在光学系统中，线性器件可视为模态转换器，通过输入输出正交模态的变换来刻画复杂光学系统。为了充分利用光的自由度，需要同时调控空间、偏振及波长模态。在空间分复用光通信中，大量双偏振空间模态可显著提升传输容量；而具有非均匀空间与偏振分布的矢量光束，如柱矢量光束，也被用于提升自由空间通信与全息成像中的信息密度。因此，亟需发展一种通用器件，实现任意矢量模态间的无损多输入多输出转换。多平面光学转换（MPLC）已在标量光场模态变换中展现优异性能，并广泛应用于通信、量子光学与光学计算。但传统方案仅能处理标量场，无法完成矢量光束中偏振空间分布的任意变换。与此同时，全介质超表面作为高效平面光学器件，能灵活调控偏振，但现有单层或双层结构仅限于单一模态，未能实现矢量模态的普适转换。已有多层超表面工作虽展示了多模同时转换，但多局限于标量操作，未能充分发挥偏振调控能力。因此，目前尚缺乏一种通用且多功能的多层超表面器件，能够实现任意情形下的完备矢量模态转换。
近日，东京大学的Go Soma和Takuo Tanemura团队，提出了一种基于多层超表面的全矢量模态转换器，并建立了通用设计方法以实现任意情形下的多输入多输出（MIMO）矢量模态转换。通过将传统多平面光学转换（MPLC）中的标量相位掩膜替换为局域双折射超表面，将MPLC理论扩展至多级Jones矩阵形式，并结合伴随法推导出显式反演设计框架，用于优化超表面中各层超原子的参数。实验上，作者利用三层超表面芯片（面积约0.19 mm²，折叠式结构），实现了一个6模（3个空间模×2个偏振模）的紧凑型复用器，有效验证了所提方法的可行性。进一步的数值研究表明，该方法同样适用于更复杂功能器件，例如模分复用双偏振相干接收器和空间模复用矢量全息器，均展现出优异性能。该方案具有良好的通用性和可扩展性，可实现多类型矢量模态的高效转换，为充分利用光场自由度、推动光通信、成像及光学信息处理等领域的发展提供了新的技术途径。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-62401-w
非厄米系统的典型特征是存在例外点（EPs），其表现为特殊的谱简并。EP携带分数拓扑荷，并呈现出自交的非厄米拓扑特性，这可以通过在参数空间中沿闭合回路环绕EP来验证。EP通常成对出现，并由体费米弧相连，两个EP的拓扑荷符号相反。这些特性已经催生了诸多新奇应用，例如高灵敏传感、激光以及非对称模态切换。进一步地，EP还能构成更复杂的拓扑结构，如例外线（ELs）和例外环（ERs），显著扩展了非厄米系统的拓扑类别。但传统上这些结构需要高维参数空间和复杂对称性设计才能实现，实验上在二维光子晶体板和三维波导阵列中仅实现过最多两条ER。若能够在简洁体系中设计出高维非厄米拓扑，将对非厄米物理的基础研究和应用探索都具有重要价值。
近期的研究进展表明，通过利用具备连续反演对称性的体系，可以在简单结构中实现复杂拓扑现象，这为降低设计复杂性提供了有希望的解决思路。然而，这一方法尚未扩展到非厄米系统中。
近日，吉林大学张旭霖教授团队提出并验证了即便在最简单的一维非厄米光子晶体中，也能实现多达四条ER。理论上，团队从狄拉克哈密顿量出发，证明通过引入特定非厄米扰动可以在三维动量空间中产生体费米环面，从而衍生出最多两对ER，突破了“仅能产生一对ER”的传统认识。并进一步证明简单的一维非厄米光子晶体即可再现实验所需的非厄米哈密顿量。通过调节光子晶体的充填比，体系可支持从一条到四条ER。实验上，团队在一维钙钛矿光子晶体中，通过角分辨反射光谱首次在可见光波段观测到与ER相关的体费米环面。该结果不仅拓展了非厄米系统的拓扑类型，还为在简单体系中探索高维非厄米拓扑提供了可行平台。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1103/clbx-mh6y
