今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及在超表面连续介质中实现对称保证的束缚态对，具有高强度和可重复能量吸收的液态金属点阵结构，具有可编程铁磁性的软超材料等，敬请期待！
索引：
1.用于工作在近红外波长的硅光子电路的超高响应波导耦合光功率监测器
2.在超表面连续介质中实现对称保证的束缚态对
3.高熵合金FeCoCrMnNi的声子动力学分析
4.具有高强度和可重复能量吸收的液态金属点阵结构
5.基于几何和拓扑重构的3D可重构曲线模块化折纸结构的逆向设计
6.二维Fe5GeTe2磁性和反常霍尔效应的层数依赖性
7.具有可编程铁磁性的软超材料
1
用于工作在近红外波长的硅光子电路的超高响应波导耦合光功率监测器
过去十年来，硅光子学的快速发展使在硅晶片上制造大规模光子电路成为可能，并被广泛应用于数据中心的光学互连器件。除了光纤通信，如深度学习、量子计算和传感Si可编程光子电路等许多应用正在出现，这些应用中集成了许多可以控制光相位的光学移相器。为了达到特定的目的而重新配置光子电路，准确地设置所有移相器的相位值是至关重要的。由于器件制造过程中的变化，移相器的初始相位误差是不可避免的，因此准确的初始化和设定目标相位值是可编程光子电路的关键问题。
通过监测光子电路的输出来配置相移器的方法有很多种，其中最简单并且最可靠的方法是在一个光子电路中集成多个光功率监测器。在硅光子电路中，由于光电流的内部增益使其具有较高的响应率，因此光电晶体管是一种很有前途的光功率监测器。然而，最先进的波导耦合光电晶体管的响应率低于103A/W，这不能用来探测低功率的光。
近日，日本东京大学的Mitsuru Takenaka教授团队提出了一种工作在1.3 μm波长的波导耦合光晶体管，它由硅波导上的InGaAs超薄通道作为栅极。在InGaAs超薄通道下方的Si波导栅极可以有效控制晶体管电流，而不受栅极金属的光学吸收影响。因此，该光电晶体管在波导耦合光电晶体管中达到了最高106A/W的响应率，并能够检测到在Si波导中传播的621 fW的光。相关工作发表在《Nature Communications》上。(郑江坡)
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35206-4
2
在超表面连续介质中实现对称保证的束缚态对
连续介质中的束缚态(BIC)因其在激光、传感器和频率混频器等各种系统中展现出的增强光-物质相互作用的能力而受到广泛关注。然而，许多应用需要简并或接近简并的高质量因子(Q)模式，例如自发参数下转换，非线性四波混合，以及用于太赫兹产生的腔内差频混合。在之前的工作中，连续介质中的简并束缚态对（BIC）是通过微调结构来设计实现的，从而产生了对结构缺陷和材料变化做出不可预测响应的BICs。
不同于以前的方法，近日，美国桑迪亚国家实验室的Alexander Cerjan教授团队使用群论方法，提出了一个基于六重旋转对称（C6）的设计范式，用于创建对称保护BIC的简并对，其频率分裂和Q因子可以独立且可预测地控制，从而产生一个完整的设计相空间。利用硅基超表面的谐振腔和晶格变形的组合，作者实验证明了在控制Q因子的同时，将模式间距从2 nm调整到110 nm的能力。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35246-w
3
高熵合金FeCoCrMnNi的声子动力学分析
4
具有高强度和可重复能量吸收的液态金属点阵结构
点阵结构由人工设计的单元结构周期性排列在布拉维点阵上构成，类似于晶体结构。被广泛用作夹芯板芯层、能量吸收缓冲层、轻质部件填充结构、医用支架以及在电磁学、光学、热学和力学领域具有新兴应用的超构材料。点阵结构的宏观性质取决于点阵类型、单元结构和组成材料。传统的点阵结构通常通过将梁/柱连接在一起，如2D的蜂窝和方形晶格、3D的Octet和Kelvin晶格。随着增材制造技术的发展，具有各种新型单元结构的点阵结构应运而生，克服了复杂几何形状的制造障碍。此外，拓扑优化、机器学习等生成式设计方法也被用于发现新的单元结构。一类新兴的晶格结构是具有可重复使用的能量吸收行为的材料。传统的用作缓冲层的点阵结构通常是一次性使用的。相比之下，具有可重复能量吸收的晶格结构不仅更环保，而且能够生产出更可持续的部件。最近，研究人员提出了至少7种具有可重复能量吸收的点阵结构。具体来说，这些点阵结构要么是由耗散材料（如形状记忆材料、液态金属、颗粒材料、粘弹性聚合物等）组成，要么是用耗散单元结构（如摩擦晶胞、双稳态/多稳态结构、带屈曲的微晶格等）设计而成。尽管最近在可重复使用的点阵结构方面取得了重大进展，但同时获得高强度和高能量吸收能力仍然非常具有挑战性。
