超材料前沿研究一周精选 2021年9月13日-2021年9月20日

量子自旋霍尔材料的电子波函数在动量空间中以一种与普通绝缘体截然不同的拓扑方式，如相应的Z₂不变量所描述。通过自旋极化边界模进行的量子化输运受到时间反演对称性的保护，使量子自旋霍尔绝缘体(QSHIs)在技术上具有很大吸引力。理想的平台是二维蜂窝系统，因为它们天然地在动量空间的K/K’点上拥有大量的狄拉克费米子。为了达到室温的可操作性，一个大的带隙是必不可少的。石墨烯因为其自旋轨道耦合（SOC）来自于在面外p_z轨道之间弱第二近邻跳变过程所以并不是一个理想的量子自旋霍尔绝缘体。为了提高带隙大小，由依赖于局部SOC的较重元素制成的二维材料更有优势。到目前为止，这种材料的设计只在铋中实现，因为铋是一种具有6p轨道纯平面键合的蜂窝系统。

近日，德国维尔茨堡大学的Maximilian Bauernfeind等人构想并实现了铟在SiC(0001)上的三角晶格单层“indenene”，该单层在局域自旋-轨道耦合驱动下表现出非平庸谷物理现象，它优于逆对称破缺项。在“indenene”中，SOC在5p轨道局域产生，并打开了一个约100meV的带隙。衬底的存在保证了全局带隙，它分别诱导了来自铟p_z轨道和两个平面p_±∝p_x±ip_y的手性轨道.相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-25627-y

光和物质之间的相互作用可以通过波长尺度上的材料结构而显著增加。所以一个有效的方法是构造一种可以显著降低光的群速度的材料。由于其低速，慢光与大场强度相结合，因此可以用来增强光-物质的相互作用和非线性现象。此外，慢光使光学器件能够小型化，如光学缓冲器。在这方面，光子晶体线缺陷波导和耦合谐振腔光波导(CROWs)取得了非常突出的结果。然而，这些慢光器件最终实际上受到以下事实的限制，即低群速度也意味着对缺陷的极端敏感性，导致后向散射和局域化现象引起的损失。

拓扑光子绝缘体因其强大的光传输、不受散射和无序的影响而受到广泛关注。这一特性非常适合慢光应用，这是因为慢光应用总是受到无序诱导衰减的限制。近日，美国纽约城市大学的Sander A. Mann等人实现了拓扑单向波导中的慢光，该波导基于周期性地加载一个具有适当定制共振的边缘终端。由此产生的边缘态色散可以绕着布里渊区多次缠绕，维持宽带，拓扑稳健的慢光，在各种光子场景下打开令人兴奋的机会。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevLett.127.123601

拓扑光子学彻底改变了我们对光传播的理解，它提供了一种稳定的操纵光的方法。到目前为止，该领域的研究主要集中在开发不同的静态光子系统以实现特定的光子拓扑现象或功能，但是静态光子系统的可控性和可重构性是有限的。在实际应用中，多个光子拓扑功能有望在单个但可重构的光子拓扑绝缘体中实现，从而减少在设计和制造过程中相关的时间和成本。因此，最近报道了可重构拓扑绝缘体的几项关键工作，其中可重构性主要通过改变几何或材料参数来实现。但是一旦光子结构确定了，就不能轻易改变光子拓扑绝缘体中的这些参数；此外，用于实现可重构性的机械、热或光学方法不便于在紧凑型光电集成系统中使用，并且重构速度受到限制。

近日，来自伦敦大学学院的Nicolae C. Panoiu和东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士团队在该领域取得新进展，从理论上提出并通过实验证明了一种可再编程的等离激元拓扑绝缘体，其中拓扑传播路径可以在纳秒级切换时间动态改变，从而实现了超快多通道光模数转换器的实验演示。由于创新地使用电开关来实现等离激元拓扑绝缘体的可编程性，每个晶胞都可以通过动态控制其数字等离子体状态进行编码，同时保持其几何形状和材料参数不变。与现有的光子拓扑绝缘体相比，该可再编程光子拓扑绝缘体有两个独特的特点：首先，它的可编程性是通过对 PIN二极管的二进制状态进行电编码来实现的，从而实现对不同拓扑传播路径的超快动态控制；其次，该可重构光子拓扑绝缘体采用广泛使用的印刷电路板 (PCB) 技术制造，因此可以与常用的基于 PCB 的光电集成电路无缝集成。这些特性对于开发用于未来实际应用的多功能智能拓扑光电器件至关重要。相关研究工作以“Reprogrammable plasmonic topological insulators with ultrafast control”为题发表在《Nature Communications》上。（周玉宇）

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DOI: 10.1038/s41467-021-25835-6

