超材料前沿研究一周精选2024年6月16日-2024年6月23日

近年来，利用小型装置实现高效甚至完美的波吸收引起了波动物理各个分支的极大兴趣。在声学中，人们提出了利用弹簧质量振荡、四分之一波长共振和米氏共振等共振机制来开发吸收超原子，包括亥姆霍兹共振器、微穿孔板、法布里-珀罗共振器、膜共振器和米氏共振器。这些超原子能够在强烈共振期间高度局域化声能，超越了线性响应理论（该理论适用于传统的大块多孔材料）的限制。因此，基于超材料或超表面的吸声装置表现出优异的性能，尤其是在低频声音的吸收方面。此外，可以通过调整超原子的几何形状来调整工作频率，通过耦合多个具有离散谐振频率的超原子可以实现宽带吸波器。此外，超表面已用于构建双端口开放系统中的吸波器，不仅具有高效的吸收能力，还具有通风和散热能力。然而，大多数此类吸波器采用级联连接的有损超原子和有效边界，仅考虑抑制特定角度的垂直或斜入射平面波，而不包括全向辐射的圆柱体声。这限制了这些吸波装置的潜在应用。

近日，南京大学的程营教授、刘晓峻教授团队，受到波干涉理论的启发，提出了一种吸收圆柱形声波的方法，即结合人工修饰的无源单极子和偶极子，它们分别由盘绕空间谐振器和双通道谐振器合成。为了证明方法的有效性，构建了一个超稀疏环形超表面吸收器，其空气通道面积比为 46%，厚度为深亚波长。值得注意的是，该吸收器对全向辐射的圆柱形声波的吸收性能达到 96%（实验中为 91%）。这一成就是通过利用由 36 个超分子组成的圆形阵列实现的，这些超分子排列成环形声栅结构，每个超分子支持合成的多极子。近乎统一的吸收是通过复合单极子和偶极子之间的相消干涉来实现的，其特征是使用一维阻抗管。这种高效吸收与出色的通风和紧凑性相结合，为设计能够处理具有复杂波前的低频声波的功能性吸声装置提供了可能性。相关工作发表在《Physical Review Applied》上。（刘帅）

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http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.064043

在过去的20年里，局域共振声学超材料在低频隔声方面表现出巨大的潜能。由于其隔声特性是通过局域共振效应实现的，这使得隔声频段仅限于窄带频率，尤其是低频范围更为明显。增加谐振器的数量或者多种谐振模式、采用非线性声学材料、添加参杂物以触发负刚度等方法被提出以扩大衰减带宽，这些方法从隔声性能的角度提供了解决方案，但其单胞结构设计紧凑且复杂，严重依赖于制造技术，不适合大规模的生产制造。

近日，Universitat Politècnica de Catalunya的David Roca团队，提出了一种新颖的基于多谐振层状声学超材料 (MLAM)的增强设计MLAM+，与同等的双峰配置相比，该设计允许耦合第三个额外的峰值，从而极大地改善了结构的STL响应。第三个峰值不是由局部共振效应引起的，而是通过在耦合弹簧-质量系统的同时增加一个中间谐振器，该谐振器结合两个内部谐振器的共振来触发零刚度响应。通过分析和数值验证表明，第三个峰值的频率可以通过分层设计的几何特征进行控制。并且可以在不增加总质量和保持面板承载能力的情况下对其进行调整，以拓宽有效衰减带宽和提高传声损失。MLAM+所实现的各种性能的提升为未来针对不同应用优化设计的研究开辟了道路，使其有可能成为隔声领域的一项突破性技术。相关工作发表在《International Journal of Mechanical Sciences》上。（余勇花）

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https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108951

