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文章鏈接：Bin Liu,Jesse L. Silverberg, Arthur A. Evans, Christian D. Santangelo, Robert J. Lang,Thomas C. Hull & Itai Cohen, Topological kinematics of origami metamaterials, Nature Physics (2018).DOI

https://doi.org/10.1038/s41567-018-0150-8

在任意k點(diǎn)具有折射率橢球面的新型超材料

在介質(zhì)中，電磁波的傳播行為是由等頻面（equifrequency surface）控制的。到目前為止，包括介質(zhì)在內(nèi)的普通材料和超材料的等頻面（橢球體或雙曲面體）總是以零k點(diǎn)為中心。然而，來自香港科技大學(xué)的C.T. Chan教授課題組、英國倫敦帝國理工學(xué)院的John B. Pendry教授以及蘇州大學(xué)的Bo Hou教授提出了一種新型超材料——Wire Metamaterial，它擁有以任意非零k點(diǎn)為中心的多個(gè)折射率橢球（index ellipsoid）。它們在動(dòng)量空間中的位置取決于一套相互貫穿金屬支架（interpenetrating metallic scaffold）的連通性，而模式的群速度由結(jié)構(gòu)幾何細(xì)節(jié)決定。這種新型超材料的性質(zhì)源自于全局的可連接性（global connectivity），因此可以在諸如負(fù)折射（negative refraction）、取向依賴的耦合效應(yīng)以及無壁腔體（cavity withoutwalls）等應(yīng)用中具有寬帶性質(zhì)，并且它們與帶寬受限的普通共振超材料具有本質(zhì)上的差異。研究人員還進(jìn)行了微波實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證該超材料體系的寬譜負(fù)群速度、取向依賴的耦合效應(yīng)。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《Nature Communications》上。

文章鏈接：Wen-Jie Chen,Bo Hou, Zhao-Qing Zhang, John B. Pendry & C. T. Chan, Metamaterials with index ellipsoids at arbitrary k-points, Nature Communications 9, Article number: 2086 (2018).

腔量子聲學(xué)器件在多模強(qiáng)耦合系統(tǒng)中的研究

量子比特（qubit）不但是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的基礎(chǔ)，也是研究量子力學(xué)本質(zhì)問題的有力工具。近年來，在腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)（circuit quantumelectrodynamics system）是一種全新的量子比特，由于在退相干時(shí)間等參數(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出之前的超導(dǎo)量子比特，因此受到了極大的關(guān)注。來自科羅拉多大學(xué)Boulder分校的研究人員展示了一種電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的聲學(xué)類比體系，該系統(tǒng)利用聲學(xué)性質(zhì)在色散區(qū)間中實(shí)現(xiàn)了多模強(qiáng)耦合（strong multimode coupling），同時(shí)抑制自發(fā)輻射至非限制模式（unconfined mode）。具體而言，該聲學(xué)體系包含一個(gè)與磁通可調(diào)transmon相耦合的300μm長的聲表面波諧振器（surface acoustic wave resonator）。對于某些特定的模式，量子比特腔（qubit-cavity）耦合達(dá)到6.5 MHz，超過了腔損耗率（200 kHz）、qubit線寬（1.1 MHz）和腔自由光譜范圍（4.8 MHz），表明器件處于強(qiáng)耦合狀態(tài)和強(qiáng)多模態(tài)區(qū)域。正如對聲子自發(fā)輻射的預(yù)期，隨著量子比特從腔受限模式中解諧，可以觀察到量子比特線寬強(qiáng)烈地依賴于聲子的頻率；并且基于研究結(jié)果，獲得了抑制這種發(fā)射速率的工作頻率。該工作發(fā)表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：Bradley A.Moores, Lucas R. Sletten, Jeremie J. Viennot, and K. W. Lehnert, Cavity QuantumAcoustic Device in the Multimode Strong Coupling Regime, Phys. Rev. Lett. 120,227701 – Published 30 May 2018.

