今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及双梳薄盘振荡器，双层声子晶体中的弹性谷霍尔相，片上纳米光子拓扑彩虹，单材料微结构中的自调节非互易运动等敬请期待！
索引：
1.双梳薄盘振荡器
傅里叶变换光谱仪测量的是两个波之间的时域干扰，而它们的相对相移是变化的。干涉图的傅里叶变换提供了光谱。先进的设备使用激光作为光源，与非相干源相比，它们的亮度增加导致测量时间缩短或信噪比（SNR）增加。更进一步完善的系统将光学频率梳（OFC）作为光源，这提高了光谱分辨率，光谱分辨率最终受到OFCs单个梳状线宽的限制；提高了灵敏度；减少了仪器线型对测量的影响。由两个被称为双光梳光谱（DCS）的OFC组成的实验通过两个重复频率略有不同的单独脉冲序列模拟傅里叶变换光谱中的机械扫描延迟。自首次提出并在钛宝石驱动的中红外系统中演示以来，DCS正在迅速发展。其关键原因是通过光电探测器上的两个外差异步脉冲序列或通过电光采样，对干涉图进行简单而快速的电子检测。与传统的扫描傅里叶变换光谱学相比，它在采集速度、光谱分辨率、精度、鲁棒性和信噪比方面具有优势。这一原理可以扩展到几乎所有相关的光谱学方法，并且已经发表了一些基本的实验演示。由于双光梳光谱（DCS）通常使用两个独立、相对低功率、主动同步的激光源工作。这阻碍了实际应用的广泛采用，也阻碍了深紫外和真空紫外光谱范围的频率转换。
近日，来自赫尔穆特·施密特大学/德国汉堡联邦国防军大学的Kilian Fritsch等人报道了一种基于薄圆盘技术的全被动高功率双梳状激光器及其在直接频率梳状光谱中的应用。他们的Yb:YAG薄盘双梳系统的峰值功率（1.2 mw）和平均功率（15 w）比以往任何系统都高出一个数量级以上。该方案允许在操作期间轻松调整重复频率差。两个梳子共享所有腔体组件，从而实现极好的相互稳定性。在没有任何主动稳定的情况下，10 ms以上记录的时域信号足以解析傅里叶变换后的单个梳状线。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Kilian Fritsch et al. Dual-comb thin-diskoscillator. Nature Communications (2022) 13:2584
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30078-0
2.一维驱动耗散拓扑晶格中的间隙孤子
周期系统中能带结构的拓扑结构与非零Berry相的存在有关，并产生了诸如反常速度、手征边缘态（对无序具有鲁棒性）或拓扑pumps等有趣的现象。拓扑物理学最早是在固态系统中发现的，可以在人工晶格中模拟，包括原子、光子、机械、光机和极化系统。这些平台使得工程拓扑相在凝聚态物质中难以实现，涉及合成维度、无序效应、准晶体结构或更高阶多极体。当考虑到粒子间的相互作用时，物理学变得更加丰富。在弱相互作用区域，非线性导致拓扑相位转换，拓扑模式之间的波混频，使得在拓扑gap中形成孤子，或实现孤子的Thouless泵浦。在强相互作用区域，可能会出现新的对称性保护相，并且可以模拟分数量子霍尔物理。最近，光子平台允许将这种探索推进到保守哈密顿量的范围之外，主要是通过增益和损耗工程。非厄米拓扑系统导致了零维或一维（1D）边缘态和PT对称相位拓扑激光的发展。这些关于非厄米拓扑的研究大多集中于探测、稳定或放大系统的线性响应。这些最新进展现在为在非厄米性和非线性相结合的情况下实验探索拓扑光子学提供了可能性。驱动耗散光子平台特别适合探测这种物理现象。外部驱动可用于稳定仅受增益和损耗影响的系统无法获得的新型非线性解决方案，并修改基础拓扑。
近日，来自巴黎萨克雷大学纳米科学和纳米技术中心的Nicolas Pernet等人报告了实现Su-Schrieffer-Heeger模型的驱动耗散版本的极化子晶格的非线性响应。他们首先证明了从线性拓扑边缘态分叉的拓扑间隙孤子的形成。然后，他们专注于在晶格主体中形成间隙孤子，并表明由于潜在的亚晶格对称性，它们对缺陷表现出稳健的非线性特性。利用系统的驱动耗散特性，他们发现了一类具有高亚晶格极化的体隙孤子。他们表明，这些孤子提供了一种全光学方式来为Bogoliubov激发创建非平凡的界面。他们的结果表明，可以利用相干驱动来稳定新的非线性相位，并建立耗散稳定的孤子作为拓扑光子学的强大资源。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）
文章链接：Nicolas Pernet et al. Gap solitons in aone-dimensional driven-dissipative topological lattice. NaturePhotonics. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01599-8
3.片上纳米光子拓扑彩虹