在当代研究中，关注来自二维扭转范德华多层的莫尔超晶格奇异性质的莫尔扭转电子学引起了极大的关注。一个众所周知的例子是扭转双层石墨烯(TBG)，其中莫尔层间耦合可以显著改变低能物理，其电子结构被用于小扭转角度的Bistrizer-MacDonald模型描述。其中，当扭转角度被调整为特定值时，低能狄拉克带将演化为具有“脆弱”拓扑的孤立双平带(FBs)。因此，TBG中的这些FBs为探索新型相关的拓扑物理提供了一个令人兴奋的平台，并且已经通过实验观察到了一系列有趣的相关现象。然而，到目前为止大多数研究都集中在TBG的双重FBs上。一个有趣而突出的问题是：是否有可能实现具有更高简并度的FBs？这样的探索是非常可取的，因为这一认识不仅将为魔角和FBs的起源提供新的理解，还将为多样化的强相关物理提供更富有成效的平台。

近日，日本理化学研究所跨学科理论和数学科学项目的邱靖凯教授课题组和中国科学院理论物理研究所的吴贤新教授课题组合作，在空间交变磁场存在下表明了未被发现的具有四重简并性的FBs的出现，这是受六边形Haldane模型修正的具有外部均匀磁场的二维系统中的电子可调性驱动的。其中，单层的狄拉克锥获得了一个额外的磁相位φ，与传统TBG的实特征值相比，该磁相位将魔角的解扩展为了Birman-Schwinger算子的复特征值。其中一些复特征值与具有绝对平坦性和非平凡拓扑的四重FBs(每个谷/自旋)相对应。此外，为了揭示四重带的起源，该工作还证明了波函数可以由具有两个实空间节点的全纯函数生成，并且生成函数将自然导致具有四重简并的绝对平坦性。文中提出的模型在光学晶格中的实验实现是可行的，四重带中的附加轨道可以带来更多样化的强相关物理，为未被发现的多个魔角和具有更高简并度的新一代绝对FBs开辟了一个可靠平台。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘梦洋）

光学超材料是一种由亚波长超原子组成的人工结构材料，在隐形、成像和伪装等各种应用方面具有广阔的应用前景。先进的自上而下光刻工艺，如聚焦离子束 (FIB)和电子束光刻 (EBL)，已被开发用于制造纳米级的极精细图案。夜间或外太空的伪装是一种常见的应用场景，特别是在军事领域，它既需要高的可见光吸收率以适应黑色背景，又需要低的红外发射率以同时抑制辐射。基于所有要求，需要设计和制造具有高度选择性光谱的类皮肤软光学超材料，即在可见光波段具有高吸收率，在中长波红外波段具有极低的发射率。然而，传统材料很难满足兼容伪装的选择性光谱要求。近年来，人们致力于开发用于兼容伪装的人造材料，如超表面、多层膜和MXene。然而，它们通常伴随着高昂的制造成本。多层膜通过精确设计不同层的材料和厚度来实现灵活的光谱调制，这反过来又需要更复杂的制造工艺，导致结构公差低。此外，在高工作温度下，多层膜的热失配也是一个问题。此外，考虑到超表面和多层膜对基底的依赖，确保它们的可附着性和渗透性通常具有挑战性。

近日，南京大学的朱嘉教授团队，提出了一种基于独特的金纳米粒子组装空心柱（NPAHP）的类皮肤双波段伪装超材料，该超材料是通过自下而上的模板辅助自组装过程实现的。这种双波段伪装同时实现了高可见光吸收率和低红外发射率，非常适合夜间或外太空的可见光和红外双波段伪装。此外，这种自组装超材料具有微米厚度和周期性的通孔，表现出卓越的类皮肤附着性和渗透性，可以紧密附着在包括人体在内的各种表面上。受益于极低的红外发射率，类皮肤超材料表现出优异的高温伪装性能，辐射温度从 678 开尔文降低到 353 开尔文。这项工作为具有灵活多波段调制且适用于多种应用场景的类皮肤超材料提供了新范式。相关工作发表在《Science Advances》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1896

