超材料前沿研究”一周精选 2018年12月10日-12月16日- 大数跨境

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超材料前沿研究”一周精选 2018年12月10日-12月16日

两江科技评论

2018-12-16

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，内容涉及悬浮纳米颗粒、光子晶体腔、片上拓扑纳米机电超材料、场响应力学超材料、等离子-激子相互作用和波分复用量子纠缠通讯网络等，敬请关注！

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及悬浮纳米颗粒、光子晶体腔、片上拓扑纳米机电超材料、场响应力学超材料、等离子-激子相互作用和波分复用量子纠缠通讯网络等，敬请关注！

索引

1、悬浮纳米颗粒和光子晶体腔的近场耦合

2、片上拓扑纳米机电超材料的实验实现

3、Science Advances:场响应力学超材料

4、碳纳米管的结晶薄膜中本质上超强的等离子-激子相互作用

5、波分复用量子纠缠通讯网络

1、悬浮纳米颗粒和光子晶体腔的近场耦合

——借助将二氧化硅颗粒放置在光子晶体腔近场(near-field)附近，实验上实现了最高达到9kHz的可调的单光子光力耦合，比之前的工作提高了将近3个量级大小。

光镊子（optical tweezer）作为一种简单方便的手段在单分子生物物理，热动力学，传感器乃至基本物理方面有着广泛的应用。最近几年，和量子力学相结合，对纳米颗粒进行悬浮控制得到人们越来越多的关注。这其中有两个难点: 一方面是与腔场的光力耦合系数比较小；另一方面则是测量渠道中存在的比较大的损耗。近日，来自奥地利University of Vienna的Lorenzo Magrini 和 Sungkun Hong等人，以及来自荷兰Delft University of Technology的Simon Groblacher等人，利用纳米光子结构 (nanophotonic structure)，克服了上述难题，在实验上实现了对悬浮纳米颗粒的单光模式（single optical mode）耦合。

实验中，作者将一个光镊子和氮化硅光子晶体腔放在真空中。腔的本征模式波长在1538.72nm。利用光镊将介电纳米颗粒困在驻波中，然后将颗粒和腔靠近，再激发腔内的本征模式。通过对比腔的频率波动和纳米颗粒的位置波动，可以确定颗粒和腔之间的耦合系数和显示其可调性。由于纳米光子器件小的模式体积(small mode volumes)和高品质因子，导致耦合系数很强，损耗比较低且具有可调性。相比与利用远场探测，实验中发现的单光子偏置敏感度（displacement sensitivity per photon）提高了两个数量级大小。这项工作为实现量子反馈控制（quantum feedback control）提供了基础。相关研究成果发表在近期的《Optica》上。

文章链接：Lorenzo Magrini, Richard A. Norte, Ralf Riedinger, Igor Marinković, David Grass, Uroš Delić, Simon Gröblacher, SungkunHong, and Markus Aspelmeyer, Near-field coupling of a levitated nanoparticle toa photonic crystal cavity, Optica, Vol. 5, issue 12 pp. 1597-1602. (2018)

2、片上拓扑纳米机电超材料的实验实现（Experimental realization of on-chip topological nanoelectromechanical metamaterials）

——支持二维拓扑现象的可扩展片上集成声学组件，可用于高频信号处理应用中的单向波导和紧凑型延迟线（compact delay lines）。

通过稳定的物理信道（physical channel）引导波的传输，对于可靠的信息传输至关重要。然而，由于背散射（back-scattering）和损耗，高频机械系统中的能量输运对缺陷和急转（sharp turns）特别敏感，例如信号处理应用。拓扑机械超材料对缺陷和单向能量传输具有免疫力，可以将这些特性转化至经典体系，以实现高效的声子能量输运。目前，声学和机械拓扑超材料仅在大规模系统中实现，例如陀螺格子，结构化板和杆阵列等。近期，来自瑞士苏黎世的Jinwoong Cha团队与美国、韩国等研究机构合作，充分发挥拓扑机械超材料在器件应用方面的潜力，将其扩展到了片上的高频传输。文章报道了拓扑纳米机电超材料的实验实现，由独立的（free-standing）氮化硅纳米膜的二维阵列组成，在高频（10MHz）下工作。实验证实了边缘态（edge states）的存在，并表征了它们的局域化（localization）和狄拉克锥状（Dirac-cone-like）的频率色散（frequency dispersion）。该工作的拓扑波导对波导畸变和赝自旋相关的输运也具有鲁棒性。相信随着纳米制造技术的进步，这些拓扑现象除了用于超声和射频信号处理，还可用于设计摄动超材料（perturbative metamaterials），以实现纳米机电谐振器中的频率可调谐、拓扑通道重新配置等应用。相关研究发表在近期的《Nature》杂志上。

文章链接：Jinwoong Cha, Kun Woo Kim and Chiara Daraio, Experimental realization of on-chip topological nanoelectromechanical metamaterials, Nature,564 (2018). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0764-0