在过去的几年中，拓扑光子学从物理概念到新的应用取得了很大的进展。由于拓扑保护作用，光子器件对无序和免疫散射变得更加稳健。然而，拓扑纳米光子器件还是很难实现，主要是因为制造的复杂性、纳米尺度测量的挑战，以及在可见和近红外范围内的天然材料的磁响应本身较弱。合成维度的引入为拓扑光子学带来了机会。合成尺寸提供了一个新的自由度，使我们能够构建所有的介电片上拓扑纳米光子元件，打破了磁性材料的限制。在拓扑光子学研究中，为了实现单向传播、拓扑激光、高阶拓扑等问题，人们需要大量地设计体能带色散来实现拓扑态。多频（或多波长）器件是纳米光子芯片用于大信息容量应用的重要组成部分，其中，拓扑彩虹作为一种基本的多波长拓扑光子器件，可以将不同波长的拓扑光子态分离并分布到不同的位置；但相关的拓扑器件尚未得到充分的探索。此外，迄今为止，还没有一种有效的方法可以直接在纳米尺度上测量具有多波长的拓扑光子器件。这些挑战限制了拓扑彩虹和各种拓扑纳米光子器件的发展和应用，包括拓扑路由器、拓扑临时存储和许多其他片上集成的拓扑纳米光子器件。
近日，北京理工大学的路翠翠教授团队、北京大学的胡小永教授团队、济南大学的丁伟教授团队以及香港科技大学的陈子亭教授团队等人构建了一种基于合成维度的拓扑彩虹器件，它提供了一种适用于所有光学晶格类型、对称性、材料、尺寸和波长范围的方法。拓扑彩虹可以将不同波长的拓扑光子态分离并分布到不同的位置，并通过控制拓扑光子态的群速度实现对光的减速和捕获。拓扑光子态是通过构造拓扑“Chern绝缘体”来实现的，不需要磁场。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30276-w
4.双层声子晶体中的弹性谷霍尔相
在过去的几十年里，以拓扑非平庸边界态的后向散射抑制为特征的拓扑绝缘体，逐渐成为新型鲁棒器件的关键选择。这种拓扑的非平庸来自于电子布洛赫态的固有性质。因此，它也适用于经典波中的周期介质，如光学和声学晶格。考虑到实验的不可控性，在微观尺度上直接观察拓扑电子态和光子态是不容易的。在宏观尺度上促进拓扑态研究的方法需求迅速解决，声学已成为探索量子拓扑相和鲁棒器件的理想平台。
1988年，Haldane在保持时间反转对称性的石墨烯系统中提出了基于自旋轨道耦合的量子自旋霍尔效应的拓扑问题。在玻色子系统中，由于缺少固有的半整数自旋，为了类比电子的自旋，必须通过极化态的杂化来构建伪自旋。在光学和声学系统中，伪自旋可以通过与不同极化态的杂化来实现，从而模拟石墨烯晶格中的p-d杂化。最近，以能量极值为标志的谷伪自旋提供了额外高效和可控的自由度来实现拓扑态。此外，在光子和声子晶体中，用非平庸谷Chern数量化的二维(2D)谷态的研究也从单层扩展到双层。
众所周知，当兰姆波在平板材料中传播时，其能量极少泄漏到周围环境中，在层状材料中传播时，其极化和混合效应会发生变化。近日，南京师范大学的Zhen Wang等人在兰姆波系统中引入了携带层指数的谷伪自旋态，提出了一个具有两个独立的二重简并度狄拉克锥的双层声子晶体(PnC)。PnC中的柱子呈石墨烯晶格排列，受C6v对称保护。通过调整圆柱的半径，在理论上模拟了能带的变化，并讨论了kx和ky动量的带隙机制以及弹性谷伪自旋态在层间的输运。此外，还设计了一种激光超声系统，用于检测弹性谷伪自旋态在PnC层间的传输效率。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）
文章链接：doi:10.1063/5.0091778
5.用于不同形状超表面逆向设计的深度学习方法
光学超表面能够对入射波前的特性进行精细控制，并且研究人员正在成像、传感、全息和光学计算等领域积极探索其各种应用。在其最一般的形式中，光学超表面是一个“表面状”的异质纳米谐振器阵列。目前，超表面设计在文献报道仍然主要受限于原始几何的有序排列；例如，圆形、椭圆形、矩形和十字形的纳米柱。使用有限自由度(DOFs)的逆向设计相当简单，但与光刻可实现的带宽设计相比，可能会表现出次优的光学性能。超表面设计系统正在慢慢扩展，包括复杂几何，如多边形超单元、自由形状几何、扩展的超单元以及体结构。通常，涉及复杂几何的逆向设计使用拓扑优化或遗传算法、群优化、差分进化等。然而，这种逆向设计的工作流程，特别是几何参数化的步骤，是不平凡的。如果没有正确的选择参数，可能会极大地扩大设计空间，而不能确保大多数形状仍然是可实现的。人工智能(AI)和相关数据驱动技术正越来越多地用于纳米光子学中的逆向设计问题。目前的形状编码方法可分为三大类:(1)参数表示;(2)像素化图像表示；(3)生成网络和学习到的潜在空间表征。
文章链接：
SoumyashreeS. Panda et al, Deep learning approach for inverse design of
metasurfaceswith a wider shape gamut, Optical Letters(2022).
https://doi.org/10.1364/OL.458746.