魔角扭曲双层石墨烯(TBG)作为一个可调谐的两个碳原子层厚系统突然出现，实现了大量相互作用驱动的宏观量子现象。尽管在理解窄带的重要拓扑以及魔角TBG的相关电子态方面已经取得了重大进展，但许多重要的问题仍有待解决。最引人入胜的问题之一是在系统四分之三填充时陈数C=±1的量子反常霍尔(QAH)态的起源和机制，与六方氮化硼(hBN)对齐，以及在没有hBN对齐的器件中替代QAH的绝缘状态。

近日，来自北京航空航天大学物理学院、香港大学物理系与香港大学理论与计算物理HKU-UCAS联合研究所的Bin-Bin Chen等人为TBG系统提供了Mott-Hubbard的观点。他们在仅包含投影库仑相互作用的晶格模型上使用大规模密度矩阵重正化群，确定了绝缘条纹相和陈数为±1的量子反常霍尔态之间的一阶量子相变。他们的结果不仅揭示了四分之三填充时发现的量子反常霍尔态的机理，而且提供了一个拓扑Mott绝缘体的例子，即强耦合极限下的量子反常霍尔态。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Bin-Bin Chen et al. Realization of topological Mott insulator in a twisted bilayer graphene lattice model. Nature Communications (2021) 12:5480

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25438-1

调控波传播的机制引起了物理学不同领域的广泛关注，并在量子、电磁、声学和弹性系统中均有实现。其中，弹性波导由于具有不同极化和耦合的多种模式，与电磁波相比，建立起来相对简单。在非对称的情况下，一般难以形成多种杂化模式，但这种对称性破缺可以解除偶然简并性。由于轴向振动和弯曲振动之间的耦合，分级结构已表现出频率间隙和波导等特征。弯曲波和纵波之间的有效模式转换已通过在连续介质 (BIC)中的准束缚态下具有完美模式转换 (TMPC) 的捕获模式或跨模态法布里-珀罗共振实现。诱导模态耦合的其他方法可利用非线性动力学，然而激活足够强的非线性相互作用需要的大振幅却难以实现。最近的一项工作采用嵌入在主体结构中的渐变谐振器阵列，通过利用谐振器-结构相互作用来操纵波传播。这种调制策略促进了波数变换，进而激活了不同频率下波速的减小，这就是所谓的彩虹效应。

近日，意大利米兰理工大学土木与环境工程系的Jacopo M. De Ponti和机械工程系的Francesco Braghin研究团队通过实验实现了一种渐变结构，该结构能够将弯曲波转换为反向传播的扭曲波，这种转换伴随着在通过阵列传播时被延迟弯曲波的捕获。捕获和转换之间复杂的相互作用可以用色散来解释，其中动态行为由局部对称性破坏和空间中谐振器长度的平滑变化主导，这可以在局部激活不同波模式之间的能量转移并实现整体波速降低。该概念可以推广到多维或多物理场系统，其特征在于不同性质的波之间感应出的耦合，例如在压电结构、微机电系统中或通过流体-结构相互作用。这可能为具有并发波转换和能量捕获能力的超材料结构中的波操纵和控制提供了可能，该研究还可扩展到微尺度范围，同样可以实现能量收集和波转换效果。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.16.034028

声学异常反射器是一种不服从斯涅尔定律的、按特定方向反射冲击声波的结构表面。近年来，由于声学反射具有改善声波控制的潜力，控制声学反射的研究受到越来越多的关注，如实现声学隐身、声学非互易和非传统声学透镜。一般来说，控制反射波的方向是通过对在超表面上的相位梯度操作来实现的，但这类梯度超表面都是被动的，不可调谐的，依赖于谐振器或而盘绕的通道，这些通道对频率具有显著的相移依赖性，从而显著降低了工作带宽。

近日，密歇根大学机械工程系Bogdan-Ioan Popa等人报道了一种设计全向和宽带不规则声反射器的方法，由排列在亚波长周期性的周期晶格中的非共振有源散射体组成。该方法依赖于对平行于反射器表面的波矢量分量(横向分量)的宽频处理，并适用于任意冲击声波方向。为了从实验上验证该方法的有效性，研究人员设计并测量了一个在自由空间中工作的异常反射超表面，其中入射波和反射波的横波矢量分量相差一个特定的常数。此外，研究人员证明了这种效应不依赖于入射方向，并且具有比被动异常反射器大一个数量级的带宽。这项工作表明，有源散射体的行为类似于自然界的原子，而不是光栅或声子晶体的单元，重新排列有源散射体改变了超表面的几何形状，同时保留了器件所需的功能。该工作提出的方法将拓宽声传播控制的途径。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

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Yuxin Zhai et al, Anomalous Reflection with Omnidirectional Active Metasurfaces Operating in Free Space, Physical Review Applied (2021).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.034023.

