“超材料前沿研究”一周精选 2018年9月17日-9月23日

1、Science：金刚石纳米腔中量子发射体之间的光子媒介相互作用

——利用高质量纳米光子晶体腔的光子局域特性，增强量子发射装置之间的耦合相互作用

量子发射器（quantum emitter）之间的光子媒介相互作用（Photon-mediated interactions）是量子信息系统的重要组成部分，能够产生量子纠缠（entanglement）、实现静态量子比特（stationary qubits）和光子的量子逻辑运算（quantum logic operation）。具有捕获原子和离子、超导量子比特和自组装量子点的腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics）的最新进展为实现这种相互作用创造了可能性：例如，通过光学腔媒介的相干多量子比特相互作用已经在微波领域中得以验证，而将这种相互作用扩展到光频段可以实现长距离量子通信。然而，由于难以实现光学腔的强耦合和多个共振量子发射器的独立控制，在实验上实现这些目标具有极大的挑战性。最近，来自美国哈佛大学的M. D. Lukin教授领衔的研究团队通过与金刚石纳米光子腔的耦合作用，在实验上证实了一对硅空穴色心（silicon-vacancy color center）之间的光子媒介相互作用。当两个色心的光学跃迁被调节到共振状态时，与共腔模式（common cavity mode）的耦合作用导致它们之间发生了相干相互作用，实现了光谱分辨的超辐射和亚辐射状态（spectrally-resolved superradiant and subradiant states）。研究人员采用硅空穴中心的电子自旋自由度来控制这些光学媒介相互作用，这种受控的相互作用对于在自旋量子比特之间开发腔媒介的量子门（cavity-mediated quantum gates），以及用于实现可扩展量子网络节点（quantum network nodes）是至关重要的。相关研究发表在近期的《Science》期刊上。

文章链接：R. E. Evans, M.K. Bhaskar, D. D. Sukachev, C. T. Nguyen, A. Sipahigil, M. J. Burek, B.Machielse, G. H. Zhang, A. S. Zibrov, E. Bielejec, H. Park, M. Lončar, M. D.Lukin, Photon-mediated interactions between quantum emitters in a diamond nanocavity, Science, Published Online 20 SEP 2018. DOI: 10.1126/science.aau4691.

2、Nature：覆盖光通信波段的环绕奇异点的时间非对称环路

——有望实现全频段非对称光学传输的硅基光子学器件

手性特征（chirality）出现在各种自然现象中，例如基本粒子自旋、电磁极化、DNA螺旋分子等，其共同特征是它们对外界螺旋型刺激的高度选择性响应。有趣的是，在奇异点（Exceptional Point, EP）附近的开放系统中也发现了手性特征引起的选择性响应；但与传统的空间几何结构上的手性不同，该体系下的复数能量谱（complex-valued energy spectra）在控制参数空间（control parameter space）中形成了手性的黎曼表面拓扑（chiral Riemann surface topology）。在光学系统中，通过环绕EP点的操作，将产生稳健的能量或信号的方向选择性传递，可能在通信、信号处理、显示器、纳米光刻和激光加工等领域中具有实际应用意义；然而，考虑到时变非厄密哈密顿量（time-vary ingnon-Hermitian Hamiltonians）的复杂性，需要极其精确地控制器件制备过程中的精度，之前人们还不清楚光学EP操作是否在实验上是可行的。最近，来自韩国汉阳大学的Seok Ho Song教授领衔的科研团队在稳健的硅基光子结构中，通过实验证实了在EP点附近的时间-非对称环路（time-asymmetric loops）上传输的光学模式。该光子结构包括两个相互耦合的硅通道波导，以及平板-波导的泄漏-辐射光学阱（slab-waveguide leakage-radiation sink），可精确地控制光子模式所需的非厄密哈密顿量。器件在覆盖整个光学通信窗口（波长在1.26-1.675微米之间）的极宽光谱频率范围内，实现了时间非对称的光传输（time-asymmetric light transmission）。该工作为实现基于非厄密拓扑动力学的宽带片上光学器件迈出了重要的一步，在片上光隔离器和非互易模式转换器等方面有着潜在的应用，同时也进一步表明了非厄密动力学在声学、凝聚态物理和量子力学等其他物理学分支中的技术相关性。相关研究发表在近期的《Nature》期刊上。