6.单材料微结构中的自调节非互易运动
自我调节是生命系统中复杂运动的基础，但如何在微型人工材料中设计和利用这种行为尚不清楚。自我调节在人工致动器中很少见，到目前为止，对于大多数复杂的微尺度运动，沿着轨迹的每个位置都必须通过制造明确编程到材料中，或者通过外部刺激的连续变化直接实时操作。将反馈机制结合到材料中，如通过多层、分层或多刺激响应组合物，或嵌入的化学反应和图案化，导致独特的驱动模式或时间动力学，但实现的运动仍然主要由底层结构或振荡定义动力学，导致一组有限的高度特异性的，通常是两种状态的运动，几乎没有动态路径控制。利用光或磁场等刺激的反馈，可以动态放大光致性或其他行为，但如果没有内部反馈，仍然很难将复杂或多样的运动轨迹编程到微型人工系统中。为了将自我调节运动提升到一个新的水平，必须整合来自完整3D空间的内部和外部反馈，但当前通过将越来越复杂的工程设计成分层的多材料结构来应对这一挑战的趋势，除了技术上的复杂性，可能会在无意中缩小自发运动的机会，生活系统中自下而上的自我整合。
近日，哈佛大学Joanna Aizenberg团队展示了通过自我调节，在单一材料系统中出现不同的、复杂的、非互易的、类似冲程的轨迹。当一个由光响应液晶弹性体组成的微柱暴露在静态光源下时，动态舞蹈随着光启动一个无序跃迁前沿的行进顺序而演化，瞬间将结构转变为一个复杂的演化双晶，通过多级光化学-机械反馈扭曲和弯曲。如所提出的理论模型所捕捉到的，运动前沿不断地改变分子、几何和照明轴的方向，从而产生由一系列扭曲、弯曲、畏光和光致运动组成的路径。在该模型的指导下，通过调整参数，包括照明角度、光强度、分子各向异性、微观结构几何形状、温度和辐照间隔以及持续时间，设计了广泛的轨迹。进一步展示了这种光-化学-机械自我调节如何作为基础，通过光介导的插入式通信，以及关节微结构的复杂运动，在紧密间隔的微结构阵列中创建自组织变形模式。微观结构复杂动作的实现，对软体机器人、生物医学设备和能量转导材料等领域具有广泛意义。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）
7.用于管道内爬行的单驱动器软体机器人
管道在现代生产中不可或缺，广泛用于输送水、油、气和其他流体。因此，管道检查和维护是必要的，以防止因损坏管道的液体泄漏而造成经济损失和人员伤亡。然而，人工检查成本高昂，有时甚至无法进行，因此非常需要使用管道内机器人自动检查管道内部状况。传统的管道内机器人是刚性的，尽管具有高精度和高负载能力，但大多数结构复杂。因此，它们可能需要一个复杂的控制系统来执行管道内检查，特别是在具有变化或不确定条件的管道中。刚性机器人往往较重且用电力驱动，这给管道增加了额外的负担，限制了其在含有水或易燃化学品的管道中的适用性。为了满足这一需求，已经有人提出了由高度变形材料制成的管道内软体机器人，但这些机器人大多由多个管段组成，需要多个驱动器独立控制，导致结构不紧凑，控制方案要求更高。此外，这些机器人通常使用圆形或球形腔室，充气时可能会堵塞管道，增加管道破裂的风险。
近日，台湾大学Jia-Yang Juang团队利用弹性带和仿生人工肌肉的高度非线性屈曲来显著增强单驱动器软体机器人的爬行能力。该原型机器人由一个McKibben气动驱动器组成，其周围有三条纵向排列的弹性带。这些定制色带是3D打印的，可在致动器充气时扣入高度变形的3D形状。文章首先展示了机器人在完全弯曲时表现出强烈的各向异性摩擦。然后，演示了通过简单的开环开/关控制，这个机器人可以在水平、垂直、弯曲的管道，甚至部分或充满水的湿管道中实现稳健爬行。它还可以适应直径有一些变化的管道。仅使用一个驱动器降低了机器人结构和气动系统的复杂性，为不同规模的新应用提供了巨大的潜力。相关研究发表在《Soft Robotics》上。（徐锐）
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