今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及光学增益和损耗引起的狄拉克质量，声学Fock晶格中的拓扑泵浦，双螺旋声束中的声自旋控制轨道旋转，铋分形纳米结构中的拓扑边界态和角态等,敬请期待！
索引：
1 光学增益和损耗引起的狄拉克质量
2 声学Fock晶格中的拓扑泵浦
3 双螺旋声束中的声自旋控制轨道旋转
4 三波长消色差cmos集成四比特轨道角动量模式探测器
5 铋分形纳米结构中的拓扑边界态和角态
6 ZrTe5中自发反演对称性破缺和Berry曲率和轨道磁化的出现
7 具有显式和鲁棒神经元的机械神经网络
8 通过数据驱动逆向设计的柔性跳变力学超构材料
质量通常被认为是物质的固有属性，但现代物理学揭示了粒子质量具有复杂的起源，例如高能物理学中的希格斯Higgs机制。在如石墨烯的晶格中，相对论狄拉克粒子可以作为低能准粒子存在，并且晶格对称破缺扰动赋予了其质量。这些质量的产生机制都假设了厄米性，即能量守恒。
近日，新加坡南洋理工大学Cesare Soci, Baile Zhang & Y. D. Chong教授课题组合作利用光子合成晶格，在实验上证明了狄拉克质量可由基于光学增益和损耗的非厄米微扰产生。此外，他们还探索了增益和损耗引起的狄拉克质量的时空工程如何影响准粒子。正如研究所示，准粒子在空间边界处经历克莱因Klein隧穿，但非厄米对称性的局部破缺可以在畴壁上产生新的通量不守恒效应。在狄拉克质量符号突然翻转的时间边界上，他们还观察到了时间反射现象的一种变体：在非相对论极限下，狄拉克准粒子反转其速度，而在相对论极限下，原始速度保持不变。上述研究成果发表于期刊《Nature》。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07664-x
2 声学Fock晶格中的拓扑泵浦
绝热泵浦是一种在多个物理平台中普遍存的动态过程，可以诱导状态转换、介观费米子输运和玻色子波操纵。后来，拓扑结构被引入到绝热泵浦中，成为揭示拓扑现象的有效探针，并已推广到非阿贝尔情况。拓扑泵浦有望在电磁波、声波和机械振动等各种系统中为鲁棒能量传递提供潜在应用。尽管拓扑泵浦不受制造缺陷和扰动的影响，拓扑泵浦通常需要缓慢的调制变化以达到更高的传输保真度，特别是对于嵌入连续体态中的手性边缘态泵浦。为了提高泵浦效率，可以采用频谱隔离的模式，如边界或界面上的缺陷态或嵌入体态的拓扑缺陷。最近，人们提出了一种支持拓扑-缺陷态输运的方案，该方案包括构建具有恒定带隙的一维Fock晶格，并已经在超导电路和空间调制光子波导中证明。Fock晶格中的耦合强度是光模式占据数的平方根，使整个调制过程中能够恒定的频带隔离，从而为缺陷状态提供了间隙保护传输。由于非均匀耦合分布对于实现Fock晶格至关重要，因此对所有耦合系数的可靠控制具有很高的要求。
近日，华南理工大学陆久阳教授，邓伟胤教授和黄学勤教授联合在声学Fock晶格（AFL）中实现了拓扑泵浦。得益于宏观设计，谐振器之间的耦合强度被精细地设计成平方根形式，这促进了具有内部拓扑缺陷的一维Fock晶格的声学模拟。通过对耦合器的调制，可以将局部声缺陷态沿一维AFL从一端泵浦到另一端。与其他声学拓扑泵浦方案相比，这里具有较短的调制周期，可以达到较高的传输保真度。此外，还构建了一个具有潜在的应用前景的声波束聚焦器。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.064068
3 双螺旋声束中的声自旋控制轨道旋转