文章链接：Jae Woong Yoon,Youngsun Choi, Choloong Hahn, Gunpyo Kim, Seok Ho Song, Ki-Yeon Yang, Jeong YubLee, Yongsung Kim, Chang Seung Lee, Jai Kwang Shin, Hong-Seok Lee & PierreBerini, Time-asymmetric loop around an exceptional point over the full optical communications band, Nature (2018).

3、非线性超表面的光学涡旋产生

——同时产生基频和二次谐波涡旋，能够实现三倍容量的光学信息存储和通讯

光学涡旋（Optical vortices）因为具有额外的轨道角动量自由度，已成为增强数据容量的潜在技术方法。虽然人们已经开始使用线性超表面（linear metasurfaces）来产生光学涡旋，但是通过引入非线性的频率转换效应，可以进一步的增加信息载体的容量，从而为数据存储和通信提供新的传输通道。近日，来自南开大学的陈树琪教授课题组、田建国教授、程化副教授以及中科院物理所的李俊杰博士等人，通过在所设计的超表面结构中引入二次谐波Pancharatnam-Berry相，可以同时生成具有不同焦距、不同拓扑电荷的一个线性和两个二次谐波光学涡旋，实现了三倍容量的光学涡旋信息存储和通讯。此外，研究人员通过实验观察到抛物线相位因子（parabolic phase factor）中出现了2D多焦点超透镜（multifocal metalens），每个焦点具有相同光学强度。这种非线性的光学涡旋生成过程为提高光通信和多通道集成光通信的容量提供了一种有效的实现策略。相关研究发表在近期的《Laser &Photonics Reviews》上。

文章链接：Z. Li, W. Liu,Z. Li, C. Tang, H. Cheng, J. Li, X. Chen, S. Chen, J. Tian, Tripling the Capacity of Optical Vortices by Nonlinear Metasurface, Laser & Photonics Reviews 2018, 1800164. 

https://doi.org/10.1002/lpor.201800164

4、电磁波参数化调控的惠更斯“超器件”

——几乎任意地、动态地控制微波的频率、相位和波束角度

人们对电磁波控制技术的探索极大地促进了平面镜、透镜、天线、光栅和全息图的发展。近年来，科学家们提出了超表面（metasurface）这样一种新概念，即通过一层薄薄的人工结构单元（artificial element）来塑造电磁波的波前特征（wave front）。为了有效地控制电磁波，这些人工结构单元必须对电场和磁场都能有较好的响应特性，形成一种称为惠更斯超表面（Huygens’metasurface）的准二维器件。虽然已经研制出各种静态的超表面器件，但是任意调制电磁波的惠更斯超表面器件仍然难以实现。最近，来自澳大利亚国立大学的Mingkai Liu博士和Ilya V. Shadrivov教授等人在实验上成功研制出时变惠更斯“超器件”（time-varying Huygens’ metadevice），它可以有效地改变电磁波的频率，并在几乎任意方向上动态地控制光束。该器件由电学和磁学“超原子”（meta-atoms）组成，对电/磁性质具有独立的调制能力，其相位调制作用能够有效地改变散射边带波（sideband waves）的形状和方向。同时，研究人员还开发了一种新理论，展示了如何任意地操纵边带的散射方向性、相位和转换效率，并以此实现了微波全角度波束控制（all-angle beam steering）和频率复用（frequency-multiplexed）等新颖功能，这是传统的超材料器件所难以实现的。这项工作有助于开发高效、超紧凑的光子学设备，允许以几乎任意的方式动态地控制电磁波，可以在雷达和压缩传感等许多领域找到应用。相关研究发表在近期的《Physical Review X》上。

文章链接：Mingkai Liu,David A. Powell, Yair Zarate, and Ilya V. Shadrivov, Huygens’ Metadevices for Parametric Waves, Phys. Rev. X 8, 031077 – Published 20 September 2018.

