超材料前沿研究一周精选 2021年11月8日-2021年11月14日

奇异光学是现代光学的一个重要分支。一般来讲，奇点至少包含一个不确定的物理量，例如相位奇点、偏振奇点和能量通量奇点等。鉴于纳米技术的快速发展、超表面的广泛应用以及奇异光束的独特性，近日，山东师范大学物理与电子科学学院滕树云教授等人综述了近二十年来利用透射式超表面产生奇异光场的进展。揭示了纳米小孔的光操纵机理，涉及波前整形、偏振转换、表面等离激元激发、矢量场叠加等方面。系统的总结了利用纳米小孔结构实现了倏逝波与传播波的叠加，产生标量涡旋或轨道角动量光束、庞加莱矢量光束和杂化的奇异光束。这些奇异光束为拓宽微型和超薄纳米光子器件在信息处理、粒子操作、光通信、光学成像和光学传感等领域的实际应用提供了更多的可能性。

这项工作的内容是由简单到复杂的组织。从单个纳米孔的透射开始，到周期性纳米孔或纳米孔阵列的透射，其中光场的调节物理性质包括光强、透射率、相位和偏振态。产生的奇异光束也从普通的标量涡旋光束开始，发展到相位不确定、偏振态不确定的混合奇异光束，其中奇点类型可能不同。这篇综述的内容安排非常方便阅读，为研究人员快速理解相关工作提供了依据，并向读者提供了系统的研究思路和方法。虽然所提供的奇异光束是建立在小孔上的，但所涉及的方法和技术适用于其他不同形状的纳米散射体。相关研究工作发表在《Annalen der Physik》上。（周长达）

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https://doi.org/10.1002/andp.202100147

利用探针量子位去相位的量子传感协议是用于询问未知环境的强大而普遍的方法。它们有着各种各样的应用，如量子处理器中的噪声抑制、相关电子态的研究等。量子传感的一个关键技术是使用一个合适的驱动的传感器量子位来表征一个有噪声的、耗散的环境。通常被称为量子噪声光谱(QNS)，这种模式能够使人们理解并可能减轻降低量子处理器性能的退相干源。它还可以作为一种强大的手段，通过其波动特性来探测复杂的多体目标系统。虽然许多QNS协议专注于描述经典高斯噪声的更具体的问题，但最近的工作探索了超越这些假设的方法。

近日，来自芝加哥大学Pritzker分子工程学院的Yu-Xin Wang等人讨论了一种增强量子噪声光谱的简单策略，并基于这样一个事实，即它们经常会导致被探测系统的无意猝灭：在传感协议开始时，环境哈密顿量会发生有效的突然变化。这些猝灭对初始环境状态非常敏感，并导致传感器量子位演化的可观测变化。他们将展示这些新特性如何获得环境响应特性。这使得直接测量bath的温度和检测非热平衡状态的方法成为可能。他们还讨论了如何有意地控制和调制这种物理猝灭，从而能够重建bath spectral函数。他们还讨论了对非高斯量子bath的扩展,以及他们的想法在一系列传感平台上的应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Yu-Xin Wang et al. Intrinsic and induced quantum quenches for enhancing qubit-based quantum noise spectroscopy. Nature Communications (2021) 12:6528

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26868-7

双梳谱(DCS)的工作原理是通过多外差拍将频率的光学梳映射到无线电频率，并使用重复频率略有不同的第二个梳。因为这两个梳状结构样品吸收光谱的分辨率由它们的线间距(或重复率)决定，分析相应的无线电频率梳状结构可以在不使用扫描光栅或干涉仪的情况下以多路复用的方式显示这些光谱。中红外中的梳产生传统上采用依赖锁模脉冲产生的方法，包括差频产生(DFG)、光学参数振荡和超连续谱生成，在中红外双梳谱分析方面使用这种系统也取得了相当大的进展。最近，利用电光频率梳的差频产生中红外梳也得到了证明。与传统的模式锁定相比，这种方法提供了x波段范围(8 - 12 GHz)和更高的速率可调性；而且，由于DCS系统可以通过频谱分辨率来换取更高的采集速率，这种更高的采集速率对于动力学研究是有用的。而随着薄膜铌酸锂技术的出现，电磁芯梳展示了具有集成芯片的潜力。