光的自旋轨道相互作用极大地提高了我们对光的基本原理的认识，并促进了各种新兴应用。光最基本、最重要的自旋轨道相互作用是轨道角动量(OAM)和自旋角动量(SAM)之间的相互作用。光学自旋轨道相互作用主要有两种类型：本征自旋轨道相互作用和非本征自旋轨道相互作用。本征自旋轨道相互作用源自麦克斯韦方程的基本性质，而非本征自旋轨道相互作用则由介质的特定特征引起。与矢量场描述的光波相比，人们普遍认为，尽管声波可以携带OAM，但纵波的无旋度性质使其无法携带SAM。最近的研究表明，非均匀声波的纵向矢量场可以具有局部旋转速度场，该速度场被认为是声自旋。与光学自旋类似，声自旋被认为是由其局部粒子速度给出的波极化的旋转。最近，Alhaïtz等人考虑了非本征自旋轨道相互作用效应，其中角动量形式通过声学倏逝波与孤立液滴之间的相互作用在自旋和轨道之间转换。然而，行波中的声学非本征自旋轨道相互作用很少被报道，主要是因为非本征自旋轨道相互作用是由独特的介质特性触发的。实现声学非本征自旋轨道相互作用是声学行波的一项具有挑战性的任务，需要探索具有特定特征的各向异性介质。
近日，南京师范大学的吴大建教授团队与南京大学程营教授、刘晓峻教授团队合作，在双螺旋声束（DSAB）中观察到了声学非本征自旋轨道相互作用，其空间强度模式沿传播轴旋转证明了这一点。声学平面波与精心设计的复合人工结构板（ASP）相互作用产生两个具有不同SAM和相反拓扑电荷的非近轴聚焦声涡旋。由于非近轴聚焦声涡旋中的自旋轨道相互作用伴随着传播常数的分解，因此两个具有不同传播常数的非近轴聚焦声涡旋的同轴耦合可以产生旋转拍频效应，从而产生声学自旋控制的轨道旋转。双螺旋声束的产生和声学自旋控制的轨道旋转的理论预测已经通过数值模拟得到了很好的证明。最后，制备了复合人工结构板样品，在实验上实现了双螺旋声束并验证了声自旋控制轨道旋转。本文为实现声自旋控制轨道旋转提供了一种简单有效的方法，为声音操控提供了新的视角和功能，在小颗粒的操作、超声治疗和成像中具有潜在的应用价值。相关工作发表在《Communications Physics》上。（刘帅）
Chen, DC., Liu, X., Wu, DJ. et al. Acoustic spin-controlled orbital rotations in double spiral acoustic beams. Commun Phys 7, 212 (2024).
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s42005-024-01702-w
4 三波长消色差cmos集成四比特轨道角动量模式探测器
快速增加的数据传输负载需要现有光电系统实现革命性的突破。近年来，以螺旋波前表示的轨道角动量（OAM）由于其理论上无界的螺旋模式指数，已成为提高信息容量的一种新的光自由度。正交的OAM模式状态可用作信息载体，创造出高安全加密全息术、光可寻址三维（3D）显示、大容量光通信、六维数据存储和高维量子纠缠等概念。物理上，检测单个OAM模式状态的机制可分为衍射、干涉、表面等离子体极化子和轨道光电效应。值得注意的是，在实际的OAM复用应用中，各种高效的模式转换衍射光学元件（DOE）已被提出用于检测OAM模式状态。其中，具有坐标变换相位分布的超表面双透镜已被集成到互补金属氧化物半导体（CMOS）相机上，大大提高了OAM分选器的紧凑性。然而，由于衍射中的色散，我们在这方面尚未能够实现不同波长叠加OAM模式状态的同时检测。为了校正色差，传统方法需要多个具有相反色散特性的透镜，从而导致光学系统庞大。近年来，由亚波长超原子组成的超表面为操纵光的各种物理特性以实现超越传统体光学的多种功能提供了前所未有的平台。
近日，上海理工大学的方心远研究员团队，提出了一种超紧凑的消色差互补金属氧化物半导体 (CMOS) 集成 OAM 模式检测器。具体来说，研究人员提出了一种空间复用方案，该方案具有随机交错相位分布，将叠加的 OAM 模式分布到不同波长的预设位置。此外，这种具有微尺度尺寸和短焦距的纳米印刷消色差 OAM 检测器可以集成到 CMOS 芯片上。因此，可以通过分析结果和目标结果之间的平均标准化欧几里得距离∼0.75 来高精度区分三个离散波长 (633、532 和 488 nm) 的四比特入射光束。该结果展示了一个实现高容量信息处理的小型化平台。相关工作发表在《Nano Letters》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02063
