要地位。过去对硅的研究主要集中在其半导体和绝缘体方面的性质，对硅的金属和等离子体方面性质的研究才刚刚开始。另一方面，等离子激元是一种广泛存在于各种材料的重要现象。过去对其的研究主要集中在石墨烯，三五族半导体，金，银和铝中。频率分别集中在太赫兹，红外，可见光，紫外（UV））波段。对深紫外(DUV)和极紫外波段(EUV)的等离子体效应的研究还是空白的。近日，来自加拿大University of Alberta的Prashant Shekhar和Zubin Jacob等人，以及来自印度Indian Institute of Technology的Sarang Pendharker等人，在实验上研究了硅的极紫外表面和体等离子激元，给出了其光子能带结构，并提出了一种可调的宽带无阈值的切仑科夫辐射源设计。

实验中，作者利用聚焦离子束铣削（focused ion beam milling (FIB)）技术制备了不同厚度的样品。利用透射电子显微镜（TEM）中的相对论电子和k-EELS，测量了硅的光子能带结构（photonic band structure）和等离子性质。作者们还设计了一种硅/二氧化硅多层结构，其具有双曲的等频响应，能够实现可调的切仑科夫辐射（tunable Cherenkov radiation）。作者还利用量子密度泛函理论做了模拟和解释。这项工作为设计极紫外波导，极紫外超材料和纳米天线等提供了帮助。相关成果发表在近期的Optica上。

文章链接：Prashant Shekhar, Sarang Pendharker, Harshad Sahasrabudhe, Douglas Vick, Marek Malac, Rajib Rahman, and Zubin Jacob, Extreme ultraviolet plasmonics and Cherenkov radiation in silicon Optica, Vol. 5, issue12 pp. 1590-1596 (2018)

8、异常高阶拓扑绝缘体

——借助二聚化的Majorana电线阵列，实现异常高阶拓扑绝缘体，具有平庸拓扑序参量但非平庸的体偏振和角电荷量子化特性

高阶拓扑绝缘体以其特殊的体-边界关联性（即其不仅支持有能隙的边界态，且在边界态的能隙中存在更低维的角态）从而引起人们的广泛关注。多极子拓扑绝缘体是其中一类，其特殊的低维角态（标志为角电荷的量子化）是由体偏振的多极极化引起。传统理论认为这种非平庸的拓扑相是由一类称为nested Wilson loop的拓扑序参量来表征的，即（非）平庸的nested Wilson loop对应于（非）平庸的体偏振和角电荷量子化。最近，来自德国IFW Dresden和TU Dresden研究机构的Franca等人，通过对二聚化的Majorana电线阵列的研究，理论上发现一种特殊的四极子拓扑绝缘体。在这种材料中，平庸的nested Wilson loop对应于非平庸的体偏振四极子极化和角电荷量子化。这明显区别于传统的理论。他们将之称为异常高阶拓扑绝缘体。通过构造一类新的拓扑序参量，这种非平庸的拓扑效应能被很好地解释。该工作提供了对高阶拓扑绝缘体，尤其是多极子拓扑绝缘体新的理论认识，从而为设计高阶拓扑绝缘体及异常拓扑效应提供了进一步的思路。相关研究发表在近期的《Physical Review B》上。