超材料前沿研究一周精选 2022年6月6日-2022年6月12日

贝塞尔光束由于具有自愈性和无衍射传播等独特特性而引起了科学界的极大兴趣。零阶贝塞尔光束(ZOBBs)是贝塞尔光束中最简单的一种，其特点是与其他光束(如具有相同束腰的高斯光束)相比，在较长的传输距离内，其高强度光斑保持不变。另一方面，高阶贝塞尔光束(HOBBs)呈现螺旋波前，因此它们携带轨道角动量(OAM)，这使它们成为一种涡旋光束。由于相关的中心相位奇点，HOBBs光束轴上的强度为零。ZOBBs 和HOBBs具有多种突出的应用，包括光学捕获、生物成像、材料处理和量子通信。目前有几种方法可以产生贝塞尔光束。一种常见的、更节能的产生贝塞尔光束的技术是由一个“轴锥”(一种圆锥光学元件)通过高斯光束或拉盖尔-高斯光束产生。另一种产生贝塞尔光束的方法是全息光束整形，特别是使用空间光调制器。该技术提供了多功能性和动态改变光束特性的可能性。然而，这些解决方案依赖于体积庞大的光学元件，这造成了稳定性问题，并需要精确对准。

近日，阿卜杜拉国王科技大学Carlo Liberale等人提出了一种光子结构，它使用叠加的微型化光学元件，在光纤面上一次性打印成型。该设计能产生零阶和高阶贝塞尔光束，并完全可控地调整光束的参数，如无衍射传播距离或中心峰或节点的宽度。值得注意的是，据研究人员表示，他们首次报道了从光纤中产生高阶BBs。虽然3D打印结构的聚合物材料可能会限制其在恶劣环境中的使用性能（如热，机械和化学环境），但作者表示，随着新材料的发展，将使用增材制造技术打印出更高分辨率，更稳定的玻璃基化合物。此外，作者希望该方法在光学和量子通信、基于光纤的传感器、显微镜、光谱学和光阱等应用中有一定的应用。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷） 

三维（3D）成像对于感知、建模和理解物理世界至关重要，在导航、机器人和医学图像中有着广泛的应用。然而，在3D场景和记录传感器之间存在固有的维度间隙，其最多可布置在二维（2D）表面上，如在弯曲传感器阵列中。因此，只能从给定的透视图捕获场景的2D投影。为了恢复深度，必须沿额外的光轴进行额外的测量：多视图测量中的角轴或飞行时间传感中的时间轴。虽然多视图方法，包括stereo、structured-light和光场摄像机，可以在近距离获得非凡的深度精度（<100 µm），并以相对较高的速度运行，但它们的精度随距离呈二次曲线下降，最终在长距离内失效。除了采用主动照明的结构光外，多视图方法还严重依赖对象纹理进行有效的深度提取。另一方面，飞行时间技术是纹理的竞争者，可以在较大的检测范围上保持深度分辨率。然而，对随机运动具有鲁棒性的高速密集深度映射仍然是飞行时间相机面临的挑战。长期以来，多视图方法和飞行时间技术的独特优势和局限性分割了三维成像相机的设计，限制了现有三维视觉解决方案的能力和应用范围。

近日，来自中国杭州浙江实验室仿人传感研究中心的Xiaohua Feng等人报告了一种紧凑型光场摄影技术，该技术可通过简单的光学元件和少量任意格式的传感器（从二维区域到单点探测器）获取大规模光场，最终实现密集多视图测量，数据负载降低数量级。他们演示了紧凑型光场摄影技术，可高效地多视图采集飞行时间信号，从而实现具有扩展深度范围和严重场景遮挡的快照三维成像。此外，他们还展示了紧凑型光场摄影如何利用曲面和断开曲面实现实时非视线三维视觉。紧凑型光场摄影将为高速3D成像带来广泛益处，并在各个学科中开辟新的途径。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

Xiaohua Feng et al. Compact light field photography towards versatile three-dimensional vision. Nature Communications (2022) 13:3333

