超材料前沿研究一周精选 2023年8月1日-2023年8月6日

从固有的量子系统到经典的光学和声学超材料，物质的拓扑相已经在各个领域引起了研究人员的极大关注。在光子学中，拓扑相提供了弹性，并为用伪自旋控制光带来了新的机会。然而，拓扑光子系统可能会受到诸如对称保护起源和辐射泄漏而导致拓扑特性破坏等问题的限制。

近日，纽约市立学院的 Alexander B. Khanikaev教授团队引入绝热拓扑光子界面，有助于克服这些问题。作者预测并实验证实，具有缓慢变化的合成规范场的拓扑超表面显著改善了拓扑光子器件设计中常用的自旋-霍尔和谷-霍尔拓扑结构的导向特性。畴壁轮廓的绝热变化导致拓扑边界模式的离域，使它们对晶格的细节不那么敏感，将结构视为有效的均匀狄拉克超表面。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-40238-5

Raghu 和Haldane将电子能带结构中的拓扑思想推广到周期性介质中的波，开辟了拓扑光子学这一研究方向。拓扑光子学的早期探索主要集中于光子陈绝缘体，其具有破缺的时间反演对称性。随着拓扑晶体绝缘体（TCI）的发现，拓扑相显著丰富，超出了拓扑绝缘体和超导体的十倍方式分类，这为玻色子系统中拓扑相的发现开辟了新机会。然而，在推广拓扑相时必须谨慎，尤其是那些受晶体对称性保护的拓扑相。例如，由于晶体对称性在物理边界处被破坏，一些TCI仅在某些晶体取向上表现出稳健的边界态。此外，随着脆弱拓扑相和高阶拓扑绝缘体等新态的发现，余维1的体边界对应关系可能根本无法直接推广到TCI。2015年，Wu和Hu提出了一种光子晶体模型（Wu-Hu 模型），用于实现具有鲁棒拓扑边缘态的玻色子Z₂拓扑晶体绝缘子，引发了深入的理论和实验研究。然而，该模型确切的体边界对应关系却从未建立，边缘态的鲁棒性及其与体拓扑的关系仍不清楚。

近日，宾夕法尼亚大学的Ritesh Agarwal教授团队回顾了Wu和Hu提出的扩张和压缩的蜂窝晶格模型，通过构造对称的局部Wannier函数，证明了其在拓扑上是平凡的。结果表明Wu-Hu模型的Z型和Z₂型分类分别等同于C₂T保护Euler类和第二Stiefel-Whitney类，后者描述了Wu-Hu模型的全价带，表明一个高阶拓扑绝缘子。此外，还证明了通过保持C₆和T对称扰动的统一拓扑，可以使Wu-Hu界面态存在带隙，这证明了界面的平凡性质。其结果表明，在许多光子学系统中，拓扑结构并不是实现所报道的螺旋边缘态的必要条件，这为不受拓扑考虑限制的界面工程开辟了新的可能性。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）

振动光谱学是一种普遍存在的技术，它从物体的自然振动中得出物体的种类、成分和形态。然而，包括大多数生物细胞在内的介观粒子的自然振动仍然是现有技术所无法探测到的。这些粒子预计会以兆赫到千兆赫的频率微弱振动，想要探测到这些信号需要当前光学和压电光谱无法实现的灵敏度和分辨率。

近日，北京大学的肖云峰教授团队演示了使用光学微谐振器实时测量单个介观粒子的自然振动，将振动光谱学扩展到一个不同的光谱窗口。从概念上讲，粒子振动模式谱，是通过激光脉冲的吸收而被光声地激发，并且被声学地耦合到用于超灵敏读出的高品质因子光学谐振。实验中，通过测量不同成分、尺寸和内部结构的介观粒子，验证了该方案的有效性，显示出前所未有的50 dB的信噪比和超过1 GHz的检测带宽。该技术可进一步应用于单细胞水平微生物种类和生存状态的生物力学指纹。相关工作发表在《nature photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-023-01264-3

