今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及通过水凝胶注入的微结构金属增材制造，扭角双层石墨烯的巨大二阶非线性霍尔效应，热点量化正交时幅复用读出高效超导纳米线单光子成像仪等，敬请期待！
索引：
1.热点量化正交时幅复用读出高效超导纳米线单光子成像仪
2.扭角双层石墨烯的巨大二阶非线性霍尔效应
3.通过原位透射电镜对二维In2Se3进行相位与极化调制
4.可调能量捕获-耗散的磁辅助旋转多稳态超构材料
5.通过水凝胶注入的微结构金属增材制造
6.声学超材料中的合成赝自旋霍尔效应
7.利用可调声学超材料实现量子自旋霍尔效应
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热点量化正交时幅复用读出高效超导纳米线单光子成像仪
利用光学传感和测量来精确获取单个光子的空间和时间信息，不断接近量子极限，这有利于各种现代应用，如量子成像、低光子通量成像和时间分辨单光子光谱。这种能力是由单光子成像仪实现的，该成像仪结合了单光子探测器阵列和读出电子器件。目前，相关科研人员已经演示了各种类型的大型单光子成像仪，包括基于III-V半导体的千像素成像仪阵列、基于硅的百万像素阵列和基于超导体的阵列，例如微波动态电感检测器、过渡边缘传感器阵和超导纳米线单光子检测器（SNSPD）阵列。增加这些单光子探测器阵列的可扩展性的一个常见挑战是读出电路的复杂性，该读出电路使得来自每个像素的光子探测脉冲能够被放大、路由和寻址。对于基于超导体的阵列，由于不可避免的低温操作温度，这一挑战更为严峻。因此，尽管基于超导体的探测器表现出了优异的性能，但开发大规模超导探测器阵列始终是一项麻烦且具有挑战性的任务，需要专门的设备和低温工程。
近日，南京大学电子科学与工程学院超导电子研究所赵清源、陈健教授、吴培亨院士团队通过引入正交时幅复用方法来开发千像素成像仪。通过几何设计纳米线结构来控制其热点生长和光子探测后的微波传播，这种读出仅建立在超导纳米线中。实验结果显示，像素位置在输出脉冲的时域和振幅域上都被编码。这种双重复用方法克服了先前时间复用读出的限制，其中时间测量的不确定性恶化了空间分辨率和可扩展性。实验上，通过两条读出线，研究人员演示了一个32×32成像器，平均读出像素保真度为97%，平均时间分辨率为67.3 ps。在低光子通量下，每个像素检测到一个光子，通过单光子成像实验进一步验证了该成像器的性能。与以前的方法相比，这种正交时幅复用读出和相应的纳米线设计提供了最有效的读出，这将加快量子测量、遥感、天文望远镜等大规模单光子成像仪的发展。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）
文章链接：
Ling-Dong Kong et al. Readout-efficient superconducting nanowire single-photon imager with orthogonal time–amplitude multiplexing by hotspot quantization. Nature Photonics(2022).
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01089-6.
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扭角双层石墨烯的巨大二阶非线性霍尔效应
利用量子霍尔效应或量子反常霍尔效应可以检测电子能带的拓扑结构，为了在线性响应范围内得到霍尔信号，一般需要通过施加外部磁场打破时间反演对称性。近年来，非线性霍尔效应(NLHE)引起了研究学者-的广泛关注，这是一种无需磁场作用即可产生横向电压的现象,为实现整流或倍频提供了可行方案。在二阶响应范围内，霍尔电压可以非零，此时不会出现时间反演对称破缺。研究学者们认为NLHE是多种机制共同作用的结果，一阶就表现出明显的无序依赖性，高阶效应更是Berry曲率和无序错综复杂作用的结果，理论工作表明这是由于无序效应主导输运过程导致的，然而对于不同的无序源，特别是动态源是如何参与到NLHE这一问题仍缺乏实验探索。
近日，北京理工大学姚裕贵教授研究团队发现了扭角双层石墨烯中无序诱导的巨大非线性霍尔效应，通过改变栅极电压可以有效地调控二阶非线性响应的大小和方向。当moiré带被全部填充时，二阶霍尔电导率峰值达到8.76 μm SV−1，这远高于之前报道的WTe2以及扭角WSe2的实验结果。该研究发现扭曲双层石墨烯中的巨大NLHE是静态(杂质)和动态(声子)失调的共同作用，其中声子倾斜散射比杂质倾斜散射的耦合系数大得多。因此在低温下，NLHE完全由杂质倾斜散射决定，并且随着温度的升高，声子倾斜散射与杂质的散射作用相当。该工作为NLHE中与无序相关的物理机制提供了全面的实验理解。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：
