超材料前沿研究一周精选2024年2月1日-2024年2月4日

今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及共振位置高鲁棒性的准连续区束缚态，集成光子系统中的 Floquet 宇称-时间对称性，声驱动的磁斯格明子运动，基于双稳态壳的可重新编程形状变形剪纸超构材料等,敬请期待！

索引： 

1.共振位置高鲁棒性的准连续区束缚态

2.集成光子系统中的 Floquet 宇称-时间对称性

3.声驱动的磁斯格明子运动

4.基于双稳态壳的可重新编程形状变形剪纸超构材料

1 共振位置高鲁棒性的准连续区束缚态

光学连续区束缚态（Bound states in the continuum, BIC）是一种奇异的光学暗模式，它虽位于辐射连续域中，光场却被完美囚禁。BIC模式对增强光与物质相互作用优势独特，首先BIC模式在微纳复合体系中普遍存在，不局限于特定材料或微结构。其次BIC模式等效于零辐射泄漏的谐振态，其无限长光子寿命可显著提升光与物质相互作用的时间量级。重要的是，通过将BIC模式转化为具有高Q共振特性的准BIC模式，使得微纳尺度下有效增强光与物质的相互作用成为可能。为了实现BIC模式向准BIC模式转化，当前广泛采用的方法是打破结构的面内或面外对称性，利用结构的对称性破缺实现准BIC模式的激发。然而，结构的对称性破缺将改变微结构的面型参数，导致准BIC模式的共振波长随非对称参数变化发生显著漂移，这不利于BIC激光、荧光增强、窄带滤波等对共振波长位置敏感的各种应用。

近日，江南大学桑田教授与南京大学徐挺教授团队合作，提出通过调控硅基二聚体纳米盘之间相对位移，实现对共振位置高鲁棒性的准BIC模式激发策略。研究表明，相对位移诱导的准BIC模式是一种类似于米共振的束缚模式，其光场能量高度局域在硅纳米盘中，因此其共振波长对不对称参数变化不敏感。此外由于硅基二聚体的相对位移不仅破坏结构的面内对称性，同时导致光子能带在布里渊区发生折叠，因此改变不对称参数将使共振带宽发生显著变化，从而可以在维持共振波长几乎不变的前提下，对共振模式的品质因子进行有效调控。此外，由于该设计策略可以同时应用于TE模式和TM模式，因此在两种正交偏振光入射条件下，可以实现偏振选择的共振位置高鲁棒性的准BIC模式激发。相关研究工作发表在《Nanophotonics》上。（课题组）
文章链接：

doi.org/10.1515/nanoph-2023-0673

2 集成光子系统中的 Floquet 宇称-时间对称性

宇称-时间（PT）对称性指在物理系统中，当同时应用空间反演（P，即宇称对称）和时间反演（T，即时间倒流）时，系统的物理行为和规律保持不变。PT对称性的发现拓展了人们对量子力学理解，不同于传统厄米量子力学，PT对称量子力学提供了一种描述系统的新方式，它能够预测一些独特的现象（如PT相变），而这些现象在厄米系统中是不存在的。同时，PT对称性的概念在光学和经典波体系得到了广泛的验证和应用，用于设计具有特殊传输特性和功能的光学结构和传感器件。其中，最奇特的响应出现在奇异点 (EP) 和破缺 PT对称相里，但在传统的PT对称系统中，这些机制需要大量的增益和损耗，这在实际环境中提出了巨大的挑战。 

近日，山东大学物理学院陈峰教授团队与纽约城市大学Andrea Alù教授合作提出一种周期驱动下弗洛凯（Floquet）PT对称性的新概念，即通过周期性交替非厄米PT对称哈密顿量，引入Floquet PT对称模型，利用Floquet机制来控制PT相变和EP。在传统的PT对称系统中，需要较强的增益/损耗来达到奇异点和PT对称自发性破缺，而通过该研究提出的Floquet PT新机制，可以很大程度上降低PT对称自发性破缺发生的阈值，即以较小的增益/损耗来实现奇异点和PT对称自发性破缺。该研究通过周期性调节增益/损耗分布，精准控制了EP的出现和PT相位转换。此外，对于不同的初始模态，通过这种Floquet PT对称性可以实现对输入光强的放大或衰减，为集成光子芯片在功能上实现信号控制提供了一种全新的途径。在实验中，研究团队在基于集成光波导的平台验证了该Floquet PT模型，其中时间的角色由模式在波导中的传播来等效替代，损耗引入则通过弯曲波导来实现。他们成功地在较低的损耗水平下实现了PT对称自发性破缺，并分别实现了对出射光强进行放大或衰减的两种功能性调制。这一发现不仅为人工光子结构中的光功率输出控制提供了新方法，也为PT对称性在纳米光子学和集成光子学的应用提供了一条新途径。相关内容发表于《Nature Communications》上。（张甜）

