1. Nature：共振電光頻梳
高速光通信是通過波分復用實現的，通過波分復用，數以百計的單個穩定激光器在單模光纖中編碼信息。更高的帶寬則要求更高的光總功率，但光纖內部的光非線性限制了光纖的功率，光源的能量消耗開始成為一個重要的成本因素。為了解決這一問題，人們提出了光學頻率梳（光頻梳）——在一個單片器件內產生大量離散的等頻間距的激光譜線；然而，目前它們有限的穩定性和相干性只允許它們在很小的參數范圍內工作。
近日，馬克斯·普朗克光科學研究所Harald G. L. Schwefel團隊的研究結果表明，在高品質的回音壁模諧振腔內，利用電光效應實現的寬帶頻率梳可以在較低的微波功率和光功率下工作。不同于通常的三階科爾非線性光頻梳，作者提出的頻率梳依賴于二階非線性效應，這是更有效的。研究結果使用了一個固定的微波信號與一個光泵信號混合產生一個精確確定載波分離的相干頻率梳。這種共振增強使得在低于商業化設備功率三個數量級的微波功率下工作成為可能。作者也強調了研究結果與高速數據通信的實際相關性。
總之，為了克服光纖非線性效應的限制，必須解決兩個問題：提供一個緊湊的、完全集成的、高質量的、相干的頻率梳發生器；并實時計算非線性信號的傳播。作者的研究則為第一個問題提出了一種解決方案。
圖1：產生基于回音壁膜的二階頻率梳的原理。
圖2：共振電光頻梳的實驗實現。
Alfredo Rueda, Florian Sedlmeir, Madhuri Kumari, Gerd Leuchs & Harald G. L. Schwefel. Resonant electro-optic frequency comb. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1110-x
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1110-x#article-info
2. 哥本哈根大學Nature：平面Josephson結中拓撲超導性的實驗證據
Majorana零模(拓撲超導體邊界處的準粒子態)有望成為容錯量子計算的理想構件。之前的研究中，研究人員采用隧穿光譜法，在超導-半導體納米線中臨界磁場以上條件下觀測到幾次零偏電導峰，這被視為Majorana零模的標志。另一方面，二維系統提供了一種替代的方法——使得Majorana通道限域在平面的Josephson結內。這種情況下，超導體鉛之間的相差φ構成另一調諧參數——據預測，相比無相差的系統，有相差的系統能在較弱磁場下驅動系統的拓撲轉變。
近日，丹麥哥本哈根大學Fabrizio Nichele團隊和Charles M. Marcus團隊通過測量基于Al（上）/InAs異質結的Josephson結末端的隧穿光譜，發現零偏電導峰是相位相關的。相對φ=0而言，將Josephson結偏置為φ≈π將降低零偏電導峰出現的臨界磁場。在有限尺寸的Josephson結中，零能態的相位和磁場依賴關系與Majorana零模模型是一致的。除了提供相位調諧拓撲超導性的實驗證據，作者的實驗裝置還可用于超導量子電動力學系統，并可擴展到拓撲量子計算所需的復雜外形。
圖1. 拓撲Josephson結。
圖2. 平行磁場中零偏峰的演變。
圖3. 臨界磁場的相位相關性。
Antonio Fornieri, Alexander M. Whiticar, F. Setiawan, Elías Portolés, Asbj?rn C. C. Drachmann, Anna Keselman, Sergei Gronin, Candice Thomas, Tian Wang, Ray Kallaher, Geoffrey C. Gardner, Erez Berg, Michael J. Manfra, Ady Stern, Charles M. Marcus & Fabrizio Nichele. Evidence of topological superconductivity in planar Josephson junctions. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1068-8
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1068-8#article-info
3. 哈佛大學Nature：相位控制Josephson結中的拓撲超導性
拓撲超導體可以在其邊界上支持局域Majorana態。這些準粒子激發遵循非阿貝爾統計，可以用拓撲保護的方式編碼和操縱量子信息。雖然Majorana邊界態的特征在一維系統中已經被觀測到，但目前人們正在努力尋找不需要微調參數、并且可以輕松地擴展到大量狀態的替代平臺。有鑒于此，哈佛大學Amir Yacoby團隊提出了一種實驗方法用于Majorana邊界態的二維構筑。
作者采用與薄膜Al耦合的HgTe量子阱形成的Josephson結（超導隧道結），通過控制橫跨結的相位差以及施加面內磁場，能夠調節平凡-拓撲超導態之間的轉變。通過測量結邊緣的隧穿電導來確定產生的超導體的拓撲狀態。弱磁場下，隧穿譜零偏置處存在極小值，與平凡超導體一致。然而，隨著磁場增強，隧穿電導出現一個零偏峰（零偏置處極大值），這種零偏峰持續存在于一系列相位差范圍內，該相位差隨磁場的增大而系統地擴大。觀測結果與對該系統的理論預測相一致，且與對具有相似尺寸和參數的模型系統進行的全量子力學數值模擬相一致。作者認為，此工作為在二維系統中實現拓撲超導性，創建和操縱Majorana模，以及探測拓撲超導相提供了一個很有前途的平臺。
