“超材料前沿研究”一周精选-7.29

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今天我们继续为大家带来这一周的超材料前沿研究精选，内容涉及超表面、光子晶体、声子晶体等，可应用于机器学习、激光器、“光二极管”、红外吸收、微流体芯片等领域，敬请关注。

索引

1、Science：衍射深度神经网络的全光学机器学习

2、PRL：非线性超表面的非对称空间光传输

3、PRL：声子的单模波导

4、Laser & Photonics Rev.：近红外超吸收的全介电超表面

5、Light: Sci. & Appl.：基于光子晶体的集成激光器——波长稳定与调控

6、NC：液晶中的三维光孤子

7、NC：剪切颗粒材料的可塑性结构和拓扑性质

8、NC：实现非接触、可编程液体处理的数字声学流体

1、Science：衍射深度神经网络的全光学机器学习

深度学习（Deep Learning）是近年来发展最快的机器学习（Machine Learning）方法之一，它在计算机中使用多层人工神经网络（Artificial Neural Networks）来数字化地学习数据、抽象，并执行高级任务，其性能相当甚至优于人类专家。现有的深度学习主要借助于高性能的计算机和虚拟算法，而集成电路在运算速度上的瓶颈将有可能成为限制深度学习的性能提升。最近，来自美国加州大学洛杉矶分校的研究团队提出了一种全光学的深度学习框架——衍射深度神经网络（Diffractive Deep Neural Network，D2NN），该架构采用基于深度学习算法的无源衍射层（passive diffractive layers）设计，经误差反向传播法（error back-propagation method）训练后，能够以接近光速的高速处理能力，实现多种机器学习的复杂功能。该团队采用3D打印出的D2NN光学架构，实现了手写数字和时尚产品的图像分类，并且在太赫兹光谱下实现成像功能。该研究所提出的全光学深度学习框架，可以在光速下执行基于计算机的神经网络可以实现的各种复杂功能，并且可以在全光学图像分析、特征检测和物体分类中得以应用，同时还可以完成新型相机的设计，制造出实现深度学习任务的光学元件。相关工作发表在近期的《Science》杂志上。

文章链接：Xing Lin, Yair Rivenson, Nezih T. Yardimci, Muhammed Veli, Yi Luo, Mona Jarrahi, Aydogan Ozcan, All-optical machine learning using diffractive deep neural networks, Science, published online 26 JUL 2018. DOI: 10.1126/science.aat8084.

2、PRL：非线性超表面的非对称空间光传输

从声音到光波，普通材料中的波的传播过程通常是双向对称的，即向前和向后传播的性质完全相同的。然而，为了降低激光器的背向反射干扰，或实现光通信技术中的光信号切换和调制要求，往往需要光波具有非对称的传输特性（asymmetric transport）。在电子学中，电子的非对称传输是非常容易实现的，如二极管；而在光学系统中，传统的方法是很难实现光波这一玻色子（Boson）的非对称传输，特别是自由空间（free-space）中的光。最近，来自美国加州大学伯克利分校的张翔教授课题组报道了自由空间光在非线性超表面（nonlinear metasurface）上所发生的传输和反射的非对称传输。他们从理论上推导出非线性广义Snell定律，并通过反常的非线性折射和反射实验现象来证实所提出的定律。他们通过反向传播路径（reversed propagation path）的概念，展示了超薄非线性界面处的光学非对称传输现象。这为设计自由空间中的超薄、超轻光学器件开辟了一个新的范例，其单向传输特性有助于实现新一代光学阀（optical valve）和“光二极管”器件。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Nir Shitrit, Jeongmin Kim, David S. Barth, Hamidreza Ramezani, Yuan Wang, and Xiang Zhang, Asymmetric Free-Space Light Transport at Nonlinear Metasurfaces, Phys. Rev. Lett. 121, 046101 – Published 24 July 2018.

3、PRL：声子的单模波导

光学波导（optical waveguide），也就是我们熟悉的光纤，是现代通讯技术的基础，承载了大量的互联网信息并实现信息的高速传播。与之对应的声子（Phonons）却在现有的信息传递技术中鲜有应用，往往只被认为是热能的主要载流子。考虑到声子独特的耦合和相干特性，声子波导（phonon waveguide）将有可能在纳米尺度的信号传输和量子信息处理等方面展现出不可替代的优势。最近，来自美国斯坦福大学的研究团队在硅芯片表面，通过图案化设计和实验展示了单模的声子波导（Single-Mode Phononic Waveguide），即只允许一种声子模式的传导通道，实现了毫米量级的相干声子传输（coherent phonon transport）。在实验中，研究人员通过将声子波导与光机械换能器（optomechanical transducer）的强耦合，利用光学方法来表征声子波导的单模传输特征。该研究得到的单模声子波导是一种在芯片上操纵信息和能量的新方法，是实现片上声子网络（on-chip phonon networks）的重要一步，可使得声子在节点之间传输实现量子通信。相关内容发表在最近的《Physical Review Letters》上。

文章链接：Rishi N. Patel, Zhaoyou Wang, Wentao Jiang, Christopher J. Sarabalis, Jeff T. Hill, and Amir H. Safavi-Naeini, Single-Mode Phononic Wire, Phys. Rev. Lett. 121, 040501 – Published 24 July 2018.

