「超材料前沿研究」一周精選-7.29

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今天我們繼續為大家帶來這一周的超材料前沿研究精選，內容涉及超表面、光子晶體、聲子晶體等，可應用於機器學習、激光器、「光二極體」、紅外吸收、微流體晶元等領域，敬請關注。

索引

1、Science：衍射深度神經網路的全光學機器學習

2、PRL：非線性超表面的非對稱空間光傳輸

3、PRL：聲子的單模波導

4、Laser & Photonics Rev.：近紅外超吸收的全介電超表面

5、Light: Sci. & Appl.：基於光子晶體的集成激光器——波長穩定與調控

6、NC：液晶中的三維光孤子

7、NC：剪切顆粒材料的可塑性結構和拓撲性質

8、NC：實現非接觸、可編程液體處理的數字聲學流體

1、Science：衍射深度神經網路的全光學機器學習

深度學習（Deep Learning）是近年來發展最快的機器學習（Machine Learning）方法之一，它在計算機中使用多層人工神經網路（Artificial Neural Networks）來數字化地學習數據、抽象，並執行高級任務，其性能相當甚至優於人類專家。現有的深度學習主要藉助於高性能的計算機和虛擬演算法，而集成電路在運算速度上的瓶頸將有可能成為限制深度學習的性能提升。最近，來自美國加州大學洛杉磯分校的研究團隊提出了一種全光學的深度學習框架——衍射深度神經網路（Diffractive Deep Neural Network，D2NN），該架構採用基於深度學習演算法的無源衍射層（passive diffractive layers）設計，經誤差反向傳播法（error back-propagation method）訓練後，能夠以接近光速的高速處理能力，實現多種機器學習的複雜功能。該團隊採用3D列印出的D2NN光學架構，實現了手寫數字和時尚產品的圖像分類，並且在太赫茲光譜下實現成像功能。該研究所提出的全光學深度學習框架，可以在光速下執行基於計算機的神經網路可以實現的各種複雜功能，並且可以在全光學圖像分析、特徵檢測和物體分類中得以應用，同時還可以完成新型相機的設計，製造出實現深度學習任務的光學元件。相關工作發表在近期的《Science》雜誌上。

文章鏈接：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：非線性超表面的非對稱空間光傳輸

從聲音到光波，普通材料中的波的傳播過程通常是雙向對稱的，即向前和向後傳播的性質完全相同的。然而，為了降低激光器的背向反射干擾，或實現光通信技術中的光信號切換和調製要求，往往需要光波具有非對稱的傳輸特性（asymmetric transport）。在電子學中，電子的非對稱傳輸是非常容易實現的，如二極體；而在光學系統中，傳統的方法是很難實現光波這一玻色子（Boson）的非對稱傳輸，特別是自由空間（free-space）中的光。最近，來自美國加州大學伯克利分校的張翔教授課題組報道了自由空間光在非線性超表面（nonlinear metasurface）上所發生的傳輸和反射的非對稱傳輸。他們從理論上推導出非線性廣義Snell定律，並通過反常的非線性折射和反射實驗現象來證實所提出的定律。他們通過反向傳播路徑（reversed propagation path）的概念，展示了超薄非線性界面處的光學非對稱傳輸現象。這為設計自由空間中的超薄、超輕光學器件開闢了一個新的範例，其單向傳輸特性有助於實現新一代光學閥（optical valve）和「光二極體」器件。相關研究發表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：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：聲子的單模波導