近年来，非厄米物理已成为描述开放系统中能量、粒子与信息交换的重要框架。其中，非厄米趋肤效应（NHSE）作为一种显著现象，表现为大量本征态在开放边界处的指数聚集，重新定义了体边对应关系，并在波导、传感和模式选择等方面展现出潜在应用。尽管NHSE已在电路、光子、力学、声学及量子平台中得到广泛验证，如何有效调控该效应仍是当前研究的焦点。一方面可通过调控复能谱的拓扑性质直接开关NHSE；另一方面则可利用与其他局域机制之间的竞争实现对NHSE的抑制或增强。在各类调控手段中，规范场因其能同时调制能谱形态并引入额外局域机制，展现出独特的优势。特别是Aharonov–Bohm（AB）笼效应，作为一种源于波函数相消干涉的局域机制，与NHSE存在本质竞争，为在非厄米系统中实现波动态的可控局域与输运提供了新途径。然而，在声学这类磁惰性体系中实现非互易耦合与规范通量仍具挑战，因此构建可重构的非厄米声学晶格并观测AB笼效应对NHSE的调控具有重要研究意义。
近日，武汉大学的邱春印教授、张起成副研究员研究团队通过在有源反馈电路的辅助下，在一维菱形声学晶格中实现了非互易耦合与合成规范通量的灵活调控，并首次实验观测到AB笼效应对定向放大作用的连续抑制乃至完全关闭。在理论上，该体系可通过调节通量ϕ连续改变复能谱的点隙面积与绕数，从而控制NHSE的强弱；在ϕ = π时，所有能带完全平坦，波函数被局域于源附近，形成非厄米版本的AB笼态。实验方面，研究首先在无源声学结构中验证了厄米性AB笼的存在，进而通过定制非互易耦合器和相位延时器成功引入可调复数跳跃，实现任意ϕ的非厄米声学晶格。实验结果显示，随着ϕ从0增至π，原由NHSE引起的向右定向放大被逐渐抑制，并在临界通量附近出现扩展临界态，最终在ϕ = π时声波被完全局域于源附近，无法向右传播。这一现象与基于格林函数的理论模拟高度一致。该工作不仅首次在声学中实现时间反演对称破缺的规范通量，还揭示了非厄米性与规范场交互作用的新机制，为可重构声学器件与能量调控提供了新思路。该研究成果发表于《Advanced Functional Materials》。（刘梦洋）
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https://doi.org/10.1002/adfm.202520857
非对称波传输是提升高性能传输系统安全性与鲁棒性的关键手段之一，通常依赖于打破时空对称性或引入非厄米机制。过去十年，人们已在光学与声学中通过外磁场、背景流、非线性效应与时空调制等方案实现单向传播。另一方面，空间对称性破缺与非厄米奇点也带来了单向透明、吸收与聚焦等现象。然而，这些研究多以平面波为对象。结构波携带更高自由度与信息维度，其非对称传输正受到日益关注。涡旋波束作为结构波的代表，因其携带拓扑荷（topological charge, TC），可以在连续扰动下保持不变，从而保证通道稳定性。因此，涡旋波束在操控、成像与高容量多通道通信等方面具有独特优势。现有实现单向涡旋传输的多种途径（如角向调制超材料、连续体束缚态、非厄米奇点等）虽具备方向选择性，但往往引起 TC 改变，破坏不同 TC 通道的独立性，从而诱发串扰并导致信号失真。
近日，同济大学李勇教授、王旭教授团队提出并实验验证了一种轴向调制、完美旋转对称的超材料方案，在保持TC不变的前提下，实现了高度非对称的涡旋传输。其核心机理如下图所示：前向入射 (a, c) 时，轴向调制超材料使入射涡旋的传播波数kz减小，依据动量守恒关系(
分别为径向波数和总波数) 驱动径向模式阶跃，整体仍处于可传播区。反向入射 (b, d) 时，超材料使kz增加，此时径向模式为基模不能再降低，入射涡旋由传播态转为消逝态，从而实现有效隔离。基于上述非对称涡旋传输机制，研究人员进一步实验展示了信息的单向、抗噪传输。该“TC保持 + 径向模调控”的协同机制避免了角向耦合与TC跃迁，从源头维护不同 TC 通道的独立性，为结构波平台上的安全、定向、抗噪信息传输提供了新思路。相关内容发表于《Nature Communications》。（刘磊）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-63557-1
