超材料前沿研究一周精选2023年10月9日-2023年10月15日

在过去的几十年里，物质拓扑相的研究激增。基于基本的对称性和空间维度，有隙体哈密顿量可以由阿贝尔型拓扑不变量来表征，并具有受拓扑保护的边界态。最近，能带拓扑的概念已扩展到复杂的多带隙情况。例如，在存在时空反演（PT）对称性的情况下，涉及多个带隙的一维绝缘体可能携带非阿贝尔四元数电荷并拥有更丰富的拓扑相。Floquet工程能够操纵能带结构，为材料的拓扑特性和非平衡现象的探索提供了前所未有的控制。值得注意的是，Floquet系统表现出有趣的拓扑特征，例如异常手性边界态的出现。结合多带隙的情况，有关Floquet多带隙拓扑存在三个基本问题：(i)是否存在由非阿贝尔电荷表征的Floquet拓扑绝缘相，如果存在，如何通过周期性驱动来实现？(ii)这种非阿贝尔相具有什么新颖的体边对应关系，以及如何描述它？(iii) 该相是否存在独特的拓扑或动力学现象？

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的胡海平研究员团队对这些问题做出肯定的回答。首先，他们提出在具有PT对称性的一维三带系统中可以实现最简单的Floquet非阿贝尔拓扑绝缘体。其次，Floquet非阿贝尔拓扑绝缘体可以由四元数电荷来表征，其本身无法预测边界态的存在或数量。此外，每个四元数电荷对应多个边界态，展示了遵守四元数群乘法规则的多重体边对应。在一个驱动周期内，时间演化算子的能带奇点完全捕获了完整的拓扑或边界态。有趣的是，他们在所有具有平庸体四元数电荷的带隙内发现了反常的具有边界态的Floquet非阿贝尔拓扑绝缘体。第三，他们揭示了具有交换驱动序列的界面模式作为真正的非阿贝尔效应的出现，它表明了Floquet非阿贝尔拓扑绝缘体的非交换性质。这与Floquet阿贝尔拓扑绝缘体形成鲜明对比，在Floquet阿贝尔拓扑绝缘体中，无论选择什么时间框架，由于具有相同的能谱结构，都不会出现这种界面模式。Floquet非阿贝尔拓扑绝缘体的有趣特性源于多个纠缠带隙的存在。该工作将 Floquet拓扑绝缘体的范围扩展到非阿贝尔体系，并为研究非平衡拓扑相的广阔且未经探索的领域开辟了新途径。相关内容发表于期刊《Nature Communications》上。（张甜）

神经活动的远程刺激将使侵入性较小的医学治疗成为可能，并提高我们在自由行为的动物中研究神经科学的能力。磁场是远程控制神经活动的有希望的候选者，因为这些场可以无损地穿过空气并深入到身体中。磁电材料将磁场转换为电场。这些材料通常用于无线电子和生物医学应用,可以实现神经组织的远程刺激，但最佳共振频率通常太高而无法刺激神经活动。                           

近日，莱斯大学Jacob T. Robinson团队，描述了一种用于精确定时神经刺激的自整流磁电超材料。这种超材料依赖于跨半导体层的非线性电荷传输，使材料能够在交变磁场存在的情况下产生稳定的偏置电压，可以生成时间平均电压偏差超过2V的任意脉冲序列。因此，我们可以使用磁电非线性超材料来无线刺激周围神经，以恢复麻醉大鼠模型中的感觉反射，并恢复切断神经中的信号传播，其延迟时间小于 5 毫秒。该研究为远程神经刺激提供了一种新的无创、无线、精确的方法，展示了磁电超材料在生物医学领域的应用潜力。该研究还为超材料的设计和制造提供了一种新的思路，即利用非线性效应实现对材料参数张量的控制。这种思路还可以推广到其他类型的超材料，如声学、光学和力学等，从而实现更多的功能和应用。（刘帅）相关工作发表在《Nature Materials》上。