5、基于超表面的多次谐波自由电子光源

——利用超表面的光场局域增强和相互作用距离增大等优势，实现紧凑型硬X射线光源

超表面（Metasurface）具有亚波长的空间几何结构，主要的结构尺寸与光波波长相比可以忽略不计，并且能够针对特定的远场应用，例如控制电磁波的波前，对每个结构单元进行参数优化。近日，来自美国麻省理工学院的Gilles Rosolen博士领衔的科研团队，研究了超表面结构中由几个脉冲激光入射所产生的近场光学分布（near-field profile），希望以此来推动通过自由电子产生高频激光的研究。具体来说，超表面的近场区域包含了高阶的空间谐波（higher-order spatial harmonics），它们可以被用来产生多个X射线高次谐波。研究表明，通过控制激光输入的超表面几何形状、电子能量和入射角，可以任意地塑造X射线的光谱分布。通过使用从头计算（ab initio）模拟，研究人员预测在周期为85 nm、等离极化激元（plasmon polaritons）能量为3.4 eV的超表面中，利用5 MeV的电子可以实现能量为30 keV、谐波间隔为3 keV的明亮单频X射线。作为范例，他们提出了四色X射线光源（four-color X-ray source）的设计方案，有望成为桌面级多色硬X射线产生的潜在技术方案。本文的研究有助于为高能光子的紧凑型多次谐波源的应用铺平道路，这类光源将在工业、医学和基础科学中发挥出巨大的应用价值。相关研究发表在近期的《Light: Science& Applications》上。

文章链接：Gilles Rosolen,Liang Jie Wong, Nicholas Rivera, Bjorn Maes, Marin Soljačić & Ido Kaminer, Metasurface-based multi-harmonic free-electron light source, Light: Science & Applications 7,Article number: 64 (2018).

6、直接表征等离子体超表面中的近场耦合作用

——采用扫描近场光学显微镜SNOM，对超表面准周期阵列进行近场光学表征，一次性分析不同尺寸和间隔对光学响应的影响

基于间隙型表面等离子体谐振器（gap surface-plasmon resonator）的超表面结构允许人们以更高的效率任意地控制反射光的相位、幅度和偏振。然而，与简单的感性分析不同，结构密集的超表面性能通常会非常显著地降低。研究人员认为这种降低主要是因为超表面结构单元（metasurface element）之间的近场耦合（near-field coupling），这将导致每个单元的响应特性不同于预期的模拟设计，因为模拟设计通常只针对每个独立的单元进行人工的周期性排列。近日，来自南丹麦大学的科研团队为了研究近场耦合对超表面的影响，以准周期排列方式制备了由不同大小的单元组成的阵列结构，使得相同大小结构单元所处的环境不同于阵列中间和边界处的情形。研究人员使用相位分辨的散射型扫描近场光学显微镜（Scanning Near-Field Optical Microscopy），研究了近场光学特征并进行了数值模拟验证。通过比较相同尺寸但不同位置的结构单元的近场分布特征，研究人员评估了超表面器件中的近场耦合强度，发现对于大而密集的单元具有重要的影响。这种技术具有很好的通用性，适用于任何超表面结构类型，并能够精确测量每个单独基元的近场响应，识别出故障区域，为超表面的设计和制备提供反馈。相关研究发表在近期的《Nano Letters》上。

文章链接：Rucha Deshpande, Vladimir A. Zenin, Fei Ding, N. Asger Mortensen, and Sergey I.Bozhevolnyi, Direct Characterization of Near-Field Coupling in Gap Plasmon-Based Metasurfaces, Nano Letters Article ASAP, DOI:10.1021/acs.nanolett.8b02393.