近日，美国加州理工学院的Kerry J. Vahala教授团队报告了基于微梳的DCS在中红外波段的GHz分辨率。这两个GHz率的中红外梳是由应用于四个近红外梳的交错差频产生(iDFG)产生的。这四个梳与在单个微腔内形成的反传播((CP)孤子相连。由于这种简化的结构，并结合CP孤子的高相互相干性，因此所得到的中红外DCS光谱的频率稳定性较高。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-26958-6

最近，非Abelian拓扑电荷吸引了人们越来越多的注意力，例如四元群Q₈。与Abelian拓扑带绝缘体不同的是，该系统包含多个纠缠体带隙，并支持具有非Abelian拓扑特征的非平凡边界态。此外，带数为偶数或奇数的系统在非Abelian拓扑分类上也会表现出显著的差异。到目前为止，对偶带非Abelian拓扑绝缘体的研究还很少。

近日，来自中国香港科技大学物理系及高等研究院的Tianshu Jiang等人从理论上探索和实验上实现了一个四带PT(反演和时间反演)对称系统，对其中两类新的拓扑电荷和边界态进行了全面研究。他们在立体投影的Clifford tori上说明了它们在四维(4D)旋转意义上的不同。他们通过将一维哈密顿量扩展到二维平面来显示体拓扑的演化，并根据解析方法给出了伴随的边态分布。他们的工作对四带非Abelian拓扑绝缘体进行了详尽的研究，为其他偶数带系统的研究奠定了基础。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Tianshu Jiang et al. Four-band non-Abelian topological insulator and its experimental realization. Nature Communications (2021) 12:6471

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26763-1

芯片上对弹性或机械振动的操纵，无论是在谐振器中负载和定位，还是在材料衬底中移动，都已经在应用和基础科学的各个领域带来了重大进展。声表面波(SAW)器件就是这种快速发展的一个突出例子。它们在现代电信系统中被广泛使用。微观和纳米机械系统已经成为实现超灵敏的传感器件的普遍手段。它们具有丰富的动力学特征，涉及线性和非线性现象，这为机械信号处理开辟了广阔的应用前景。这种动力学可以在耦合系统中进一步丰富，在耦合系统中可以诱导力学模态耦合，例如夹紧梁、柱子或通过多模态耦合。过去的几年里,这两种类型的机械系统再度吸引科研人员的兴趣, 并被用来实现与各种物理系统的动态和相干相互作用,包括空穴和电子,量子点，自旋，超导电路和光子设备。

近日，法国勃艮第大学Sarah Benchabane等人证明了这种组合可以由声表面波(SAWs)机制进一步拓展丰富，由弹性非线性诱导，与一对其它线性的微米级机械谐振器相互作用。谐振腔间隙距离的减小和声表面波振幅的增加导致谐振腔对响应的频率软化，这超出了几何杜芬非线性的一般图像。SAW激励方案的动力学允许进一步控制谐振器的运动，特别是导致圆偏振状态。该研究结果可能为通用高频声子微机电系统-纳米机电系统电路的经典和量子技术铺平了道路。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

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Sarah Benchabane et al, Nonlinear Coupling of Phononic Resonators Induced by Surface Acoustic Waves.PRApplied(2020).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.054024.

声学中一个长期存在的问题是，在频谱的中低范围内（低于5 kHz）声音衰减。传统材料在这方面的使用受到经典质量定律的限制,因此，建筑物或车辆中的隔热板必须既厚（通常超出实际范围），又由致密材料组成，以提供高强度的声传输损失（STL）。STL性能的改善是通过增量技术实现的，例如考虑由空气隔开的双层或多层板，利用模态相互作用，以及夹芯板与粘弹性材料之间的相互作用来增加声能耗散。此外，利用平面内布拉格散射效应，也出现了穿孔板或其他形式的板声波材料，但这些材料要求单元的平面尺寸与空气中入射声波的波长相当，这是非常不现实的。声学超材料的出现开辟了控制声音传播的新领域。然而，，基于单个局域谐振器的声学超材料产生的衰减峰值较低且频带较窄。当使用多个局域谐振器时，在多个局部谐振器中出现的衰减峰值频带仍然很窄，并且由通带隔开。