二維聲子腔中的量子效應(yīng)研究

隨著體系特征尺寸的減小，相關(guān)物理機(jī)制的描述將從經(jīng)典物理變?yōu)榱孔游锢怼＝陙恚{米技術(shù)的進(jìn)步使得我們能夠在更小的尺度上對電子、光子、聲子的量子行為開展研究。最近，來自莫斯科物理技術(shù)學(xué)院、MISiS、莫斯科國立師范大學(xué)、倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院等機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊(duì)在聲表面波諧振器（surface acousticwave resonator）中，通過與人造超導(dǎo)原子的相互作用而產(chǎn)生的真空拉比模式分裂（Rabi mode splitting）來實(shí)現(xiàn)quantum regime。由于聲表面波器件由大量較窄的金屬條帶（metal strip）組成，因此在物理上和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都具有具有一定的挑戰(zhàn)性。在低于20mK的極低溫度下，研究人員觀測到了透射圖譜的反交叉型特征峰，表明該體系是一個(gè)典型的兩能級系統(tǒng)，并且與理論計(jì)算保持一致。這項(xiàng)工作為利用聲子實(shí)現(xiàn)量子光學(xué)現(xiàn)象的類比鋪平了道路，并可用于片上量子電子學(xué)器件的應(yīng)用研究。該研究工作發(fā)表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：Aleksey N.Bolgar, Julia I. Zotova, Daniil D. Kirichenko, Ilia S. Besedin, Aleksander V.Semenov, Rais S. Shaikhaidarov, and Oleg V. Astafiev, Quantum Regime of a Two-Dimensional Phonon Cavity, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 – Published 31 May2018.

復(fù)雜等離子體場的寬帶與動(dòng)態(tài)構(gòu)建

相干表面等離子激元極化基元（surface plasmon polariton, SPP）場的剪裁設(shè)計(jì)（tailor），為許多納米光子應(yīng)用帶來了全新的機(jī)遇。在以往的研究中，基于光斑系綜（an ensemble of spots）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聚焦SPP斑點(diǎn)的掃描和SPP場分布的設(shè)計(jì)。然而，由于SPP通常是被高亮度、相干的激光所激發(fā)，因此相鄰光斑之間的干擾是不可避免的，并且會影響整體SPP場分布。近日，來自深圳大學(xué)的袁小聰教授、林佼教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合澳大利亞拉籌伯大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)和墨爾本大學(xué)的研究人員，通過考慮將相干場作為一個(gè)整體而非分立的光斑，報(bào)道了一個(gè)用以生成可剪裁二維SPP場分布的可重構(gòu)（reconfigurable）和波長無關(guān)的研究平臺。并且，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單片SPP場相位梯度方向（即面內(nèi)能量流的方向）的動(dòng)態(tài)調(diào)控；其所需的相位信息是由入射激光束攜帶的，不需要引入與波長相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)，因而可以用于各種波長的調(diào)控。基于該研究思路，可以拓展到許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域：例如，強(qiáng)度分布和能量流的有效控制將有可能實(shí)現(xiàn)利用等離子鑷子對金屬納米粒子的動(dòng)態(tài)控制；SPP的寬帶激發(fā)能力可用于不同顏色SPP的產(chǎn)生、高速面內(nèi)通信以及大容量數(shù)據(jù)存儲。這種新方法揭示了2D相干場分布的固有約束條件，并且同樣適用于聲表面波等其他二維表面受限波動(dòng)系統(tǒng)，在相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究方面具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《Science Advances》上。

文章鏈接：Shibiao Wei,Guangyuan Si, Michael Malek, Stuart K. Earl, Luping Du, Shan Shan Kou, XiaocongYuan, and Jiao Lin, Toward broadband, dynamic structuring of a complex plasmonic field, Science Advances 01 Jun 2018: Vol. 4, no. 6, eaao0533 DOI:10.1126/sciadv.aao0533

具有全波操作的混合共振記憶超材料

“記憶超材料”（Memory metamaterials）是一類能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁響應(yīng)持久性調(diào)制（persistent tuning）的新興人工微結(jié)構(gòu)材料，通常由人工構(gòu)成的諧振元件與自然記憶材料耦合而成，受電場、光線和熱量等外部刺激的控制。盡管目前已經(jīng)有多種自然界的記憶材料得到了應(yīng)用，但仍缺少人們對基于鐵磁材料（ferromagnetic materials）的記憶超材料研究。

近日，來自韓國西江大學(xué)Kiejin Lee領(lǐng)銜的研究小組報(bào)道了基于“超材料-鐵磁”混合共振（hybrid resonance）系統(tǒng)、在微波頻段應(yīng)用的記憶超材料。該研究驗(yàn)證了混合共振能夠以輸入微波信號的頻率和振幅為調(diào)制函數(shù)，并且可以可逆地調(diào)諧（tuned reversibly）。這種持久性混合共振調(diào)諧的基本原理是磁疇結(jié)構(gòu)能夠基于微波輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)制。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

文章鏈接：Hanju Lee, Shant Arakelyan, Barry Friedman, Kiejin Lee, Hybrid Resonance Memory Metamaterial with Full‐Wave Operation, First published: 18 May 2018https://doi.org/10.1002/adfm.201800760.

