今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及光子液滴及其动力学，等离子体超材料，声表面波声子，等离激元调控热激子、声学超表面透镜、柔性热电材料等，敬请关注！
索引
1、光子液滴及其动力学的观测
2、等离子体超材料中的结构二阶非线性
3、量子控制声表面波声子
4、深亚波长尺度的声学超表面透镜
5、多通道矢量全息的显示与加密
6、高性能柔性热电材料：Bi2Te3-SWCNT复合材料
1、光子液滴及其动力学的观测
——借助一种吸引的非局域非线性介质，实验观测了一种光子液滴并测量了其轨道角动量的动力学演化，作者还利用数值模拟印证了实验结果。
非线性过程在光学技术中的具有重要的应用。局域(local)的非线性介质会让涡旋光束(Vortex beam)产生对称破缺的方位角不稳定性(azimuthal instabilities)。而这一点在非局域(non-local)的非线性介质中往往会得到抑制。因此，非局域的非线性介质往往会导致孤子波(solitary-wave)的生成。另一方面，最近光子液滴(photonic droplet)的概念被用来定义一种由于吸引和排斥势导致的具有自限定性(self-bound)，有限大小的，对微扰具有鲁棒性的光波。这种光子液滴可以用非局域的非线性物质，利用量子多体物理理论去刻画。光子液滴具有传统液体的性质，比如存在气液相变，具有声波低能激发态，具有和一维液氦液滴相同态方程等。近日，来自英国的Heriot-Watt University 的Kali E. Wilson, Niclas Westerberg等人和来自美国的University of Arizona的Ewan M. Wright，以及来自英国的University of Glasgow的Daniele Faccio，在实验上观察到了光子液滴及其动力学演化。
实验利用一束p-波对称强度的波包，在具有吸引势的非局域非线性介质中传播演化，观察到了偏离平衡态的光子液滴的轨道角动量和高阶轨道角动量激子的角动量相互交换产生的净轨道角动量随着传播在变化，体现了其液滴的特性。进一步地，作者还利用数值模拟的结果，验证了实验数据。这项工作为研究探索静态类孤子的基态及其与高能激发态有关的动力学演化提供了平台。同时，经典的光子液滴态和量子液滴，比如波色爱因斯坦凝聚态液滴和一维液氦滴具有相似性，为后续研究量子和经典的旋转液滴提供启发。相关研究成果发表在近期的《Physical Review Letter》上。
文章链接：Wilson,Kali E., Niclas Westerberg, Manuel Valiente, Callum W. Duncan, Ewan M. Wright,Patrik Öhberg, and Daniele Faccio. "Observation of photon droplets and their dynamics." Physical review letters 121, 133903. (2018)
2、等离子体超材料中的结构二阶非线性
——借助一种由中心对称材料构成的等离子体纳米棒复合材料，实验发现了强的体二阶非线性响应，并提出了有效介质理论进行解释。
非线性过程在光学技术中的具有重要的应用。一个典型的例子是二次谐波发生（second-harmonic generation，SHG）：输出信号频率变为输入信号频率的二倍。二次谐波发生促使了高分辨显微技术，激光技术和表面研究的进步。除此以外，材料的强二阶非线性响应还能帮助实现光频转换，光信息处理等。另一方面，随着纳米技术和微加工技术的发展，光学性质可控的超材料得到越来越多的关注。然而，将二阶非线性扩展到纳米尺度的超材料中，是具有难度和挑战性的。近日，来自马萨诸塞大学卢维尔分校（University of Massachusetts Lowell）的Viktor A. Podolskiy, Brian Wells 和伦敦国王学院的Anatoly V. Zayats, Anton Yu. Byrov等人，发现在具有等离子组分的超材料中，变形的电磁场可以将二次谐波发生从材料表面变换到体中。在实验上演示了可调二次谐波发生。
实验中，作者通过在纳米多孔阳极化处理的氧化铝（nanoporous anodized aluminum oxide）平板上电镀金（Au），形成金纳米棒阵列。通过调控纳米棒的直径，长度和周期，不同结构的材料对s-和p-极化的二次谐波的非线性响应是不同的。这体现了超材料非线性的结构效应。实验还观测到了高强度的二次谐波增强效应。进一步地，作者发展了一套有效介质理论，很好的解释了实验观察到的结果。这项工作为制备具有特定极化性质的非线性响应提供了很好的平台。相关研究成果发表在近期的《Optica》上。
