超材料前沿研究一周精选 2022年5月23日-2022年5月29日

探索新的物质拓扑相是物理学中最吸引人的研究领域之一。自1980年首次发现整数量子霍尔效应以来，相继提出了大量具有独特拓扑性质的量子相。这些新的拓扑状态已经在各种具有完全不同特征的系统中被揭示出来，例如从低维到高维，从厄米系统到非厄米系统，从周期结构到无序结构，从单粒子系统到多粒子系统，从线性晶格到非线性晶格，从静态系统到动态系统等等。迄今为止，大多数已建立的物质拓扑状态主要用于曲率为零的Euclidean几何体系。另一方面，非Euclidean几何体系在自然界中广泛存在，并在许多不同领域发挥着重要作用，包括数学、全息原理、广义相对论等。为了在实验上探索弯曲空间的新物理，需要建造可控实验室装置。最近，利用电路量子电动力学，实验实现了离散双曲晶格，它是弯曲空间中具有恒定负曲率的规则镶嵌，刺激了非Euclidean几何学和双曲物理学的许多进展，包括双曲晶格的布洛赫带理论，双曲晶格的晶体学，连续负弯曲空间中的量子场论，电路网络中的双曲鼓理论等等。此外，值得注意的是，由于负曲率，无论双曲晶格的大小如何，边界场地总是占据总场地的有限部分。这与Euclidean晶格的情况完全相反，在Euclidean晶格中，在热力学极限下，边界位数与总位数之比接近于零。最近，基于周期和开放系统中Landau规范的树状设计，理论上提出了双曲拓扑状态。受双曲晶格中揭示的这些迷人现象的启发，有必要在实验中研究双曲格中是否存在其他未发现的拓扑状态，以及如何构造双曲拓扑相。

近日，来自北京理工大学物理学院纳米光子学重点实验室&超细光电子系统、教育部先进光电子量子结构与测量重点实验室的Weixuan Zhang等人从理论和实验上证明，与Euclidean晶格相比，工程双曲晶格可以存在奇异拓扑状态，并且具有独特的性质。基于扩展的Haldane模型，得到了具有非平凡实空间Chern数的边界支配的一阶Chern边界态。此外，他们还发现，变形双曲晶格中出现了类分形的中隙高阶零模，并且零模的数目随晶格尺寸呈指数增长。通过测量现场分辨阻抗响应和电压包动力学，在设计的双曲线电路网络中观察到这些新的拓扑状态。他们的发现为研究Euclidean空间以外的拓扑相位提供了一个有用的平台，并可能在高效拓扑器件领域有潜在的应用，例如具有增强边缘响应的拓扑激光器等。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Weixuan Zhang et al. Observation of noveltopological states in hyperbolic lattices. Nature Communications (2022) 13:2937

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30631-x

自Ashkin开创性工作以来，光学操纵在原子物理、光学和生物科学等领域取得了显著进展。特别是近十年来，利用光力的光学捕获、冷却、结合、分选和传输等技术有了显著的发展，并衍生出更加精确、稳定和灵活的纳米尺度器件控制。在这些操作中，光拉力(指利用电磁波将粒子拉向源)可能是最有趣的现象之一。到目前为止，光拉力被认为是光学散射力，如结构光束、奇异介质、非均匀背景介质和导模散射方案。

近年来，随着拓扑相位的概念扩展到光学领域，出现了许多奇异现象，如光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光量子谷霍尔效应。伴随这些现象的是由其继承的拓扑特性所保护的拓扑边界态。由于拓扑光子晶体与电子材料相比更容易模拟和实验实现，因此在非线性系统、非厄米系统、高阶拓扑系统等各个方面都有很多研究。拓扑光子晶体和声子晶体中的拓扑手性边界态也被用来实现拉力现象。最近，研究人员提出了在光子晶体ABC异质结构体系中拓扑单向大面积波导态(TOLWSs)，该体系由一个普通的六边形光子晶体(B区)夹在两个磁方向相反的磁性光子晶体(A和C区)之间组成。有趣的是，两个TOLWSs在相同的方向上传播，并均匀地延伸到中间的B区域。由于拓扑保护的原因，在传播过程中禁止后向散射，而在这两种模式之间可以发生散射。那么几个自然的问题就出现了:在这个异质结构系统中，是否有可能通过TOLWSs的模式转换实现远距离、灵活甚至多粒子的电磁（EM）操纵?如果是这样，产生的电磁力总是在拉吗?可以通过TOLWSs操纵多粒子吗?

