超材料前沿研究一周精选2024年3月25日-2024年3月31日

对于光物理自由度的探索，如轨道角动量（OAM）和频率等，深刻地重塑了现代光学的格局。代表性的光子功能器件包括光学涡旋发射器和频率梳。回音壁模式微谐振器支持基于光OAM的应用，并已被用作单色光学涡旋的片上发射器，在基础物理、光通信和量子光子学等领域得到广泛应用。另一方面，回音壁模式微谐振器可以作为高效的非线性光学平台，用于产生不同频率的光，即微梳。集成微谐振器在非线性材料中能够生成Kerr梳，彻底改变了计时、电信、化学传感、距离测距等领域的应用。然而，微谐振器支持OAM和Kerr梳的生成，但它们对腔结构散射的矛盾要求（前者依赖于光散射，而后者需要有效抑制光散射）导致这两种技术一直以来都是分开研究。

近日，中山大学王雪华教授和刘进教授，丹麦技术大学蒲敏皓教授，上海理工大学詹其文教授联合团队在 III-V 集成非线性环形微谐振器上展示了光学涡旋梳，将光学涡旋和微梳结合起来。角光栅非线性微环同时发射由 50 个 OAM 模式组成的时空耦合光场，微梳的每个频率都带有不同的 OAM 。还通过仔细地赋予时空耦合光场特定的相互关联的相位关系，实验性地生成具有时变 OAM 的光脉冲。这一研究结果为生成具有独特动态特性的时空光束，如频率-OAM相关的时空耦合光场和具有时间变化OAM的自扭矩脉冲，提供了一种新的、低能耗、小尺寸、可调OAM配置和宽频覆盖的设备。相关内容发表于《Nature photonics》上。（金梦成）

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https://doi.org/10.1038/s41566-024-01415-0 

零能费米子模式是量子多体理论中拓扑现象的最早表现之一。在具有带隙的体系中，出现在孤子和涡流等拓扑缺陷处，或者在具有不同体拓扑不变量的相之间的边界处表现为色散模式。它们可以在全局对称性下携带分数电荷，并在编织时表现出分数或非阿贝尔统计，并且它们的存在会在多体谱中引起简并。周期性驱动的量子系统，即所谓的Floquet系统，提供了拓扑和传统有序相的固有非平衡推广。尽管它们缺乏能量守恒，但当在“脉冲时间”上观察到整数倍于驱动周期T的时候，它们保留了特征态和特征值的概念。脉冲动力学和特征态的能谱特征为限制在−π/T ≤ ϵ < π/T的准能谱提供了一个边界，这个准能谱只有在2π/T时才能保持不变。准能谱的周期性提供了零模态的一个泛化。例如，被称为Floquet绝缘体的费米子Floquet系统可以展现出局域的“π模式”，其存在意味着在准能量ϵ和ϵ + (π/T)之间存在“π配对”。另一个出现π模式的情景是费米子量子场理论的时空晶格正则化。特别是，在时空晶格上离散化Dirac算符会导致所谓的费米子倍增问题，其中费米子自由度总数增加 2D 倍，其中 D 是时空维度。被称为“倍增模”的额外模式是不受欢迎的，并且通常使用几种方法来消除它们，包括 Wilson、Kogut-Susskind 和畴壁费米子。然而，自然而然地会问，与零模相关且频率为(π/τ)的倍频模是否与 Floquet 绝缘体中出现的 π 模相关。

近日，爱荷华州立大学的Thomas Iadecola, Srimoyee Sen, Lars Sivertsen在特定（1+1）维Floquet绝缘体模型中确定了倍频模和π 模相关。展示了自旋无关复费米子的连续时间Floquet模型的拟能谱可以直接映射到具有时间独立哈密顿量的离散时间晶格费米子的谱上。这种离散时间理论的晶格间距等于Floquet系统的驱动时间周期T。通过观察到Dirac方程采用了相应费米子哈密顿量的薛定谔方程形式，映射变得更加容易。晶格费米子模型可以采取SSH模型的形式，其空间晶格位点数量为Floquet模型的一半，或者是具有四分之一位点数的Wilson-Dirac模型。此外，通过适当选择映射解，Floquet和晶格模型的相图是匹配的。特别是，Floquet模型的拓扑相，在开边界条件下展示出局域的零模和π模式，与相关的晶格哈密顿量的拓扑相相符，其中π模式显示为零模的倍增。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.136601