文章链接：BrianWells, Anton Yu. Bykov, Giuseppe Marino, Mazhar E. Nasir, Anatoly V. Zayats,and Viktor A. Podolskiy, Structural second-order nonlinearity in plasmonic metamaterials, Optica, Vol. 5, issue 12 pp. 1502-1507 (2018)
3、量子控制声表面波声子
量子物理学的一个主要特征是非经典量子态及其叠加态的生成，这已经在许多量子系统中被展示，例如离子、固态量子比特和光子系统。尽管其在量子传感，量子计算和量子通信应用方面有着巨大的科学吸引力和实用效用，然而，在机械系统中，非经典量子态目前只被间接地实现。在机械系统其难以直接实现主要有两个阻碍：一是由于大部分机械系统具有高度线性响应，线性共振系统难以实现单量子水平控制，因其量子行为无法从经典运动区分出；二是大部分机械系统具有低频性，这阻碍了量子态进入基态。最近，来自加州大学圣巴巴拉分校和芝加哥大学的研究人员在该方面取得重大进步，展示了对宏观机械谐振器的机械态的全量子控制。研究人员将声表面波谐振器强耦合到超导量子比特上，通过量子位元（qubit控制和测试机械谐振器中的量子态。该系统产生了’0’Fock声子态和’1’Fock声子态的非经典叠加，并且使用Wigner层析成像映射出这些态。如此精确的、可编程的量子控制对于声表面波在量子极限中的应用是必不可少的，例如与不同量子状态的耦合。该研究工作发表在近期的《Nature》上。
文章链接：K. J. Satzinger, Y. P. Zhong,H.-S. Chang, G. A. Peairs, A. Bienfait, Ming-Han Chou, A. Y. Cleland, C. R.Conner, É. Dumur, J. Grebel, I. Gutierrez, B. H. November, R. G. Povey, S. J.Whiteley, D. D. Awschalom, D. I. Schuster & A. N. Cleland, Quantum control of surface acoustic-wave phonons, Nature. Published: 21 November 2018
4、深亚波长尺度的声学超表面透镜
——利用深亚波长尺度的等距排列的狭缝结构，实现了对远场和近场声波的聚焦，结构简单，易于集成。
声学超表面是一种具有亚波长厚度的紧凑型器件，能够实现对入射声波的波前调控，可以应用在声聚焦、全息成像、非对称声传输以及完美吸声等领域。声学超表面的结构单元一般分为两种，第一种是基于卷曲空间结构实现对声传播路程的调控，另外一种是利用亥姆霍兹谐振腔等共振单元实现对声波透射强度和透射相位的改变。最近，南洋理工大学的范峥教授课题组设计了一种由深亚波长尺度的狭缝结构排列组成的声学超表面透镜。这种声学超表面的厚度以及结构单元之间的间距均达到深亚波长尺度，其结构简单，易于加工和集成，并且能够同时实现对远场和近场声波的调控。研究人员在考虑深亚波长尺度下结构单元之间的相互耦合的基础上，建立了半解析模型来计算声超表面的透射声场，从而可以根据目标需求来优化结构参数的设计。基于此模型，研究人员设计了两种结构分别实现了远场和近场的声聚焦，并且在近场条件上，通过倏逝波的收集，实现了突破衍射极限的超分辨声聚焦。相关研究成果发表在近期的《Nature Communications》上。
文章链接：Jian Chen, Jing Xiao, Danylo Lisevych, Amir Shakouri & Zheng Fan，Deep-subwavelength control of acoustic waves in an ultra-compact metasurface lens，Nature Communications volume 9, Article number: 4920 (2018)
5、多通道矢量全息的显示与加密