近日，山西大学的陈君教授团队以肯定的方式回答这个问题，在本研究中，他们通过研究放置在B区域传输通道中的粒子在中间区域被激发作为源时所受到的电磁力，利用时间平均麦克斯韦应力张量的闭面积分，通过严格计算电磁力，他们发现粒子可以通过调整源的激励频率和模式而被拉向或推离源。由时间平均麦克斯韦应力张量计算的电磁力可以用光学力响应理论进行定量分析。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW B》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevB.105.195432

三维(3D)显微成像是一种被广泛应用于微观物体深度信息和表面形貌探测的技术。代表性的方法有共聚焦扫描显微镜、光场显微镜、结构光照明显微镜和双目立体显微镜。在这些方法中，立体显微镜是实时记录物体表面和深度信息最简单的方法之一，广泛应用于生物科学、医学研究、工业检测。立体显微镜依靠两个倾斜的光轴产生一对具有视差的显微图像。可分为Greenough类型和通用主要目标(CMO)类型。前者使用两个物镜来形成左右图像的光路，但它们的物理尺寸必须受到限制，以防止镜头之间的接触。因此，数值孔径(NAs)被限制在0.2左右。CMO类型可以获得更高的NAs(约0.35)，它使用单个大孔径物镜来处理两种光路。然而，由于物镜的复杂设计和制造，CMO显微镜比Greenough显微镜更昂贵。因此，迫切需要替代方案来提高立体系统的分辨率。超表面利用超薄超元胞精确调控局域电磁场的振幅、相位和极化，可以实现光弯曲、全息成像、偏振转换等多种功能。它们也被用于提高体显微镜系统的质量，如三维立体全息。超构透镜是一类特殊的超表面，因其出色的聚焦和成像能力而备受关注。研究人员使用超构透镜作为核心部件，构建了用于生物医学和化学成像的各种显微系统，如离体小鼠肠组织、荧光聚乙烯微球和青蛙卵细胞。

近日，中山大学物理学院光电材料与技术国家重点实验室李俊韬等人展示了使用双折射单层超构透镜来获得高分辨率和低成本的立体显微成像系统。研究人员设计并制造了一个工作在532 nm，数值孔径高达0.4的双折射超构透镜。超透镜随后被用来对生物样本进行高分辨率立体成像。实验结果表明，双折射超构透镜与商用立体系统兼容，在保持低成本的前提下可提高其分辨率。该研究为实现高分辨率和低成本的立体显微镜的新策略铺平了道路。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

文章链接：

Yong Long et al. Metalens-based stereoscopicmicroscope. Photonics Research (2022).

https://doi.org/10.1364/PRJ.456638.

机械运动量子态的激发和检测为量子信息处理、量子传感和探究量子物理学基础提供了新的方向。近年来，研究人员实现机械振荡器的量子基态并展示了单声子控制的能力，通过创建纠缠态和贝尔测试明确证明声子的量子性质，进而实现长相干时间量子存储器。虽然在多个物理系统中都可以激发非经典机械状态，但只有非常有限的实验能够实现量子系统中的传播模式，且所有实验都是基于表面声波。这种方法有其自身的局限性，如相对较短的寿命，由于光束转向和衍射造成的损失，除了在谐振器中没有模式限制，其他情况只能双向发射。另一方面，在经典领域，已有一些概念验证实验实现了在低温、毫米尺度以及大气压下等条件下，机械状态的激发、传输和检测。而在波导中引导机械量子态，类似于光纤和波导，仍然是一个挑战。