3、Science Advances:场响应力学超材料

通常而言，当力学超材料被设计并且制造后，其力学性质就已确定，不会随着外界环境或者应用需求而改变。场响应力学超材料（field responsive mechanical metamaterials）则不然。作为一种特殊的力学超材料，场响应力学超材料通过巧妙的结构设计和材料选择，可以对外界环境的变化做出实时的反应。近日，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Julie A.Jackson等和阿尔贡国家实验室的Mark C. Messner以及加利福尼亚大学的Kenneth J. Loh在《Science Advances》上发表文章，介绍了一种可以在外界磁场作用下改变刚度的力学超材料。研究者利用大面积投影微立体光刻（large area projection microstereolithography）技术制造了中空的高分子外壁，然后把磁流变悬浮液注射入高分子管壁中。当外加磁场时，管壁中的磁性颗粒会沿着磁场线的方向排列成链状，从而增加结构的刚度。研究者自制了一个简易的装置，通过控制磁铁距离超材料的距离来控制外加磁场的大小。研究发现，外加0.18T的磁场能够使立方八面体的单元刚度增加62%；外加0.11T的磁场使2x2x2的立方八面体点阵刚度增加35%，且刚度随磁场强度的变化近似是线性的。这篇文章提供了一种通过外场控制力学超材料性能的方法，在软体机器人，可穿戴设备和隔振方面有着潜在的应用。

文章链接：Julie A. Jackson, Mark C. Messner, Nikola A.Dudukovic, William L. Smith, Logan Bekker, Bryan Moran, Alexandra M. Golobic,Andrew J. Pascall, Eric B. Duoss, Kenneth J. Loh, Christopher M. Spadaccini,Field responsive mechanical metamaterials, Science Advances 07 Dec 2018:

4、碳纳米管的结晶薄膜中本质上超强的等离子-激子相互作用

当光学发射器（optical emitter）强耦合到腔体时，发射器通过称为真空Rabi振荡的快速能量交换与腔体杂化（hybridize）,如果Rabi振荡的频率接近发射器和腔体的共振频率，则系统会达到超强耦合。空腔和发射器不是一次只交换一个量子的能量，单个空腔的激励可以从真空场借用能量，从而激发两个或更多发射器。

最近，来自Department of Physical Sciences, IBM T. J. Watson Research Center的Po-Hsun Ho、Phaedon Avouris、Abram L. Falk等人制造了碳纳米管的结晶薄膜（crystallized nanotube films），并展示了这种材料内在的(intrinsically)超强相互作用。纳米管激子在内部耦合到纳米管等离子体共振（等离子体-激子耦合强度达到0.5eV），而不是耦合到外部空腔，因此纳米管同时有着等离子体腔和发射器的作用。该工作代表了纳米材料组装的里程碑，为高载流量导体，低功率光学开关和可调谐光学天线提供了引人注目的基础。相关研究发表在最近的《美国国家科学院院刊》上。

文章链接：Po-Hsun Ho, Damon B. Farmer, George S. Tulevski,Shu-Jen Han, Douglas M. Bishop, Lynne M. Gignac, Jim Bucchignano, Phaedon Avouris, and Abram L. Falk，Intrinsically ultrastrong plasmon-excitoninteractions in crystallized films of carbon nanotubes，proceedings of the National Academy of Sciences ofthe United States of America vol. 115 no.50 12662-12667

5、波分复用量子纠缠通讯网络

量子计算和量子通讯一直以来都是人们关注的焦点，有望引领下一代信息技术革命。量子密钥分发则是量子通讯中不可或缺的环节。现阶段量子秘钥分发技术已经渐趋成熟，在过去的研究中已经表明它可以在同一电信光纤中与经典通讯方式协同工作，并且能够在光纤和自由空间链路中长距离工作。尽管取得了这些进步，但是大多数量子秘钥分发技术和协议仅限于两个通信方，这大大限制了量子密钥分发的实际适用性。而量子网络的搭建则能够使得量子密钥分发协议的优势扩展到两个以上的远程用户，从而有望解决这一难题。来自奥地利科学院维也纳量子光学和量子信息研究所的Rupert Ursin教授及其研究团队提出了一个完全互联的量子网络架构，其中单个纠缠光子源将量子态分配给许多用户，同时将每个用户所需的资源最小化。实现这一功能的同时，该量子网络架构并不会降低量子通讯过程中的安全性和功能性。该量子网络架构的搭建基于单一的二分极化纠缠源，并将其多路复用到12个波长信道中。然后，在每个用户仅使用一个光纤和一个偏振分析模块的全连接图中，四个状态同时分配至四个用户。在该网络中添加用户时，并不需要对纠缠源进行调整，因而该量子网络架构可以很容易地将网络缩放到大量用户。更重要的是，这种量子网络架构与之前基于有源光开关的多用户网络不同，是一种完全无源的量子互联网络，因此具有前所未有的超高速量子通信的潜力。

文章链接: S. Wengerowsky, S. K. Joshi, F. Steinlechner, H.Hübel, and R. Ursin, An entanglement-based wavelength-multiplexed quantum communication network, Nature 564(7735): 225-228 (2018) DOI: 10.1038/s41586-018-0766-y.