圖1. 相位控制的Josephson結中的拓撲轉變。
圖2. 弱/強磁場下隧穿電導的相位調制。
Hechen Ren, Falko Pientka, Sean Hart, Andrew T. Pierce, Michael Kosowsky, Lukas Lunczer, Raimund Schlereth, Benedikt Scharf, Ewelina M. Hankiewicz, Laurens W. Molenkamp, Bertrand I. Halperin & Amir Yacoby. Topological superconductivity in a phase-controlled Josephson junction. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1148-9
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1148-9
4. Nature Mater.：扭曲雙層石墨烯范德華界面的原子和電子重構！
控制二維范德華（vdW）異質結構的層間扭曲角度，可以設計出長度可調的準周期莫爾超晶格。在扭曲的雙層石墨烯中，簡單的莫爾超晶格能帶表明，在魔角情況下，電子帶寬可以調控至接近于vdW層間相互作用，并表現出強相關行為。然而，vdW層間相互作用在界面處容易引發顯著的結構重構。
近日，劍橋大學Philip Kim課題組報道了扭曲雙層石墨烯中的原子級重構及其對電子結構的影響。作者發現，隨著特征旋轉角度的變小，材料從不相稱的莫爾結構逐漸過渡到具有孤子邊界的相稱域陣列。在原子和電子重構極其重要的孤子區域（θ<θc）中，一個簡單的莫爾能帶消失，同時出現次級狄拉克能帶。該研究為范德華異質結中的原子和電子重構提供了新的認識，為連續可調的能帶工程系統提供了新的途徑。
Hyobin Yoo, Philip Kim et al. Atomic andelectronic reconstruction at the van der Waals interface in twisted bilayergraphene. Nature Materials， 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0346-z
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0346-z
5. Nature Mater.：發現普適性規律！有機半導體中水誘導陷阱產生
電荷載流子陷阱通常對半導體器件的性能非常不利。與無機半導體的情況不同，關于有機半導體中陷阱的特征和原因的深入研究仍然非常有限。瑞士林雪平大學Martijn Kemerink課題組準確地確定了各種有機半導體薄膜的空穴和電子陷阱能量。研究發現，電子和空穴陷阱能量遵循類似的經驗規則，分別位于HOMO上方和LUMO下方約0.3-0.4eV。結合實驗和理論方法，陷阱的起源是水滲透納米空隙在有機半導體薄膜中的介電效應。研究人員還提出了一種溶劑退火方法，用于從所研究的材料中去除與水相關的陷阱。該研究為實現無陷阱有機半導體薄膜提供了一條全新途徑。
GuangzhengZuo, Mathieu Linares, Tanvi Upreti & Martijn Kemerink. General rule for theenergy of water-induced traps in organic semiconductors. Nature Materials, 2019.
DOI: 10.1038/s41563-019-0347-y
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0347-y
6. Science Advances：室溫2D異質結的納米腔激光器
過渡金屬二硫屬化物的激子激光器的發射仍然是單層的內在能帶隙。南洋理工大學Yuanda Liu和中山大學Hanlin Fang團隊報道了具有MoS2/WSe2異質結構的室溫層間激子激光器。通過“L-L”曲線中的明顯扭結和明顯的譜線寬度崩潰來識別激光的開始。與單層組件中層內激子的可見發射不同，該激光器在紅外范圍內工作，這與硅光子學中成熟的技術完全兼容。層間激子的長壽命使腔質量因子的要求降低了數量級。室溫夾層激子激光器可能為在硅光子平臺上開發具有定制光學特性的相干光源開辟了新的前景。
Liu, Y.; Fang, H.; Rasmita, A.; Zhou, Y.; Li,J.; Yu, T.; Xiong, Q.; Zheludev, N.; Liu, J.; Gao, W. Room temperaturenanocavity laser with interlayer excitons in 2D heterostructures. Science Advances, 2019.
