一、加州理工學院郭秋實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遠超過其平均功率。然而，驅(qū)動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集成時的挑戰(zhàn)。 在此，美國加州理工學院郭秋實和Alireza Marandi等人演示了一種電泵浦的納米光子學鈮酸鋰中的MLL與III-V半導體光放大器的混合集成，其MLL以~10 GHz的重復頻率在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)動頻率和泵浦電流，輸出的重復頻率和載波包絡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）可在皮秒和飛秒時間尺度上產(chǎn)生強烈且相干的超短光脈沖，使光子學領(lǐng)域的許多科學和技術(shù)成為可能，例如極端非線性光學、超連續(xù)譜生成、光學原子鐘 、光學頻率梳、生物成像和光子計算。當今最先進的MLL基于分立光纖和自由空間光學元件，價格昂貴、功率要求高且體積龐大。在集成光子平臺上實現(xiàn)MLL有望廣泛使用目前僅限于實驗室實驗的超快光子系統(tǒng)。然而，集成式MLL的性能無法與同類產(chǎn)品相提并論，缺乏片上超快光學系統(tǒng)所需的峰值強度和可控性。一個主要的挑戰(zhàn)在于在集成光子平臺上同時實現(xiàn)大激光增益和高效的鎖模機制。盡管III-V族半導體增益介質(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，但在同一半導體芯片上實現(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. 集成主動式MLL激光器的原理與設(shè)計

圖2. 在TFLN上集成了主動式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)被動輻射冷卻陶瓷

基于納米光子結(jié)構(gòu)的被動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Chi Yan Tso教授和香港理工大學王鉆開教授等人開發(fā)了一種可以實現(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、機械堅固性和抑制萊頓弗羅斯特效應的能力是確保冷卻陶瓷耐用和多用途的關(guān)鍵特性，從而促進其在各種應用中的商業(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，達到近10億噸。不幸的是，冷卻系統(tǒng)的碳足跡導致了全球變暖，造成了一個惡性循環(huán)，進一步加劇了對空調(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)和實施需要大量的土地使用和昂貴的安裝。相比之下，被動輻射冷卻 （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，但熱選擇性的復雜材料組成犧牲了太陽反射率（Rsolar）。此外，盡管這些設(shè)計可以很容易地實現(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期產(chǎn)生冷卻。大氣窗口（AW）透射率（tAW）是冷卻器和輻射傳熱的唯一途徑，它受到當?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)出的電磁輻射強度比室溫物體（288 K）高11個數(shù)量級，因此太陽輻射主導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。作者從這種甲蟲錯綜復雜的生物結(jié)構(gòu)中學會了如何設(shè)計一個堅固的陶瓷式冷卻器。在對甲蟲鱗片散射系統(tǒng)的研究的基礎(chǔ)上，本文的冷卻陶瓷被設(shè)計為具有多級多孔結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了近乎理想的RSolar。該冷卻器易于制造，既不需要精密儀器，也不需要細致的參數(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)既實用和應用又能顯示長期環(huán)境穩(wěn)定性的被動冷卻結(jié)構(gòu)是具有挑戰(zhàn)性的。

在此，美國馬里蘭大學胡良兵教授等人開發(fā)了一種隨機光子復合材料，該復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)射以及相對較高的太陽反射率和氧化鋁顆粒，可強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)，預計到2050年冷卻需求將增加兩倍，需要不同的方法來減輕電網(wǎng)的壓力和對抗全球變暖。被動日間輻射冷卻技術(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）光進入寒冷的宇宙（~3 K），以實現(xiàn)亞環(huán)境溫度。除了建筑使用，被動輻射冷卻技術(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)的被動輻射冷卻方法（如復合陶瓷和金屬）已經(jīng)被證明有效。然而，這種結(jié)構(gòu)需要復雜的納米級精度的制造技術(shù)（通常是在真空室中），這使得它們難以擴展和昂貴，特別是在建筑應用中。 作者設(shè)計并演示了一種“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，可擴展，低成本，同時展示了優(yōu)異的被動冷卻性能。

圖1. 一種用于日間被動輻射冷卻的環(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實現(xiàn)的，沒有任何能量輸入。然而，這種方法需要材料強烈反射太陽光并同時發(fā)射長波長紅外光。 在此，東南大學趙東亮教授等人評述了胡良兵教授、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。

為了實現(xiàn)低成本和可擴展的制造，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，有機聚合物容易老化，在戶外表現(xiàn)出較差的耐久性。同時，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)計原理是相似。

圖1. 建筑設(shè)計材料，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)提出了一些具有動態(tài)輻射冷卻能力的結(jié)構(gòu)，并通過實驗證明了它，但要獲得大規(guī)模的應用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

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

五、萊斯大學朱涵宇Science：稀土鹵化物中手性聲子的有效磁場

時間反演對稱性（TRS）對于材料的光學、磁性、拓撲和傳輸特性至關(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的動態(tài)晶格結(jié)構(gòu)。 在此，美國萊斯大學朱涵宇助理教授等人報道了由圓偏振太赫茲光脈沖驅(qū)動的相干手性聲子，以類似于1特斯拉量級的準靜態(tài)磁場的方式極化氟化鈰中的順磁性自旋。通過時間分辨法拉第旋轉(zhuǎn)和克爾橢偏率，作者發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)磁化強度僅由與聲子共振的脈沖激發(fā)，與聲子的角動量成正比，并在低溫下隨磁化率增長。這一觀測結(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稱性的結(jié)構(gòu)手性。同時，在凝聚態(tài)物理學中，“手性”有時意味著在二維平面內(nèi)缺乏鏡像線和時間反演對稱性（TRS）。具有破碎的TRS和非零角動量的手性波函數(shù)可能具有拓撲保護特性，例如量子霍爾效應中手性邊緣態(tài)的無損傳輸和手性超導體中的魯棒渦旋。對稱性破壞要么是自發(fā)的，要么是由磁場、光學激發(fā)和機械運動的外部刺激的，這些因素通常在宏觀尺度上。 攜帶角動量的手性聲子已在多種材料系統(tǒng)和物理過程中進行了實驗驗證，包括拉曼散射、超快退磁和熱霍爾效應。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。非線性聲子光譜學的最新進展使線偏振聲子的模式選擇性光學激發(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、磁性和拓撲特性。

圖1. CeF3中手性聲子誘導的超快磁化強度

圖2. 相干手性聲子與磁化強度的相關(guān)性

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