4、Laser & Photonics Rev.：近红外超吸收的全介电超表面

半导体的近红外吸收（Near‐Infrared Absorbing）可有助于实现高效的光电器件，如传感器、光电探测器和热光伏系统，引起了科研和工程界越来越多的关注。其中，光学薄层中的强吸收能够减少光-电载流子的响应时间、提高载流子的提取效率，有利于实现高速、高灵敏度的近红外光探测器件。然而，有理论预言：单一的超薄半导体薄膜的吸收效率不会超过50％。最近，来自浙江大学的李强教授和仇旻教授课题组从理论和实验上提出了适用于近红外波段（800-1600 nm）的锗基全介质超表面吸收体（all‐dielectric germanium metasurface absorber）。在这是一种亚波长的（仅为0.13波长）超薄纳米结构，但却可以在特定波长实现接近100%的理论吸收效率。研究人员指出，这种超吸收现象主要是基于每个背向基元内同时激发的电偶极子之间的相消干涉，同时还伴随着散射场与入射光场之间的相消干涉。这种超材料的光学吸收响应是偏振无关、对入射角度不敏感，在入射角为28°时的吸收率超过了80％。这种超薄的、灵活的设计有助于研制下一代光电器件，为实现高速光子探测和高效率的能量采集铺平了道路。相关研究发表在近期的《Laser & Photonics Reviews》上。

文章链接：Jingyi Tian, Hao Luo, Qiang Li, Xuelu Pei, Kaikai Du, Min Qiu, Near‐Infrared Super‐Absorbing All‐Dielectric Metasurface Based on Single‐Layer Germanium Nanostructures, Laser & Photonics Reviews, First published: 25 July 2018 https://doi.org/10.1002/lpor.201800076.

5、Light: Sci. & Appl.：基于光子晶体的集成激光器——波长稳定与调控

芯片级的激光器是许多应用领域的关键元件，如数据通信（尤其是波分复用WDM系统）、光学传感器（痕量气体检测）等。通常，集成激光器是采用III-V族半导体材料与硅材料的异质或混合集成，这已经在许多实际场合中得以应用。然而，目前许多硅片集成的激光器仍然难以在50°C以上的温度下工作，这不利于器件的低成本和简易化。非制冷操作是成本敏感型应用的先决条件。此外，在一定的环境温度下，激光波长的精确控制是波分复用和光学传感系统的关键需求。近日，来自爱尔兰、苏格兰和俄罗斯的科学家提出了一种混合的硅基光子学（silicon photonics）器件兼容的光子晶体（photonic crystal，PhC）激光器架构，可用于实现具有高边模抑制比（side-mode suppression ratio）和毫瓦级功率输出的芯片级激光，同时兼具经济性和高容量。基于硅基光子晶体腔的反射型滤波器，研究人员可以方便地调控激光的波长，而增益介质是基于III-V族半导体的反射型光学放大器。在激光器的高Q因子光子晶体腔中，极高的光功率密度将显著增强硅材料的非线性吸收效应，而以这种方式产生的热量将在波长选择的激光组件中产生调谐效应，可以用于抵消外部温度波动的影响，从而不需要额外使用主动冷却装置。该方法与现有的硅基光子学器件技术完全兼容，并为波长敏感应用中的集成激光提供了实用的解决方案。相关研究发表在近期的《Light: Science & Applications》上。

文章链接：Andrei P. Bakoz, Alexandros A. Liles, Alfredo A. Gonzalez-Fernandez, Tatiana Habruseva, Changyu Hu, Evgeny A. Viktorov, Stephen P. Hegarty & Liam O’Faolain, Wavelength stability in a hybrid photonic crystal laser through controlled nonlinear absorptive heating in the reflector, Light: Science & Applications 7, Article number: 39 (2018).

