超燃！中国学者一天狂揽5篇Science正刊！

一、加州理工学院郭秋实Science：纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光器

研究显示，锁模激光器（MLLs）产生的超短脉冲的峰值功率远远超过其平均功率。然而，驱动超快纳米光子电路的集成MLLs仍然难以捉摸，其典型的低峰值功率缺乏可控性，以及与纳米光子平台集成时的挑战。

在此，美国加州理工学院郭秋实和Alireza Marandi等人演示了一种电泵浦的纳米光子学铌酸锂中的MLL与III-V半导体光放大器的混合集成，其MLL以~10 GHz的重复频率在1065 nm左右产生~4.8-ps的光脉冲，能量超过2.6 pJ，峰值功率超过0.5 W。通过使用驱动频率和泵浦电流，输出的重复频率和载波包络偏移频率可以在大范围内控制，为完全稳定的片上激光频率梳提供路径。

相关文章以“Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate”为题发表在Science上，并被选为本期Science封面！

研究内容

锁模激光器（MLLs）可在皮秒和飞秒时间尺度上产生强烈且相干的超短光脉冲，使光子学领域的许多科学和技术成为可能，例如极端非线性光学、超连续谱生成、光学原子钟、光学频率梳、生物成像和光子计算。当今最先进的MLL基于分立光纤和自由空间光学元件，价格昂贵、功率要求高且体积庞大。在集成光子平台上实现MLL有望广泛使用目前仅限于实验室实验的超快光子系统。然而，集成式MLL的性能无法与同类产品相提并论，缺乏片上超快光学系统所需的峰值强度和可控性。一个主要的挑战在于在集成光子平台上同时实现大激光增益和高效的锁模机制。尽管III-V族半导体增益介质可以采用电泵浦，并且每单位长度具有非常高的增益和高饱和功率，但在同一半导体芯片上实现锁模和短脉冲产生的传统方法需要较窄的泵浦电流范围，从而大大限制了输出功率和集成MLL的可调性。

图1. 集成主动式MLL激光器的原理与设计

图2. 在TFLN上集成了主动式MLL激光器

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

二、Chi Yan Tso和王钻开教授Science：具有高太阳反射率的分层结构被动辐射冷却陶瓷

基于纳米光子结构的被动辐射冷却受到其高成本和与现有终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阳反射。

在此，香港城市大学Chi Yan Tso教授和香港理工大学王钻开教授等人开发了一种可以实现高效光散射和接近完美的太阳99.6%的反射率，再加上较高的热发射率，使陶瓷能够在室外环境中提供持续的亚环境冷却，在中午的冷却功率为每平方米130瓦，展示了在全球范围内的节能潜力。颜色、耐候性、机械坚固性和抑制莱顿弗罗斯特效应的能力是确保冷却陶瓷耐用和多用途的关键特性，从而促进其在各种应用中的商业化，特别是商业化建筑。

相关文章以“Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity”为题发表在Science上。

研究内容

用于冷却的能量继续上升。在过去的30年里，空间冷却产生的二氧化碳排放量增加了一倍多，达到近10亿吨。不幸的是，冷却系统的碳足迹导致了全球变暖，造成了一个恶性循环，进一步加剧了对空调的需求。为了缓解这些环境问题，人们已经利用了可再生能源，如风能、潮汐能和太阳能，来满足不断增长的能源需求。然而，这些能源系统的开发和实施需要大量的土地使用和昂贵的安装。相比之下，被动辐射冷却（PRC）是表面使用低温宇宙作为散热的天然散热器，为能量传输和空间冷却提供了能量中性解决方案。

近几十年来，具有亚波长尺度尺寸的各种光子结构的辐射冷却系统（冷却器）被设计用于调整热光谱。虽然定制的长波红外光谱有助于抑制大气辐射的热量增加，但热选择性的复杂材料组成牺牲了太阳反射率（R_solar）。此外，尽管这些设计可以很容易地实现夜间较深的亚环境冷却，但它们很难在白天的高冷却需求的时期产生冷却。大气窗口（AW）透射率（t_AW）是冷却器和辐射传热的唯一途径，它受到当地气候和环境的高度影响。另一方面，由于太阳（5800 K）发出的电磁辐射强度比室温物体（288 K）高11个数量级，因此太阳辐射主导了白天冷却器的辐射热交换。

Cyphochilus作为一种原产于东南亚的甲虫，是地球上已知最白的昆虫。作者从这种甲虫错综复杂的生物结构中学会了如何设计一个坚固的陶瓷式冷却器。在对甲虫鳞片散射系统的研究的基础上，本文的冷却陶瓷被设计为具有多级多孔结构，从而产生了近乎理想的R_Solar。该冷却器易于制造，既不需要精密仪器，也不需要细致的参数调节，并且具有出色的日间冷却性能，从而降低了室内冷却的能耗。

图1. 白色的甲虫

图2. 工程分层多孔冷却陶瓷

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

三、美国马里兰大学胡良兵教授Science：一种溶液处理的辐射冷却玻璃

通过反射太阳光和发射长波红外线（LWIR）辐射到寒冷的宇宙（~3开尔文），被动的日间辐射冷却材料可以将建筑冷却所需的能量降低至60%。然而，开发既实用和应用又能显示长期环境稳定性的被动冷却结构是具有挑战性的。

在此，美国马里兰大学胡良兵教授等人开发了一种随机光子复合材料，该复合材料由微孔玻璃框架组成，框架具有选择性的长波红外发射以及相对较高的太阳反射率和氧化铝颗粒，可强烈散射阳光并防止多孔结构在制造过程中致密化。这种微孔玻璃涂层可以使即使在中午和夜间的高湿度条件下（高达80%），其温度下降的值分别为3.5°和4°C。这种辐射性的“冷却玻璃”涂层即使暴露在恶劣的条件下，包括水、紫外线辐射、污染和高温下，也能保持较高的太阳反射率。

