超材料前沿研究一周精选 2023年8月21日-2023年8月27日

拓扑学是理解物质相的一个重要范式，量子霍尔效应正是与环境隔离的拓扑系统的一个例子。具有独特拓扑性质的界面材料在边界处具有局部边界态，并对无序具有鲁棒性。受固态系统的启发，封闭厄米系统的拓扑态已经被在不同系统中实验实现，如超低温原子或光子学。探索开放系统中的拓扑现象提出了一种互补的方法来实现鲁棒边缘态，其中系统和环境之间的耦合（例如，通过泵送或耗散粒子）作为一种方法，而不是限制。实验上，非厄米系统已经在光子学中实现，其中驱动-耗散效应可以被设计。将拓扑非平庸光子晶体与增益或损耗相结合，可以在波导、谐振器阵列和激子-极化激子中实现拓扑（激光）态。拓扑相的实现仅来自于非厄米性，并缺乏如在机械超材料、声腔和电路中实现的厄米特对应物。到目前为止，仍然没在光学系统中实现。

近日，波恩大学的Julian Schmitt教授团队使用具有均匀耦合和空间分布损耗的表面等离子体极化子波导阵列，通过实验证明了仅由耗散引起的开放系统的拓扑态。尽管在整个晶格中均匀耦合，仍在具有四格点原胞的一维晶格中实现了Su-Schrieffer-Heeger模型的非厄米扩展。通过调节耗散和跳跃，证明了非厄米拓扑保护边缘态的产生和消失。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.083801

非厄米系统的奇异点（EP）是参数空间中的分支奇点，出现在界面态色散的转折点。 EP 表现出令人着迷的拓扑现象，并带来了许多有趣的应用，例如传感、单向波传播、手性激光发射、激光线宽展宽和激光模式选择。EP最简单的情况是二阶EP即双重简并，直观地发生在二维系统中。一般来说，n阶EP在（2n-2）维非厄米系统中是稳定的，但当探索具有对称性的非厄米系统时，一般二阶EP出现的维数可以从2减少到1，从而在一维系统中也可以观察到稳定的二阶EP。类似地，人们发现非厄米对称性可以将三阶EP出现的维数从4减少到2。此外，对于具有相同阶数的EP，不同的对称性也可能带来性质上不同的现象。尽管高阶EP在理论上已经有许多工作进行了研究，但它们在实验上的实现和直接观察似乎相当困难，因为需要复杂的参数设计来模拟非厄米高阶EP。

近日，北京计算科学研究中心的薛鹏教授、斯德哥尔摩大学Emil J. Bergholtz教授以及中国科学技术大学易为教授课题组合作通过使用单光子干涉测量技术，克服了构建具有大量可调参数的非厄米系统的困难，在倒易空间中模拟了二维非厄米系统并构建了其能带结构。进一步地，他们通过实验观察到了在对称性存在的情况下仅调整两个实数参数获得的拓扑稳定的三阶EP。特别是，他们探索了三阶 EP在不同的对称性保护下的性质：宇称时间对称性会导致一般的立方根色散，而广义的手性对称性意味着平方根色散与平带共存。此外，他们还观察到四重简并，由无缺陷的双重简并和二阶EP组成。总的来说，他们通过实验揭示了大量的对称保护的高阶EP，从而为拓扑非厄米系统的进一步研究提供了一个多功能平台。相关工作发表于期刊《Science Advances》上。（张甜）

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi0732

在过去的几十年里，拓扑量子材料(TQMs)的范畴得到了显著扩展，其中弱拓扑绝缘体(WTI)表现出独特的特性。与强拓扑绝缘体(STI)类似，WTI可以用Z₂拓扑不变量来描述，但表面态性质和各向异性与STI不同，这使得其表面电子特性对表面取向较为敏感。WTI相可以通过叠加具有平移对称性的量子自旋霍尔(QSH)绝缘体来形成，后者由多个拓扑非平凡边界通道组成，并被视为构建具有不同堆叠顺序和层间耦合强度的不同三维拓扑量子相的构件。因此，寻找合适的QSH绝缘体对于实现拓扑量子相和探索其在低功耗电子和自旋电子学中的潜在应用至关重要。

单层Bi₄X₄ (X = Br, I)是一种大带隙QSH绝缘体，在Bi₄X₄体系中，由不同堆叠顺序的QSH绝缘体构建的三维相有β-Bi₄I₄、α-Bi₄I₄、α'-Bi₄Br₄三种，能够引起各种量子化现象。对于β-Bi₄I₄，只有单一的Bi₄I₄层沿着晶格c轴重复堆叠，导致QSH边界态的简并，从而形成WTI相。对于α-Bi₄I₄和α'-Bi₄Br₄，由于在单元胞内相邻层之间存在滑动和/或旋转，形成非简并边界态，在这种情况下，相邻边界态之间的杂化导致能隙打开，从而在间隙表面态中留下金属铰链态而形成HOTI态。由此看来，单层Bi₄X₄是一种通过调制拓扑层次结构来扩展拓扑非平凡相的理想单元。

