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一、加州理工學(xué)院郭秋實(shí)Science：納米光子鈮酸鋰中的超快鎖模激光器

研究顯示，鎖模激光器（MLLs）產(chǎn)生的超短脈沖的峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其平均功率。然而，驅(qū)動(dòng)超快納米光子電路的集成MLLs仍然難以捉摸，其典型的低峰值功率缺乏可控性，以及與納米光子平臺(tái)集成時(shí)的挑戰(zhàn)。

在此，美國加州理工學(xué)院郭秋實(shí)和Alireza Marandi等人演示了一種電泵浦的納米光子學(xué)鈮酸鋰中的MLL與III-V半導(dǎo)體光放大器的混合集成，其MLL以~10 GHz的重復(fù)頻率在1065 nm左右產(chǎn)生~4.8-ps的光脈沖，能量超過2.6 pJ，峰值功率超過0.5 W。通過使用驅(qū)動(dòng)頻率和泵浦電流，輸出的重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率可以在大范圍內(nèi)控制，為完全穩(wěn)定的片上激光頻率梳提供路徑。

相關(guān)文章以“Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate”為題發(fā)表在Science上，并被選為本期Science封面！

研究內(nèi)容

鎖模激光器（MLLs）可在皮秒和飛秒時(shí)間尺度上產(chǎn)生強(qiáng)烈且相干的超短光脈沖，使光子學(xué)領(lǐng)域的許多科學(xué)和技術(shù)成為可能，例如極端非線性光學(xué)、超連續(xù)譜生成、光學(xué)原子鐘、光學(xué)頻率梳、生物成像和光子計(jì)算。當(dāng)今最先進(jìn)的MLL基于分立光纖和自由空間光學(xué)元件，價(jià)格昂貴、功率要求高且體積龐大。在集成光子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)MLL有望廣泛使用目前僅限于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的超快光子系統(tǒng)。然而，集成式MLL的性能無法與同類產(chǎn)品相提并論，缺乏片上超快光學(xué)系統(tǒng)所需的峰值強(qiáng)度和可控性。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)在于在集成光子平臺(tái)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)大激光增益和高效的鎖模機(jī)制。盡管III-V族半導(dǎo)體增益介質(zhì)可以采用電泵浦，并且每單位長度具有非常高的增益和高飽和功率，但在同一半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)鎖模和短脈沖產(chǎn)生的傳統(tǒng)方法需要較窄的泵浦電流范圍，從而大大限制了輸出功率和集成MLL的可調(diào)性。

圖1. 集成主動(dòng)式MLL激光器的原理與設(shè)計(jì)

圖2.?在TFLN上集成了主動(dòng)式MLL激光器

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj5438

二、Chi Yan Tso和王鉆開教授Science：具有高太陽反射率的分層結(jié)構(gòu)被動(dòng)輻射冷卻陶瓷

基于納米光子結(jié)構(gòu)的被動(dòng)輻射冷卻受到其高成本和與現(xiàn)有終端用途的兼容性差的限制，而聚合物光子替代品缺乏耐候性和有效的太陽反射。

在此，香港城市大學(xué)Chi Yan Tso教授和香港理工大學(xué)王鉆開教授等人開發(fā)了一種可以實(shí)現(xiàn)高效光散射和接近完美的太陽99.6%的反射率，再加上較高的熱發(fā)射率，使陶瓷能夠在室外環(huán)境中提供持續(xù)的亞環(huán)境冷卻，在中午的冷卻功率為每平方米130瓦，展示了在全球范圍內(nèi)的節(jié)能潛力。顏色、耐候性、機(jī)械堅(jiān)固性和抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)的能力是確保冷卻陶瓷耐用和多用途的關(guān)鍵特性，從而促進(jìn)其在各種應(yīng)用中的商業(yè)化，特別是商業(yè)化建筑。

相關(guān)文章以“Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity”為題發(fā)表在Science上。

研究內(nèi)容

用于冷卻的能量繼續(xù)上升。在過去的30年里，空間冷卻產(chǎn)生的二氧化碳排放量增加了一倍多，達(dá)到近10億噸。不幸的是，冷卻系統(tǒng)的碳足跡導(dǎo)致了全球變暖，造成了一個(gè)惡性循環(huán)，進(jìn)一步加劇了對(duì)空調(diào)的需求。為了緩解這些環(huán)境問題，人們已經(jīng)利用了可再生能源，如風(fēng)能、潮汐能和太陽能，來滿足不斷增長的能源需求。然而，這些能源系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施需要大量的土地使用和昂貴的安裝。相比之下，被動(dòng)輻射冷卻（PRC）是表面使用低溫宇宙作為散熱的天然散熱器，為能量傳輸和空間冷卻提供了能量中性解決方案。