与Ⅰ型Weyl半金属不同，Ⅱ型Weyl半金属由于较强的自旋-轨道耦合作用，其体能带是一个倾斜的线性圆锥结构，导致材料对磁场的响应具有显著的各向异性，有望为拓扑量子电子学的发展带来新机遇。与Weyl半金属类似，节线半金属近年来被预测为一类具有线性能量色散的新型拓扑材料，不同点在于其能量色散表现出一维带交叉点的线或环结构。同时，与Ⅱ型Weyl半金属中的带反转结构类似，Ⅱ型节线半金属中也允许存在倾斜的线或环。目前，已经有研究证明了ZrSiX（X = S, Se, Te）是拓扑节线半金属。而ZrSiSe作为节线半金属的最早的候选材料之一，也已经有输运和光学实验提供了Ⅰ型节点线费米子存在的证据。但由于缺乏具有稳定Ⅱ型节线能带结构的理想材料，以及Ⅱ型节点线费米子的态密度低，Ⅱ型节线费米子的直接观测一直存在挑战性。

近日，复旦大学修发贤教授团队利用化学气相输运法制备了c轴晶格常数小于之前报道值的高质量ZrSiSe单晶。根据该单晶的晶格常数，密度泛函理论（DFT）的计算结果表明，在该ZrSiSe第一布里渊区的Z-R线上，Ⅰ型节线保持完整的同时存在明显倾斜的II型节线结构。磁光光谱的实验结果也体现出来自I型和II型两种节线结构的朗道能级跃迁。角分辨光电子能谱（ARPES）的测量结果也进一步证明了两种节线结构的共存。此外，研究团队还对ZrSiX家族中的其他材料做了相似的研究，并证明了仅在特定晶格常数的拓扑材料ZrSiSe中，I型和II型节线费米子共存。该结果对研究II型节线费米子独特的物理性质提供了良好的材料平台。相关工作发表于《ACS Nano》上。（侯玥盈）

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https://doi.org/10.1021/acsnano.4c01633

互易性是众多物理系统中传输的基本原则，它意味着信号在系统中的传播总是以对称的方式进行，从而确保系统对来自相反方向的输入做出相同的响应。近来，人们对打破信号传播在时间和空间维度上的对称性以诱发非互易行为的兴趣日益浓厚，这主要体现在涉及电磁波、声波和机械波传播的动态系统中。静态非互易性带来了一种独特的能力，即无需主动时间调制元件即可操纵机械信号和能量。在简单剪切过程中观察到的一个重要非线性现象是坡印亭效应，即在垂直于剪切平面的方向上剪切引起的正应力。请注意，坡印亭效应不同于压缩扭转效应。虽然这两种现象都涉及纵向和横向位移，但压缩扭转效应中的位移是由法向力驱动的，而坡印亭效应中的位移是由剪切力驱动的。自然界和工程学中都存在非互易的坡印廷效应，然而，目前对非互易坡印廷效应的系统探索仍然有限。

近日，上海交通大学王东副教授联合新加坡南洋理工大学周琨教授，通过引入一个通用桁架模型来说明非互易坡印廷效应的形成机理。桁架模型还揭示了材料的非线性可以用来调节非互易坡印亭效应的大小。受这一发现的启发，将由卷曲微结构组成的圆柱形点阵超构材料作为案例研究，以产生非互易坡印亭效应。卷曲微结构用于调整非线性应力-应变行为。为圆柱形点阵超构材料开发了一个设计框架来编程非互易坡印亭效应，该框架集成了数字生成、有限变形建模、有限元模拟和3D打印制造。有限变形模型建立了坡印亭效应与几何参数和材料参数之间的关系。在设计框架的基础上，设计出了各种可编程大小的坡印亭效应。文章还展示了仿生坡印亭效应匹配、波能转换器和单向运动限制等应用。该框架可实现扭矩和法向力之间的一对一映射，为设计具有精确力传递能力的软器件铺平了道路。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）

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L. Dong, K. Zhou, D. Wang. Programmable nonreciprocal Poynting effect enabled by lattice metamaterials[J]. Science Advances, 2024, 10: eadl5774.