在信息与能源技术快速发展的今天，热-光子超材料（Thermal-Photonic Metamaterials, TPMs）作为一种能够在纳米尺度上精准调控光与热辐射行为的新型功能材料，正在成为能源转换、红外隐身、热管理等前沿领域的关键支撑。传统的TPMs虽然在热光伏、高温红外伪装、宽带辐射制冷等方向展现出巨大潜力，但其设计与应用仍然面临三大难题：一是光学参数的高温实验数据极为匮乏，限制了高温稳定TPMs的理论预测与实验验证；二是现有的数值计算与优化方法（如有限差分时域法、遗传算法等）计算量庞大、效率低下，难以覆盖从低温至超高温、从窄带到全红外宽带的广谱调控需求；三是目前的人工神经网络方法虽然在部分波段或特定器件设计中取得进展，但模型复杂、推广性差，难以应对多温度、多材料、多功能的一般化设计挑战。尤其是TPMs在实际应用中普遍存在随温度升高而发生的光谱红移现象，但绝大多数设计尚未将“温度自适应”纳入考虑，这不仅制约了材料的长期稳定性，也限制了其在极端环境下的可靠应用。因此，如何建立一种能够普适描述“结构-材料-温度-光谱”之间高维映射关系的新范式，并实现跨温区、跨谱段的快速反演设计，成为该领域亟待突破的关键科学问题。
针对上述挑战，中国科学院大学黄成研究员、罗先刚研究员和马晓亮研究员团队提出并验证了一种全新的“温度自适应热-光子超材料设计框架”。该工作首次将从头算得到的高阶非简谐声子自能数据引入材料光学参数构建，结合“维度增强”策略构建多维材料-温度-光谱数据库，并在此基础上利用轻量化全连接神经网络（FCNN）实现高效反演设计。研究中，团队选择Al₂O₃、BeO、MgF₂、SrTiO₃和TiO₂等高熔点氧化物/氟化物为候选材料，计算并存储其在300–1500 K、1–25μm范围内的复折射率，形成了多维“材料-温度-光谱”数据集。通过维度增强方法，原本稀疏的材料-厚度参数序列被扩展为包含材料、厚度、温度和复杂光学常数的高维特征空间，使得网络能够在单温度点训练下泛化至整个温区，实现了对窄带热光伏发射器、宽带及激光红外伪装、全光谱辐射制冷器等多类器件的快速设计，计算效率提升120倍。实验验证显示，该框架设计的双波段TPMs在1100 K下实现55%辐射抑制，温降达65 K，并在1500 K下保持12小时结构稳定，光学漂移小于2%，显著优于传统Pt薄膜的热稳定性。此外，该器件还兼具84%可见光透过率和98%微波透过率，具备多光谱集成潜力。该研究不仅为极端温度条件下的能量转换、隐身防护和可持续热管理提供了全新解决方案，也为结合第一性原理计算与人工智能驱动的智能材料设计开辟了通用范式。相关内容发表于《Advanced Functional Materials》上。（张琰炯）
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https://doi.org/10.1002/adfm.202516303
非线性在物理学、生物学、化学等许多学科中普遍存在。在光子学系统和玻色–爱因斯坦凝聚中，非线性发挥着关键作用，能够产生混沌和孤子等奇异现象。孤子是由色散与非线性平衡形成的稳定波包。近年来，非线性系统逐渐成为拓扑物理的新前沿，带来了拓扑体孤子、边界孤子以及非线性诱导拓扑相变等新发现。
研究表明，在非线性体系中，若线性哈密顿量被周期性缓慢调制，孤子可以发生量子化输运。这与电子系统中的线性Thouless泵浦不同：在线性情况下需要整个能带填充，而非线性孤子的输运仍然受制于其起源线性能带的Chern数，即孤子从某一线性能带分支出来时，其泵浦行为由该能带的Chern数决定。进一步的研究发现，孤子甚至可能在多个周期后才跨越一个晶胞，即所谓的分数化Thouless泵浦，通常被解释为分数泵浦对应于线性哈密顿量多带Wannier函数的流动。因此，如果所有能带的Chern数总和为零，理论上孤子不能被泵浦。然而，已有工作预测，在整数泵浦中孤子位移与Chern数的对应关系可能失效，这引出了一个问题：在完全拓扑平凡的线性系统中，孤子是否仍能发生分数泵浦？
近日，清华大学徐勇教授和上海大学张永平教授团队研究了一个非线性off-diagonal Aubry-André-Harper模型，发现即便线性能带全为拓扑平凡，孤子依然可以实现整数量子化泵浦。与此前模型相比，该方案无需在抽运周期内改变非线性强度，从而极大简化了实验实现。此外，在某些参数下，孤子会在两个、三个或四个周期后跨越一个晶胞，表明非线性能够在拓扑平凡的线性系统中诱导分数化Thouless泵浦。其机制源于孤子解对现场势的修饰，从而有效“重构”出拓扑非平凡的哈密顿量。与以往模型不同，我们的方案无需调制非线性强度，仅依赖于最近邻耦合的调制，因此在光子平台上易于实验实现。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1103/96f5-qszj