6、NC：液晶中的三维光孤子

液晶（Liquid Crystal）是一种能够调控光场偏振特性的功能材料，在显示屏、电光调制器等方面有着重要的应用。其中，向列型（nematic）液晶的分子受到电场的诱导，会发生集体重新定向（collective reorientation），这种重新取向在整个电极区域上几乎是均匀的，并且可以进行周期性的调制。但是，截至目前为止，很少有研究能够在液晶中产生三维空间上局域的孤立波（solitary wave）——光孤子（soliton），这种波的传播特性更多地体现出“粒子”的特征。最近，来自美国肯特州立大学的Oleg D. Lavrentovich教授课题组证明了利用交变电场调制，可以在向列型液晶中产生类似于“粒子”传播的三维孤立波，可展现出“波粒二象性”（dual particle–wave character）特征。研究人员将这些孤立波称为均匀材料中的“子弹”，能够沿垂直于电场和初始排列方向高速运动，可以在宏观上“飞行”比它们自身尺寸长几千倍的距离而不弥散，在碰撞中也能存活，体现出了真正的“孤子”特性。孤子在拓扑上与均匀状态等同，并且没有静态类比（static analogs），因此表现出典型的波粒二象性。在这个研究中，孤子的形状、速度和相互作用在很大程度上取决于材料的参数，为未来的广泛研究打开了一扇新的大门。相关研究发表在近期的《Nature Communications》。

文章链接：Bing-Xiang Li, Volodymyr Borshch, Rui-Lin Xiao, Sathyanarayana Paladugu, Taras Turiv, Sergij V. Shiyanovskii & Oleg D. Lavrentovich, Electrically driven three-dimensional solitary waves as director bullets in nematic liquid crystals, Nature Communications 9, Article number: 2912 (2018).

7、NC：剪切颗粒材料的可塑性结构和拓扑性质

对于大多数的颗粒材料（Granular Materials）来说，在施加应力时会发生塑性变形、甚至流动的现象。到目前为止，颗粒材料流动行为的机理解释主要是基于宏观的经验本构关系，这些可塑性特征的结构基础和拓扑学解释尚未明确。最近，来自上海交通大学的王宇杰教授课题组、张洁副教授、洪亮副教授，以及中科院上海应用物理所的肖体乔研究员课题组、法国蒙彼利埃大学的Walter Kob教授，使用同步加速器X射线断层扫描技术，跟踪剪切形变下的三维颗粒材料的结构演变，并对其内在的拓扑学机制进行了研究。经过实验分析，确定高度扭曲的共面四面体（coplanar tetrahedra）是造成无序颗粒填料（disordered granular packings）微观塑性的结构缺陷。这一基本的塑性过程通过翻转运动发生的，对应于共面四面体中的邻近切换过程（或等效地视为4-ring的旋转运动）。这些塑形变形在空间上是离散的，并且相对于主应力方向具有特定的空间取向。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Yixin Cao, Jindong Li, Binquan Kou, Chengjie Xia, Zhifeng Li, Rongchang Chen, Honglan Xie, Tiqiao Xiao, Walter Kob, Liang Hong, Jie Zhang & Yujie Wang, Structural and topological nature of plasticity in sheared granular materials, Nature Communications 9, Article number: 2911 (2018).

8、NC：实现非接触、可编程液体处理的数字声学流体

几十年来，科学家们一直致力于在人为干预最少的前提下，实现在紧凑型液体处理器中进行自动化反应。当前，最先进的流体处理技术，如微流体芯片（microfluidic chips）和微孔板（micro-well plates），由于表面吸附引起的污染，往往缺乏流体的可重写性（rewritability）及其相关的多途径路由（multi-path routing）和编程可重复性（re-programmability）等优势，这在很大程度上限制了芯片的处理速度和反应测试矩阵的复杂性。最近，来自杜克大学的Tony Jun Huang教授领衔的科研团队提出了一种数字声学流体（digital acoustofluidics）的非接触式液滴传输和处理技术；该技术通过声流（acoustic-streaming）引起的流体动力学陷阱（hydrodynamic traps），动态地操纵1 nL至100μL体积的液滴，所有这些都是无污染的（只有低于10-10％扩散到氟化载体油层中）和生物相容性（99.2％的细胞活力）方式。因此，数字声学流体可以在重叠的、未污染的流体路径上开展相关反应，并且可以在单个器件上执行大规模的交互矩阵。相关研究工作发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Steven Peiran Zhang, James Lata, Chuyi Chen, John Mai, Feng Guo, Zhenhua Tian, Liqiang Ren, Zhangming Mao, Po-Hsun Huang, Peng Li, Shujie Yang & Tony Jun Huang, Digital acoustofluidics enables contactless and programmable liquid handling, Nature Communications 9, Article number: 2928 (2018).

编辑：冯元会

审核： 颜 学 俊

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