自发明至今，全息术（holography）已经慢慢成为重现光基本信息（振幅、相位、偏振、波前、频率）的一种强有力工具。基于超表面的全息术在光学显示领域有着广阔的应用前景。与传统方法相比，它具有空前的空间分辨率与巨大的信息容量。超薄纳米结构上的全息图编码是实现超表面全息的基础。最近，来自北京理工大学王涌天教授团队和德国帕德博恩大学的Thomas Weiss等人，展示了一种实现动态显示和高安全性的多通道矢量全息的新方法。利用一种偏振依赖的相位偏移与偏振旋转矩阵引入双折射超表面结构，实现完全控制光的偏振通道。结果表明，尽管目标全息相位分布具有量化的相位关系，但它们可以在不同的偏振操纵通道内处理非常不同的信息。通过选择所需的输入/输出偏振态的组合，能够以可忽略的串扰来切换重构的矢量图像。这种多路复用方法可以在动态全息显示器、可切换光学器件、数据存储和光学加密/防伪相关的前沿应用中发挥重要作用。方法也可以适用于任意自旋到轨道角动量转换或其他类型的偏振/相位调制，以增强信息容量。相关研究发表在近期的《Light: Science & Applications》上。
文章链接：Ruizhe Zhao, Basudeb Sain, Qunshuo Wei, Chengchun Tang, Xiaowei Li, Thomas Weiss,Lingling Huang, Yongtian Wang & Thomas Zentgraf, Multichannel vectorial holographic display and encryption, Light: Science & Applications volume 7,Article number: 95 (2018)
6、高性能柔性热电材料：Bi2Te3-SWCNT复合材料
柔性热电材料可以与任意几何形状的热源表面（例如人体、弯曲管道或柔性电子设备）紧密接触，从而最小化热损失并实现高效的能量转换。而传统的高性能热电材料，如无机硫属元素化物，由于其固有的脆性，难以同时实现高热电性能和良好的柔韧性。聚合物热电材料柔韧性好、重量轻，并且易于加工，但是它们的热稳定性差，效率相对较低，难以投入实际应用。碳纳米管（CNT）基复合材料虽然具有良好的电学和热学性质以及出色的柔韧性，但是由于CNT分散不均匀、界面相互作用弱、混合结构难以控制等问题，目前CNT基复合材料的热电性能仍然远低于现有技术的无机硫属元素化物。
最近，中科院沈阳金属研究所邰凯平研究员、刘畅研究员与中科院近代物理研究所高宁研究员合作，报道了一种柔性热电材料：他们将Bi2Te3纳米晶嵌入单壁纳米管（SWCNT）网络，利用Bi2Te3-SWCNT材料良好的晶体取向、界面作用和纳米多孔结构，实现了优异的柔韧性，并且在室温至373K的温度范围内热电品质因数（ZT）达~0.9，这与商业化的块状Bi2Te3热电材料相当，并且远高于先前报道的柔性热电材料。
他们采用磁控溅射技术，在CNT上组装层状结构的Bi2Te3，实现Bi2Te3晶体的取向方向与SWCNT束轴几乎完美的对齐，从而得到柔性独立式薄膜热电材料。这种复合热电材料在室温下的功率因数约为1600μWm-1 K-2，在473 K时降至1100μWm-1 K-2；由于强声子散射效应，其面内晶格热导率低至0.26±0.03 W m-1K-1，从而大大提高其热电品质因数。同时材料的良好的柔韧性并没有使其品质因数降低，在弯曲半径（rb）为~4mm时，复合材料的电阻增加不到4％。类似的，他们还得到了柔性Bi2Se3-SWCNT和Sb2Te3-SWCNT薄膜，表明这种方法可以扩展到许多其他硫族化物-SWCNT材料，因此对于制造具有优异的性能n型和p型柔性热电材料具有巨大潜力。其相关工作发表在近期的《Nature Materials》上。
文章链接：Qun Jin , SongJiang , Yang Zhao, Dong Wang, Jianhang Qiu, Dai-Ming Tang,Jun Tan, Dong-Ming Sun, Peng Xiang Hou, Xing Qiu Chen, Kaiping Tai, Ning Gao,Chang Liu, Hui-Ming Chengand Xin Jiang, Flexible layer-structured Bi2Te3 thermoelectric on a carbon nanotube scaffold,Nature Materials, doi:10.1038/s41563-018-0217-z(2018).
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