基于納米級熱輻射的“熱二極管”

“熱整流器”（Thermal rectifier），通常也被稱為“熱二極管”（thermal diode），是一種與電子二極管熱類似、實(shí)現(xiàn)熱流非對稱傳輸?shù)臒徇壿嬈骷１M管基于熱對流效應(yīng)（convection）和熱傳導(dǎo)的熱二極管概念早已被提出，但是基于熱輻射（thermal radiation）的固態(tài)熱二極管卻很少受到關(guān)注。

最近，來自密歇根大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)、法國泰勒斯研究與技術(shù)研究院的科研團(tuán)隊(duì)向我們展示了摻雜Si與氧化釩VO2表面之間的納米級熱輻射整流效應(yīng)。具體來說，當(dāng)溫度梯度的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，VO2的“金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變”能夠使Si和VO2之間熱輻射效率出現(xiàn)巨大差異，從而導(dǎo)致熱流大小因溫度梯度方向的改變而產(chǎn)生非對稱傳輸。進(jìn)一步研究表明，這種整流效應(yīng)在納米級的表面分離時(shí)會得到增強(qiáng)，并且在~140nm的間隙和70K溫差下達(dá)到超過50％的最大整流系數(shù)（rectification coefficient）。理論模型表明，這種高整流系數(shù)是由于金屬態(tài)的VO2與Si表面具有較寬的輻射光譜，而其與絕緣態(tài)的VO2只有較窄的輻射光譜和熱傳輸。這項(xiàng)工作成功證明了基于近場熱輻射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)整流現(xiàn)象的可行性，為基于納米輻射的信息處理設(shè)備和熱管理方法的構(gòu)建點(diǎn)明了關(guān)鍵的方法和部件。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《ACS Nano》上。

文章鏈接：Anthony Fiorino, Dakotah Thompson, Linxiao Zhu, Rohith Mittapally, Svend-Age Biehs, Odile Bezencenet, Nadia El-Bondry, Shailendra Bansropun, Philippe Ben-Abdallah, Edgar Meyhofer , and Pramod Reddy,A Thermal Diode Based on Nanoscale Thermal Radiation, ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b01645.

用于超寬帶雷達(dá)截面降低和漫散射的均勻分層編碼超材料

雷達(dá)散射截面(Radar Cross section, RCS)是雷達(dá)隱身技術(shù)中最關(guān)鍵的概念，它代表了目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的物理量：雷達(dá)截面積越小，雷達(dá)對目標(biāo)的信號特征就越小，探測距離也越短。為了減少結(jié)構(gòu)的RCS，人們通常在物體表面設(shè)計(jì)雷達(dá)吸收超材料（radar absorbing metamaterials）或是采用180°反相干涉，來消減反射波的強(qiáng)度來增強(qiáng)對雷達(dá)微波的吸收，然而這兩種方法都需要在較窄的帶寬內(nèi)工作。因此，近年來人們提出一種平面棋盤狀超表面結(jié)構(gòu)（planar chessboard-like metasurface）來實(shí)現(xiàn)寬帶的RCS減弱，特別是基于編碼超表面（coding metasurface）或數(shù)字超表面（digital metasurface）的概念已經(jīng)達(dá)到了較寬的工作帶寬。最近，來自中國傳媒大學(xué)的李增瑞教授課題組、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的Yaoqing (Lamar) Yang教授、電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的殷紅成研究員和北京交通大學(xué)的王均宏教授提出了一種新型的非均勻分層編碼超材料瓦片（metamaterial tile），可以用來實(shí)現(xiàn)超寬帶的RCS降低和電磁波漫散射（diffuse scattering）。