最近高阶拓扑相（HOTP）的理论进展极大扩展了体边界对应的范围，促进了拓扑拐角模式（TCM）和拓扑缺陷模式的实现。TCM是位于 HOTP 样品拐角的零维束缚态，在拓扑激光器和量子光学等领域具有新颖的应用。在二维系统中，可以通过设计晶格的Wannier中心或边界局部质量域的存在来获得 HOTP。两种方法在每个拐角都只产生一个TCM。然而，在一个拐角存在多个TCM具有多种优势，特别是实现多模拓扑激光器的可能性。此外，多重简并或近简并TCM在研究非阿贝尔特征动力学时具有一定潜力。因此，寻找一种有效的方法来实现所需数量的带隙中TCMs仍然是一个令人垂涎的目标。标准一维 Su-Schrieffer-Heeger 模型的能带拓扑可以用缠绕术来表征。通过引入适当的远程耦合，可以增加缠绕组的数量。此类系统属于Z类拓扑相。事实上，奇数维手性对称系统中存在保护每个零维边界处多个态的拓扑相，并受到布里渊区布洛赫哈密顿量缠绕数的保护。最近的一项理论研究通过将“缠绕数”推广到更高维度，发现了 AIII 类中2个HOTP 的 Z分类。拓扑不变量被称为“多极手性数”（MCN），它们是由子晶格多极矩算子构建的。MCN 大于1 的晶格可以保护每个角的多个零能态，由于手性对称性，所有的零能态都被固定在带隙中（零能量）。这种现象在紧束缚模型中表现为远程耦合 (LRC) 大于最近邻耦合(NNC)。这种我们称之为“耦合反转”在天然材料中很难实现，因为它违背了束缚电子波函数的衰变规则。因此，在凝聚态系统中不太可能实验实现 MCN > 1 的手性对称HOTP。而经典波系统已成为拓扑模型的多功能测试平台。例如，由耦合声腔构建的声子晶体为研究具有特殊设计的 HOTP 提供了强大的平台。此外，在此类系统中可以精确模拟手性对称性，这使得实现零能量固定的拓扑模式成为可能。

近日，埃默里大学的Wladimir A. Benalcazar教授、香港浸会大学的马冠聪教授和宾夕法尼亚州立大学的Yun Jing教授联合团队利用耦合声腔通过实验实现了 MCN 为4 的手性对称声学 MCTP。通过使用精心设计的空间螺旋通道，表明在保留手性的同时可以精确实现 NNC 和LRC 系数。更重要的是，该晶格的LRC比 NNC 更强具有耦合反转的特征。该工作首次通过实验证明了 MCN > 1 的手性对称HOTP 的存在，并强调了 LRC 在实现新型拓扑相中的重要作用。还证明了声学平台在研究新颖拓扑模型方面的巨大潜力。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（金梦成）

力学超构材料（MMs）是超构材料的一个重要分支。在力学性能方面可分为以下几种类，包括超轻MMs、负泊松比（NPRs）拉胀MMs、负压缩性MMs、五模MMs和Kagomé MMs、剪切模量消隐MMs以及手性MMs等。虽然MMs的非凡特性能极大地促进其快速发展和多功能应用，但如何合理设计或发现具有非凡特性或多功能行为的新型MMs以满足工业应用，仍是一个关键问题。在早期的研究中，主要的方法是发展几种原理来合理改变单元的微结构，以获得MMs的预期特性（正向设计）。然而，这些正向设计中的内在原理机制是利用现有微结构开发的，仅凭人类的经验、直觉和洞察力探索具有前所未有特性的新型MMs几乎是不可能的。微观结构决定了MMs的宏观有效特性，而空间镶嵌则决定了具有独特特性的微单元在MMs宏观尺度上的排列位置。为解决这一关键问题，该开创性工作提出了一种探索新型MMs的逆向设计方法的创新理念，其中开发了面向MMs特性的优化公式。在逆向设计中，应用MMs的相关特性来定义目标函数，从而利用拓扑优化和同质化理论来改变和演化微结构，直至在优化过程中获得预期特性。

近日，华中科技大学肖蜜和高亮教授团队全面综述力学超构材料（MMs）的重大进展，包括不同尺度的关键点、正向和逆向设计机制与优化机制、单元的微观结构及其空间镶嵌在发现新型MMs方面的作用和未来前景。文章强调了从全局到物理层面上阐明MMs四个重点的意义，即为独特功能设计的独特结构、置于独特位置的独特微结构单元、为独特性质设计的独特微结构单元以及通过独特机制评估的独特微结构单元。文章还研究了具有结构-性能驱动特征内在机制的微单元的逆向设计，以实现前所未有的行为，其中涉及材料设计和多尺度设计。前者主要通过优化微结构来探索新型MMs，后者则侧重于微结构和空间镶嵌，以促进MMs在工程中的多功能应用。最后，提出了几个有前景的研究课题，这些课题在设计方法、微架构、空间镶嵌和工业应用方面都面临严峻挑战。相关研究发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。（徐锐）

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