近幾十年來，具有亞波長尺度尺寸的各種光子結(jié)構(gòu)的輻射冷卻系統(tǒng)（冷卻器）被設(shè)計(jì)用于調(diào)整熱光譜。雖然定制的長波紅外光譜有助于抑制大氣輻射的熱量增加，但熱選擇性的復(fù)雜材料組成犧牲了太陽反射率（R_solar）。此外，盡管這些設(shè)計(jì)可以很容易地實(shí)現(xiàn)夜間較深的亞環(huán)境冷卻，但它們很難在白天的高冷卻需求的時(shí)期產(chǎn)生冷卻。大氣窗口（AW）透射率（t_AW）是冷卻器和輻射傳熱的唯一途徑，它受到當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的高度影響。另一方面，由于太陽（5800 K）發(fā)出的電磁輻射強(qiáng)度比室溫物體（288 K）高11個(gè)數(shù)量級(jí)，因此太陽輻射主導(dǎo)了白天冷卻器的輻射熱交換。

Cyphochilus作為一種原產(chǎn)于東南亞的甲蟲，是地球上已知最白的昆蟲。作者從這種甲蟲錯(cuò)綜復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)中學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固的陶瓷式冷卻器。在對(duì)甲蟲鱗片散射系統(tǒng)的研究的基礎(chǔ)上，本文的冷卻陶瓷被設(shè)計(jì)為具有多級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了近乎理想的R_Solar。該冷卻器易于制造，既不需要精密儀器，也不需要細(xì)致的參數(shù)調(diào)節(jié)，并且具有出色的日間冷卻性能，從而降低了室內(nèi)冷卻的能耗。

圖1. 白色的甲蟲

圖2. 工程分層多孔冷卻陶瓷

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi4725

三、美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授Science：一種溶液處理的輻射冷卻玻璃

通過反射太陽光和發(fā)射長波紅外線（LWIR）輻射到寒冷的宇宙（~3開爾文），被動(dòng)的日間輻射冷卻材料可以將建筑冷卻所需的能量降低至60%。然而，開發(fā)既實(shí)用和應(yīng)用又能顯示長期環(huán)境穩(wěn)定性的被動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)是具有挑戰(zhàn)性的。

在此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授等人開發(fā)了一種隨機(jī)光子復(fù)合材料，該復(fù)合材料由微孔玻璃框架組成，框架具有選擇性的長波紅外發(fā)射以及相對(duì)較高的太陽反射率和氧化鋁顆粒，可強(qiáng)烈散射陽光并防止多孔結(jié)構(gòu)在制造過程中致密化。這種微孔玻璃涂層可以使即使在中午和夜間的高濕度條件下（高達(dá)80%），其溫度下降的值分別為3.5°和4°C。這種輻射性的“冷卻玻璃”涂層即使暴露在惡劣的條件下，包括水、紫外線輻射、污染和高溫下，也能保持較高的太陽反射率。

相關(guān)文章以“A solution-processed radiative cooling glass”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

全球每年約10%的電力使用用于建筑的空調(diào)，預(yù)計(jì)到2050年冷卻需求將增加兩倍，需要不同的方法來減輕電網(wǎng)的壓力和對(duì)抗全球變暖。被動(dòng)日間輻射冷卻技術(shù)可以通過在建筑外殼上反射>90%的太陽輻射，并將熱量通過大氣透明窗口（8到13毫米）作為長波紅外（LWIR）光進(jìn)入寒冷的宇宙（~3 K），以實(shí)現(xiàn)亞環(huán)境溫度。除了建筑使用，被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)還可以有利于太陽能電池、發(fā)電廠冷凝器、用于個(gè)人熱舒適的高性能紡織品、收集露水和減緩冰川融化。其中，基于納米光子結(jié)構(gòu)的被動(dòng)輻射冷卻方法（如復(fù)合陶瓷和金屬）已經(jīng)被證明有效。然而，這種結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的納米級(jí)精度的制造技術(shù)（通常是在真空室中），這使得它們難以擴(kuò)展和昂貴，特別是在建筑應(yīng)用中。

作者設(shè)計(jì)并演示了一種“冷卻玻璃”的溶液處理涂層，該涂層解決了聚合物和金屬基輻射冷卻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在環(huán)境條件下穩(wěn)定，可擴(kuò)展，低成本，同時(shí)展示了優(yōu)異的被動(dòng)冷卻性能。

圖1. 一種用于日間被動(dòng)輻射冷卻的環(huán)境穩(wěn)定的玻璃涂層

圖2. 輻射冷卻玻璃涂層的制作和形貌

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2224

四、東南大學(xué)趙東亮教授Science綜述：在陽光下保持穩(wěn)定涼爽

研究顯示，暴露在陽光下的陸地表面吸收太陽熱量，并以紅外輻射的形式將熱量散回外層空間。如果輻射熱大于吸收的太陽能，則白天的輻射冷卻是被動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，沒有任何能量輸入。然而，這種方法需要材料強(qiáng)烈反射太陽光并同時(shí)發(fā)射長波長紅外光。