5 铋分形纳米结构中的拓扑边界态和角态
拓扑材料可以表现出体内绝缘、边界导电的特性，其电导率是整数量子化的，这彻底改变了我们对物质传输的理解。这些边界态的拓扑保护基于对称性和维数，整数维度对拓扑性质的影响已被广泛研究，但拓扑和可能具有非整数维度的分形之间的相互作用仍未得到充分探索。
近日，荷兰乌得勒支大学C. Morais Smith课题组与上海交通大学贾金锋教授团队合作证明在锑化铟衬底上沉积薄层铋后形成的分形中出现了拓扑边界态和角态。其中扫描隧道显微镜结果和理论计算表明在Sierpiński三角形角上会出现近零能量模式并具有稳定性，在更高能量下会形成外边界和内边界模式。这项工作为扩展具有稳健和受保护拓扑态的非整数维真实材料中的电子设备应用开辟了前景。上述研究成果发表于期刊《Nature Physics》。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02551-8
6 ZrTe5中自发反演对称性破缺和Berry曲率和轨道磁化的出现
ZrTe5作为一种多功能拓扑材料，因其具有独特的量子现象而受到广泛关注。先前的理论和实验证明，ZrTe5具有巨大的电阻率异常、大反常霍尔效应（AHE）、三维量子霍尔效应、手性磁效应、奇异的热电响应以及由温度、应变、光和Zeeman场等外部刺激驱动的多种拓扑相变。另一方面，维数的降低为材料带来了体块所不具备的更多新奇的性质。例如，在少层ZrTe5中出现了大间隙量子自旋霍尔效应，以及巨大的光学和电学各向异性，这使得少层ZrTe5可以应用于量子器件中。更重要的是，范德华(vdW)层状结构的准二维薄膜拥有不同的反演对称性破缺机制，导致了层间滑移铁电性、可电切换的非线性反常霍尔效应、以及动力学磁电效应(KME)的出现。最近，在ZrTe5中观察到巨大的磁手性各向异性、非线性反常霍尔效应（NAHE）和圆偏振光电流都要求缺乏反演对称性，这引发了关于ZrTe5反演非对称相的确切晶格结构与晶体对称性的激烈讨论。
近日，北京大学黄华卿助理教授团队提出了ZrTe5薄膜中自发反演对称性破缺的机制，它起源于层间滑移，并通过微妙的层内畸变而稳定。该工作理论预测了在缺乏反演对称性的情况下贝里曲率和轨道磁化的出现引起的显著非线性反常霍尔效应（NAHE）和动力学磁电效应（KME）。通过研究ZrTe5多层膜的近表面滑移，推测在自然解理表面会出现表面非线性霍尔电流和磁化。此外，建立了滑移依赖的的k·p模型，明确展示了滑移铁电性、NAHE和KME之间的直接耦合。这一滑移诱导的反演对称破缺为ZrTe5中的能带拓扑和非互易响应之间复杂的相互作用提供了新的理解。相关工作发表于《Physical Review Letters》上。（侯玥盈）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.266802
7 具有显式和鲁棒神经元的机械神经网络
随着材料和制造技术的不断进步，机械计算系统能够以“感知-分析-驱动”一体化的方式处理环境信息，从而推动软体机器人和超构材料等智能机械系统的发展。人工神经网络（ANN）在执行计算机视觉和机器翻译等复杂信息处理任务方面取得了显著成就。将机械计算与人工神经网络相结合，有望进一步提高机械系统的智能。通过确定物理输入输出关系与人工神经网络常用数学模型之间的映射关系，在其他物理系统中也进行了类似的探索，从而开发出了物理神经网络。