近日，美国纽约州立大学Pu Zhang团队开发的液态金属点阵结构为克服这一挑战，实现高强度和高能量吸收能力提供了新的思路。该团队研究了四种液态金属点阵结构，并探究了其力学和回复行为。这些梁和壳点阵结构都具有一个液态金属点阵核心包覆两个聚合物涂层。研究发现，与单独的有机硅涂层相比，新型杂化涂层更坚固、更持久。Kelvin梁晶格和Primitive壳晶格是作为可重复使用的液态金属晶格结构的最佳候选者之一。通过对比文献中各种可重复使用的点阵结构，发现液态金属点阵结构由于其本征金属特性，具有最高的强度和能量吸收能力。相关研究发表在《Applied Materials Today》上。（徐锐）
文章链接：
F. Deng, Q.-K. Nguyen, P. Zhang. Liquid metal lattice materials with simultaneously high strength and reusable energy absorption[J]. Applied Materials Today, 2022, 29.
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101671
5
基于几何和拓扑重构的3D可重构曲线模块化折纸结构的逆向设计
随着增材、减材制造技术的进步，复杂3D结构的制造正在微观、介观、宏观尺度上实现。目前，甚至可以将复杂的3D结构设计推向从一种状态改变到另一种状态的运动结构，以调节其物理特性以适应不同的环境。考虑到未来智能可重构结构的潜力，研究人员采用了折纸和剪纸技术。传统的方法都需要构造具有折痕图案和空间周期性（镶嵌）的建筑块（单元）。这种自下而上的设计方法便于在仅有单胞设计的情况下控制整体3D结构的运动学和动力学特性。然而，这种自下而上的设计方法在建造实际工程和艺术结构时具有严重的局限性——目标结构大多是3D曲线，这要求构建块的尺寸和形状在设计域内不再是均匀的。力学超构材料的自上而下的设计方法，通常称为“逆向设计”，已经被探索用于识别镶嵌微结构和目标物理性质。拓扑优化一直是识别微结构的典型方法。很少有研究探索3D结构的逆向设计。现有的逆向设计方法只能应用于具有折纸和剪纸的2D曲面，不能应用于体3D曲线几何及其可重构性。
近日，上海交通大学Jaehyung Ju和周翔团队开发了一种用于构建3D可重构结构的逆向设计方法——模块化折纸结构，其单元格可以通过体积映射成指定的3D曲线形状，然后通过体积收缩来构建模块。在对管状几何结构进行修改后，通过对模块的拓扑重构来搜索模块折纸结构的所有可能的几何和拓扑组合来实现目标迁移率。利用几何重构和拓扑重构的逆向设计可以为构建多自由度的3D曲线可重构结构提供有效的解决方案。这项工作为基于体积逆设计的3D可重构系统开辟了道路，如用于汽车、航空航天和生物医学工程应用的3D主动超构材料和3D变形器件。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
K. Xiao, Z. Liang, B. Zou, et al. Inverse design of 3D reconfigurable curvilinear modular origami structures using geometric and topological reconstructions[J]. Nat Commun, 2022, 13(1): 7474.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35224-2
6
二维Fe5GeTe2磁性和反常霍尔效应的层数依赖性