近日，西班牙加泰罗尼亚理工大学国际工程数字科学中心（CIMNE）的David Roca和美国科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学系的Mahmoud I. Hussein研究团队提出了一种声学超材料模型，该模型通过完全耦合单个带隙中的两个反共振产生亚波长声传输损耗，以实现宽带声衰减，并在3-5 kHz和1kHz附近分别出现了超过100dB和60dB的两个峰值，实现了优异的隔声性能。通过确保入射声波声线与垂直于传输方向的平面波运动的布拉格色散曲线相交形成的两个重合频率之间均出现局域共振，进而触发基本的耦合共振机制。这种现象一般是在具有内部连续孔的薄单板结构或柱状板结构的形式实现的，这种实用结构有助于设计调整和优化目标频率范围（中低频），并进行大规模制造。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.054018

噪声污染在日常生活中几乎无处不在，尤其是低频噪声，其穿透能力强，难以衰减。传统的吸声材料包括多孔纤维材料（如玻璃棉）、多孔泡沫材料（如岩棉）和微孔板吸声材料。然而，这些材料和结构的低频吸收较差，且一般需要接近最低频率对应波长1/4的厚度才能实现有效吸收。超材料的出现为设计亚波长厚度的低频吸声结构提供了新的可能性，现在一般有三种方法来拓宽吸收带宽。第一种也是最常用的方法是通过具有梯度参数分布的多个弱耦合单元之间的并行式协同。每个单元产生一个吸收峰，然后连接该吸收峰以在宽频带中保持较高的吸声系数。第二种方法涉及通过单元之间的强耦合相互作用来扩大集成结构的共振模式的数量，以增加吸收峰的数量并拓宽工作带宽。第三种方法涉及不同类型或多尺度吸声结构之间的平行型协同耦合，其中每种类型或尺度吸收特定频带中的声波，以实现不同吸收频带的叠加。在厚度方向或平面方向上的结构尺寸应相应增大，以拓宽使用这些方法的低频吸收带宽。因此，对于空间受限的应用来说，实现宽带吸声仍然是一个挑战

近日，西安交通大学机械工程学院马富银教授、吴九汇教授团队提出了一种超材料设计方法，利用软物质构建独特的软声学边界，有效地提高了宽带吸声性能。他们将弹性模量低至几千Pa、厚度为几毫米的柔性聚氯乙烯（PVC）凝胶层附着到空腔型吸声超材料结构的内壁，显著改善了复合结构在低频宽带范围内的吸收性能。该吸声增强机制不同于以往研究中提出的机制。一方面，软PVC凝胶层充当软声学边界，大幅降低声速和反射，并在两种不同介质之间的界面处产生相当大的弹性应变能，以提高吸声性能。另一方面，这种PVC凝胶层显示出极低的刚度和高阻尼，在低频宽带范围内产生大量类似等离子体激元的共振模式，实现共振吸收效果。这种吸声增强方法不需要增加原吸声器的外形尺寸或改变其结构参数，并且在较宽的频带内实现了稳健的增强，因此在各个工程领域显示出潜在的应用价值。相关研究成果发表在《Materials Horizons》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1039/D1MH01685G

软体机器人可以完成复杂的任务，如抓握、爬行或游泳，使用低复杂性的、类肌肉的软驱动器，可以弯曲、扭转、收缩或伸长。柔软性和仿生运动的独特结合，使软体机器人在刚性机器人无法应用的各种创新应用中具有吸引力。这个蓬勃发展的领域受到建模、计算和制造方面的最新见解的推动，这些见解使各种软机器的设计、编程和组装成为可能。虽然已经证明了化学、热、电或磁激励的软致动器，但硅胶体气动机器人由于其简单和快速的驱动而引起了广泛的关注。这类机器人的运动学被编码在驱动器的肉体中，即形状或材料，这样内部压力的变化被机械地转换成特定的运动。软气动执行机构的制造，尤其是空隙的制造并非易事，通常通过为特定执行机构量身定制的顺序成型程序和可拆卸框架来完成。同样，最先进的薄膜涂层技术仅限于简单的几何形状，而自由曲面制造技术通常缺乏可扩展性并且需要很长的打印时间。通常，这些致动器的膨胀很难预测，因此需要反复试验或长时间的模拟来为特定应用定制致动器的形状。此外，由这些执行器组装的软气动机器人需要执行复杂或连续的运动，这通常需要多个具有独立流体源的执行器。