J. X. Duan, Y. Jian, Y. Gao, et al. Giant Second-Order Nonlinear Hall Effect in Twisted Bilayer Graphene. Phys. Rev. Lett. 129, 186801(2022).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.186801
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通过原位透射电镜对二维In2Se3进行相位与极化调制
随着越来越多的二维(2D)材料的发现，引起了研究学者们对二维材料发光、电学、磁学等性能的关注，尤其是2D材料相变特性在很多性能调控方面效果显著。例如，通过超快激光激发MoTe2薄膜中1T’-2H相变，可以极大的改善界面的电输运现象。最近几年，研究学者们发现可以通过相变工程对二维范德华(vdW)层状In2Se3材料铁电性和铁弹性等性质进行调控，其中，α-In2Se3是具有面外铁电性的铁电(FE)相，而β’- In2Se3是反铁电(AFE)相，这种具有双稳态相变特性的vdW材料在电子应用方面具有重大前景，然而实现可逆相变仍然具有挑战性。
近日，香港理工大学的赵炯教授与其合作者采用化学气相沉积法(CVD)合成少层β'相，并结合透射电镜及偏振光成像技术，发现随着β'相层数的减少到4层以下时，由于层数较少时会发生应变释放，会自发的由β'相转变为α相，另外还可以通过钨针以及施加外应力的手段实现应力诱导的相位可逆转换。此外，研究还发现通过施加电流，不仅可以实现β'相与γ相的转换，还能调控α相的极化方向，实现非易失性存储。该工作利用多种外物理场实现2D In2Se3薄膜的可逆相变，不仅对二维材料相变调控工作具有指导意义，还突出了二维铁电体在纳米机电和存储器件应用中的巨大潜力。相关工作发表在《Science Advances》上。（袁铭谦）
文章链接：
X. D. Zheng, W. Han, K. Yang, et al. Phase and polarization modulation in two-dimensional In2Se3 via in situ transmission electron microscopy. Sci. Adv. 8, eabo0773 (2022).
https://doi.org/10.1126/sciadv.abo0773
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可调能量捕获-耗散的磁辅助旋转多稳态超构材料
多稳态力学超构材料的基本单元通常是具有负增量刚度的双稳态结构，如弹性倾斜梁和双稳态壳体。多稳定性使形状可重构成为可能，进而为在每个稳定构型下设计具有独特物理特性（如刚度）的高适应性多功能材料、具有完全可恢复变形的速率无关可重复使用的吸能材料以及具有可调滤波和波传播特性的隔振器。结构的多稳定性源于局部双稳态变形，因此仅依赖于本构单元中使用的负刚度单元的可逆拓扑变化。因此，力学超构材料的多重稳定性容易受到结构参数和边界条件的影响。此外，所获得的双稳态通常与不对称的势能图景相关联，并且可以是边际的，以至于使结构返回其未变形（初始）构型所需的能量与用于达到变形稳定状态的能量相比要小得多。由单一负刚度单元组成的多稳态超构材料的载荷-位移关系在加工过程后不易调整，从而影响了其对不断变化的应用需求的可调性和适应性。此外，之前的研究大部分设计依赖于压缩或拉力形式的平移输入（位移），这无法应用于需要旋转输出的形式（如转子轴的能量吸收）。除了双稳态结构单元外，由特定排列的永久磁铁组成的磁性系统也被用来诱导负的增量刚度。这种策略长期以来一直被用于振动控制领域。利用这种磁性系统与机械单元相结合来实现负刚度和负泊松比等奇异的力学行为，以提高力学性能的可调性，扩大多稳态材料的能量俘获能力，已成为一个日益受到关注的问题。
近日，加拿大麦吉尔大学Abdolhamid Akbarzadeh团队通过将永磁体按圆形排列并创建具有磁感应负增量扭转刚度的磁体对，开发了旋转多稳态基元。通过一系列的实验和数值研究，展示了调整旋转磁铁对的扭转响应的不同方法。利用与倾斜弹性臂串联的磁铁对形成能量捕获旋转单元。通过将这些单元相互叠加，开发了一种能够储存输入能量并以旋转波的形式释放能量的1D旋转多稳态超构材料。旋转磁体对的周期稳定平衡态引入了循环多稳定性的概念，首次实现了由重复回跳不稳定性引起的能量耗散的可调无流体旋转变压器。磁相互作用的高度可调性为开发可重复使用的耗能和能量捕获旋转超构材料提供了一种新的设计范式，其特性可以很容易地在原位甚至在后期制备阶段进行定制。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
A. Seyedkanani, A. Akbarzadeh. Magnetically Assisted Rotationally Multistable Metamaterials for Tunable Energy Trapping–Dissipation[J]. Advanced Functional Materials, 2022.