DOI: 10.1126/sciadv.aav4506
https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav4506
7. Nature Commun.：2D COFs中晶格聲子與超快電荷轉移的耦合
共價有機框架(COFs)已成為一種很有前途的光捕獲組件，用于人工光合作用和光伏發電。近年來，為了有效地生成自由載流子，在二維(2D) COFs中實現了給體-受體(D-A)共軛。在二維D-A COFs中，光激發會產生極化子對，極化子對是自由載流子的前驅體，比激子具有更低的結合能。雖然初級激發態的性質是決定材料光電性質的一個關鍵因素，但導致極化子對產生的激發態動力學尚未得到研究。
有鑒于此，韓國科學技術研究院Hyotcherl Ihee、Hyungjun Kim以及韓國化學技術研究所Jin-Ook Baeg、韓國仁川大學Jeongho Kim等人結合飛秒級光譜學和非絕熱的分子動力學模擬，研究了二維D-A COFs中光生載流子的動力學。研究表明，極化子對是通過超快的層內空穴轉移和二維晶格的耦合振動形成的，這說明了聲子輔助電荷轉移的機理。
Tae Wu Kim, Sunhong Jun, Yoonhoo Ha, Rajesh K.Yadav, Abhishek Kumar, Chung-Yul Yoo, Inhwan Oh, Hyung-Kyu Lim, Jae Won Shin,Ryong Ryoo, Hyungjun Kim, Jeongho Kim, Jin-Ook Baeg & Hyotcherl Ihee.Ultrafast charge transfer coupled with lattice phonons in two-dimensionalcovalent organic frameworks. Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-09872-w
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09872-w
8. AM綜述：超薄二維稀土納米材料：組成、合成及應用
超薄二維（2D）納米材料因其電子限域在單個或幾個原子層內而具有良好的性能。作為一類新興的功能材料，超薄2D稀土納米材料具有獨特的光學、磁性和催化性能，在光電、磁性器件、晶體管、催化等諸多領域顯示出巨大的應用潛力。近日，南開大學嚴純華、杜亞平團隊對超薄2D稀土納米材料進行了總結，內容涵蓋所有超薄2D稀土納米材料，介紹了它們的組成、合成和應用。總結了目前取得的研究結果后，作者還對超薄2D稀土納米材料發展的機遇與挑戰進行了評估。
Jun Xu, Yaping Du,* Chunhua Yan*, et al. Ultrathin 2D Rare-Earth Nanomaterials: Compositions, Syntheses,and Applications. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201806461
https://doi.org/10.1002/adma.201806461
9. Nature Commun.：新方向！手性雜化鈣鈦礦的圓偏振光檢測
在藥物篩選，安全監督和量子光學等各個領域都需要進行圓偏振光（CPL）檢測。傳統上，CPL光電探測器需要安裝光學元件，這給集成設備帶來了困難。已建立的沒有光學元件的CPL探測器依賴于手性有機半導體和金屬超材料，但其具有極低的響應度。有機-無機雜化材料結合了手性有機物誘導的CPL敏感吸收和無機骨架的有效電荷傳輸，為直接CPL檢測提供了選擇。華中科大唐江團隊報道了使用手性有機-無機雜化鈣鈦礦的CPL檢測器，并獲得了響應度為797 mA W-1，檢測率為7.1×1011 Jones和優異的穩定性的圓偏振光檢測。得益于溶液處理，進一步拓展到聚對苯二甲酸乙二醇酯基材上的柔性器件，具有相當的性能。
Chen, C.; Gao, L.; Gao, W.; Ge, C.; Du, X.;Li, Z.; Yang, Y.; Niu, G.; Tang, J. Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-09942-z
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09942-z
10. AM：帶隙可調諧微腔鈣鈦礦人造人體感光器
近日，臺灣清華大學Hao-Wu Lin團隊發現鹵化鈣鈦礦人造人體光感受器具有紅色，綠色和藍色的特定光響應。與目前的可編程光譜響應技術相比，研究人員將新型微腔結構與鈣鈦礦吸收劑結合，無需使用外部光學濾波器即可實現目標光譜。制造的人造光感受器表現出優異的性能，包括大于1013 Jones的高檢測率，154 dB的大線性動態范圍和580 ns的短響應時間。這些數值等于或優于天然人視網膜的值。通過使用真空沉積，這些器件可以集成在單個柔性基板上，并且演示了真正的概念驗證全色圖像重建。
Tsai, W.-L. Lin, H.-W. et al Band TunableMicrocavity Perovskite Artificial Human Photoreceptors. Advanced Materials, 2019.