近日，美国普林斯顿大学P.-T. Brun教授团队展示了一种新的一体式软体机器人制造和编程方法。这种方法不依赖于单个零件的组装，而是利用弹性体中的界面流动，这些弹性体逐渐固化以稳健地生产整体气动执行器，其形状可以轻松定制，以适应从人造肌肉到抓手的应用。将执行器组装中的流体力学合理化，并对其随后的变形进行建模。利用这种定量知识对这些软体机器人进行编程并产生复杂的功能，如从单调刺激中获得的连续运动。这些新功能将在软物质界引起共鸣，特别是可能导致下一代机器人材料适合移动并与环境交互，同时保持易于处理的复杂性。更一般地说，这种方法属于利用非平衡流体过程来彻底改变结构的能力的方法类别，如依赖不稳定性、剪切流、马兰戈尼效应和离心力。期望这种方法的灵活性、鲁棒性和预测性能够通过组装复杂的执行器（如长的、曲折的或血管结构）来加速软体机器人的扩散，从而为几何和材料非线性的新功能铺平道路。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）

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T. J. Jones, E. Jambon-Puillet, J. Marthelot, et al. Bubble casting soft robotics[J]. Nature, 2021, 599(7884): 229-233.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04029-6

3D打印技术极大地简化了具有任意几何形状和定制化学成分材料的生产。至关重要的是，虽然直接墨水书写和立体光刻等3D打印方法能够制造具有高分辨率微观和宏观尺度特征的多材料，但在纳米尺度上对材料特性的控制仍然难以实现。已经开发了几种创新技术来减小3D打印中的特征尺寸，尤其是双光子打印，但是，这些系统是由越来越复杂和专业化的硬件驱动的。由于嵌段链段之间的热力学不相容性，嵌段共聚物自发地微相分离。由于嵌段共聚物链段是共价键连接的，因此熵恢复力限制了宏观相分离，从而提供了具有复杂形态和纳米级结构的高度有序的材料。聚合诱导微相分离（PIMS）利用可逆失活自由基聚合进行原位嵌段共聚物的形成，多官能（交联）单体的聚合允许相分离混合物的动力学阻滞。PIMS工艺允许一步形成由具有独立可调特性的不同相组成的纳米结构材料。这一显着特征允许纳米结构材料用于各种应用，包括作为纳米多孔材料、聚合物电解质膜、生物医学材料等。

近日，澳大利亚新南威尔士大学Jin Zhang、Nathaniel Corrigan和Cyrille Boyer团队开发了3D打印工艺，该工艺利用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合来形成可定制的软材料。这项工作报道了通过数字光处理（DLP）3D打印和RAFT介导的PIMS相结合的纳米形态控制的3D打印多材料。用于3D打印的树脂含有多功能单体和高分子链转移剂的混合物，光聚合过程中的原位微相分离产生纳米结构的3D打印材料。通过控制初始树脂的化学成分，可以调整相分离过程，使材料显示出一系列形态，从无序的宏观相分离材料到具有离散细长纳米域的材料，再到具有纳米级双连续的材料形态。至关重要的是，这些高度控制的多材料仅使用商业上可获得的低成本数字光处理3D打印机，并使用成熟、鲁棒的化学物质。这种方法不需要专门的设备或工艺条件，因此代表了通过增材制造生产先进材料的重要进展。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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V. A. Bobrin, K. Lee, J. Zhang, et al. Nanostructure Control in 3D Printed Materials[J]. Adv Mater, 2021: e2107643.

https://doi.org/10.1002/adma.202107643

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