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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，内容涉及光学skyrmion晶格、负曲率光纤、光学石墨烯、等离子激元等，有望应用于光学信息系统、光通信技术、片上（on-chip）光学元件等领域，敬请关注。 索引 1、Science：倏逝电磁场中的光学skyrmion晶格 2、具有超低损耗的负曲率光纤 3、自发光子辐射和自由电子能量损失的最大化 4、纳米线几何超晶格中的Mie耦合束缚态 5、天然蚕丝的辐射冷却与安德森局域化 6、光学石墨烯结构中的Valley Landau-Zener-Bloch振荡和赝自旋非平衡 7、纳米晶格的超低导热系数和机械回弹性 8、综述：用于生命科学和医学的纳米等离子体光学天线 1、Science：倏逝电磁场中的光学skyrmion晶格 拓扑缺陷（topological defect）是一种不能被变幻成标准、平滑形状的物理场构造，在各种物理系统中起着关键作用，包括高能物理到固态物质。其中，Skyrmion是一种典型的拓扑缺陷，已经在磁存储和自旋电子学等领域显示出巨大的应用前景。最近，来自以色列理工学院的G. Bartal教授领衔的科研团队表明：倏逝电磁场（evanescent electromagnetic field）是产生光学Skyrmion晶格的一种有效途径，他们通过相位分辨的近场光学显微镜成像技术（phase-resolved near-field optical microscopy）所观测到的表面等离极化激元（surface plasmon polariton）证明了这一论点。在实验中，研究人员还向我们展示了光学Skyrmion晶格是如何表现出对缺陷的鲁棒性（robustness），同时晶格中的拓扑畴壁（topological domain wall）可以发射连续调制，可将skyrmion晶体的空间结构从气泡型（bubble-type）变为Néel型。这一研究将skyrmion研究扩展到光子系统，为光学信息处理、传输和存储中的应用提供了多种可能性。相关工作发表在近期的《Science》杂志上。 文章链接：S. Tsesses et al., Optical skyrmion lattice in evanescent electromagnetic fields, Science, 10.1126/science.aau0227 (2018). 2、具有超低损耗的负曲率光纤 当前，以5G技术为代表的信息爆炸时代方兴未艾，人们对高带宽、大容量的数据传输需求日益增长，迫切需要发展下一代的光纤通讯技术。其中，人们希望信息通道——光纤能够最大限度地减少非线性损失和色散，并使得信号发射功率最大化，以满足长距离、大数据量的通信要求。近年来，空芯光纤（Hollow-core fibre，HCF）能够突破传统光纤中的非线性Shannon极限，并满足上述所有的性能提升需求；但是，在将其考虑用于大容量通信系统之前，其光学性能需要得到进一步的优化升级。最近，来自北京工业大学的汪滢莹副研究员、王璞教授等人领导的科研团队，联合中科院物理所的研究人员报道了一种新型空芯光纤，其光纤包层中具有互联管道（conjoined-tube）和负曲率的光芯形状。经特殊结构设计的光纤在1512 nm处的最小传输损耗为2 dB/km，在跨越O/E/S/C/L通信波段（1302-1637 nm）中的带宽展宽（bandwidth spanning）<16>。该空芯光纤具有超低损耗、宽带宽、低弯曲损耗、高模式质量和简单结构等综合优势，在下一代的通信技术中将有可能发挥巨大的应用价值。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。 文章链接：Shou-fei Gao, Ying-ying Wang, Wei Ding, Dong-liang Jiang, Shuai Gu, Xin Zhang & Pu Wang, Hollow-core conjoined-tube negative-curvature fibre with ultralow loss, Nature Communications (2018) 9:2828 DOI: 10.1038/s41467-018-05225-1. 3、自发光子辐射和自由电子能量损失的最大化 自由电子辐射（Free-electron radiation），如Cerenkov辐射和Smith-Purcell辐射，受到了结构光学环境（structured optical environment）的极大影响，这已经在各种极化子（polaritonic）、光子晶体（photonic-crystal）和超材料（metamaterial）体系中得以证明。然而，从任意材料结构附近的自由电子中所提取的辐射剂量仍然是难以确定的，这给未来自由电子辐射的高效利用带来了障碍。最近，来自美国麻省理工学院、耶鲁大学和以色列理工学院的研究团队通过理论计算，得出了在任意几何形状中的自发光子发射（spontaneous photon emission）和自由电子能量损失的理论上限，同时揭示了材料特性和电子速度的影响。他们在金纳米“领结型”天线和一维金光栅结构中，通过Smith-Purcell辐射的定量测量，获得了支持该理论的实验证据。这一理论框架可以衍生出两个重要预测：其一是新的亚波长分离（subwavelength separation）的辐射操作方式，较慢的电子（非相对论范畴）可以实现比高速电子（相对论范畴）更强的辐射；其二是无损耗材料极限下的辐射概率（emission probability）的差异。进一步研究揭示出这种差异可以通过将自由电子耦合到连续体中的光子束缚态（photonic bound states）来实现。