动物们经过数亿年进化出了不同的运动方式，如行走、爬行和跳跃。开发能够实现这些动作的软爬行机器人是非常有必要的。与爬行相比，跳跃需要在短时间内同时实现高驱动力和大弯曲变形来克服重力。软执行器在材料和结构设计方面的发展取得了重大进展，通过减少响应时间来提高驱动速度，增加材料的刚度来实现增强的致动力，增加不对称体积变化来增加弯曲曲率。与刚性材料相比，由软材料（例如弹性体和水凝胶）制成的双压电晶片执行器通常表现出更大的弯曲曲率，但致动力和响应速度较低。相反，基于刚性材料的执行器可以产生相对更快的致动速度和更大的力，但弯曲曲率更小。因此，在较短的响应时间内同时实现高驱动力和大弯曲曲率具有挑战性。迄今为止，通过不同的精细方法成功设计薄膜跳跃执行器的案例屈指可数。尽管取得了一些重大进展，但必须解决的另一个挑战是执行器对恶劣环境条件的抵抗力。用于制备薄膜执行器的常见聚合物材料由于其在苛刻的化学和物理条件下的形状变形、分解、氧化和溶解，表现出有限的环境耐受性。此外，报道的薄膜跳跃执行器是由光驱动的，具有远程控制、光强度和波长的精确调节的优点。然而，由于其直线传播，光线很容易被障碍物阻挡。因此，需要基于其他刺激的跳跃执行器来满足不同场景下的需求。

近日，南开大学刘遵峰教授、Zhou Xiang教授和美国德州农工大学方磊教授团队开发了能够承受恶劣条件的紧凑、鲁棒的跳跃机器人。对驱动力强、响应时间短、弯曲曲率大、环境耐受性好的要求是材料设计的重大挑战。为了应对这些挑战，本研究采用一种薄膜跳跃执行器的制造方法，该执行器表现出虾壳结构，由碳纳米管（CNT）片连接的共轭梯形聚合物（cLP）制成。cLPs作为驱动材料的应用还没有被探索，通过仿生刚柔虾壳结构可以克服刚性薄膜的低柔性。虾的外骨骼由软区域融合的硬段组成，非常灵活。此外，它们可以迅速弯曲成大曲率并跳得非常高。这种刚性而灵活的结构已被一些人工设计所采用，但尚未应用于制备跳跃执行器。分级多孔结构保证了有机蒸气的快速吸收和解吸，从而实现了高响应率。执行器在高达225℃的温度和浓硫酸中以及浸入许多有机溶剂中时不会出现形状变形。这项工作为在恶劣和复杂条件下运行的高性能执行器提供了一种新的设计策略。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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K. Yu, X. Ji, T. Yuan, et al. Robust Jumping Actuator with a Shrimp-Shell Architecture[J]. Adv Mater, 2021: e2104558.

https://doi.org/10.1002/adma.202104558

制造微流控器件的首要特点是在固体材料中创造负空间，即空洞。制造这种空隙的传统方法往往会使设备开发的过程变得十分冗长和昂贵。近年来，由于3D打印技术在微流控设备制造方面能够将开发周期的制造部分缩短到几分钟的时间尺度，因此展现出加速设备开发的极大潜力，引起了人们的广泛关注。此外，3D打印还能够制造出包含传统平面方法无法制造的元件的设备。在此基础上，数字光处理立体光刻(DLP-SL)为3D打印微流控器件提供了一种特别吸引人的方法，因为与最接近的竞争对手基于喷墨的材料喷射法相比，它至少可以实现十倍的分辨率。与亚微米分辨率的双光子聚合相比，可以在更短的时间内制造出更大的结构尺寸。但这种高分辨率的特性却受到了不必要的限制。这种限制主要是由于层厚、曝光时间、材料强度和光学穿透度之间的固有权衡，而这些可能无法满足微流控特性。

近日，来自美国杨百翰大学电气与计算机工程系的Jose L. Sanchez Noriega等人引入了一种通用的3D打印流程，该流程显著扩展了可访问的空间分布式光剂量参数空间，从而在不提高3D打印机分辨率的情况下，实现了更高分辨率的3D组件的制造。在这里，他们展示了组件微型化与高度集成化的结合，包括15 μm×15 μm的阀和一个2.2 mm × 1.1 mm的10级2倍串联稀释器。这些结果说明了他们的方法有望为各种生物分子应用提供功能强大且紧凑的微流控设备。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Jose L. Sanchez Noriega et al. Spatially and optically tailored 3D printing for highly miniaturized and integrated microfluidics. Nature Communications (2021) 12:5509

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25788-w

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