近日，北京航空航天大学杜轶教授课题组与清华大学杨乐仙教授课题组合作，成功合成了具有3个Bi₄X₄层的Bi₄Br₂I₂晶体，并通过扫描隧道显微镜/光谱(STM/STS)、角分辨光谱学(ARPES)和第一性原理计算证明了WTI相的存在。由于非简并边界态和层间相互作用的作用，这种三层WTI相与之前报道的单块构建的WTI相相比具有丰富的电子结构可调性，并产生了可以通过调制化学势直接控制的层选择性QSH通道。该工作通过堆叠QSH块激发了对拓扑相的探索，并为实现需要基于螺旋边界态的通道自由度的概念验证器件提供了途径。相关研究发表在《Nature Communications》上。（刘梦洋）

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-40735-7

硫系相变材料与平面多层结构、亚表面、光波导和光子集成电路的集成引发了对非易失性可调谐光学器件的广泛研究。这些器件的光学性能不仅取决于采用层状或图案化结构的光的干涉或局域化，而且还取决于相变时相变材料的介电功能的变化。

近日，吉林大学的胡超权教授团队联合西安交通大学周文教授和张伟教授团队发表综述文章，总结了高性能可调谐光学相变材料器件的最新进展，这些进展是由新材料和新颖器件结构的成功设计所推动的。首先，作者在原子水平上深入阐述相变材料的光学特性，并讨论如何通过材料设计来定制光学特性。然后，讨论多种新兴的非易失性光学应用，利用相变材料光学器件的可调谐传输、颜色、吸收、发射和相移，这些器件通过波导集成、多层沉积以及超表面图案化实现。并且，还强调了实现电子-光子集成的微型加热器制造的最新进展。最后，文章概述了光学相变材料和非易失性纳米光子学面临的机遇。相关工作发表在《Materials Today》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.08.001

与传统的被动和静态行为的超构材料相比，对光、热、水合、磁场、电场和电化学场等外部刺激做出反应产生几何变化的主动超构材料，因其具有刺激响应、自适应和可编程的特性和功能而受到跨学科的广泛关注。将可编程致动超结构转化到微/纳米尺度，将为开发高密度功能单元提供巨大机遇，从而推动片上实验室技术、微机器人、物理智能机器、低能机械计算以及可调光子和声子器件的发展。然而，由于微/纳米尺度的致动机构通常只适用于特定材料，因此它们的微型化具有挑战性。此外，具有特定初始几何形状的超构材料通常会转化为特定的最终构型，只有通过设计其他初始几何形状才能产生不同的最终构型。要实现从相同的初始几何图形转化成可编程的多样化构型，具有很大的挑战性。在不同的转换机制中，人造肌肉因其强大的驱动力、快速的时间响应性和高功率密度而成为可重构超构材料的一种潜在驱动方法。水凝胶的一些特性，如良性水环境、易于定制的化学成分和特性以及与生物组织相容的柔软性，使其成为软体机器人、植入式设备和生物医学应用中极具吸引力的人造肌肉。要实现可重构的超结构，水凝胶肌肉必须具备大变形、透明和均匀变形等特性。

近日，德国马普研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院和土耳其科奇大学Metin Sitti教授团队提出了一种基于线性响应透明水凝胶的致动机制，将其作为可重构微超结构的人造肌肉，并实现了广泛的图案变换谱。这种微超结构的可重构性来自不同的可逆几何转换状态，可以通过改变致动温度来控制这些状态。这个策略为具有可调手性和光学各向异性的可重构2D和3D微型超结构提供了大量的设计多样性，并且可应用于其他各种可3D打印的超结构和材料。特别是，传统的致动策略限制了超构材料构件从特定的初始几何形状转变为单一、预定的最终构型，而实现不同的最终构型需要设计不同的初始几何形状。相比之下，文中的方法通过不断改变像素化构件的局部打印参数，实现了宽广的图案变换谱，使构件的相同初始几何形状可以重新配置成多种几何形状。此外，这种方法还允许在像素化构件中加入额外的功能，例如可重构的光学各向异性，从而极大地丰富了设计的多样性，并提高了可重构超结构领域所能实现的功能的复杂性。相关研究发表在《Nature Materials》上。（徐锐）

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ZHANG M, PAL A, ZHENG Z, GARDI G, YILDIZ E, SITTI M. Hydrogel muscles powering reconfigurable micro-metastructures with wide-spectrum programmability[J]. Nat Mater, 2023.

https://doi.org/1038/s41563-023-01649-3

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