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31087-9

扭转异质结构领域，也被称为扭转电子学，丰富了物理学的同时扩展了二维材料的家族。其中一种特殊的扭转异质结构是扭转双层石墨烯(TBG)，它的电子能带受扭转自由度的调制而被广泛研究。扭转两层石墨烯会产生所谓的莫尔图案，它可以从根本上改变双层石墨烯的电子、光学、热性能。研究发现，在一些离散的扭转角（所谓的魔角），最小的约为1.08°时，TBG的电子能带结构在零能级上显示平坦带，这可用于非常规超导和相关的Mott绝缘态。此外，一些大的扭曲角也会由于几何阻挫产生平坦带，或使TBG成为高阶拓扑绝缘体。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的景云教授团队提出了一种双层声子晶体板(BPC)，其中aa -堆叠、ab -堆叠和具有均匀亚晶格交换(SE)对称的扭转双层结构在弱层间耦合下表现出与经典TBG相一致的能带色散。以前的工作没有研究过双层石墨烯和弹性声子晶体之间的类似情况。此外，该工作还显示了扭转自由度与超强层间耦合相互作用的谷霍尔边界态。研究发现，在超强的层间耦合作用下，扭转BPC (TBPC)对弯曲波具有较好的低频狄拉克锥隔离，这是单层BPC所不能达到的。相关工作发表在《 Applied Physics Letters》上。并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）

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doi: 10.1063/5.0097082

固体中的声波是各种应用的基础，包括微波滤波器、振荡器、延迟线和传感器。它们也被用作不同量子系统之间的通用接口，包括超导电路、缺陷中心和光学器件。与千兆赫(GHz)电磁波相比，声波的波长要短5个数量级，并且不会辐射到自由空间。这使得声波可以用于在一个超紧凑的足迹中的相干信息处理和操作，而器件之间和与环境之间的串扰可以忽略不计。因此，片上声子系统已经成为量子计算和存储的一个很有前途的候选者。

声子集成电路需要几个基本的功能，包括声波的低损耗波导，微波频率电磁波的有效转换，以及行波的动态路由和调制。集成声波波导使用悬浮结构、二维声子晶体和高声速衬底，而声波和电磁波之间的高效转换可以通过压电耦合微波和光耦合实现。然而，由于缺乏能够以低损耗和可扩展的方式对声波的相位、振幅、频率和非互易性进行主动控制的技术，声学集成电路的发展受到限制。

由于大多数材料的弹性响应非线性较弱，以往基于声波四波混合和非线性机械腔的片上声波控制方法需要较大的声功率。利用电学放大器和半导体声电效应，已经证明了亚GHz声波的定向放大和操作。然而，这依赖于半导体中载流子的热激发，这不可避免地会在声学信号中引起损失和噪声，并使其与量子应用中所需的低温不相容。此外，利用非线性材料、循环流体、浸没在水中的声子晶体、变形的水-空气界面和光力学来实现声学非互易性的策略仅限于几兆赫兹以下的声学频率，因此不适合需要微波声学频率的应用。使用铁磁性材料的方法需要磁场，因此不便于与超导电路或固体中的自旋集成。

近日，美国哈佛大学的Marko Lončar教授团队报道了一种集成铌酸锂(LN)上对GHz声波基本自由度的电控制。声波的调制是由电声效应（也称为三阶压电效应）实现的，该效应通过施加电场来调节LN声波导的弹性，从而调节行声波的相速度。作者创造了一个电声相位调制器，其工作在约为2.5 GHz的载波频率。通过施加重复线性电压斜坡(类似于光学中使用的serrodyne频移)，相位调制器可以用作声波频移器，在室温下效率可达92%。作者还表明，相位调制器在马赫-曾德尔结构中可以用来建立一个电声振幅调制器。相关工作发表在《 Nature electronics》上。（郑江坡） 

安全的人机交互是至关重要的，智能设备和机器人系统的设计通常依赖于充气和圆柱形结构，因为它们支持各种可能的变形。然而，其中绝大多数都存在输入压力和输出变形之间的内在一对一关系。换句话说，它们表现出随压力增加的单一变形。为了弥补这一缺陷，常见的策略包括对多个单元进行排序或单独对腔体加压。也可以利用材料的不可延展性和非线性来实现双向弯曲。尽管如此，以单一压力输入为目标的任意变形模式超出了当前充气系统的能力。在更广泛的自适应系统领域，折纸原理已被广泛用于实现可变形结构、自折叠机器和波导。分布式驱动方法已被用于直接通过压缩气囊或刺激响应材料控制折叠角度。然而，这些策略需要多个输入源，并导致体积庞大的组件，过度束缚或驱动缓慢。为了克服这些限制，最近的努力已经通过远程磁场实现了嵌入铁磁元件的折纸结构的形状控制。此外，折纸折痕显示非凸的能量景观，则会出现多个稳态，这可以扩展结构的功能。