近日，荷兰代尔夫特理工大学量子纳米科学系的SimonGröblacher研究团队展示了一个单模声子波导直接耦合到一个片上源用于激发和检测非经典机械状态。他们通过测量其与光学读出场的量子关联性来验证所发射的非经典机械状态。该团队利用光-机械相互作用来预示单个声子的产生，然后泄漏到声子波导中。由于波导有一个独立的端部，作为声子的镜面，激发物会发生反弹，即以一定的特征时间来回反射，该时间由群速度和波导的长度决定。此外，他们通过在早期或晚期的时间窗口创造和检测一个声子，观察到时间轴编码的声子之间的非经典相关性。该装置的长机械寿命能够创建一个用于量子声学实验的片上网络。这项工作提出的片上源、探测器和波导等装置，配合声子分束器和相位调制器就可以实现对片上声子的完全相干控制。相关研究成果发表在《Nature Physics》上。（钟雨豪）

文章链接：

Zivari, A.,Stockill, R., Fiaschi, N. et al. Non-classical mechanical states guided in aphononic waveguide. Nat. Phys. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01612-0

分子尺度电子学指的是一个领域，其中功能电路是由单个或整体分子创建的。它不仅为未来低能耗、功能丰富的电子设备提供了一条超越摩尔定律的极具吸引力的小型化替代路线，而且为探索混合外部刺激下分子的多种性质提供了一个理想的平台，从而将传统力学、光电子、热电、自旋电子学扩展到分子水平。同时，人们认为，离子和电子电荷之间的耦合已经在许多介观器件（如离子电池、离子致动器和电化学晶体管）中发挥了重要作用，可以进一步扩大分子器件的功能多样性，因为电子、空穴、负离子、分子细沟道中的阳离子可能为分子与各种刺激物发生反应开辟了更多的可能性。除此之外，离子的化学活性可以为分子器件提供更多的功能。

近日，来自德国Chemnitz科技大学纳米膜材料、结构和集成中心（MAIN）的Tianming Li等人报道了基于超薄酞菁铜/富勒烯杂化层和微管软接触的集成分子器件，其表现出在光电倍增和记忆行为之间切换过程中的可编程功能。聚合物底电极与封闭分子通道界面处的局部电场调节了离子-电荷相互作用，从而决定了器件功能的转变。当离子在低界面电场下未被驱动进入分子通道时，光生空穴被捕获为电子空间电荷，导致具有高外部量子效率的光电倍增。一旦移动离子在高界面电场下极化并在分子通道中积聚为离子空间电荷，分子器件就会显示出类似铁电的忆阻开关，具有显著的电阻开/关和整流比。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Tianming Li et al. On-chip integratedprocess-programmable sub-10 nm thick molecular devices switching betweenphotomultiplication and memristive behaviour. Nature Communications (2022)13:2875

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30498-y

声表面波(SAW)技术目前广泛应用于物理和化学传感器、光子学和量子声学、通信、信号处理和片上芯片实验室。许多传统声学器件的最大工作频率仅可达到几千兆赫(GHz)，不能满足超高频声波设备对未来电子和通信的强烈需求。声表面波器件必须在更高频率(>3GHz)工作，用于精确传感、5G通信、声表面波诱导声子的量子控制以及集成微波光子信号处理。

声表面波频率f=v/λ, 设从公式中可以看出，有两种方式可以提高频率。第一种是通过精密的微加工技术来降低波长λ，第二种方法是设计和应用慢速多层结构，通过在具有更高声速的基板上使用低速薄膜，比如ZnO/SiC, AlN/SiC, ZnO/diamond, AlN/diamond, and AlN/Pt/diamond/Si等。

近日，湖南大学的段辉高教授团队联合天津理工大学、国家纳米科学中心、英国诺桑比亚大学等机构的研发人员，通过开发极限纳米加工工艺，在LiNbO₃/SiO₂/SiC异质结构衬底材料上制作了波长为160 nm、线宽为35 nm的叉指换能器，实现了最高工作频率约为44 GHz的超高频SAW谐振器，刷新了目前SAW器件的工作频率纪录。同时，该研究还实验验证了44 GHz超高频下的微质量传感应用，获得的质量灵敏度高达33151.9MHz·mm²·μg⁻¹，约为传统低频SAW器件的4000倍、传统石英微天平（QCM）器件的10¹¹倍，为超高频SAW器件的开发利用提供了新思路。相关工作发表在中国工程院院刊《Engineering》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.05.003

