今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及可调光透过率的手性力学超构材料，孪生超材料：反转对称性、反磁性和界面态，周期应变下二维材料中的拓扑精确平带等，敬请期待！
索引：
1. 可调光透过率的手性力学超构材料
2. 孪生超材料：反转对称性、反磁性和界面态
3. 周期应变下二维材料中的拓扑精确平带
4. 高阶拓扑极化子角态激光
5. 弹道式二维InSe晶体管
6. 在混合型金刚石-磁铁传感器芯片中利用电子自旋进行宽带微波检测
7. 增材制造金属点阵结构的 Gibson-Ashby模型：理论基础、局限性和新见解
1
调节材料和结构的光学透射率的能力为一系列创新应用开辟了新的途径，包括柔性应变传感器、伪装皮肤和显示器。为了实现这样的光学响应，许多人工化合物被合成。在这些“发色”材料中，环境条件的变化（如温度、光照、压力、pH等）改变了电子的平衡，从而导致颜色的变化。光学性质也可以通过在透明弹性体（如聚二甲基硅氧烷-PDMS）中嵌入各种微尺度特征，如支柱、不透明的血小板、孔洞和颗粒来调节。然而，微尺度结构的制造是具有挑战性的，并且刚性单元的引入会破坏弹性介质，从而降低器件的寿命。经过精心设计的力学超构材料为实现普通材料无法达到的变形模式提供了途径。例如，基于3D手性单胞的超构材料可以响应施加的单轴载荷发生扭转，这在普通的连续材料中是从未发生过的。这些不寻常的变形模式可用于空间卫星和望远镜的驱动、吸声和减振。
近日，美国哈佛大学Antonio Elia Forte和Katia Bertoldi教授团队受到初始扁平的弹性螺旋（手性阿基米德螺旋）在拉出平面时发生扭转的启发，设计了可调光透过率的手性力学超构材料。首先证明了这个拉伸-扭转耦合效应可以通过改变螺旋的几何形状进行很大程度的调节。然后，利用这种耦合实现了能够通过弹性形变调制光的机械像素。为此，使用偏振薄膜并将其与螺旋线结合以控制其旋转，因为通过这些薄膜的光量取决于它们如何相对于另一个旋转。当施加面外位移时，单胞扭曲并驱动其中一个偏振片，减少了透射的光量。最后，通过合理地组合这些像素，实现了能够在不同形变状态下呈现不同图像的机械黑白显示。因此，这项研究引入了一种简单的策略，通过利用结构的复杂3D弹性变形来调节光学透过率。虽然有廉价和成熟的方法来制造显示器（如液晶显示器），但提出的器件可以适合在低温和/或无电子条件下应用，因为它们的展开是由几何驱动的，并且可以由各种类型的驱动（如电机驱动、气动、形状记忆合金、磁场等）触发。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
FORTE A E, MELANCON D, ZANATI M, et al. Chiral Mechanical Metamaterials for Tunable Optical Transmittance[J]. Advanced Functional Materials, 2023.
https://doi.org/10.1002/adfm.202214897
2
磁性是材料的基本性质，普通材料可以表现出很强的电响应，但他们的磁响应通常很弱。而铁磁和反铁磁材料可以表现出很强的磁响应，但通常工作在太赫兹以下的频率范围。对于太赫兹以上的频率，所有传统材料都将是非磁性的。近年来，超材料因其独特的电磁波控制能力而备受关注，其性质可以用有效相对介电常数和有效相对磁导率来描述，通过优化其组成材料和几何参数，可以大大拓宽电磁参数范围。
近日，复旦大学胡新华教授团队从理论上提出并通过实验展示了一对具有反演对称性的磁性超材料，它们是在具有低相对介电常数光子晶体的基础上产生的。有趣的是，其中一种超材料是顺磁性的，另一种是抗磁性的，它们的有效相对磁导率的乘积在很宽的频率范围内接近于1。在这样的系统中可以实现新奇的物理效应，例如广角和宽频近乎完美的传输和界面态。相关工作发表在《Physical Review Applied》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.054081
3
通过操纵超晶格的结构可以实现对二维材料电子能带结构的控制和设计。例如转角双层石墨烯，两层石墨烯之间的相互作用使其能带结构和石墨烯转动的角度相关。在某些“魔法角度”下，能带结构中可以出现孤立的几乎平坦的能带，并在手性极限中变得完全平坦。类似的平带也可能出现在其他转角双层系统中，如具有二次带交叉点的双层系统。转角双层的这种特性使其成为研究强相关现象优异平台，如非常规超导性和陈绝缘体等。在单层莫尔系统中，通过空间变化的静电场、磁场和弹性应变场也可以实现类似双层之间的相互作用。然而，对于这些单层系统，有的研究人员认为即使在手性极限下也不能达到精确的平带。