近日，哈佛大学Katia Bertoldi教授团队采用Kresling折纸作为构建块来实现能够支持多种变形模式的充气圆柱结构，同时使用单个压力输入进行全局驱动。从单稳态Kresling折纸开始，并通过在其中一个面板中引入两个额外的谷折痕来对其进行修改。这使得面板具有双稳态，因此在充气过程中，面板会向外展开和向内跳变，从而打破模块的旋转对称性。重要的是，在真空条件下，这种不对称会导致弯曲，直到达到临界负压时，面板才会反弹。此外，还展示了这些模块可以进行几何编程以在不同的压力阈值下跳变，并以各种顺序和方向组装，以形成能够进行多模态变形的结构。不同的变形模式可以首先通过跳变一组选定的模块来激活，然后通过施加真空来触发。通过优化构建块的排列和方向，可以逆向设计这种模式。重要的是，同一个结构可以通过一个压力输入变形到多个目标变形模式。这种方法为嵌入式驱动的可重构结构的设计提供了新的机会。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

D. Melancon, A. E. Forte, L. M. Kamp, et al. Inflatable Origami: Multimodal Deformation via Multistability[J]. Advanced Functional Materials, 2022.

https://doi.org/10.1002/adfm.202201891

可编程材料可以改变其内部结构用于驱动，应用于机器人和生物医学设备。这得益于工程材料的微结构，可以编码形状重构和拓扑保护，以驱动高强度密度比和不寻常的力学行为（如负泊松比）。目前，基于大尺度折叠的单一转化材料在工程领域广泛应用，包括可展开结构，如折叠桌、血管支架、柔性电子器件和航天器太阳能电池板。许多受折纸启发的可展开超构材料，例如Miura和Kresling折叠模式，从折叠和变形面中衍生出复杂且可控的运动学。基于剪纸的超构材料可以从2D薄片重构为3D目标形状。已经开发出利用力学不稳定性、膨胀、电磁驱动和热膨胀的力学超构材料。通过合理的结构几何设计或组合设计，也可以获得多模态转换材料。此外，可以通过施加不同的驱动和激励来实现具有多重变换的变形，如磁驱动、气动驱动、热驱动和机械驱动。然而，这些系统通常限于在制造过程中必须锁定的单一转换模式，或者需要复杂的驱动或控制模式切换，如耦合旋转和拉伸。大多数材料系统无法通过编程实现基于单一输入的多模态振型转换。

近日，清华大学陈常青教授团队开发了一种多模式和可重新编程的材料系统。受到具有周期性空间填充镶嵌的3D多面体折纸的启发，其中初始3D架构可以重构为多种3D模式，并且可以通过模块化剪纸超构材料转换为多种构型。然而，这些超构材料的变形形状缺乏结构稳定性。相反，需要一个双稳态自折叠（BSF）单元。为了满足对能够在高维变形空间中进行多步转换以及可编程、可逆和稳定重构的超构材料的需求，团队开发了一种基于BSF单元的基于剪纸的设计框架，并将其应用于构建超构材料。最初，以1D或2D平面结构的形式，这些超构材料可以被编程为顺序自折叠以产生多种转换模式。通过温度响应组件，超构材料是可逆的，并且能够通过模式分叉重新编程。通过构建多步、多模态超构材料来展示该框架。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）

一种附加的生物制造技术，通常称为三维（3D）生物打印技术，在组织生物制造的一系列应用中引起了越来越多的关注。特别是，3D生物打印与精心设计的生物墨水的适当集成对于满足为组织生成和优化的多因素机械和生理要求是必要的。到目前为止，在利用各种3D生物打印模式制作结构复杂的组织模拟形状和几何结构方面取得了重大进展。然而，用这种方法制作软组织仍然是一个挑战，即如何平衡用于高保真生物打印的生物墨水的物理性能和用于封装细胞生长的合适微环境。

近日，来自美国哈佛医学院医学工程处的Mian Wang等人提出了一种分子切割方法，将透明质酸甲基丙烯酸酯（HAMA）与明胶甲基丙烯酸混合以实现高性能生物打印，然后选择性酶解HAMA，从而在不损失结构复杂性和保真度的情况下获得组织匹配的机械性能。他们的方法可以改善多种生物打印组织的细胞形态和功能，这些组织具有从肌肉到人体最软的器官大脑的广泛的机械刚度。该平台使他们能够制造出机械上精确可调的结构，以满足目标组织的生物功能要求，为组织和组织模型工程的广泛应用铺平了道路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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