今日中国/华人学者5篇 Science - 胡良兵、王钻开、曹之胤、赵东亮、朱涵宇、郭秋实

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2023年11月9日，中国学者/华人学者在Science 发表了5篇论文，在此逐一介绍如下：【1】美国加州理工学院郭秋实、Alireza Marandi团队 Science封面：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博士（2023年初，郭秋实博士加入美国纽约市立大学先进科学研究中心担任助理教授）和Alireza Marandi教授团队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。

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

图3. 集成有源锁模激光器MLL特性

图4.集成锁模激光器MLL的锁模态

图5.集成有源锁模激光器MLL的电流调谐

在超快科学中，锁模激光器Mode-locked lasers是一项使能技术，以产生极短的相干光脉冲和精确间隔的光频梳。不过，这些激光器目前通常体积庞大，及其组件位于光具座上。该项研究，将锁模激光器缩小到光学芯片的大小。同时融合了III-V增益介质与铌酸锂相位调制器，还演示了具有良好性能指标的锁模激光器。研究表明，基于光子芯片的频率梳开发，用于精密测量和光谱学是极具前景的。

原文链接

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

【2】港城大曹之胤教授、港理工王钻开教授 Science：具有高太阳反射率的分层结构被动辐射冷却陶瓷

当清晨的第一缕阳光晒下森林，细心的你或许会发现树叶上晶莹剔透的霜花，这是被动辐射制冷的杰作。在地球的自然环境中，热量通过传导，对流或辐射的方式由高温物体流向低温物体。而当置身浩瀚的宇宙，太空的真空环境阻绝了传导和对流，使得热辐射成为地球与外太空进行热交换的唯一方式。其中，炙热的太阳（5500摄氏度）所产生的太阳辐射是地球主要的热量来源，另一边，寒冷的外太空（零下270摄氏度）则是地球主要的辐射散热对象。地球正是在与这两者的辐射热交换中达到平衡。而森林中的叶片，正是因为整晚没有吸收到太阳的热量而同时又持续向外太空辐射热量，导致温度降低到可以将空气中的水分冷凝成霜的程度。

被动辐射制冷一直以来被认为是一项绿色环保，零耗能的制冷技术。它可以应用于各种需要制冷的场景，小到户外设施，大到建筑楼宇，都潜藏着应用被动辐射制冷技术的可能性。然而，对于辐射制冷材料的研发来说，想要兼顾制冷效率和实用性并非易事，这也是长期以来该领域的技术难点。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，香港城市大学曹之胤教授、香港理工大学王钻开教授团队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。传统的辐射制冷材料常采用上层微米级光学结构结合底层金属太阳反射镀层的设计。尽管这样的设计能够一定程度地降低材料对来自大气辐射的吸收，但金属镀层对太阳光的反射非常有限(最常用的金属镀层为银，仅能提供约90%的太阳光反射率)，这使得这类设计仅能在夜间取得制冷效果，而无法满足实际应用中通常在白天出现制冷需求高峰的场景。除此之外，金属的使用提高了材料成本且有导致环境污染的风险。传统辐射制冷材料所采用的精密光学结构依赖高精度的设备和操作，大大限制了生产规模，增加了制造成本和应用难度。

为了更高效地利用辐射制冷技术降低制冷能耗，提高材料的太阳光反射是研发重点。辐射制冷效果好坏取决于材料表面的两个光学性能：首先是太阳光波段的反射率，这决定了辐射制冷材料阻绝太阳光热吸收的能力。再者是中红外波段的辐射率，这决定了辐射制冷材料透过大气层向外太空的辐射散热能力。研究团队分别分析了材料太阳光波段（0.25-2.5微米）反射率及对中红外辐射率（8-13微米）制冷功率的影响。相比之下通过提高太阳光波段反射率所获取的制冷功率的提升要远大于提高中红外辐射率（图1），而这也成为了该项研究的突破点。

