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今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及超快全相干自旋转换的时间和光谱“指纹”、基于双光子聚合的超快多焦点三维纳米制造技术、低串扰弯曲光波导、有源超表面的时空光调控等敬请关注！ 索引 1、超快全相干自旋转换的时间和光谱“指纹” 2、低串扰弯曲光波导 3、紫外局部光声显微镜 4、X射线波段拓扑边界态 5、基于超构表面的无线功率传输智能工作台 6、基于双光子聚合的超快多焦点三维纳米制造技术 7、Science综述：有源超表面的时空光调控 8、基于MEMS二维光学相控阵的宽带波束调制 1、超快全相干自旋转换的时间和光谱“指纹”（Temporal and spectral fingerprints of ultrafast all-coherent spin switching） ——通过足够强的太赫兹脉冲突然改变磁各向异性，从而使自旋完全以弹道方式转换。 未来的信息技术需要更快、更低损耗的量子调控。强光场促进了该方向里程碑研究的出现，包括诱导新的物质状态、电子的弹道加速和谷赝自旋的相干翻转。这些动力学过程会留下独特的“指纹”，例如特征带隙或高次谐波辐射。技术上最重要的量子属性是自旋，以最快和最低耗散在势垒隔开的两个自旋态之间转换的方式是触发全相干进动（all-coherent precession）。皮秒电磁场的实验和理论研究表明了这种可能性，但观察实际的自旋动力学仍然遥不可及。 近期，来自德国雷根斯堡大学的研究团队发现太赫兹电磁脉冲允许在势垒上自旋的相干转向，并报道了相应的时间和光谱指纹。实验通过将反铁磁性TmFeO3（thulium orthoferrite）高质量单晶中的自旋耦合到定制天线的局部增强太赫兹电场来实现。实验对势垒上的自旋进行弹道控制以实现太赫兹驱动的稳定状态之间的转换，同时直接在飞秒尺度上观察这些动力学过程。在一皮秒的持续时间内，强烈的太赫兹脉冲突然改变磁各向异性并触发大幅度的弹道自旋运动。与数值模拟结果一致，特征相位翻转（characteristic phase flip）、集体自旋共振的非对称分裂和法拉第信号的长寿命偏移（long-lived offset）是相干自旋转换到相邻最小电势的标志。可转换态可以通过外部磁偏置来选择。反铁磁有序的Fe3+自旋通过Dzyaloshinskii-Moriya相互作用略微倾斜，导致净铁磁矩。由于磁各向异性取决于温度，自旋在T1= 80 K和T2= 90 K时经历重定向相变（reorientation phase transitions）。各向异性也可以通过太赫兹电偶极子在Tm3+电子基态的晶体场分裂态之间的跃迁来改变，其角动量通过交换和偶极相互作用与Fe3+自旋耦合。具有纳米级间隙的这种优化天线可提供104或更高的场增强因子，可由全电子芯片太赫兹源驱动，实现以太赫兹时钟速率运行且具有最低能耗的新型自旋存储器的实际应用。相关研究发表在近期的《Nature》杂志上。 文章链接： S. Schlauderer, C. Lange, S. Baierl, et al. Temporal and spectral fingerprints of ultrafast all-coherent spin switching, Nature 569: 383–387 (2019). https:///10.1038/s41586-019-1174-7 2、低串扰弯曲光波导 在当今的高性能计算机和数据中心中，光互连能够满足高带宽需求并实现指数级数据增长，因而具有举足轻重的地位。光纤中的空分复用（SDM）有望成为打破光互连容量限制的新技术。未来，光互连有望部署在芯片级器件上，基于平行波导通道的片上SDM可能为实现所需的大带宽提供有用的解决方案。波导弯曲是提供光信号灵活调控的关键。具有亚波长间距和低串扰的波导超晶格可以显著提高波导集成密度，有利于许多芯片级应用的开发。这种高密度波导超晶格的弯曲是实现柔性光信号调制的必要条件。然而，多模弯曲波导的一个关键难题是自身的紧密弯曲往往会在导模之间引起高串扰。 近日，来自新泽西州立大学罗格斯分校的研究人员探讨了亚波长间距下超晶格弯曲波导中的导光和耦合机制，并分析了弯曲是如何通过各种物理效应进一步影响超晶格模式的各种参数。特别地，弯曲可以改变波导超晶格中的相位失配，有时会产生近相位匹配条件，并在非最近邻之间产生明显的串扰峰值。有趣的是，相位失配较少的波导超晶格对这种相位失配的偏斜可能更加抗扰动，并且可以抑制10db的串扰峰值。研究人员证明了半径为5-15μm、亚波长间距的弯曲波导，其串扰小于−19.5db。