基于纳米光子学和材料科学的最新科学技术突破，超材料的发展为光与物质相互作用的工程创新形式提供了理想的平台。为了对波动现象实现更全面的控制，最近兴起的一种方法是利用时间作为额外的自由度。时变介质的复兴反过来又促进了与时间相关光学现象相关的新物理和应用的发现，最终催生了时间超材料这一新兴领域。构建物质和塑造其光学特性引起广泛关注的另一个研究领域是热发射工程。作为热传递的基本机制，即有限温度下的白炽物体发出（热）光，热辐射具有重要意义。同样，它也是多种技术应用的基础。与从相干源（例如激光器或天线）发出的（非热）光的行为形成鲜明对比，热光的特点是显示宽带光谱以及几乎各向同性和非偏振场分布。由于这些特性，最终被简化为其固有的不相干性质，热场的控制和操纵长期以来是一个具有挑战性的问题。

近日，西班牙纳瓦拉公立大学J. Enrique Vázquez-Lozano和Iñigo Liberal，基于宏观量子电动力学的框架，阐述了一种全面的量子计算理论，为研究时间调制介质中的热发射效应奠定了基础。该理论揭示了时变介质带来的独特物理特征：不同频率和位置的脉动电磁流之间的重要相关性、克服黑体光谱的热辐射以及有限温度下的量子真空放大效应。该工作说明了这些特征如何导致引人注目的现象和创新的热发射器，表明时间调制释放了限制在ε近零（ENZ）体内的强场波动，反过来，它实现了窄带（部分）相干发射从近场到远场跨越整个波矢量范围。虽然该工作主要研究了 FDT 在热发射过程中的应用，但这样一个基本定理可以扩展到时变介质的范围，并且它可能涉及其他非经典现象，例如非接触摩擦力、动态卡西米尔效应或其他放大量子真空涨落的令人兴奋的机制。本文发表在《Nature Communications》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-40281-2

近十年来，起源于凝聚态物理的拓扑绝缘体，由于其具有操纵鲁棒波传播的新颖的拓扑特性，因此一直处于声学领域的研究前沿，其潜在的应用前景也同样令人着迷。同时，利用超构材料逐渐降低声速以暂时储存声音，也引发了关于 “声彩虹捕获”效应的研究。然而，目前大多数的研究都是在拓扑平庸的背景下利用复杂的结构中进行的。迄今为止，在简单的结构中实现高效的声彩虹捕获效应仍然是一个挑战。

近日，来自南京大学的刘晓峻教授，程营教授团队提出了一种在一维系统中利用声学梯度拓扑绝缘体来实现高效的声彩虹捕获效应的结构。基于声学模拟的SSH模型，研究人员通过调制亥姆霍兹谐振腔的颈宽对拓扑界面态的本征频率进行了调谐。实验测量得到的压力谱表明，这种一维拓扑绝缘体可以在目标空间位置有效地捕获宽带声波。这一研究可能为拓扑声学器件的设计提供了更多的可能性，在声能采集、增强传感器等方面具有潜在的应用价值。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。(李治含)

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Chen Liu,Zhiwang Zhang, Danwei Liao, Zichong Yue, Chengrong Ma, Ying Cheng, Xiaojun Liu; Rainbow trapping for sound waves in one-dimensional topological insulator. Appl. Phys. Lett. 24 July 2023; 123 (4): 041701. https://doi.org/10.1063/5.0155714

以复能谱为特征的非厄米物理学已成为一个蓬勃发展的领域，由于特殊的拓扑结构，非厄米系统表现出各种有趣的性质，包括奇异点和趋肤效应，并产生具有潜在应用的新现象，例如拓扑激光、拓扑光转向和光漏斗等。奇异点是非厄米哈密顿量的能谱简并点，此处的特征值和特征向量都是合并的。趋肤效应是指体模式塌陷到开放边界处形成趋肤模式。最近的理论工作建立了趋肤效应与具有非零拓扑电荷的奇异点之间的联系，发现具有稳定奇异点的系统存在趋肤效应，且具有几何依赖的特性。然而，奇异点与几何依赖趋肤效应之间如此深刻的联系尚未得到实验的证实。

近日，武汉大学的刘正猷教授和柯满竹教授课题组与华南理工大学邓伟胤教授合作在具有奇异点的非厄米声子晶体中，观测到了几何依赖的趋肤效应。在二维四方格子声子晶体中，通过在耦合管引入耗散，将狄拉克点分裂成由体费米弧连接的成对奇异点。每对奇异点具有相反的非零能谱绕数，能够保证周期系统具有非零的谱面积，这预示着该系统在开边界情况下存在趋肤效应。随后研究了菱形几何和方形几何的有限尺寸样品，发现趋肤效应只存在于菱形几何样品中，从而实验证实了趋肤效应的几何依赖特性。此工作在奇异点和趋肤效应之间建立了一座实验桥梁，并揭示了非常规的几何依赖趋肤效应，拓展了非厄米物理学的视野。相关内容发表于期刊《Nature Communications》上。（张甜）