研究结果表明，不需要加载超高的加速电压，就可以实现从微波到软X射线辐射的紧凑、高效的自由电子辐射源。相关研究发表在近期的《Nature Physics》上。 文章链接：Yi Yang, Aviram Massuda, Charles Roques-Carmes, Steven E. Kooi, Thomas Christensen, Steven G. Johnson, John D. Joannopoulos, Owen D. Miller, Ido Kaminer and Marin Soljačić, Nature Physics, 2018. https:///10.1038/s41567-018-0180-2. 4、纳米线几何超晶格中的Mie耦合束缚态 在未来的计算技术中，现有的电子计算机很有可能被“全光学计算”取代，相应的关键组件包括微型光波导和窄带宽可控的光学耦合器。纳米线一般指直径在100纳米以下的一维线状结构，是实现纳米级光波导的理想体系之一；但由于目前缺乏具有频带选择性的整体耦合方案，它们的实际应用受到了较大的限制。最近，来自北卡罗来纳大学教堂山分校和韩国高丽大学的研究团队介绍了一种纳米线几何超晶格材料（geometric superlattice），它通过Mie共振与束缚导波态（bound-guided state）的耦合，在硅纳米线中实现窄带宽的光学导波。在纳米线中，周期性的直径调制（diameter modulation）产生了Mie束缚态耦合的激发，表现出一种散射暗态（dark state），并且在发生Mie共振时出现显著的散射下降。该研究实现了从可见光到近红外的可调谐耦合模式，其频率主要由几何超晶格的周期间距决定。使用几何超晶格与微型光波导系统的集成，研究人员展示了通信波段的光谱选择性光波导、光开关以及光传感，为下一步设计片上（on-chip）光学元件提供了可行的研究思路。相关工作发表在近期的《Nature Communications》上。 文章链接：Seokhyoung Kim, Kyoung-Ho Kim, David J. Hill, Hong-Gyu Park & James F. Cahoon, Nature Communications, (2018) 9:2781 DOI: 10.1038/s41467-018-05224-2. 5、天然蚕丝的辐射冷却与安德森局域化 当前正值高温酷暑，空调已经成为人们消暑降温的必备。然而，常规空调的电力消耗非常惊人，每年都会对我国的供电系统造成极大的电力负担。近年来，科学家研究发现借助“辐射冷却”（radiative cooling）机理，可以制造出一种不需要任何电力就可以给房间降温的材料。这种辐射冷却材料的基本原理是：它能够将房间内的大部分红外热辐射“散发”到房间外，同时也能够将大部分的太阳光能量“挡住”、无法进入房间，从而使得更多的热传递到房间外部、达到降温的目的。最近，来自美国哥伦比亚大学的助理教授余楠方（Nanfang Yu）领衔的科研团队，包括布鲁克海文国家实验室、哈佛大学和华盛顿大学的研究人员，在蚕丝纤维中发现了天然的辐射冷却现象，这与其一维纳米结构的独特光学特性有关。在天然蚕丝纤维的横截面上，填充有随机分布的高密度空气孔隙（air voids）；这些丝状孔隙能够强烈地散射太阳光谱中的光，厚度约为50微米的单根蚕丝纤维可以反射66％的太阳入射光，而纤维在中红外波段的发射率达到0.88，从而成为了一种有效的辐射冷却装置。研究人员从这些天然的辐射冷却纤维中汲取灵感，通过湿法纺丝制造出基于再生丝素蛋白（regenerated silk fibroin）和聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride）的仿生纳米结构纤维。光学表征表明，这些纤维在辐射冷却应用中表现出优异的辐射冷却性能：纳米结构的再生丝纤维拥有0.73的太阳能反射率和0.90的热发射率，聚偏二氟乙烯纤维提供了0.93的太阳能反射率和0.91的热发射率。更有趣的是，丝状空气孔隙导致了高度定向的光学散射，它不仅使纤维具有高反射光泽，还在横向上产生安德森局域（Anderson localization）、引导光学模式沿纤维方向传播。这一发现开辟了使用天然蚕丝纤维作为光学信号和图像传输的应用，在生物相容性和生物可吸收性能等方面具有独到的优势。相关工作发表在近期的《Light: Science & Applications》上。 文章链接：Norman Nan Shi, Cheng-Chia Tsai, Michael J. Carter, Jyotirmoy Mandal, Adam C. Overvig, Matthew Y. Sfeir, Ming Lu, Catherine L. Craig, Gary D. Bernard, Yuan Yang and Nanfang Yu, Nanostructured fibers as a versatile photonic platform: radiative cooling and waveguiding through transverse Anderson localization, Light: Science & Applications (2018) 7:37. DOI 10.1038/s41377-018-0033-x. 6、光学石墨烯结构中的Valley Landau-Zener-Bloch振荡和赝自旋非平衡 数十年来，布洛赫振荡（Bloch oscillation）和Landau-Zener隧穿一直是量子力学体系中最为基本的现象，在半导体超晶格、冷原子体系、玻色-爱因斯坦凝聚、光子学和等离激元波导阵列中都已经观测到这两种现象。近年来，相关研究又转移到了石墨烯、拓扑绝缘体（topological insulator）这一类具有狄拉克线性色散的体系，其与狄拉克点、拓扑相变之间的内在联系引起了科学家的极大兴趣。