光學波導（optical waveguide），也就是我們熟悉的光纖，是現代通訊技術的基礎，承載了大量的互聯網信息並實現信息的高速傳播。與之對應的聲子（Phonons）卻在現有的信息傳遞技術中鮮有應用，往往只被認為是熱能的主要載流子。考慮到聲子獨特的耦合和相干特性，聲子波導（phonon waveguide）將有可能在納米尺度的信號傳輸和量子信息處理等方面展現出不可替代的優勢。最近，來自美國斯坦福大學的研究團隊在硅晶元表面，通過圖案化設計和實驗展示了單模的聲子波導（Single-Mode Phononic Waveguide），即只允許一種聲子模式的傳導通道，實現了毫米量級的相干聲子傳輸（coherent phonon transport）。在實驗中，研究人員通過將聲子波導與光機械換能器（optomechanical transducer）的強耦合，利用光學方法來表徵聲子波導的單模傳輸特徵。該研究得到的單模聲子波導是一種在晶元上操縱信息和能量的新方法，是實現片上聲子網路（on-chip phonon networks）的重要一步，可使得聲子在節點之間傳輸實現量子通信。相關內容發表在最近的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：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.：近紅外超吸收的全介電超表面

半導體的近紅外吸收（Near‐Infrared Absorbing）可有助於實現高效的光電器件，如感測器、光電探測器和熱光伏系統，引起了科研和工程界越來越多的關注。其中，光學薄層中的強吸收能夠減少光-電載流子的響應時間、提高載流子的提取效率，有利於實現高速、高靈敏度的近紅外光探測器件。然而，有理論預言：單一的超薄半導體薄膜的吸收效率不會超過50％。最近，來自浙江大學的李強教授和仇旻教授課題組從理論和實驗上提出了適用於近紅外波段（800-1600 nm）的鍺基全介質超表面吸收體（all‐dielectric germanium metasurface absorber）。在這是一種亞波長的（僅為0.13波長）超薄納米結構，但卻可以在特定波長實現接近100%的理論吸收效率。研究人員指出，這種超吸收現象主要是基於每個背向基元內同時激發的電偶極子之間的相消干涉，同時還伴隨著散射場與入射光場之間的相消干涉。這種超材料的光學吸收響應是偏振無關、對入射角度不敏感，在入射角為28°時的吸收率超過了80％。這種超薄的、靈活的設計有助於研製下一代光電器件，為實現高速光子探測和高效率的能量採集鋪平了道路。相關研究發表在近期的《Laser & Photonics Reviews》上。

文章鏈接：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.：基於光子晶體的集成激光器——波長穩定與調控

晶元級的激光器是許多應用領域的關鍵元件，如數據通信（尤其是波分復用WDM系統）、光學感測器（痕量氣體檢測）等。通常，集成激光器是採用III-V族半導體材料與硅材料的異質或混合集成，這已經在許多實際場合中得以應用。然而，目前許多矽片集成的激光器仍然難以在50°C以上的溫度下工作，這不利於器件的低成本和簡易化。非製冷操作是成本敏感型應用的先決條件。此外，在一定的環境溫度下，激光波長的精確控制是波分復用和光學感測系統的關鍵需求。近日，來自愛爾蘭、蘇格蘭和俄羅斯的科學家提出了一種混合的硅基光子學（silicon photonics）器件兼容的光子晶體（photonic crystal，PhC）激光器架構，可用於實現具有高邊模抑制比（side-mode suppression ratio）和毫瓦級功率輸出的晶元級激光，同時兼具經濟性和高容量。基於硅基光子晶體腔的反射型濾波器，研究人員可以方便地調控激光的波長，而增益介質是基於III-V族半導體的反射型光學放大器。在激光器的高Q因子光子晶體腔中，極高的光功率密度將顯著增強硅材料的非線性吸收效應，而以這種方式產生的熱量將在波長選擇的激光組件中產生調諧效應，可以用於抵消外部溫度波動的影響，從而不需要額外使用主動冷卻裝置。該方法與現有的硅基光子學器件技術完全兼容，並為波長敏感應用中的集成激光提供了實用的解決方案。相關研究發表在近期的《Light: Science & Applications》上。