DOI:10.1002/adma.201900231
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900231
11. AM：比色多功能傳感方法用于構建健康監測系統
韓國成均館大學SunkookKim團隊和韓國漢陽大學HanseungLee團隊合作研制了一種比色多功能基于光透射的耐久性健康監測系統。該系統包括基于4個銦鎵氧化鋅(IGZO)的光電晶體管組成的陣列、一個發射波長為405 nm的光源以及對pH和氯具有選擇性的變色膜組成。
在405 nm波長的光照下，處于應力腐蝕狀態的膜會對pH和氯做出進而出現顏色的改變，其透射光強度也會隨之變化，這種變化會被光電晶體管陣列以電流的形式接收。當pH值在10到12之間時，Ids和R (Ids/IpH 12)與pH值成反比，即當pH值從12降到10時，Ids和R增加約103倍。而對氯進行檢測時，隨著氯的濃度增加0.05 wt%，Ids和R (Ids/ICl 0wt%)則會增加近50倍，當氯濃度達到0.30wt%時，Ids和R則會增加103倍。該比色傳感系統具有較高的穩定性、靈敏度和多種功能，是一種新型的健康診斷工具。
Healin Im, Hanseung Lee, Sunkook Kim, et al. AColorimetric Multifunctional Sensing Method for Structural-Durability-HealthMonitoring Systems. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201807552
https://doi.org/10.1002/adma.201807552
12. Angew：MOFs薄膜的光電導
光電導是半導體的一種特性，可應用于如光敏晶體管和光傳感等諸多領域。近日，卡爾斯魯厄理工學院Lars Heinke等多團隊合作，報道了一種光導晶體MOF，其薄膜具有兩個數量級的開關光電流比。該MOF薄膜骨架中含有卟啉分子，并且孔隙中負載著C60客體分子。通過與參照MOF結果的對比及DFT計算表明，宿主MOF的卟啉分子與C60客體分子之間的供體-受體相互作用引起電荷的快速分離；隨后，空穴和電子分別通過卟啉和C60形成的獨立的通道進行運輸；使得該MOF薄膜具有好的光電導性。
Xiaojing Liu, Lars Heinke,* et al. Photoconductivity in Metal-Organic Framework Thin Films. Angewandte ChemieInternational Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201904475
https://doi.org/10.1002/anie.201904475
13. Angew：累積多烯分子線不尋常的電導
累積多烯有時被描述為“金屬”，因為無限長的累積多烯具有金屬的帶狀結構。近日，牛津大學Harry L. Anderson，利物浦大學Edmund Leary、Richard J. Nichols及蘭卡斯特大學Colin J. Lambert等多團隊合作，報道了一系列累積多烯和累積多烯類似物的單分子電導率（連續的C=C數為n = 1,2,3和5）。
研究發現，n=3和5的[n]累積多烯的電導率幾乎相同，且都比烯烴的電導率高(n=1)，這是不尋常的，因為分子電導通常隨長度呈指數下降。而n=2由于其幾何形狀的扭曲，其電導要低得多。計算模擬預測與實驗結果具有相似的趨勢，表明在n為偶數的情況下，烯的低電導是[n]累積多烯的一個普遍特征；n=3和5的[n]累積多烯的電導不依賴于長度是由于隨著長度的增加，HOMO-LUMO帶隙的減小。
Wenjun Xu, Edmund Leary,* Songjun Hou, Colin J. Lambert,* Richard J. Nichols,* Harry L. Anderson,* et al. Unusual Length-Dependence of Conductance in Cumulene MolecularWires. Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201901228
https://doi.org/10.1002/anie.201901228