力学超材料是通过精心设计的结构，展示出超越其组分的可调属性。重要的是，这些超材料是具有明确定义的参考配置的固体。相比之下，颗粒材料不可调节，也没有明确定义的参考配置。它们的堵塞和流动性质完全受到接触和摩擦物理学的控制。颗粒超材料和超流体这一快速发展的领域正试图通过引入具有各向异性形状、非凸形状、柔韧性、纠缠、以及多稳态颗粒和与柔性绳或板相接触的颗粒来使颗粒材料和复杂流体的机械性质可调节。特别是，引入了具有复杂形状的颗粒超材料，这些颗粒超材料增强了相互锁定，并显示出额外的机械稳定性。然而，在许多应用中，颗粒材料需要流动。因此，与增加摩擦相反，一个重要的目标是创建可以更轻松流动的颗粒超材料，这是以前未曾实现的。

近日，阿姆斯特丹大学的Coulais教授团队，展示了由具有负泊松比的颗粒制成的颗粒超材料，该材料比普通颗粒材料更容易流动。研究者首先创建了一个基于复位机制的拉胀颗粒集合，并展示了每个颗粒无论在何种压缩方向下都表现出负泊松比。有趣的是，该研究发现弹性和屈服性质受颗粒超材料高压缩性的控制：在给定约束下，它们表现出较低的剪切模量、较低的屈服应力和比由普通颗粒制成的材料更频繁、更小的雪崩。研究者进一步证明了颗粒超材料促进了更复杂的约束几何形状下的流动，即使集合只含有一小部分拉胀颗粒。此外，拉胀颗粒超材料表现出增强的冲击吸收能力。该发现模糊了复杂流体和超材料之间的界限，并可以在涉及颗粒材料的加工、输送和重新配置的场景中提供帮助。相关工作发表在《PNAS》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1073/pnas.2317915121

拓扑量子物质可以展现出具有全局特性而不是局部有序参数的材料新相，其中空间维度在它们的分类中起着至关重要的作用。尽管目前对高维系统中丰富的拓扑性质的预测很多，但在实验室中的三维材料观察到这些性质仍然是一个挑战。因此，研究者们采取了一种替代方法：通过量子模拟来实现这些模型，并通过系统的各种自由度合成额外的维度。此外合成维度不仅为探索高维物理提供了便利，还提供了一种通过位点相关跳变来模拟晶格上的人工规范场的便捷方式。

目前研究者已经采取了各种方案来创建合成维度，例如冷中性原子的内部能级或离散动量态，以及光子学中的不同频率或轨道角动量。作为量子信息处理和量子模拟的主要平台之一，离子阱通过激光诱导声子边带跃迁和自旋相关力，利用离子的内部能级自然地实现了声子态的高保真初始化、操纵和读取。自旋玻色子耦合系统的量子模拟也已经在单个捕获离子上实现了量子拉比模型，并在多达数十个离子上实现了类哈伯德模型。此外，自旋和声子态的联合断层扫描也得到了证实。以上这些工具使得测量合成点阵上的群体和流动成为了可能。

近日，清华大学的段路明教授课题组提出并演示了一种利用激光耦合的内部自由度和运动自由度来实现离子阱中合成维度和人工磁通量的方案。该研究通过单个被捕获离子的自旋和运动态实现了一个双腿阶梯，并模拟了磁通完全可控的各向异性Harper-Hofstadter（HH）模型。在与代表性参数下的理论预测相比较来验证模型后，研究进一步观察了波包手性运动的拓扑效应，并从绝热制备的基态证明了HH模型的迈斯纳相和涡旋相之间的量子相变。该工作展示了离子阱作为一个强大量子模拟器，并且可以扩展到更高的合成维度来实现不同拓扑效应的可行性。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（刘梦洋）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.130601