可变形微纳结构因其可定制与可调控的特性，在光学与力学超材料领域受到广泛关注，尤其在仿生学、可拉伸电子器件、能量收集、柔性机器人及微纳操纵系统等领域展现出巨大潜力。实现大范围、可控的结构变形是提升功能器件性能的关键，例如在光学微机电系统（MEMS）中，可重构能力与调制深度密切依赖于有限空间内可动部件的位移范围。然而，受限于纳米尺度的空间约束，现有变形机制难以实现大幅度的机械变形，尤其是双向离面变形能力仍面临严峻挑战。传统的纳米剪纸结构虽能实现从二维到三维的形态转换，但其变形率通常不超过25%，严重限制了其在高度集成微纳器件中的应用潜力。因此，发展具有超高变形能力和双向响应特性的微纳结构设计策略，成为该领域的重要研究方向。
近日，北京理工大学的李家方教授、澳大利亚皇家墨尔本理工大学的贾宝华教授、澳大利亚斯威本科技大学的黄晓东教授研究团队，提出并实验验证了一种基于合成设计策略的纳米剪纸结构，通过引入阿基米德螺旋线单元组合，实现了大幅度、双向的离面变形。该结构在预设预应力或毛细力驱动下，可达到0.5的高宽比变形率，远超已有报道的纳米剪纸性能。通过有限元模拟与实验制备相结合，系统分析了结构的应力应变分布、变形机理与机电响应特性。研究进一步展示了该结构在电控光学调制与高分辨率信息加密中的实际应用：在仅2.2微米像素尺寸下，实现了高达37%的反射调制对比度，并成功演示了基于莫尔斯电码与汉字图案的动态可重构显示。此外，通过设计多线寻址（MLA）电极阵列，实现了对单个像素的独立电控与实时图像编程，显示出在微型光显示系统、光通信与加密技术中的广泛应用前景。该合成纳米剪纸策略不仅显著提升了微纳结构的变形能力与设计自由度，也为发展新一代可重构微纳光机电系统、拓扑光子学与高分辨率动态显示技术提供了新思路。该文发表于《Nature Communications》（刘梦洋）。
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-63169-9
力学超材料通过结构设计赋予材料前所未有的力学性能，如负泊松比、负刚度和非互易性等，极大地拓展了材料的功能边界。近年来，随着智能材料的发展，将对外界刺激（如磁场、湿度、温度、光等）具有响应能力的材料融入力学超材料中，形成了“主动力学超材料”，实现了性能的动态调控与编程。这类材料在软体机器人、自适应结构和生物医学设备等领域展现出巨大潜力。然而，当前多数驱动方式仍面临成本高、制造复杂、对缺陷敏感等问题，限制了其实际应用。因此，开发一种制造简便、响应可靠、具有多模态切换与非互易调控能力的主动力学超材料，具有重要的研究意义与应用价值。
近日，曼彻斯特城市大学Olly Duncan团队提出了一种基于电热驱动与柔性机构相结合的主动力学超材料，通过选择性加热导电聚合物梁实现刚度在三种压缩模式之间的可编程切换。该结构由两个可独立软化的活性梁、一个柔性摇臂机构和一个被动弧形梁组成单元胞，通过控制电流通路使特定梁受热软化，引发非对称屈曲行为，进而实现“软模式”、“硬模式”和“对称模式”的切换。在软模式下，梁屈曲远离接触区域，整体响应较柔；在硬模式下，梁屈曲导致自接触现象，显著提高刚度；对称模式下屈曲延迟且方向随机。此外，通过锁定部分柔性层并施加横向剪切载荷，该材料还表现出可编程的静态非互易力学行为，即从左至右与从右至左的载荷-变形响应不一致。该设计通过柔性机构放大驱动效果，降低了对制造缺陷的敏感性，提高了系统的鲁棒性。在应用方面，该超材料可用于机器人抓取界面或医疗设备中，实现对局部压力和牵引力的精细调控，例如在抓取易碎物体时减少表面损伤，或在手术支撑中调节接触状态。该研究首次将可打印导电聚合物用于主动力学超材料的驱动与传感一体化设计，为低成本、可扩展的智能材料系统提供了新思路。相关工作以“Electro-Thermally Controlled Active Mechanical Metamaterials with Programmable Stiffness and Nonreciprocity”为题发表在《Advanced Science》上。（孙嘉鹏）
https://doi.org/10.1002/advs.202511669
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