超材料瓦片由兩種不同層厚的方形環(huán)基元（unit cell）組成，兩個(gè)基元之間在一個(gè)超寬頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了180°（±37°）的反射相位差；由于基元之間的相位抵消，超材料瓦具有偏離法線方向的四個(gè)強(qiáng)波瓣（strong lobes）的散射圖案。超材料瓦片及其90度旋轉(zhuǎn)可以被編碼為覆蓋物體的'0'和'1'元素，并且可以通過優(yōu)化相位分布的手段來實(shí)現(xiàn)漫散射模式，從而實(shí)現(xiàn)單體和雙靜態(tài)RCS的同時(shí)減少。超材料瓦片在法向入射時(shí)可實(shí)現(xiàn)從6.2GHz至25.7GHz寬譜范圍內(nèi)的-10dB RCS降低，比例帶寬（ratio bandwidth）為4.15：1，該測量結(jié)果和模擬結(jié)果非常吻合，展現(xiàn)出超材料瓦片在電磁隱身和其他微波應(yīng)用的巨大潛力。該研究結(jié)果發(fā)表在最近的《Scientific Reports》上。

文章鏈接：Jianxun Su, Huan He, Zengrui Li, Yaoqing (Lamar) Yang, Hongcheng Yin & Junhong Wang, Uneven-Layered Coding Metamaterial Tile for Ultra-wideband RCS Reduction and Diffuse Scattering, Scientific Reports volume 8, Article number: 8182 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26386-5.

由3D打印PETG預(yù)制棒制成的中紅外中空內(nèi)芯微結(jié)構(gòu)光纖

中紅外（Mid-infrared）光纖長期以來以其在安全、生物和化學(xué)傳感等方面的廣泛應(yīng)用，引起了科研人員的極大興趣。傳統(tǒng)意義上，這類光纖的制備研究主要集中在中紅外波段吸收率低的材料，如硫族化合物，然而這些材料往往難以控制并且通常含有高毒性元素。最近，來自英國南安普頓大學(xué)和巴西坎皮納斯州立大學(xué)的研究人員向我們演示了在中紅外波段具有光學(xué)導(dǎo)波特性的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PETG）空心光纖（HCF），通過使用商業(yè)的3D打印技術(shù)制造具有特定結(jié)構(gòu)的塑料預(yù)制棒，然后使用常規(guī)的光纖拉伸裝置進(jìn)行拉制，成功制備出外徑為466μm、中空直徑為225μm的PETG中空內(nèi)芯微結(jié)構(gòu)光纖，在3.5-5μm波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的光學(xué)導(dǎo)波效果。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期的《Scientific Reports》上。

文章鏈接：Wanvisa Talataisong, Rand Ismaeel, Thiago H. R. Marques, Seyedmohammad Abokhamis Mousavi, Martynas Beresna, M. A. Gouveia, Seyed Reza Sandoghchi, Timothy Lee, Cristiano M. B. Cordeiro & Gilberto Brambilla,Mid-IR Hollow-core microstructured fiber drawn from a 3D printed PETG preform, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 8113 (2018). doi:10.1038/s41598-018-26561-8.

高性能超薄手性超材料

手性超材料（Chiral Metamaterial）是一種能夠基于光波或聲波的手性特征，在更大的自由度上對其進(jìn)行任意調(diào)控的超構(gòu)材料。其中，主動(dòng)式的光學(xué)手性超材料將有可能應(yīng)用于新型光學(xué)傳感器、調(diào)制器和光開關(guān)等。最近，來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Yuebing Zheng、Mingsong Wang以及中山大學(xué)的JianwenDong研究團(tuán)隊(duì)研制出一種高性能的超薄手性超材料，實(shí)現(xiàn)了對光學(xué)手性特征的高度可調(diào)。他們將兩層相同的金納米孔陣列薄膜相互堆疊并以介質(zhì)層隔開，形成二維moiré條紋，通過理論模擬和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了近場耦合對手性光的影響。更進(jìn)一步，他們使用絲素蛋白薄膜（silk fibroin）作為間隔層，通過特定溶劑對絲素蛋白薄膜的溶脹特性調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了近場耦合以及手性光學(xué)特征的主動(dòng)調(diào)節(jié)。令人印象深刻的是，在單個(gè)超薄（1/5波長厚度）結(jié)構(gòu)中即可實(shí)現(xiàn)了超過半高寬波長范圍的光譜偏移。最后，他們將該超材料作為超靈敏傳感器，應(yīng)用于檢測低至200 ppm的痕量溶劑雜質(zhì)，具有優(yōu)于105 nm/RIU的超高靈敏度以及品質(zhì)因子。

文章鏈接：Zilong Wu,Xiaodong Chen, Mingsong Wang, Jianwen Dong, and Yuebing Zheng, High-PerformanceUltrathin Active Chiral Metamaterials, ACS Nano (Article ASAP), DOI:10.1021/acsnano.8b02566.

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