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​文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45226-x

使用磁性斯格明子作为可控信息载体，为高密度和低功耗自旋电子存储器和逻辑应用提供了可能。想要开发基于斯格明子的设备，高效操控斯格明子至关重要。先前已通过电流感应自旋轨道扭矩或热梯度等在不对称磁性多层中证明了斯格明子的电流操纵。另一方面，通过磁电或磁弹性效应对斯格明子进行电场控制可以提供更节能的方法，其具有极低的焦耳热，从而降低功耗。表面声波 (SAW) 是动力学应变的长程载体（通过铁磁体传播毫米距离的波），它已被用作通过 SAW 引起的时空变化应变和不均匀有效扭矩生成斯格明子的有效来源 。最近的理论模型还提出了由反向传播 SAW 驱动的斯格明子运动。然而，电场引起的静态应变或声波控制斯格明子运动尚未得到实验证明。

近日，清华大学的南天翔副教授团队和江万军副教授团队合作，通过设计产生传播 SAW 脉冲的片上压电换能器，实验演示了 Ta/CoFeB/MgO/Ta 多层中Néel型斯格明子的定向运动。研究人员发现剪切水平波有效地驱动了斯格明子的运动，而具有纵向和剪切垂直位移的弹性波（瑞利波）不能产生斯格明子的运动。微磁模拟同时观察到并进一步证实了沿 SAW 传播方向的纵向运动和拓扑电荷引起的横向运动。这项工作表明，声波可能是操纵斯格明子的另一种有前途的方法，这可以为超低功率斯格明子提供新的机会。（刘帅）本文发表在《Nature Communications》上。

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文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45316-w

能稳定调节结构形状变形的能力引起了研究人员的极大兴趣，因为形状的变换对于超构材料的运行至关重要。剪纸结构的切割单元和铰链的组合能够承受更大的变形，并具有更大的自由度。在拉伸载荷作用下，通过刚性旋转机制和平面外屈曲，剪纸薄片可以从最初的平铺剪纸方格转变为一系列复杂的2D或3D形状。这些切割为材料带来了新的特性，如负泊松比、多稳定性和可编程性。通过设计高度复杂的非周期性切割图案，剪纸超构材料可以形成更加复杂和可预测的3D形状。传统的剪纸超构材料由于其固有结构中根深蒂固的剪纸图案而显示出单一功能的目标构型。这些超构材料的设计过程需要费力的计算和迭代程序，极大地限制了它们的应用。刺激响应材料可应用于剪纸机制，实现超构材料的可重编变形。当受到外部物理场的刺激时，超构材料的铰链会重新配置，从而产生新的构造。然而，由于采用了刺激响应材料，这种超构材料的响应时间通常长达数十秒。此外，由于双稳态机构本质上具有可重新编程性，因此由双稳态机构产生的突变诱导变形也引起了研究人员的极大兴趣。

近日，山东大学闫鹏教授团队设计了一种具有快速响应能力的可重新编程的形状变形剪纸超构材料，它可以利用双稳态壳而不是复杂的切割模式和边界曲率生成目标3D形状。双稳态壳可以局部可逆切换，在全局范围内产生弯曲变形。文章进一步探索了单元变形曲率与其几何参数之间的关系，以指导超构材料设计。具有适当几何参数的倒置双稳态外壳可以显著降低单个单元之间的内应力，而这正是剪纸超构材料的理想特性，可用于调整材料刚度，并确保在展开过程中产生可预测的稳健变形。利用这种设计策略，文章展示了这种超构材料作为双模软抓手和保护器件的潜在应用，为设计可重新编程的剪纸超构材料开辟了一条新路。这种方法对软体机器人和主动可变形器件具有广阔的前景。相关研究发表在《Applied Materials Today》上。（徐锐）

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文章链接：

X. Ma, Z. Wang, P. Yan. Bistable shell enabled reprogrammable shape-morphing kirigami metamaterials[J]. Applied Materials Today, 2024, 36.https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.102031

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