在此，東南大學(xué)趙東亮教授等人評(píng)述了胡良兵教授、Chi Yan Tso和王鉆開教授的最新Science論文。作者指出，納米光子冷卻器設(shè)計(jì)為日間輻射冷卻開辟了道路，但工程納米結(jié)構(gòu)材料以反射和發(fā)射特定波長的光成本高昂。為了實(shí)現(xiàn)低成本和可擴(kuò)展的制造，制造了基于聚合物的結(jié)構(gòu)，包括聚合物金屬雜化膜、多孔聚合物和聚合物介電涂料。然而，有機(jī)聚合物容易老化，在戶外表現(xiàn)出較差的耐久性。同時(shí)，聚合物和金屬氧化物，通常在太陽光譜中具有較低的折射率。通過優(yōu)化陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，兩篇論文分別展示了超過96%和99.6%的近乎完美的太陽反射率和超過95%和96.5%的高發(fā)射率（長波紅外輻射）。

其中，由胡良兵教授等人開發(fā)的冷卻玻璃基陶瓷涂層包括一個(gè)嵌入氧化鋁納米顆粒的微孔二氧化硅基框架，而Chi Yan Tso和王鉆開教授等人開發(fā)的冷卻陶瓷復(fù)合材料是由微孔氧化鋁框架組成的。

不同的是，胡良兵教授等人優(yōu)化了氧化鋁顆粒作為調(diào)控器，而Chi Yan Tso和王鉆開教授等人從氧化鋁框架的孔隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光散射。雖然這兩種冷卻材料在結(jié)構(gòu)上有所不同，但其基本的設(shè)計(jì)原理是相似。

圖1. 建筑設(shè)計(jì)材料，包括屋頂瓦，可以涂上微孔陶瓷（如二氧化硅和氧化鋁），可以強(qiáng)烈反射陽光并發(fā)出熱輻射

值得注意的是，通過使用冷卻陶瓷來減少碳排放的策略應(yīng)考慮這些材料的耐久性和壽命周期，而不是主要關(guān)注在使用過程中的節(jié)能和成本效益。雖然最近已經(jīng)提出了一些具有動(dòng)態(tài)輻射冷卻能力的結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了它，但要獲得大規(guī)模的應(yīng)用仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9614

五、萊斯大學(xué)朱涵宇Science：稀土鹵化物中手性聲子的有效磁場(chǎng)

時(shí)間反演對(duì)稱性（TRS）對(duì)于材料的光學(xué)、磁性、拓?fù)浜蛡鬏斕匦灾陵P(guān)重要。手性聲子的特征是原子圍繞其平衡位置單向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生破壞TRS的動(dòng)態(tài)晶格結(jié)構(gòu)。

在此，美國萊斯大學(xué)朱涵宇助理教授等人報(bào)道了由圓偏振太赫茲光脈沖驅(qū)動(dòng)的相干手性聲子，以類似于1特斯拉量級(jí)的準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的方式極化氟化鈰中的順磁性自旋。通過時(shí)間分辨法拉第旋轉(zhuǎn)和克爾橢偏率，作者發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)磁化強(qiáng)度僅由與聲子共振的脈沖激發(fā)，與聲子的角動(dòng)量成正比，并在低溫下隨磁化率增長。這一觀測(cè)結(jié)果在定量上與自旋-聲子耦合模型相吻合，并可能為研究超快磁性、節(jié)能自旋電子學(xué)和TRS斷裂物質(zhì)的非平衡相提供新的途徑。

相關(guān)文章以“Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides”為題發(fā)表在Science上。

研究內(nèi)容

術(shù)語“手性”通常是指在三維空間中沒有任何鏡像對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)手性。同時(shí)，在凝聚態(tài)物理學(xué)中，“手性”有時(shí)意味著在二維平面內(nèi)缺乏鏡像線和時(shí)間反演對(duì)稱性（TRS）。具有破碎的TRS和非零角動(dòng)量的手性波函數(shù)可能具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，例如量子霍爾效應(yīng)中手性邊緣態(tài)的無損傳輸和手性超導(dǎo)體中的魯棒渦旋。對(duì)稱性破壞要么是自發(fā)的，要么是由磁場(chǎng)、光學(xué)激發(fā)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的外部刺激的，這些因素通常在宏觀尺度上。

攜帶角動(dòng)量的手性聲子已在多種材料系統(tǒng)和物理過程中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括拉曼散射、超快退磁和熱霍爾效應(yīng)。然而，由于操縱相干手性聲子的挑戰(zhàn)，聲子磁性的定量研究仍然難以捉摸。非線性聲子光譜學(xué)的最新進(jìn)展使線偏振聲子的模式選擇性光學(xué)激發(fā)成為可能，這已被證明可以調(diào)節(jié)許多量子材料的結(jié)構(gòu)、電子、磁性和拓?fù)涮匦浴?/span>

圖1. CeF₃中手性聲子誘導(dǎo)的超快磁化強(qiáng)度

圖2.?相干手性聲子與磁化強(qiáng)度的相關(guān)性

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi9601

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