图1. 太阳光反射率（左图）与中红外辐射率（右图）对制冷功率的影响

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。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2. 白色甲虫Cyphochilus 之所以使用氧化铝制备制冷陶瓷，不仅是因为其具有高带隙也是由于其拥有较高太阳光波段折射率。由于氧化铝的带隙超过太阳光中最高能量光子，即紫外光，制冷陶瓷可将太阳光的吸收控制在最低限度。同时，高折射率使太阳光在多级多孔结构中更有效地发生散射。在这两方面因素的共同作用下，制冷陶瓷表现出破纪录的99.6% 的太阳光反射率。与此同时，由于氧化铝中化学键振动对应的能量正好位于12微米附近，使得制冷陶瓷具备96.5%的高中红外辐射率。综上所述，在光学性能上，制冷陶瓷已经超越了近期在辐射制冷领域的其他设计 (图4D)。图3. 工程分层多孔冷却陶瓷在户外制冷效能的测试中，制冷陶瓷给出了出色的答卷。制冷陶瓷能够保持全天候低于环境空气温度的制冷效果，即使在正午阳光猛烈的时候，制冷陶瓷仍能保持其表面温度低于环境空气温度超过4摄氏度。为验证制冷陶瓷降低能耗的潜力，研究团队在香港地区将制冷陶瓷铺设在建筑模型的屋顶上，在与对照组（白色商业瓷砖）的对比中，不开冷气的情况下，铺设制冷陶瓷的建筑模型室内温度最高降幅可达2.5摄氏度。而在开启冷气的情况下，铺设制冷陶瓷的建筑模型的冷气耗能更是减少超过20% （图4左）。制冷陶瓷在热带地区具有最优的应用场景，这些地区全年高温，对制冷需求量大。通过建筑能耗模拟，应用制冷陶瓷能为热带地区的住宅建筑节省超过10%的能源消耗（图4右）。

图4. 制冷陶瓷在降低耗能上的表面：建筑模型实地测试结果（左图）与全球范围建筑节能模拟结果（右图）

制冷陶瓷不仅在制冷方面表现出色，更具备其他多样的功能性。氟化处理后的制冷陶瓷能够在太阳光反射率保持高水平（99.0%）的前提下，提供超疏水性（接触角大于150度）。这赋予了制冷陶瓷材料防水，防附着的自清洁能力，能够在长时间的户外应用中保持完好如新的表面光学性能。得利于氧化铝本身的稳定性，经由高温烧结所得到的制冷陶瓷能够承受超过1000摄氏度的高温，并具备满足建筑外墙应用标准的机械强度。此外，全无机材料制成的制冷陶瓷解决了在含有有机聚合物的辐射制冷材料上难以避免的紫外老化问题。在长达一年的户外曝光测试中，制冷陶瓷的光学性能并无明显下降。

在建筑应用中，辐射制冷材料作为外墙维护材料，高温情况下的蒸发冷却尤为重要却常常被忽视。在建筑失火的情况下，有效地降低建筑结构温度对保证人身财产安全的至关重要。首次，研究团队对辐射制冷材料高温情况下的蒸发冷却表现进行了研究。实验中，研究团队发现普通外墙瓷砖在温度高于280摄氏度时就会发生莱顿弗罗斯特现象，即水珠长时间停留在高温表面，蒸发缓慢（图5左上）。相比之下，制冷陶瓷即使在高达800摄氏度的情况下都没有观察到明显的莱顿弗罗斯特现象，多孔结构使得水珠在接触表面时，立即分散开来，迅速蒸发 （图5左下）。这使得制冷陶瓷能够在连续施加水滴的过程中持续降温（图5右）。

图5. 高速摄像机连拍下的水滴接触实验（左上为普通商用外墙瓷砖，左下为制冷陶瓷）与连续施加水滴时的表面温度变化曲线（右图，红色为普通商用外墙瓷砖，蓝色为制冷陶瓷）

最后，基于白色的制冷陶瓷，还研制了不同颜色的制冷陶瓷，进一步拓展了应用的受众和场景（图7）。相比市面上普通的有色瓷砖，有色制冷陶瓷能够在呈现相同颜色的情况下达到更高的近红外反射率，从而显著降低太阳照射下所产生的热负荷。

图6. 白色制冷陶瓷及有色制冷陶瓷综上，开发了一种陶瓷形式的无能源且坚固的日间被动辐射制冷材料，用于减少室内环境的冷却需求。该冷却器采用仿生多孔结构，可有效散射太阳辐射，实现99.6%的Rsolar。在实际应用演示和整个建筑能源模拟中，该冷却陶瓷展现出了巨大的节能潜力。该冷却陶瓷具有高耐候性、高机械强度、良好的可回收性、显着的莱顿弗罗斯特凹陷以及可选的颜色特征，易于大规模应用于不同场景和户外基础设施。