近日，来自美国旧金山州立大学的陈志刚教授课题组、同济大学的陈鸿教授、韩国基础科学研究所的Daniel Leykam以及新加坡南洋理工大学的Y. D. Chong在具有折射率梯度的光学诱导蜂窝晶格中（即光学石墨烯），展示了间隔性布洛赫振荡（intervalley Bloch oscillation）和Landau-Zener隧穿现象。与先前在有间隙正方晶格中观察到的布洛赫振荡不同，这里所展示出的非绝热光束动力学（nonadiabatic beam dynamics）现象，对折射率梯度的方向和狄拉克锥体具有高度的敏感性。特别地，受对称性保护的势能（symmetry-preserving potential）导致了在不等价谷之间存在几乎完美的Landau-Zener隧穿和相干布洛赫振荡；反之，对称性破坏的势能产生了不非对称散射、不完美的Landau-Zener隧穿和因赝自旋（pseudospin）非平衡导致的谷态敏感的涡流（vortices）。这表明：在Dirac点附近，横向梯度并不总是像通常假设的那样充当简单的标量力（scalar force），并且隧穿几率受到了子晶格对称性的强烈影响。研究结果说明了在其他的各向同性狄拉克体系中，作为强驱动场的实空间势能可以产生各向异性的响应，这对于“类石墨烯”系统中操纵赝自旋和谷自由度有着重要的指导意义。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。 文章链接：Yong Sun, Daniel Leykam, Stephen Nenni, Daohong Song, Hong Chen, Y. D. Chong, and Zhigang Chen, Observation of Valley Landau-Zener-Bloch Oscillations and Pseudospin Imbalance in Photonic Graphene, Physical Review Letters 121, 033904 (2018). 7、纳米晶格的超低导热系数和机械回弹性 在材料科学领域，“鱼和熊掌不可兼得”这样的案例屡见不鲜，不同性能之间的关联和矛盾往往成为制约材料大规模应用的关键因素。例如，在隔热保温中有着重要应用的多孔材料具有较低的热导率（thermal conductivity），但是往往也具有较差的弹性模量（elastic modulus），不利于其在实际应用场合中的力学强度需求。因此，创造出同时具有超低导热性、高刚度和损伤容限（damage tolerance）的材料是具有挑战性的，但也具有具有的实际应用价值。纳米晶格（Nanolattices）具有分层设计（hierarchical design）和纳米级特征，在一定程度上可以填补上述的“属性盲区”。近日，来自美国加州理工学院的Austin J. Minnich课题组报道了一种octet-truss结构，它是由24-182纳米厚的空心氧化铝梁结构组成，在室温下实现了低至0.002 W/(m·K)的超低热导率，同时保持了0.3-3 MPa kg-1m3的比强度（specific stiffness），还具有从大的变形中恢复的奇特能力。这些纳米材料具有与气凝胶相同的超低热导率，同时获得了高出近2个数量级的比弹性模量。这一研究工作展示了该材料体系实现多功能材料的途径，达到了常规材料属性所不具备的综合优化性能。相关工作发表在近期的《Nano Letters》上。 文章链接：Nicholas G. Dou, Robert A. Jagt, Carlos M. Portela, Julia R. Greer, and Austin J. Minnich, Ultralow Thermal Conductivity and Mechanical Resilience of Architected Nanolattices, Nano Lett. 2018. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01191. 8、综述：用于生命科学和医学的纳米等离子体光学天线 表面等离激元（Surface Plasmons）是一种在金属纳米粒子或纳米结构表面由光诱导的电子集体振荡模式，可广泛应用于集成光子学、光学检测、传感、亚波长分辨成像等领域。近年来，科学家们将这种纳米等离激元（nanoplasmonic）光学天线与生物体系有机结合，以回答生命科学中的各种问题，并解决医学转化中的各种问题。特别的是，纳米等离激元为细胞深入探索、基因传递和调节，以及快速精准的分子诊断提供了常规方法难以企及的洞察力和解决方案。近日，来自新加坡国立大学的Hongbao Xin、Bumseok Namgung和Luke P. Lee在著名综述类专刊《Nature Reviews Materials》上发表长篇综述，系统回顾了用于体外和体内应用的纳米等离激元光学天线（nanoplasmonic optical antennas）的发展历程。该文章评估了光学纳米等离激元天线用于活细胞中mRNA的光学检测和体内分子成像的用途，同时还讨论了用于体内基因传递的纳米等离激元光学天线和基因电路（gene circuit）的光学控制。最后，文章重点介绍了基于纳米等离激元的分子诊断系统在超快精准医学（ultrafast precision medicine）中的应用。 文章链接：Hongbao Xin, Bumseok Namgung and Luke P. Lee, Nanoplasmonic optical antennas for life sciences and medicine, Nature Reviews Materials, 2018. https:///10.1038/s41578-018-0033-8.
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