近日，密歇根大学的孙凯和洛斯阿拉莫斯国家实验室的林士增课题组合作研究了具有C3v对称性的周期应变下具有二次带交叉点的单层系统，并在手性极限下实现了精确的拓扑平带。不同于具有Dirac点的石墨烯系统是通过应变改变耦合强度得到矢量势A(i∂ → i∂ + A)。对于时间反演不变动量的二次带交叉点，这种类规范场的耦合被时间反演对称性所禁止。由于i∂和应变场在时间反演下具有相反的奇偶性，因此对称性允许的耦合采用∂∂→∂∂+A的形式，其中A与应变强度成正比。换句话说，这里的应变场提供了一个带有角动量l=2的定向势，而不是一个带有l=1的矢量。发现这种应变-场耦合系统中，通过改变应变场的强度可以诱导转角双层石墨烯中类似的精确平带。在手性极限下，当应变场的强度达到一定的“魔法”值时，可以得到精确平带，并且平带携带Chern数C=±1。为研究拓扑平带、脆弱拓扑和和非常规超导性提供了一个新平台。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216401
4
与传统激光器不同的是，拓扑激光器由于其非平凡的能带拓扑结构，能够在紊乱和缺陷的影响情况下发出稳定的相干光。由于不需要粒子数反转，激子极化激子拓扑激光器成为一种很有前途的低功耗平台，这一独特的特性可以归因于光子-激子杂化的玻色子性质和激子极化子的强非线性。近年来，高阶拓扑的发现将拓扑物理的范式转移到边界的边界的拓扑态上，即角态。然而，这种拓扑角态尚未在激子极化系统中实现。
近日，南洋理工大学的Timothy C. H. Liew和Rui Su教授团队在扩展的二维SSH模型的基础上，实验证明了钙钛矿极化子的拓扑角态，并在室温下实现了具有低阈值（约每平方厘米微焦耳）的极化子角态激光。这种极化子角态的实现也提供了一种拓扑保护下的极化子局域化机制，为利用高阶拓扑实现片上有源极化子铺平了道路。相关工作发表在《SCIENCE ADVANCES》上。（郑江坡）
文章链接：
Sci. Adv. 9, eadg4322 (2023)
5
国际器件和系统路线图（IRDS）预测，对于硅基金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管（FET），栅极长度的扩展将停止在12纳米，最终电源电压将不会降低到0.6 V以下。这定义了硅基芯片在缩放过程结束时的最终集成密度和功耗。近年来，具有原子级厚度的二维（2D）层状半导体已被探索为潜在的通道材料，以支持进一步的小型化和集成电子。然而，到目前为止，还没有基于二维半导体的场效应晶体管表现出可以超越最先进的硅场效应晶体管的性能。在此，研究团队报告了一种以具有高热速的二维硒化铟（InSe）为通道材料的场效应晶体管，其工作电压为0.5V，实现了创纪录的6mS μm-1的高跨导率和83%的饱和区室温弹道比，超过了任何已报道的硅场效应晶体管。研究团队开发了一种钇掺杂诱导的相位转换方法，用于制造与InSe的欧姆接触，InSe FET的通道长度被缩减到10纳米。我们的InSe FET可以有效地抑制短通道效应，具有每10年75mV的低亚阈值摆动（SS）和22mV V-1的漏极诱导屏障降低（DIBL）。此外，在10纳米弹道InSe FET中可靠地提取了62Ωμm的低接触电阻，导致内在延迟更小，能量-延迟积（EDP）比预测的硅极限低得多。
近年来，具有原子级厚度的二维层状半导体被探索为潜在的通道材料，以避免短通道效应，二维场效应晶体管的栅极长度甚至被放大到5纳米以下。然而，到目前为止，还没有实验结果表明，在0.7V的标准电源电压下，基于二维半导体的场效应晶体管的导通电流和跨导率可以超过最先进的硅场效应晶体管。近期，北京大学彭练矛教授、邱晨光研究员研究团队报道了一种弹道二维硒化铟晶体管，能将二维晶体管的工作电压降到 0.5 V，是迄今为止世界上速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管，实际性能超过英特尔商用的最先进硅基晶体管。相关研究成果以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”为题发表在《Nature》上。（郑佳慧）
文章链接：
DOI: 10.1038/s41586-023-05819-w
