今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于光子向错腔的涡旋纳米激光器，基于连续介质中热非线性准束缚态的无源无偏置非互易超表面，4D打印昆虫级双稳态跳跃机器人等,敬请期待！
索引：
1 基于光子向错腔的涡旋纳米激光器
光矢量涡旋为数据传输中生成空间可区分通道提供了额外的自由度。使用具有不对称散射体、平面螺旋纳米结构、微柱链和对称光子晶体板的微环谐振器已成功实现了几种涡旋微型激光器。尽管这些涡旋光束在定向输出和产生效率方面表现出色，但在构建超小型光学器件时，由于缺乏高质量（高Q）的光限制，同时保持光学涡旋仍然具有挑战性。而光子拓扑绝缘体（PTI）被认为是实现光鲁棒操控光的有力工具。PTI 的研究已扩展到拓扑晶体绝缘体 (TCI) 中的拓扑缺陷，例如位错和向错，这些缺陷通常破坏周期性结构的几何对称。值得注意的是，分数向错电荷属于高阶拓扑绝缘体（HOTI）类，可作为拓扑束缚态被捕获在向错缺陷的边界。虽然向错缺陷已在微波电路和毫米级光子系统中利用人造TCI超材料进行了实验证明，但向错尚未应用于纳米光子学以实现量子化拓扑电荷的超小光源。
近日，韩国首尔大学Hong-Gyu Park和澳大利亚国立大学Yuri Kivshar课题组合作展示了拓扑电荷为±1的波长级光学涡旋和反涡旋纳米激光器。通过紧束缚（TB）模型和光学模拟之间的对应关系，将各种向错几何形状转换为前所未有的光学纳米腔。在从C4对称性转变为Cn对称性（n = 3、5和6）的光子向错腔中心实现了优化的光学反馈。实验中，通过测量偏振分辨图像、斯托克斯参数和自干涉图样，成功识别了C5对称光子向错腔中所有激光模式的光学涡旋。这一独特的光子向错腔的设计方法可为开发用于下一代光通信系统的低阈值涡旋纳米激光器提供有力支持。相关工作发表在《Nature photonics》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01338-2
2 基于连续介质中热非线性准束缚态的无源无偏置非互易超表面
非互易器件是现代光子学应用的关键技术，其中光在不同方向上以不同的效率传输，但非互易器件紧凑和小型化的实现仍然是一个挑战。在不同的途径中，由于没有外部偏置和在传统材料平台内易于积分性，非线性诱导的非互易性引起了人们的极大关注。到目前为止，只有在使用高品质因数谐振器的导引平台上才能证明非线性诱导的非互易性。
近日，纽约市立大学的Alù教授团队展示了基于硅热光非线性的超薄光学超表面对自由空间辐射具有大的非互易响应。该超表面结合了面外不对称性和面内破缺对称性，从而微妙地调节了连续体中准束缚态的辐射线宽。当入射平均光强小于3kW·cm^-2时，准束缚态参与的三阶热光非线性使非互易透射率超过10dB，插入损耗小于3dB。数值计算表明，非互易响应的建立和松弛时间可以接近亚微秒尺度，且只受热耗散的限制。本文中展示的设备将非互易性领域与超薄超表面技术相结合，为信号处理和路由、通信以及高功率激光腔保护提供了令人兴奋的功能。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01333-7
3 4D打印昆虫级双稳态跳跃机器人
受大自然的启发，软体机器人表现出很高的顺应性，使其能够有效地适应各种环境。在模仿这些运动模式（飞行、爬行、跳跃和游泳等）中，跳跃作为一种穿越非结构化环境的有效方式引起了人们的极大兴趣。然而，由于体型的影响，复制小型生物的跳跃运动给软体机器人带来了巨大挑战。与传统笨重的驱动器相比，轻巧高效的响应式驱动器有可能克服尺寸和质量的限制。响应材料可以在光、热、电或磁等外部刺激下发生大幅变形。将智能驱动器与软体机器人相结合，已经产生了大量性能卓越的智能小型软体机器人。其中，电刺激软机器人反应速度快，适合跳跃应用。然而，直接能量输出跳跃机器人遇到的挑战与系统内能量传递效率低下导致的瞬时功率输出有限有关。因此，它们的跳跃高度往往不高。响应式跳跃机器人的跳跃高度主要取决于所采用的智能驱动器单位质量的能量输出。与其他智能材料相比，形状记忆合金（SMAs）具有良好的功重比，非常适合小型跳跃机器人。然而，作为热响应材料，SMAs的响应速度本身是有限的。因此，可以再次利用咬合机制来提高SMAs的瞬时功率输出。
近日，西安交通大学王永泉教授团队利用4D打印技术和双稳态功率放大机制，提出了一种新颖的昆虫级形状记忆合金跳线（网壳）设计方法。通过弹簧-质量模型，定性地阐明了SMAs网壳在不同状态和负载下的能量变化。为了优化SMAs网壳的性能，采用了一种非接触式光驱动技术来诱导其形状转变。实验研究探讨了网壳的变形响应、能量释放以及光功率密度之间的关系。结果表明，SMAs网壳表现出卓越的跳跃能力，可达到60个身长的跳跃高度和每秒300个身长的起飞速度。此外，两个示例突出了网壳在非结构化地形中的应用潜力。这项研究提供了一种集成智能材料和先进结构的新设计方法，为微型化跳跃装置做出了贡献。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Yang, Y. Wang. Snapping for 4D‐Printed Insect‐Scale Metal‐Jumper[J]. Advanced Science, 2023.
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