研究人员还分析了弯曲超晶格波导的封装尺寸，其封装尺寸显著减小从而为芯片级应用奠定了基础。 文章链接： Robert Gatdula, Siamak Abbaslou, Ming Lu, Aaron Stein, and Wei Jiang, 'Guiding light in bent waveguide superlattices with low crosstalk,' Optica 6, 585-591 (2019) 3、紫外局部光声显微镜：助力生物组织高分辨率、高对比度中红外成像 中红外(MIR)显微镜能够获取没有被染色的生物样品丰富的化学和结构信息。作为一种振动成像模式，MIR显微技术在材料特性分析和无标记的组织学分析等领域已被广泛应用。在过去的20多年里，MIR显微镜的灵敏度和成像速度都有了显著的提高，但其在生物医学应用中仍然面临着一些问题。首先，传统的透射MIR显微镜只能用于干燥或者薄的样品成像，这需要复杂而耗时的样品制备工作。另外，在通常使用透镜的数值孔径为0.5的情况下，横向分辨率受衍射极限的限制，其分辨极限大约为MIR的波长。此外，在新鲜的生物样品中，普遍存在较强的MIR吸水性，从而导致高背景噪声以及低成像对比度。目前有，研究人员已经通过各种各样的技术对MIR显微镜进行了改进。衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)显微光谱成像是目前广泛应用的一种标准技术，可以在反射模式下测量新鲜生物样品，提高了空间分辨率，但由于使用了倏逝波，其穿透深度仅为1-2μm。原子力显微镜(AFM)通过检测MIR激光吸收引起的热膨胀、光散射或力，实现了纳米级的分辨率,然而，表面接触或近场检测对扫描新鲜生物样品提出了挑战。 为了克服这些问题，近日，加州理工大学汪立宏等人提出了一种基于Grüneisen弛豫效应的脉冲紫外激光的光声成像方法。该方法实现了在紫外分辨率下对油脂和蛋白质进行MIR成像，并且很好的抑制了水的背景噪声干扰，至少比MIR衍射极限提升了一个数量级。同时研究人员也对厚的脑切片进行研究，充分证明了该方法的鲁棒性。总的来说，他们的方法提供了便捷的高分辨率、高对比度MIR成像，可以帮助分析诊断新鲜生物样本。作者表示，该方法可以进一步拓展，通过改变探针的波长到X射线波长范围来获得纳米级无标记远场化学成像。相关研究成果近期发表在《Nature Photonics》上。 文章链接： Junhui Shi,Terence T.W.Wong,Yun He et al. High-resolution, high-contrast mid-infrared imaging of fresh biological samples with ultraviolet-localized photoacoustic microscopy. Nature Photonics (2019). https:///10.1038/s41566-019-0441-3. 4、X射线波段拓扑边界态 对于拓扑特性的探索已经成为从电子学到光子学、声学和力学等各个领域深入研究的主题。在过去几年中，类似于电子拓扑绝缘体的光子拓扑绝缘体正在迅速发展，从而提供了电磁波操控的新途径。早期的研究主要集中在低频微波波段，这个波段的光子系统包括旋磁材料、双各向异性超材料和耦合谐振器波导等，具有相对较大的物理尺寸。 最近，基于介电光子晶体（PC），在可见光波段实现了光学绝缘体。光子拓扑绝缘体最显著的特性是光传播和发射可以有一定的拓扑保护。因此，光子拓扑绝缘体有助于设计能够抵抗无序和波动的新型光子器件，用于分光，单向传播等。另一方面，短波光学，特别是在X射线领域，由于其在空间，光谱和时域中的高分辨率等独特优势，被广泛应用于显微镜、光谱学和超快动力学等。 随着新一代高亮度和高度相干的X射线源的出现，例如基于实验室的等离子体源、高次谐波产生和基于加速器的大型设施，X射线科学和技术的优势得到进一步促进。为了实现强大的X射线工具，需要具有柔性功能的新型光学器件用以反射、聚焦和X射线束整形。然而，短波长要求光学器件的结构尺寸处于波长水平，即纳米级。例如，在水窗显微镜或同步加速器光束线中使用的X射线多层反射镜通常需要2-5nm的超短层周期。为了实现宽带角度或光谱响应，需要具有渐变厚度的非周期性多层镜。因此，X射线光学系统的制造难度和结构精度的容差远高于在可见光或更长波长带中工作的光学器件。新一代X射线源对光学特性和光学结构的精度和复杂性提出了更高的要求。鉴于X射线的快速增长应用，自然会出现一个问题：拓扑特性能否应用于X射线区域，以实现对结构扰动具有鲁棒性的新功能和设备？ 近日，来自同济大学的科研团队设计和制造了具有对称晶胞的一维（1D）光子晶体系统，其成功地展示了X射线区域中的拓扑带隙和边界态。