7、弹性板中的拓扑保护螺旋边界态

——实现了固体弹性波的无散射传播和缺陷免疫

当弹性波在固体中传播时，它们会在材料中的不连续或缺陷处发生反射和散射现象，从而带来衰减或模式畸变等问题。近年来，人们发现受拓扑保护的弹性波边界模式（elastic edge modes）不受这些缺陷散射的影响；但是，因为界面处的模式十分复杂且存在模式杂化（hybridize）现象，尚未有实验研究表明这些拓扑保护的振动模式存在于连续弹性介质中。最近，来自美国佐治亚理工大学和法国勒阿弗尔大学的研究人员在实验上观测到了受拓扑保护的螺旋型（helical）弹性波边界模式。他们设计了一个具有周期性通孔和盲孔（through and blind holes）的弹性板状结构，使其存在能够抑制特定频率弹性波传播的禁带（band gap），并充分利用结构的几何对称性，即两个狄拉克锥（Dirac cones）的偶然简并（accidental degeneracy），在带隙中形成了拓扑保护的边界模式；该边界模式能够引导弹性波沿着急剧弯曲的边界处传播，而不发生任何散射或反射现象。研究人员在超声频率范围内进行了验证性实验，并表明这一设计思路可以扩展到其他频段。该工作为信号处理和传感器设计开辟了新的设计思路，并且引入了一个系统的设计流程，可用于实现各种连续体系中的波动控制。相关研究发表在近期的《Physical Review X》上。

文章链接：M. Miniaci,R. K. Pal, B. Morvan, and M. Ruzzene, Experimental Observation of Topologically Protected Helical Edge Modes in Patterned Elastic Plates, Phys. Rev. X 8,031074 – Published 18 September 2018.

8、三维“板-晶格”力学超材料

——一类具有最优化各向同性刚度的新型低密度超材料

在轻量化工程中，人们一直在寻求具有高质量比（mass‐specific）刚度和强度的低密度材料。增材制造（3D打印）的力学超材料是极具应用希望的候选材料之一，因为能够在可控地调整孔隙率（密度）的前提下，实现纳米/微观层面上的力学性能强化。最近，来自苏黎世联邦理工学院ETH的Dirk Mohr教授课题组通过在晶体的密堆平面（closest‐packed plane）上放置板状结构，构造了一种新型的“板-晶格”（plate‐lattices）力学超材料，并采用3D激光直写制备技术，实现了近乎最优化的质量比刚度和几乎各向同性的塑性响应。根据理论分析，研究人员提出了具有立方对称的各向同性板状结构的一般设计思路；在这一思路以外，详细的计算分析表明：存在一种特殊的“板-晶格”力学超材料，其具有几乎各向同性的屈服强度以及弹性力学特征。更为显著的是，这种超材料的刚度和屈服强度几乎接近了各向同性多孔固体的理论极限，也就意味着在同等质量下，超材料的刚度是最硬桁架格子（truss‐lattices）的三倍！通过激光直写制造的桁架和超材料试样的实验也证实了这种刚度优势。本文报道的新型超材料因其独特的多孔结构，也有可能在热交换、隔热、声学和生物医学工程等方面拥有潜在的应用。相关研究发表在近期的《Advanced Materials》上。

文章链接：T. Tancogne‐Dejean,M. Diamantopoulou, M. B. Gorji, C. Bonatti, D. Mohr, 3D Plate‐Lattices: An Emerging Class of Low‐Density Metamaterial Exhibiting Optimal Isotropic Stiffness, Adv. Mater. 2018, 1803334. https://doi.org/10.1002/adma.201803334.

精彩回顾   

1. Nature：拓扑量子光源

2. 哈佛大学Science Advances——声波印刷

3. 新型智能面料：半导体纤维及其光电通信

4. 四两拨千斤：水波能量集中器问世

5. Nature Materials：室温下中红外石墨烯等离子体的高效电学检测

6. 超表面和零折射率材料复合的超薄“隐身斗篷”

7. 绿色柔性电子器件衬底最新进展：可降解“透明纸”的低成本制备

8. 南大Nat. Photonics：激光“雕刻”3D非线性光子晶体

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：zunzun@imeta-center.com

微信号：Maysun1992