原文链接

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

【3】美国马里兰大学胡良兵教授团队 Science：一种溶液处理的辐射冷却玻璃

全球每年约10%的电量用于室内空调，预计到2050年，空调制冷需求将增加两倍，因此需要采取不同的方法来缓解电网压力和应对全球变暖。被动式日间辐射冷却材料可以通过反射阳光并向寒冷的宇宙中反射长波红外（LWIR）辐射（~3K），使得建筑物冷却所需的能量减少60%。目前已证实基于集成多层无机薄膜（例如复合陶瓷和金属）的纳米光子结构可实现各种被动辐射冷却。然而，这种结构需要具有纳米级精度的复杂制造技术（通常在真空室中），这使得它们难以扩展且成本高昂，尤其是在建筑应用领域。因此，开发既能制造和应用，又能显示长期环境稳定性的被动冷却结构具有挑战性。

据此，美国马里兰大学胡良兵教授团队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。在这项研究中，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。具体来说，作者用一个简单的两步法制作了冷却玻璃，将廉价的玻璃和氧化铝颗粒混合成一种很容易涂在基底上的浆液，然后对低熔点玻璃进行热退火，以实现多孔辐射冷却结构（图1A）。玻璃颗粒具有较低的软化温度（~350℃）和大气透明窗口中丰富的红外主动振动模式，作为非传统粘合剂，形成一个坚固的多孔支撑框架（特征尺寸为~12 mm；图1A），可以通过Fröhlich共振提供增强的选择性LWIR发射，同时将阳光散射到相当高的太阳反射率（图1B）。此外，将氧化铝颗粒（平均尺寸为0.5 mm）与玻璃颗粒（图1A）混合，通过允许Mie在太阳光谱中散射（图1B）来提高复合材料的太阳反射率，同时也作为抗烧结剂，防止玻璃颗粒完全致密，否则将导致阳光透明的结构。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这种双粒子设计优化了与被动辐射冷却相关的材料和尺寸效应，特别是结合了大气透明窗口的高太阳反射率>0.96和~0.95的高红外发射率。因此，在将该涂层（~550 mm厚）应用于1.5mm厚的玻璃基板后，室外实验表明，即使在高湿度（高达80%）下，基底温度可以比中午（30°C）环境温度低3.5°C（800 W/m²太阳辐照度），晚上低4°C（环境温度17.5°C）。对中层公寓楼的模拟表明，在考虑冷却需求减少的情况下，在屋顶上覆盖辐射冷却玻璃可以使每年的二氧化碳排放减少10%。除了优异的性能外，冷却玻璃对基板（如瓷砖、砖、玻璃和金属）具有较高的粘附强度，即使在暴露在恶劣条件下，包括水、紫外线、污染和高达1000°C的高温火焰冲击，也能保持其较高的太阳反射率。因此，这种简单、可扩展、成本效益高、环境稳定的被动辐射冷却玻璃涂层既可以减少能源消耗，以帮助缓解全球变暖，并提高住宅的舒适度。

图3. 辐射冷却玻璃涂层的光学和热性能及其模拟CO₂减排 

图4.  辐射冷却玻璃的环境稳定性 

综上，研究一种双颗粒设计方法，以开发环境稳定且低成本的微孔光子玻璃涂层，用于日间辐射冷却，避免使用有机聚合物、金属和复杂的多层结构。该设计的特点是大玻璃颗粒（直径约12μm），其尺寸在大气透明度窗口内，形成的多孔框架可提供更强的选择性低温红外发射，同时将太阳光散射成高太阳反射率。同时，加入较小的Al₂O₃颗粒（直径约0.5μm），以提高复合材料的太阳反射率，并阻止玻璃颗粒的完全致密化。辐射冷却玻璃涂层与具有不同软化点（300-1000°C）的玻璃框架和介电颗粒（如TiO₂、ZnO、BN和Al₂O₃）的多种不同组合兼容，并且可以通过加入染料轻松扩展到开发彩色辐射冷却玻璃涂料。这种基于溶液的工艺具有扩展性，可以通过刷涂或喷涂的方式轻松应用于各种表面，包括屋顶和墙壁，而烧结处理可以通过各种方式实现。这项工作提供了一种具有高太阳反射率、高选择性LWIR、高抗环境退化性和高工作温度的辐射冷却结构，可用于大规模和长期部署，如建筑、数据中心和冷链运输，以及在更极端的环境（如航空航天）中的应用。