尽管单位晶胞尺寸非常小，但这些边界态具有拓扑保护的性质并且能够抵抗特定厚度的紊乱。所展示的拓扑边界态有望促进新型X射线滤波器/单色器和量子光学器件的设计，从而使其在一定程度上抵抗结构缺陷的影响。 文章链接： Q. Huang, Z. Guo, J. Feng, C. Yu, H. Jiang, Z. Zhang, Z. Wang, and H. Chen, Laser & Photonics Reviews 0, 1800339. 5、基于超构表面的无线功率传输智能工作台 对电磁场的任意调制是从无线电到光学频率范围内研究的终极目标，超构表面因为有可能对电磁场产生深刻影响而引起了很多人的关注，已经有相关研究演示了超构表面在微波区3到可见光区宽频带的多种功能，例如首次提出了高阻抗的光波以减小天线的分布，改善辐射模式。最近，被命名为超构表面的二维人工结构的应用被拓展到更具体的领域，如增强磁共振感应成像方面。在光学领域，超构表面为平面光学，光子学铺平了道路，它可以依据目的需求来设计，取代了笨重的光学元件，如波束聚焦透镜，可调谐透镜，完美吸收器，波前调制器等。 随着移动电子设备的普及，无线电传输作为方便的充电设备，吸引力许多关注，磁谐振已经成为一个热点的研究，因为它有在中长距离安全输电的潜在能力，传统系统是由两个或两个以上具有相同谐振频率的谐振器构成，充电距离是谐振器特征尺寸的2到10倍之间，主要是因为磁场不可避免的倏逝波的衰减，而不是工程的制约。 近日，来自俄罗斯ITMO University的Mingzhao Song团队提出了基于超构表面的无线功率传输的智能工作台的概念，并且实验验证了其正确性，该结构支持无线设备近场的传播表面模式。如果将两个电子设备放置在超构表面的任意位置就可以实现有效近场耦合的实质性增强，功率传输效率可以达到80%，可以应用在消费类电子产品到电动汽车等。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。 文章链接： https://journals./prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.054046 6、基于双光子聚合的超快多焦点三维纳米制造技术 三维增材制造技术是近几十年来最重要的技术创新之一。双光子聚合(TPP)打印是目前最精确的3D打印技术，已被用于许多复杂先进的光学和纳米结构的制造，如光子晶体或微流体器件。。在TPP过程中，激光被聚焦到光敏树脂内的高度受限区域，引起非线性吸收效应，即两个或多个光子同时被聚合物分子吸收，然后聚合(固化)局部树脂使具有纳米级微结构，即体素。据现有文献，TPP的横向分辨率为达到了100 nm，轴向分辨率为300 nm。典型的TPP制造系统包括两个振镜扫描仪在X-Y平面上对激光焦点进行光栅扫描，以及一个精密XYZ位移台进行轴向扫描（速度~0.1Hz）。在打印过程中，结构是按一层一层的方式制作的，即在完成一层后，样品位移台轴向移动一定距离以完成下一层结构的加工。虽然该工艺的分辨率较高，但其加工效率受到连续激光扫描工艺的限制。尤其是当打印复杂的空心结构，如八隅体桁架或非平面结构时，这种缺点更加明显。虽然近年来，人们提出了几种并行的TPP方法来提高制造效率。但是这些方法要么局限于制造周期性的结构，要么分辨率不高。目前还没有一种高精度、高加工速度的TPP制造方法。 近日，香港中文大学Shih-Chi Chen等人设计了一种具有颠覆性的激光纳米结构制造技术，该技术基于TPP和一种超快随机存取数字微镜装置(DMD)扫描仪。利用二进制全息技术，DMD扫描仪可以同时产生并单独控制一个到几十个激光焦，从而在22.7 KHz下实现了并行纳米制造。同时通过单焦点或多焦点工艺制备了复杂的三维桁架和柴堆结构，其分辨率约为500 nm。并且该制造速度是迄今报道TPP的最高速度。该纳米制造系统可用于大规模的纳米原型制造或复杂结构的创建，如悬垂结构等，而这些结构是很难通过传统的基于光栅扫描的系统实现的，因此该研究工作给纳米增材制造领域带来了重大的影响和机遇。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。 文章链接： Qiang Geng , Dien Wang et al. Ultrafast multi-focus 3-D nano-fabrication based on two-photon polymerization. Nature Communications (2019) 10:2179. https:///10.1038/s41467-019-10249-2. 7、Science综述：有源超表面的时空光调控 光学超表面（Metasurfaces）开辟了通过空间结构材料操控光的新方法。