https://doi.org/10.1126/sciadv.adl5774

为了增强人类的体能、实现人体与辅助器件之间的互动与协作，可穿戴辅助界面应运而生。辅助机器人技术的进步催生了包括辅助腿、臂和手指在内的多种器件，满足了从工业应用到医疗应用的不同需求。然而，这些现有器件往往因其固有的沉重感、固定的刚性和较差的保形性而存在不足，妨碍了与不同的复杂身体轮廓进行舒适、适应性强的互动。纺织材料因其柔软性和保形性，长期以来一直被用来保护人体免受恶劣环境条件的影响。然而，大多数现有织物在制作完成后本质上是柔软和被动的，作为可穿戴辅助器件提供的力学反馈有限。尽管加入致动器，使其能够主动协助人类完成抓取和举起物体等物理任务，但它们仍面临着几大挑战：i）流体驱动织物在致动后体积较大，这在可穿戴应用中并不理想；ii）相变材料的响应时间较长，这限制了它们在需要快速调整的场景中的适用性。iii）现有的主动织物无法完全适应和顺应具有复杂几何形状和表面的人体的各种形状和轮廓。

近日，新加坡南洋理工大学王一凡教授团队提出了由与柔性致动纤维相互连接的结构化刚性瓷砖组成的主动式辅助织物。该方案从软硬结合的生物保护有机体中汲取灵感，通过将目标体形可编程地镶嵌到瓷砖中，并通过致动纤维控制它们之间的相互作用，主动织物可以在软顺应构型和与身体相适应的刚性状态（硬度变化大于350倍）之间快速转换，同时最大限度地减少致动后的器件体积。这些活性织物的多功能性被证明可以作为抑制震颤和提升辅助的外骨骼服，作为减轻冲击的防弹衣，并与电热致动器集成，用于智能致动，具有方便的折叠能力。这项工作为设计具有形状适应性和可控刚度的可定制主动织物提供了一个实用框架，适合应用于可穿戴外骨骼、触觉器件和医疗康复系统。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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X. Yang, Y. Chen, T. Chen, et al. Active Fabrics with Controllable Stiffness for Robotic Assistive Interfaces[J]. Advanced Materials, 2024.

https://doi.org/10.1002/adma.202404502

有趣的“滑动电子学”已经在范德华(vdW)层状非中心对称材料和新出现的人工调谐扭曲莫尔超晶格中得到了报道，但是在原子水平上空间跟踪层间滑动动力学的相关实验仍然难以捉摸。在这里，研究团队解决了在vdw层状钇掺杂γ-InSe中，一步一步、一个原子一个原子地原位追踪原子级层间滑动和诱导极化反转的决定性挑战。研究团队直接观察到层间沿扶手椅方向被1/3单元格实时滑动，对应于垂直极化反转。仅由低能量电子束照明驱动的滑动表明相当低的开关势垒。此外，还提出了一种新的滑动机制，支持观察到的反转路径，即两个双层单元同时相互滑动。通过原子尺度层间滑动对极化反转的见解，为正在进行和未来针对非易失性存储或铁电场效应晶体管的滑动铁电体研究带来重要进展。

近期，华东师范大学越方禹研究员、吴宇宁青年研究员、齐瑞娟高级工程师研究团队和上海电机学院金敏教授研究团队合作，观察到了vdw层滑动铁电InSe:Y在外电场或(S)TEM系统的电子束照明驱动下的原位层间滑动诱导极化开关。极化反转路径倾向于两个相邻双层同时相对滑动，揭示了轻微掺杂的Y在观察滑动动力学中所起的显著作用。y掺杂在vdw隙中产生Yi，不仅优化了滑动势垒，增强了层间的均匀稳定性，使超柔性未掺杂InSe的自然层错显著减少，而且使OOP极化提高了一个数量级。研究结果揭示了二维vdw层状结构中滑动铁电的滑动动力学，并验证了该材料体系中多级极化状态的存在，这将彻底改变滑电子的实际应用，从超薄层到具有低能量成本的高速数据处理的半导体。相关研究成果以“Atomic-level polarization reversal in sliding ferroelectric semiconductors”为题发表在《Nature Communications》上。（郑佳慧）

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DOI:10.1038/s41467-024-48218-z

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