自然生物系统中普遍存在“突弹跳变”不稳定性以适应生存，如捕蝇草叶子、蜂鸟喙等。最近，在设计中整合机械不稳定性以产生双稳态、多稳态或可编程行为方面取得了重大进展。这些特性适用于软体机器人等柔性系统，可实现更大的力输出和更快的响应，克服软材料的固有限制。此外，人们还利用结构的双/多稳定性来开发能量吸收、能量耗散和形状重构结构。尽管工程师们进行了大量探索，但在利用突弹跳变不稳定性方面，仍然缺乏灵活的功能应用和与信息结合的能力。主要有三个方面的限制：单元图案的变形模式单一；设计空间有限；变形运动与信息的整合受阻。此外，超构材料的最新发展引入了一种灵活实用的组装策略，这种策略不受制造技术的限制，可以集成多种材料系统。如何在组装策略的基础上巧妙地利用双稳态单元，已成为拓展功能应用领域的基石。然而，受限于固定的边界条件，传统的双稳态单元，如受约束倾斜/弯曲梁和3D浅圆顶，变形模式有限，功能特性单一。这种局限性对利用双稳态实现高级功能提出了挑战。因此，开发面向功能/应用的双稳态单元图案（UMs）是非常必要的，这有利于真正实现创新功能，如图案加密器件、可编程摩擦纳米发电机、传感/记忆器件和逻辑控制器。

近日，哈尔滨工业大学刘立武、刘彦菊教授团队受青蛙后腿跳跃的启发，通过精心的结构设计，开发了以功能/应用为导向的双稳态单元图案（UMs），并提出了相应的组装策略。从它们的逐步演化中衍生出三种功能应用。首先是构建按需组装的力学曲线，包括多级隔振、可回收能量吸收和能量耗散，以及综合隔振和能量耗散特性。其次，利用双稳态和形状记忆可编程性开发了机械和温度双模式加密策略，从而为n位加密设备提供了4n种加密和解密模式。最后，建立了五个非易失性基本机械逻辑门和一个通用组合半加法器，为具有逻辑功能的非常规计算器件提供了指导。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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C. Yue, W. Zhao, F. Li, et al. A Flexibly Function‐Oriented Assembly Mechanical Metamaterial[J]. Advanced Functional Materials, 2024.

https://doi.org/10.1002/adfm.202316181

与体波不同，导波可以在一个有限的区域内传播很长的距离，其域边界充当波导。这包括导线中的电子波、光纤中的电磁波、管道中的声波以及梁和板中的耦合弹性波。由于能量被限制在波导中，且在传播过程中不会与周围环境发生耦合，因此导波可以以较低的能量耗散实现高质量传输，并在现代通信技术、成像和结构健康监测中得到了广泛应用。将这一概念扩展到静态系统中，其中负载引起的应力是定向引导的，由于在应力遮挡、能量收集和信息处理方面的潜在应用，也很有吸引力。人们一直在努力捕捉和引导力学超构材料中的局部静态变形，包括折纸和剪纸中缺陷诱导的图案化静态变形、拓扑麦克斯韦晶格中的单向应力聚焦和选择性屈曲、蜂窝材料中的相变以及热致动复合超构材料中的温度敏感变形。然而，与动态导波相比，以一般力学超构材料的负载诱导局部静态变形的形式进行应力导向的定向导航更具挑战性。原因之一是局部静态变形通常对紊乱和缺陷很敏感，因为惯性效应的缺失使静态变形失去了绕过它们的动态稳定性。更重要的是，由于缺乏忠实预测局部静态变形与一般力学超构材料微结构之间相关性的理论（如波动力学中的色散关系），因此无法实现可定制的应力导向。

近日，清华大学陈常青教授团队提出了一个通用框架，利用静态系统中空间与1D非互易波系统中时间的二元性，描述2D通用静态力学超构材料中的局部静态变形响应。时空对偶性产生了内部时间反演对称性。打破这种对称性后，准静态载荷诱导的形变可被引导至指定路径，从而实现应力引导。时间反演和反转对称性的结合揭示了静态系统固有的奇偶性-时间对称性，可以利用它实现定向变形遮挡。可定制的应力导向器可应用于各种场景，从结构任务中的应力遮挡和能量收集，到机械计算器件中的信息处理。相关研究发表在《National Science Review》上。（徐锐）

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A. Wang, C. Q. Chen. Stress guides in generic static mechanical metamaterials[J]. National Science Review, 2024: nwae110.

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae110

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