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量子传感已经发展成为量子科学和技术的一个主要分支。它的目的是以高分辨率、高灵敏度和高动态范围测量物理量。钻石中的电子自旋是强大的磁场传感器，但它们在微波系统中的灵敏度被限制在其共振频率周围的一个窄带。在这里，研究团队利用与薄膜磁体连接的钻石中的电子实现了宽带微波检测。通过磁体的非线性自旋波动力学，泵场将目标微波信号局部转换为传感器自旋频率。两种互补的转换协议使传感和高保真自旋控制在千兆赫的带宽上得以实现，允许对高于传感器自旋频率的多个千兆赫的自旋波段进行鉴定。这种可泵调谐的混合钻石磁铁传感器芯片为在小磁偏压场下进行基于自旋的千兆赫兹材料表征开辟了道路。
微波检测技术已广泛应用于通信、雷达探测、无线电频谱监测、医学成像等领域，但其存在灵敏度较低和频带宽度有限等问题。因此，发展一种灵敏度高、频带宽度宽、成本低的宽带微波检测技术具有重要的现实意义，而如何利用芯片中的电子自旋来解决现有微波检测技术中存在的问题，是研究者们关注的重点问题。近期，荷兰代尔夫特理工大学 Toeno van der Sar 提出了一种新的宽带微波检测技术，该技术利用混合钻石磁传感器芯片的电子自旋，通过提高自旋相干时间，优化磁场形式和大小，实现了高灵敏度和高频带宽的微波信号检测。该研究有望为未来微波技术、量子信息和物联网等领域的发展提供新的技术支持。此外，该研究所使用的混合钻石磁传感器芯片还具有成本低、易制备等优势，有望在相关领域得到广泛应用。相关研究成果以“Broadband microwave detection using electron spins in a hybrid diamond-magnet sensor chip”为题发表在《Nature Communications》上。（郑佳慧）
文章链接：
DOI: 10.1038/s41467-023-36146-3
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点阵结构或超构材料通常是由相互连接的支柱、板或壳体组成的重复单胞，其单元长度尺度小于10 mm。它们从拓扑的角度为材料设计增添了新的维度。点阵结构可以实现组成固体材料无法提供的密度-力学性能或功能性的组合，从而拓展材料应用。在增材制造（AM）出现之前，点阵结构已经可以获得了，但主要是在简单拓扑结构中的厘米或分米的单胞长度尺度，通过多步骤方法制造。粉末床熔融（PBF）增材制造允许在单位长度尺度上设计和制造各种拓扑结构的复杂点阵结构，其尺寸可达纳米量级。之前针对多孔材料开发的一些设计理论或模型可以应用于增材制造金属点阵，包括最小实体面积模型、Zhu-Knott-Mills模型和有限元模型Gibson-Ashby（G-A）模型。其中，G-A模型在金属点阵结构的快速发展中发挥了重要作用。特别是，G-A将多孔材料按其变形机制分为拉伸主导变形（强）和弯曲主导（弱）结构，深刻地影响了包括增材制造金属点阵在内的多孔材料的设计。然而，G-A模型与实验数据之间存在较大偏差。这影响了增材制造用金属点阵结构的进一步设计创新。
近日，上海交通大学顾剑锋教授和澳大利亚皇家墨尔本理工大学Ma Qian团队发表综述文章，阐述了Gibson-Ashby（G-A）模型在设计增材制造金属点阵结构或力学超构材料方面起到的重要作用。文章第一部分回顾了G-A模型的提出和发展，强调G-A模型仅适用于长径比大于5的低密度点阵结构。第二部分评估了G-A模型对增材制造金属点阵结构的适用性，并揭示了它们之间的基本原理。第三部分评估了增材制造金属点阵的变形机制与支柱长径比之间的关系，并确定了增材制造金属点阵通过弯曲、拉伸和剪切同时变形，而不是G-A模型所考虑的拉伸或弯曲。因此，针对不同的点阵结构，发展了耦合拉伸、弯曲和剪切变形机制的力学性能模型，与实验数据具有较高的一致性。最后一部分讨论了从这些补救措施中获得的新见解，用于设计强而硬的金属点阵结构，特别地建议避免使用倾斜的支柱。相关研究发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。（徐锐）
文章链接：
ZHONG H, SONG T, LI C, et al. The Gibson-Ashby model for additively manufactured metal lattice materials: Its theoretical basis, limitations and new insights from remedies[J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2023, 27(3).
https://doi.org/10.1016/j.cossms.2023.101081