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https://www.nature.com/articles/s41467-023-40236-7

过去几十年来，拓扑材料飞速发展。无序和拓扑的相互作用会导致新型量子相变，无序驱动的金属-绝缘体转变的普适类（称为安德森转变）由临界指数和标度函数来表征，通常认为它们仅由对称性和空间维度决定。许多理论研究了拓扑是否可以改变安德森转变的普适类，但拓扑在安德森转变中的具体作用仍然难以捉摸。

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心进藤龙一（Ryuichi Shindou）课题组的博士研究生肖振宇等人首次提出了能带拓扑和无序的共存会引发一种新的热力学准局域相。该相表现为波函数在一个空间方向上是非局域的，而在其他两个空间方向上则呈指数衰减，这与传统的金属相和安德森局域相都有所不同。这一发现打破了物理学中关于波函数指数局域化在所有空间方向上同时发生的普遍共识。在准局域相中，电导沿着关联长度分散的方向随着系统尺寸按非欧姆定律增长，而沿着其他方向，在热力学极限下电导则消失。在论文中，肖振宇等人通过精确的数值计算关联长度的临界指数、临界无序强度和电导，并比较了有无拓扑模型中这些量的差异，进一步证明了拓扑会引发安德森转变的新普适类。值得注意的是，这种准局域相和伴随的拓扑安德森转变表现出了各向异性输运，即在一个方向上表现出金属行为，但在其他方向上表现出绝缘行为。相关工作发表于《Physical Review Letters》。（张甜）

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.056301

Zhenyu Xiao, Kohei Kawabata, Xunlong Luo, Tomi Ohtsuki, and Ryuichi Shindou, Anisotropic topological Anderson transition in chiral symmetry classes, Phys. Rev. Lett. 131, 056301 (2023).

软体机器人能够安全地与人类和脆弱物体进行互动，并能灵活地适应恶劣多变的环境，因此在过去十年中备受瞩目。软体机器人系统通常被设计为在气压下运行，通过流体导管构成的气动网络分配驱动力，以引导其变形并重新配置为所需的目标形状。现有气动软体机器人的主要特点是，它们的运行始终依赖于压力供应。一旦移除压力源，它们都会迅速恢复到初始状态，因此在没有持续压力供应的情况下，它们无法保持任何中间状态构型。虽然这种反应实现了变形的可逆性，但却带来了两方面的不良后果。首先，要保持给定的形状姿态，就需要不间断地提供压力，这证明能量资源的利用效率很低。其次，如果发生穿刺或爆裂，软体机器人就会突然停止运行，可能导致有害后果。非气动致动通常涉及使用一种或多种智能材料，这些材料能够根据致动输入（如电、磁场和光）发生变形。虽然非气动致动策略具有远程和本地致动等优点，但其主要缺点包括需要相当复杂的加载模式才能发挥作用、驱动场的精确控制以及一套可能会过热的高压电子器件。利用超构材料特性实现目标形状保持的气动致动技术在文献中的研究较少，主要局限于弯曲锁定性。

近日，加拿大麦吉尔大学Damiano Pasini教授团队介绍了一种软气动致动器的设计范例，可实现零功率锁定，从而在伸展和弯曲时都能保持形状。其基本机制是将气动变送器和多稳态导向器集成在一起，通过编程使其相互作用，从而实现平衡负载传递、弯曲和伸展转向以及渐进式跳变，最终实现状态锁定。通过理论、仿真和对概念验证致动器的实验，揭示了存在四种不同的变形状态，其中各组成部分首先在充气过程中相互作用，实现伸展和弯曲锁定，然后在真空条件下合作，实现完全可逆的功能。最后，研究人员展示了设计范例，以实现一种能在零功率下锁定所需曲率状态的软机械臂，以及一种能在抗穿刺的情况下安全抓取和固定各种形状和稠度物体的抓手。这项研究有望进一步开发具有多种变形模式、顺序展开和可调多稳态性的零功率软机器人。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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RAHMAN S, WU L, EL ELMI A, PASINI D. Zero‐Power Shape Retention in Soft Pneumatic Actuators with Extensional and Bending Multistability[J]. Advanced Functional Materials, 2023.

https://doi.org/10.1002/adfm.202304151

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