双稳态结构有两种稳定的构型，在变形后可以保持非初始稳定平衡态。当施加力移除时，双稳态结构可以表现出可逆的永久变形。由于其在软体机器人、可展开结构、致动器和可重复使用的能量吸收器中的潜在应用，久负盛名的双稳态概念最近得到了复兴。先进的制造技术（如增材制造）提供了制备复杂多稳态结构的有效途径，为双稳态结构提出的各种拓扑为设计具有目标稳定构型铺平了道路。双稳态结构的二元响应使双稳态结构能够用于智能自适应生物医学设备的设计。然而这些智能结构需要机械载荷来触发稳定状态之间的转换。特定的应用需要一个对非机械环境刺激做出响应的机器人或执行器。因此，一些研究试图设计和制造双稳态结构，其变形可以通过磁、电、热条件和液体扩散进行控制和编程。聚合物和合金中的形状记忆效应能够通过温度变化对结构的响应进行编程；然而，表现出这种记忆行为的材料数量有限，它们对热负荷的响应相当缓慢，并且需要编程来指导形状记忆材料的变形。

近日，加拿大蒙特利尔综合理工大学Sampada Bodkhe教授团队介绍了一种热双稳态结构，该结构显示出突然的形状记忆效应以及突弹跳变不稳定性行为。展示了结构的壁刚度对力学双稳态单元的双稳态及其非线性响应的影响。利用两种不同聚合物的热软化行为来设计一种双稳态双材料结构，当环境达到特定温度（称为触发温度）时，该结构会恢复其原始形状。特殊合金和聚合物中的形状记忆效应发生在温度诱导相变逆转变形时。文章展示了形状记忆合金中载荷-变形温度的典型循环，其中变形的脱温马氏体微观结构在加热并转变为奥氏体相后恢复其原始形状。可控主动变形使形状记忆聚合物（SMP）和形状记忆合金（SMA）能够通过编程响应来重构形状。由于可以根据温度的特定变化进行重构，为自感知执行器和智能可展开结构提供了新的机会。相关研究发表在《Applied MaterialsToday》上。（徐锐）

物联网的广泛应用给我们的日常生活和行业带来了便利，这需要大量的电子设备来保证其的正常工作。这些设备在不同的频率工作，带来了严重的电磁问题（如电磁干扰和电磁污染）。电磁波吸波体已被证明可有效解决此类问题，因为它们会以最小的反射、透射或散射吸收工作频率下的入射电磁波。然而，传统吸波体的性能（即共振频率和吸收带宽）通常取决于其厚度和形态，使其体积大而笨重，这在很大程度上限制了其实际应用。结合超构材料的设计理念，目前已提出一种新兴类型的吸波体，即超构材料吸波体（metamaterialabsorbers, MAs），通过超构材料结构的独特超原子来调整吸收特性并实现近乎完美的电磁波吸收。此外，通过优化结构或调整超构材料吸波体的材料特性，已经实现了多波段、宽带或超宽带吸收。更重要的是，超构材料吸波体可以设计得非常薄，而不会对高吸收造成太大影响。

近日，西北工业大学黄维院士团队综述了近年来在关键材料特性和结构设计方面实现可调/可重构超构材料吸波体的研究进展。自首次演示以来，在超构材料吸波体的理论分析、结构设计、数值模拟和潜在应用方面取得了显着进展。随着新型材料和创新设计的不断进步，超构材料吸波体的吸收在从微波到光学的宽频范围内得到了显著改善。此外，主动元件集成到超构材料吸波体设计中，允许对电磁波进行动态操纵，为推动元设备的突破开辟了一个新的平台。在过去的几年中，许多努力致力于探索将可调性融入超构材料吸波体的创新方法，这是非常可取的，因为设计通用元设备的需求日益增加。文章对自适应和按需方式的主动超构材料吸波体进行了全面和系统的综述，重点介绍了精确控制电磁响应的创新材料和独特策略。除了操纵周期图样的主流方法外，还回顾了另外两种方法，包括调整介质间隔和改变整体结构。然后，对工作频率、相对调谐范围和开关速度等关键参数进行了总结和比较，以指导优化设计。最后，讨论了主动超构材料吸波体发展的潜在机遇。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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。