对于机械神经网络（MNNs）而言，输入是驱动整个网络的变形和信息处理过程。网络向代表输出的弹性能量最小值位置演化。然而，与几何参数和材料参数（即MNNs中的权重）相关的输入输出关系一般很难像常用的人工神经网络那样明确表达，只能通过求解隐式非线性运动平衡方程来推断。因此，根据由线性加权求和与非线性激活操作组成的明确表达式对输入做出响应的功能完备的明确机械神经元非常受欢迎。然而，大多数现有的基本机械计算模块都是非神经形态逻辑门（如AND、OR、NOT）。用这些逻辑门构建机械神经元往往需要组装多个不同的逻辑门，这就增加了机械神经元的组件数量，阻碍了基于MNNs的更高级ANNs模型的实现。
近日，清华大学陈常青教授团队开发了一种显式机械神经元，无需求解平衡方程即可直接确定其响应。文章还提出了一种训练方法，以确保神经元的鲁棒性，即对缺陷和扰动不敏感。神经元的明确性和鲁棒性有助于组装各种网络结构。实验演示了两个示例网络，一个是稳健的机械卷积神经网络，另一个是具有联想学习长短期记忆能力的机械递归神经网络。显式、鲁棒机械神经元的引入简化了机械神经网络的设计，使机器人具备了一定程度的智能。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
T. Mei, Y. Zhou, C. Q. Chen. Mechanical Neural Networks with Explicit and Robust Neurons[J]. Adv Sci (Weinh), 2024: e2310241.
https://doi.org/10.1002/advs.
8 通过数据驱动逆向设计的柔性跳变力学超构材料
基于柔性材料的力学超构材料表现出卓越的可变形性，并赋予了与结构变形和转换有关的应用，如自适应表面、机械能调制和可编程形状。通过引入跳变结构可以调节机械能的吸收和释放，量化跳变结构与其相应的力学响应之间的关系，可以对力学超构材料的空间和时间行为进行编程，以用于调节机械信号的各种特定应用。量化力学响应依赖于对力学特性的准确描述，而最常用的方法是对其应力-应变曲线进行数学描述。由于材料本身具有高度的可变形性，因此力学超构材料的跳变行为本质上是非线性的。更重要的是，这种非线性行为的复杂性会随着更多折叠结构的引入而增加，因此很难准确描绘出具有多个折叠结构的应力-应变曲线。传统上，描述跳变行为的直接方法是通过分析建模推导出结构参数与相应力学响应之间的关系，但是目前的方法在应力-应变曲线的设计精度方面存在缺陷。通过拟合输入和输出数据之间的多层非线性数学映射，机器学习（ML）成为一种新兴技术，能够以计算成本低廉的方式解决棘手的耦合非线性问题。
近日，华中科技大学吴志刚教授团队将机器学习（ML）与有限元分析（FEA）技术相结合，提出了一种基于有限元分析的ML方法，用于精确定制柔性折叠力学超构材料的应力-应变曲线。该方法的精确度高达97.41%，与实验结果十分吻合。利用已建立的方法，可以在可访问的范围内调整基于跳变超构材料的能量吸收效率，以实现落球的不同反弹高度，并且可以对软驱动器进行空间和时间编程，从而在单一能量输入下实现同步和顺序致动。纯粹依靠结构设计，精确定制的超构材料提高了设备的可调谐性/可编程性。这种方法有可能扩展到类似的非线性场景，实现可预测或智能的力学响应。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
Z. Chai, Z. Zong, H. Yong, et al. Tailoring Stress‐strain Curves of Flexible Snapping Mechanical Metamaterial for On‐demand Mechanical Responses via Data‐driven Inverse Design[J]. Advanced Materials, 2024.https://doi.org/10.1002/adma.202404369
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