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

【4】东南大学赵东亮教授团队 Science综述：在阳光下保持稳定凉爽能源危机与气候变化是21世纪人类面临的两项重要挑战。当前，制冷用电约占全球总用电量的10%。传统制冷技术在大量消耗电能的同时，也增加了温室气体排放。鉴于此，寻找并发展新型制冷技术对于节约能源、推动碳中和进程具有重要意义。天空辐射冷却是通过大气窗口波段（8-13μm）向温度约为3K的外太空辐射热量的被动式冷却技术。当材料辐射的红外热量大于吸收的太阳光能量时，即可实现日间冷却效果而无需外界能量输入。近10年，辐射冷却技术在国际国内取得了长足发展，然而，获得一种兼具良好耐候性、可靠机械强度、低成本、可大规模制备的建筑用辐射冷却材料是领域内一直以来的瓶颈难题。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。东南大学能源与环境学院赵东亮教授团队在 Science 上发表了题为“Staying stably cool in the sunlight（保持太阳直射下的稳定冷却）”的前瞻性观点论文（Perspective）。论文针对辐射冷却材料在户外长期稳定性这一关键难题，认为陶瓷材料不仅光谱性能出色，而且具有优异的环境稳定性，论文还从动态辐射冷却及全生命周期评价两方面对辐射冷却技术进行了评述和展望。赵东亮教授为论文第一作者兼通讯作者，东南大学能源与环境学院博士研究生汤华杰为共同作者。论文从物质晶体结构出发，分析了不同类型材料在太阳光和红外波段的光学特性，介绍了米氏散射协同调控材料光谱的设计原理，并认为陶瓷（如氧化铝Al2O3、二氧化硅SiO2等）材料在建筑辐射冷却领域具有良好的应用潜力。陶瓷材料通常具有较高的电子带隙，其价带上的电子无法被太阳光波段的光子激发至导带，因此在太阳光波段表现出极低的吸收特性。同时，陶瓷材料在大气窗口波段具有较高的红外辐射特性。通过米氏散射定律对陶瓷材料进行结构设计，可实现其在太阳光波段的高反射和红外波段的高发射，以达到日间辐射冷却效果。还详细介绍了同期Science发表胡良兵教授团队、曹之胤教授和王钻开教授团队关于陶瓷辐射冷却材料的两篇研究工作。两个团队均通过烧结陶瓷颗粒-有机溶剂混合涂层的方法制备了具有高度紧凑结构的微纳多孔辐射冷却材料。并分别通过优化氧化铝颗粒粒径和氧化铝骨架内部孔洞尺寸，实现了高太阳光反射率。而隶属于三方晶系的二氧化硅和六方晶系的氧化铝，赋予了该类材料优良的耐候性，即使在高温煅烧、紫外照射等恶劣条件下仍能维持其高太阳光反射率。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）。在屋面应用该陶瓷辐射冷却材料后，建筑内部空调能耗相比于普通白色涂料建筑可降低26.8%。其中，由胡良兵教授团队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，而曹之胤教授和王钻开教授团队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，胡良兵教授团队优化了氧化铝颗粒作为调控器，而曹之胤教授和王钻开教授团队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最后提出，通过使用陶瓷辐射冷却材料来减少建筑碳排放的策略不能仅关注使用过程中的节能和成本效益，而应当进行全生命周期评价。此外，论文还介绍了动态辐射冷却技术的现状及发展瓶颈。动态辐射冷却技术是基于外部环境条件（温度、湿度、光照等）的变化，通过被动或主动方法调控材料太阳光及红外光谱，实现制冷或制热需求的辐射热管理技术。未来，可大规模制备、低成本的动态辐射冷却材料将会是该领域的重要研究方向之一。

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

【5】美国莱斯大学朱涵宇教授团队 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教授团队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。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

图3.磁化和手征声子的匹配动力学

图4. 手征声子诱导有效磁场的标度该项研究表明，利用圆极化太赫兹辐射超快脉冲驱动的手性声子，在稀土三卤化物氟化铈CeF3中，实现了1特斯拉量级的磁场。这种自旋-声子耦合控制，提供了一条新途径，用以在原子尺度上，实现按需超快大磁场，这将有助于基础材料科学和高能效自旋电子器件发展。

原文链接

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

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