相关文章以“A solution-processed radiative cooling glass”为题发表在Science上。

研究背景

全球每年约10%的电力使用用于建筑的空调，预计到2050年冷却需求将增加两倍，需要不同的方法来减轻电网的压力和对抗全球变暖。被动日间辐射冷却技术可以通过在建筑外壳上反射>90%的太阳辐射，并将热量通过大气透明窗口（8到13毫米）作为长波红外（LWIR）光进入寒冷的宇宙（~3 K），以实现亚环境温度。除了建筑使用，被动辐射冷却技术还可以有利于太阳能电池、发电厂冷凝器、用于个人热舒适的高性能纺织品、收集露水和减缓冰川融化。其中，基于纳米光子结构的被动辐射冷却方法（如复合陶瓷和金属）已经被证明有效。然而，这种结构需要复杂的纳米级精度的制造技术（通常是在真空室中），这使得它们难以扩展和昂贵，特别是在建筑应用中。

作者设计并演示了一种“冷却玻璃”的溶液处理涂层，该涂层解决了聚合物和金属基辐射冷却结构的关键挑战，在环境条件下稳定，可扩展，低成本，同时展示了优异的被动冷却性能。

图1. 一种用于日间被动辐射冷却的环境稳定的玻璃涂层

图2. 辐射冷却玻璃涂层的制作和形貌

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

四、东南大学赵东亮教授Science综述：在阳光下保持稳定凉爽

研究显示，暴露在阳光下的陆地表面吸收太阳热量，并以红外辐射的形式将热量散回外层空间。如果辐射热大于吸收的太阳能，则白天的辐射冷却是被动实现的，没有任何能量输入。然而，这种方法需要材料强烈反射太阳光并同时发射长波长红外光。

在此，东南大学赵东亮教授等人评述了胡良兵教授、Chi Yan Tso和王钻开教授的最新Science论文。作者指出，纳米光子冷却器设计为日间辐射冷却开辟了道路，但工程纳米结构材料以反射和发射特定波长的光成本高昂。为了实现低成本和可扩展的制造，制造了基于聚合物的结构，包括聚合物金属杂化膜、多孔聚合物和聚合物介电涂料。然而，有机聚合物容易老化，在户外表现出较差的耐久性。同时，聚合物和金属氧化物，通常在太阳光谱中具有较低的折射率。通过优化陶瓷的微观结构，两篇论文分别展示了超过96%和99.6%的近乎完美的太阳反射率和超过95%和96.5%的高发射率（长波红外辐射）。

其中，由胡良兵教授等人开发的冷却玻璃基陶瓷涂层包括一个嵌入氧化铝纳米颗粒的微孔二氧化硅基框架，而Chi Yan Tso和王钻开教授等人开发的冷却陶瓷复合材料是由微孔氧化铝框架组成的。

不同的是，胡良兵教授等人优化了氧化铝颗粒作为调控器，而Chi Yan Tso和王钻开教授等人从氧化铝框架的孔隙内实现了光散射。虽然这两种冷却材料在结构上有所不同，但其基本的设计原理是相似。

图1. 建筑设计材料，包括屋顶瓦，可以涂上微孔陶瓷（如二氧化硅和氧化铝），可以强烈反射阳光并发出热辐射

值得注意的是，通过使用冷却陶瓷来减少碳排放的策略应考虑这些材料的耐久性和寿命周期，而不是主要关注在使用过程中的节能和成本效益。虽然最近已经提出了一些具有动态辐射冷却能力的结构，并通过实验证明了它，但要获得大规模的应用仍然是一个巨大的挑战。

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

五、莱斯大学朱涵宇Science：稀土卤化物中手性声子的有效磁场

时间反演对称性（TRS）对于材料的光学、磁性、拓扑和传输特性至关重要。手性声子的特征是原子围绕其平衡位置单向旋转，产生破坏TRS的动态晶格结构。

在此，美国莱斯大学朱涵宇助理教授等人报道了由圆偏振太赫兹光脉冲驱动的相干手性声子，以类似于1特斯拉量级的准静态磁场的方式极化氟化铈中的顺磁性自旋。通过时间分辨法拉第旋转和克尔椭偏率，作者发现瞬态磁化强度仅由与声子共振的脉冲激发，与声子的角动量成正比，并在低温下随磁化率增长。这一观测结果在定量上与自旋-声子耦合模型相吻合，并可能为研究超快磁性、节能自旋电子学和TRS断裂物质的非平衡相提供新的途径。

相关文章以“Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides”为题发表在Science上。

研究内容

术语“手性”通常是指在三维空间中没有任何镜像对称性的结构手性。同时，在凝聚态物理学中，“手性”有时意味着在二维平面内缺乏镜像线和时间反演对称性（TRS）。具有破碎的TRS和非零角动量的手性波函数可能具有拓扑保护特性，例如量子霍尔效应中手性边缘态的无损传输和手性超导体中的鲁棒涡旋。对称性破坏要么是自发的，要么是由磁场、光学激发和机械运动的外部刺激的，这些因素通常在宏观尺度上。

携带角动量的手性声子已在多种材料系统和物理过程中进行了实验验证，包括拉曼散射、超快退磁和热霍尔效应。然而，由于操纵相干手性声子的挑战，声子磁性的定量研究仍然难以捉摸。非线性声子光谱学的最新进展使线偏振声子的模式选择性光学激发成为可能，这已被证明可以调节许多量子材料的结构、电子、磁性和拓扑特性。

图1. CeF₃中手性声子诱导的超快磁化强度

图2. 相干手性声子与磁化强度的相关性

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

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