这种平面光学元件由密集阵列的强散射金属或半导体纳米结构构成，可以引起光波的幅度、相位和偏振状态的局部变化。它们有助于放宽斯涅尔定律（Snell’s law），创建小型光学系统，执行只能通过庞大的光学元件实现的许多任务；并拓展了新的光子管理能力，包括在单个元件内实现多个光学功能、实现超高数值的孔径，以及使用超表面构建块的色散工程。 尽管超表面已经取得了许多进展，但大多数超表面都是静态的，它们的光学特性在制造过程中一成不变。受空间和时间在麦克斯韦方程中起互补作用概念的影响，超表面正朝着有源超表面器件演变。空间和时间结构材料可以带来新的物理现象，并进一步扩大了可能的应用范围。为了实现动态控制的超表面，需要在超薄材料层中实现强大且可调的光-物质相互作用。这不能仅仅依赖光学晶体或波导提供的长度和时间的相互作用，需要深入对新材料和纳米结构的研究，以增强光-物质相互作用和高度可调光学响应。 斯坦福大学Mark L. Brongersma教授组在《Science》上发表综述，讨论了创建高性能时空超表面所需的条件，并分析了它们的物理特性和提供的新应用。文中讨论涉及电气门控、光泵浦、机械驱动、激励相变、磁光效应、电化学金属化、液晶控制和纳米结构非线性等不同方法；还讨论了如何使用超表面来实现可重构器件，例如可调透镜和全息图、光学相位调制器和偏振转换器。除了这些新兴应用之外，以超快速度对超表面进行时间控制，可以解锁其静态对应物无法获得的全新物理效应。 有源超表面的应用十分广泛，包括各种可穿戴设备、自动驾驶车辆、机器人技术、增强和虚拟现实、传感、成像和显示技术。随着时空超表面新的物理效应的出现，新的基本问题也必然会出现。光的吸收、调制、荧光和热发射、频率转换和偏振转换这些非常基本的过程都可以用新的方法来处理。因此，在这些动态系统中需要重新考虑时间不变或互易系统的典型假设极限。因此，还需要科研工作者们齐心协力、高度跨学科的努力来揭示和推动这些时空结构材料能够操纵光的边界。如果实现，这些元件可以从根本上胜过具有庞大光学和机械部件的传统系统。 文章链接： Amr M. Shaltout, Vladimir M. Shalaev, Mark L. Brongersma ,Spatiotemporal light control with active metasurfaces. , Science 364, 648 (2019). DOI: 10.1126/science.aat3100 8、基于MEMS二维光学相控阵的宽带波束调制 光学相控阵（OPAs）能够通过控制二维相干发射器的相位，从而实现复杂波束整形、随机波束指向以及多目标的同步扫描和跟踪等，其功能类似于微波波段的相控阵雷达。光学相控阵具有结构紧凑、抗干扰、灵活易用等优势，从而具有广泛的应用如光探测、测距（激光雷达）、自由空间光通信、光开关、全息显示器和三维脑成像等。人们希望光学相控阵能够具有更大的阵列、更高的光学效率、更宽带的响应、更快的响应时间和大转向角等，但是在以往的研究中，还没有光学相控阵能够实现所有的理想功能。 微电子机械系统（MEMS）驱动可实现响应时间为微秒的二维光学相控阵。通常，MEMS OPA由垂直移动的“活塞”驱动器上的微振镜组成。反射波经过半波长位移的反射镜时会产生2π的相移。2d MEMS OPAs被广泛应用于紫外和近红外波段。除了快速响应时间外，MEMS OPAs还具有不依赖偏振和能够承受高光功率等优点。 近日，来自美国加利福尼亚大学等单位的联合研究团队报道了一种新型微电子机械系统（MEMS）驱动移相器的大型光学相控阵。波长非依赖的相移是通过具有横向物理移动的光栅元件来实现的。在3.1 mm×3.2 mm的孔径上，该光学相控阵有160×160个独立的移相器。它的测量光束发散度为0.042°×0.031°，视场（FOV）为6.6°×4.4°，响应时间为5.7μs。它能够在其FOV内提供约25600个快速转向点。研究人员对光栅移相器进行了优化，使其适用于1200~1700nm的近红外通信波段，光学效率达到85%。
文章链接： Youmin Wang, Guangya Zhou, Xiaosheng Zhang, Kyungmok Kwon, Pierre-A. Blanche, Nicholas Triesault, Kyoung-sik Yu, and Ming C. Wu, '2D broadband beamsteering with large-scale MEMS optical phased array,' Optica 6, 557-562 (2019).  |
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