https://doi.org/10.1002/adfm.202207581
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通过水凝胶注入的微结构金属增材制造
目前，金属增材制造主要通过粉末床熔合和定向能沉积工艺实现。逐层加工可以制造金属多材料和功能梯度复合材料，但这种基于激光的工艺很难生产出铜等材料。高热导率和低激光吸收率导致熔化或烧结的热引发和局部化困难。还原光聚合是一种很有前途的替代方法，它利用光引发的自由基聚合来成型零件。数字光处理（DLP）通过将紫外线的2D图像投射到光敏树脂槽中，同时固化整个3D结构层来实现这一目的。DLP具有高打印速度和亚微米级分辨率。还原光聚合主要用于聚合物，也可用于玻璃和陶瓷。然而，由于将适当的前驱体作为溶液、浆液或无机-有机混合物加入到光树脂中所面临的挑战，无机材料的选择仍然有限。因此，通过还原光聚合制造金属仍然是一个挑战。现有的开创性工作仅限于有限的材料，需要对每一种新材料进行复杂的树脂设计和优化。其他制造技术，如直接墨水书写（DIW）和材料喷射（MJ）分别使用从喷嘴挤压和粘结剂的可控沉积来确定零件形状。这些方法规避了利用热来定义零件形状的挑战。铜材料已经通过DIW和MJ制造，但是这两种技术都没有制造出特征尺寸小于100 μm的铜零件。
近日，美国加州理工学院Max A. Saccone、Daryl W. Yee和Julia R. Greer团队报道了一种金属增材制造技术，通过还原光聚合（VP）生产具有微尺度分辨率的金属和合金。具有3D结构的水凝胶被注入金属前驱体，然后经过煅烧和还原，将水凝胶支架转换成微型金属复制品。这种方法代表了还原光聚合的范式转换，只有在结构构造完成后才选择材料。与现有的还原光聚合策略不同的是，这种方法不需要针对不同的材料重新优化树脂和固化参数，而是在打印过程中把目标材料或前驱体并入光敏胶中，从而实现快速迭代、成分调整和制造多材料的能力。文中演示了临界尺寸为~40 μm的金属的增材制造，这对使用传统工艺制造是具有挑战性的。这种水凝胶衍生的金属具有高度孪生的微结构和异常高的硬度，为制造先进的金属微材料提供了一条途径。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）
文章链接：
M. A. Saccone, R. A. Gallivan, K. Narita, et al. Additive manufacturing of micro-architected metals via hydrogel infusion[J]. Nature, 2022.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05433-2
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声学超材料中的合成赝自旋霍尔效应
近年来，合成自由度（SDOFs）通过对相对论和拓扑现象的模拟，极大地扩展了经典物理学领域。研究人员已经在人工光子和机械材料中成功实现了狄拉克（Dirac）和外尔（Weyl）物理以及广泛的物质拓扑相，这些领域的发展促进了对波的传播与散射前所未有的控制。被赋予合成自旋自由度的人工电磁和声学超材料对材料科学和工程产生了革命性的影响。除了对新技术的纯应用兴趣之外，这些超材料在桌面实验系统中探索和测试一些先进的科学概念方面也显示出无与伦比的潜力。在过去的几年中，人们已经对类狄拉克系统、Weyl点和费米弧中的Klein隧穿，以及拓扑边界、曲面和高阶边界态进行了广泛的研究，这些研究使用了有意设计的几何和材料参数系统来模拟各自的有效哈密顿量。揭示这一新的合成自由度物理学的一个关键因素是作用于它们的合成规范势。虽然引入额外的对称性（如亚晶格、对偶性或晶体对称性）使模拟合成自由度分量的多倍简并可以被设计，但有意的对称缩减可以进一步用于控制地去除其中一些简并，从而模拟作用于赝自旋的伪磁场(或合成规范)场。
近日，美国纽约城市大学的Alexander B. Khanikaev教授课题组证明了赝自旋可以在倏逝场中自然产生，也可以通过对称设计，通过在角动量和线动量耦合的声晶格中引导和转向来控制辐射。作者实验证明了在两种类型的超材料系统中的赝自旋霍尔效应。首先，作者证明了穿孔膜中的倏逝声波具有锁定在其传播方向上的横向角动量，这使它们能够定向激发。其次，作者证明了声学kagome晶格的晶格对称性也使合成的横向赝自旋锁定在线性动量上，使模在体内和沿边缘的传播得以控制。该研究结果开辟了对声波辐射和传播控制的新方式，从而为声学器件提供了新的设计方法。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34072-4
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利用可调声学超材料实现量子自旋霍尔效应
声学超材料（AMs）通过人工结构设计实现了前所未有的材料性能，引发了其在声学中的各种应用。通过设计各种亚波长声学超材料以实现在自然界中无法获得的声学参数，这带来了广泛的新应用。拓扑学，最初是一个抽象的数学概念，促进了凝聚态物理的一个新的研究领域。通过类似的能带图和演化，拓扑的概念很快被扩展到经典波系统，包括声学、光学和力学。通过实现具有不同晶格对称性的复杂晶格，拓扑声子晶体(SCs)已经成为展示有趣的拓扑特性和全新应用的有效平台。基于单片机控制系统的双元件可编程声学拓扑绝缘体和可编程二阶拓扑成像将拓扑声学的设计提升到应用层面。
近日，苏州大学的杭志宏教授课题组结合了声学超材料和声子晶体能带工程的优点，设计了杂化拓扑声学超材料。单胞的设计包含了声学超材料和声子晶体，每个都能分别进行调谐。这是一个实现声学QSHE很好的平台，因为晶格内和晶格间的相互作用可以独立操作，而拓扑相变可以实现大的几何可调性。作者提出了一个理论模型来解释和预测该系统中存在的拓扑相变，设计了一种带有单片机控制系统的多端口声功率分配器，并进行了实验验证。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）
文章链接：10.1103/PhysRevApplied.18.044055
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