文章鏈接：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：液晶中的三維光孤子

液晶（Liquid Crystal）是一種能夠調控光場偏振特性的功能材料，在顯示屏、電光調製器等方面有著重要的應用。其中，向列型（nematic）液晶的分子受到電場的誘導，會發生集體重新定向（collective reorientation），這種重新取向在整個電極區域上幾乎是均勻的，並且可以進行周期性的調製。但是，截至目前為止，很少有研究能夠在液晶中產生三維空間上局域的孤立波（solitary wave）——光孤子（soliton），這種波的傳播特性更多地體現出「粒子」的特徵。最近，來自美國肯特州立大學的Oleg D. Lavrentovich教授課題組證明了利用交變電場調製，可以在向列型液晶中產生類似於「粒子」傳播的三維孤立波，可展現出「波粒二象性」（dual particle–wave character）特徵。研究人員將這些孤立波稱為均勻材料中的「子彈」，能夠沿垂直於電場和初始排列方向高速運動，可以在宏觀上「飛行」比它們自身尺寸長几千倍的距離而不彌散，在碰撞中也能存活，體現出了真正的「孤子」特性。孤子在拓撲上與均勻狀態等同，並且沒有靜態類比（static analogs），因此表現出典型的波粒二象性。在這個研究中，孤子的形狀、速度和相互作用在很大程度上取決於材料的參數，為未來的廣泛研究打開了一扇新的大門。相關研究發表在近期的《Nature Communications》。

文章鏈接：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：剪切顆粒材料的可塑性結構和拓撲性質

對於大多數的顆粒材料（Granular Materials）來說，在施加應力時會發生塑性變形、甚至流動的現象。到目前為止，顆粒材料流動行為的機理解釋主要是基於宏觀的經驗本構關係，這些可塑性特徵的結構基礎和拓撲學解釋尚未明確。最近，來自上海交通大學的王宇傑教授課題組、張潔副教授、洪亮副教授，以及中科院上海應用物理所的肖體喬研究員課題組、法國蒙彼利埃大學的Walter Kob教授，使用同步加速器X射線斷層掃描技術，跟蹤剪切形變下的三維顆粒材料的結構演變，並對其內在的拓撲學機制進行了研究。經過實驗分析，確定高度扭曲的共面四面體（coplanar tetrahedra）是造成無序顆粒填料（disordered granular packings）微觀塑性的結構缺陷。這一基本的塑性過程通過翻轉運動發生的，對應於共面四面體中的鄰近切換過程（或等效地視為4-ring的旋轉運動）。這些塑形變形在空間上是離散的，並且相對於主應力方向具有特定的空間取向。相關研究發表在近期的《Nature Communications》上。

文章鏈接：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：實現非接觸、可編程液體處理的數字聲學流體

幾十年來，科學家們一直致力於在人為干預最少的前提下，實現在緊湊型液體處理器中進行自動化反應。當前，最先進的流體處理技術，如微流體晶元（microfluidic chips）和微孔板（micro-well plates），由於表面吸附引起的污染，往往缺乏流體的可重寫性（rewritability）及其相關的多途徑路由（multi-path routing）和編程可重複性（re-programmability）等優勢，這在很大程度上限制了晶元的處理速度和反應測試矩陣的複雜性。最近，來自杜克大學的Tony Jun Huang教授領銜的科研團隊提出了一種數字聲學流體（digital acoustofluidics）的非接觸式液滴傳輸和處理技術；該技術通過聲流（acoustic-streaming）引起的流體動力學陷阱（hydrodynamic traps），動態地操縱1 nL至100μL體積的液滴，所有這些都是無污染的（只有低於10-10％擴散到氟化載體油層中）和生物相容性（99.2％的細胞活力）方式。因此，數字聲學流體可以在重疊的、未污染的流體路徑上開展相關反應，並且可以在單個器件上執行大規模的交互矩陣。相關研究工作發表在近期的《Nature Communications》上。

文章鏈接：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).

編輯：馮元會

審核： 顏 學 俊

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