近年来，二维(2D)范德华(vdW)晶体中的长程铁磁序引起了研究学者们广泛的关注，2D铁磁材料的磁性能展示出明显的厚度依赖性，为基于铁磁材料的自旋器件研发提供了平台。随着样品尺寸从体块到二维极限，居里温度变化尤为明显，少层铁磁材料中的居里温度受磁各向异性影响显著，而不是由在体块材料占主导作用的交换耦合强度决定。另外，由于层间耦合强度和库仑相互作用均具备厚度依赖性，因此vdW铁磁体的矫顽场、易磁化轴甚至磁性结构，都可以通过改变层数的手段来有效地控制。2D铁磁材料丰富的可调谐性推动了先进电子和自旋电子器件的发展，然而这种厚度依赖性受多种因素的相互作用影响，因此，对少层以及单层的vdW铁磁材料的磁输运特性的研究尤为重要。
近日，中国科学技术大学陈仙辉教授研究团队利用Al2O3辅助转移方法成功剥离出少层二维vdW铁磁材料Fe5GeTe2，通过测量磁电阻和反常霍尔效应(AHE)，发现其体块晶体表现出面内磁各向异性的软铁磁性，而少层二维薄片则表现出硬铁磁性。在双层Fe5GeTe2样品中，二维尺寸效应导致其磁各向异性由面内转变为面外方向，并且AHE显著增强，而单层Fe5GeTe2表现为类自旋玻璃的长程无序态，这与层间耦合强度的改变有关。该工作证实了Fe5GeTe2的磁性和输运特性的厚度依赖性，阐述了二维少层Fe5GeTe2材料应用于未来自旋电子器件的可能性，为高性能自旋电子器件的研发具有重要意义。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：
Y. Z. Deng, Z. J. Xiang, B. Lei, et al. Layer-Number-Dependent Magnetism and Anomalous Hall Effect in van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2. Nano Lett. ASAP (2022).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02696
7
具有可编程铁磁性的软超材料
磁性复合材料已被研究用于各种应用，包括数据存储、机器人和生物医学。
为了创造具有磁性的软物质复合材料，微米尺度或纳米尺度的磁性颗粒被嵌入到聚合物基质中。对于足够小的(热的)粒子，Néel弛豫会产生超顺磁性。具有大剩磁的磁性聚合物通常由大的(非热的)硬磁颗粒形成；在聚合过程中，粒子的取向由外部磁场控制，在材料合成后，粒子的取向被机械固定。由于它们的居里温度超过了聚合物基体的热降解温度，这种铁磁磁性聚合物的再磁化需要消磁。因此，这些磁性聚合物的功能是有限的，它们只在制造过程中被永久编程。
近日，瑞典皇家理工学院Wijngaart等人报道了一种易于编程的聚合物磁性复合材料，包括固-液相相变材料液滴的二维晶格，每个液滴包含一个磁偶极子颗粒。这些复合材料是铁磁性的，其居里温度由液滴熔点以上粒子的旋转自由度来定义。研究人员展示了磁性聚合物结合高剩磁特性与居里温度低于复合材料降解温度。可以很容易地在四种状态之间重新编程材料:(1)在熔点以上的超顺磁状态；(2)人工自旋冰态；(3)具有低体积剩磁的自旋玻璃态；(4)在外加磁场作用下冷却时具有高体积剩磁的铁磁状态。此外，研究人员观察到自旋冰中二维磁涡的自发出现现象，并阐明了这些磁涡结构与外部体剩磁的相关性。该研究有助于未来的磁性驱动器的设计。作者表示未来的工作可以进一步研究将具有特定晶格的可重编程磁性超材料集成到多功能电子器件/材料中，包括可拉伸或曲线形状的材料及其应用。相关研究工作发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。（丁雷）
文章链接：
Kerem Kaya et al. Soft metamaterial with programmable ferromagnetism, Microsystems & Nanoengineering (2022) 8:127.
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00463-2.
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
