超材料前沿研究一周精选 2021年3月22日-2021年3月28日

二维莫尔超晶格容易实现强关联现象，如超导电性、关联绝缘体和维格纳晶态。这些材料具有高度可调的电子占有率和有效的相互作用强度，为探测和研究条纹相提供了可能。最近，研究人员在扭曲双层石墨烯中观察到向列性（即电子液晶），接近超晶格单元的整数填充。相比之下，半导体过渡金属二铝化物（TMD）莫尔超晶格，其电子平坦微带根源不一，有望表现出不同性质的关联现象。TMD异质双层膜中低能电子平坦微带的物理性质可用单带扩展Hubbard模型来描述，因为谷简并是唯一剩余的简并。此外，两种材料之间的本征晶格失配甚至在零扭曲角下也会产生三角形莫尔超晶格，这对于小扭曲角无序也是鲁棒的。

条纹相是在许多强关联的相互作用体系中发生的，其中电荷密度的旋转对称性自发地被破坏了。目前，识别和研究这样的条纹相仍然具有挑战性。近日，美国康奈尔大学纳米科学研究所和应用于工程物理学院的Jie Shan教授 、Kin Fai Mak教授结合光学各向异性和电子压缩性测量揭示了WSe₂/WS₂莫尔超晶格中的条纹相。他们发现在较大的掺杂范围内，强电子各向异性在云纹超晶格的1/2填充处达到峰值，此1/2态是不可压缩的，并被指定为绝缘条晶相。宽场成像揭示了沿云纹超晶格高对称轴择优排列的畴结构。除了1/2填充外，该团队还观察到在1/4、2/5和3/5填充时的额外条纹晶体，以及在非填充时的可压缩电子液晶状态。研究结果表明，二维半导体云纹超晶格是一个高度可调的平台，以用来研究条纹相及其与其他对称破缺基态的相互作用。相关研究发表在《Nature Materials》上。（钟雨豪）

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Jin, C., Tao, Z., Li, T. et al. Stripe phases in WSe₂/WS₂ moiré superlattices. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-00959-8

集成光子技术保证了先进网络通讯和高性能信号处理所必需的宽带，高密度和高速互连性。相干光源是此类光子系统的关键组件，这些设备应紧凑，高效，并且最好与成熟的CMOS制造技术兼容。尽管已有研究者在开发集成光源方面已经取得了长足的进步，但是这些光源的共振特性使得这些系统对由有害反射和缺陷引起的微小扰动敏感。光学隔离器通过用作光的单向阀来解决此问题，在该单向阀中，光在一个方向上被阻止，但允许在相反的方向上通过，从而保护了激光免受背散射的影响，减少了不必要的干扰，并实现了更大的互连性。隔离对于光子网络的实现至关重要，不然现实中将限制在互连稀疏且光路不切实际的低功率源方面。

新的不可逆的光子组件试图通过共振限制在高质量因数（即高Q）介电结构中来增强光与物质的相互作用，从而克服对扰动敏感的问题，近日，来自斯坦福大学的Jennifer Dionne研究小组提出了一种通过调整激光腔本身的模态特性来隔离集成光源的新方法，特别是使用通过自旋极化受激拉曼散射激发的自旋选择手性超表面腔。研究者使用全场电磁仿真，探索了由近红外共振的带槽圆柱体组成的硅基超表面。通过操纵二聚体晶胞中相邻圆柱之间的耦合，获得了对圆偏振光的正交偏振具有自旋选择透射率的固有手性光学响应。为了明确打破洛伦兹互易性，研究者用自旋极化拉曼泵激发超表面，该拉曼泵模拟法拉第隔离器中的磁偏置。因此，只有当信号遵循由拉曼泵施加的光子-声子自旋选择规则，以及由手性超表面的对称性施加的单独的自旋选择时，才能放大从拉曼泵的信号束。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.123201

原子薄单层石墨烯的实现在基础科学和应用科学方面已经取得了重大突破，已知石墨烯中的载流子由无质量Dirac方程描述，并且表现出特殊的输运性质，这使得石墨烯在新型电子应用中非常有吸引力。石墨烯和带隙石墨烯材料最有趣的特征之一是电子的额外自由度，谷赝自旋，与在布里渊区最低导带中填充局部极小值K和K′有关。这种额外的自由度有可能编码、处理和存储量子信息，从而打开了valleytronics新领域。单层石墨烯相对于有间隙的石墨烯材料，它具有零带隙和零Berry曲率。这些方面通常被认为是valleytronics的主要障碍。因此，由于其零带隙、零Berry曲率和谷底附近相同的色散，原始石墨烯似乎不适合用于valleytronics。

最近，来自印度理工学院（Indian Institute of Technology）和马克思-波恩研究所（Max Born Institut）的研究人员证明了这个普遍接受的结论是不正确的，并且通过将驱动光脉冲的偏振态调整为晶格的对称性，可以获得期望的谷数量。该方案提供了一种在原始石墨烯中实现valleytronics的全光路径，通过使用石墨烯与六角氮化硼的异质结构来创建间隙的方法，或者通过添加应变或缺陷工程来创建间隙的方法。研究人员还展示了石墨烯中谐波产生的谷选择性，并用谷选择性电子激发的相同场演示了它。高次谐波产生（HHG）是探测原子、分子和固体等多种系统中阿秒电子动力学的有力方法。在固体中，高次谐波光谱用于探测价电子、固体中的原子排列、缺陷、能带色散和量子相变，并在固体中实现千兆赫兹电子。相关研究工作以“Light-induced valleytronics in pristine graphene”为题发表在《Optica》上。（鲁强兵）

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https://doi.org/10.1364/OPTICA.418152 

体内细胞成像是理解驱动生物过程的时空动力学的重要工具。对于高度散射的组织，多光子显微术(MPM)的独特之处在于它能够深入完整的样本(200 um–2 mm，取决于组织)。由于激发光功率和荧光发射之间的非线性关系，散射激发光对检测到的荧光发射的贡献可忽略不计。因此，通过简单地增加入射激发功率，尽管大部分激发光散射离开焦点，局部荧光点仍可在样品深处成像。光漂白和光损伤的双重问题是每个荧光成像实验中不可避免的一部分。“光子预算”的概念通常用于表示样品健康、信号、空间分辨率和时间分辨率之间的内在权衡，一个广泛追求的目标是使显微镜在样品上尽可能柔和，同时仍然产生生物发现所需的对比度。这些问题在MPM是一个特别严重的问题。为了在散射组织中产生对比度，同时最小化光漂白和光毒性，它需要精确的、依赖于样本的激发功率随深度的增加。

近日，来自美国加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系、计算生物学研究生组的Henry Pinkard等人展示了自适应成像如何根据样本形状优化3D体积中每个点的照明功率，而不需要专门的荧光标记。他们的方法依赖于使用原位成像的具有相同荧光标记的细胞来训练基于物理的机器学习模型。他们使用这项技术对接种疫苗后小鼠淋巴结的免疫反应进行体内成像。他们实现了抗原特异性T细胞生理现实数量的可视化(比以前的研究低约2个数量级)，并证明了在免疫反应的早期阶段树突细胞网络的整体组织和运动性的变化。他们为专门使用开源硬件和软件来实现这项技术提供了一个循序渐进的教程。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Henry Pinkard et al. Learned adaptive multiphoton illumination microscopy for large-scale immune response imaging. Nature Communications (2021) 12:1916 https://doi.org/10.1038/s41467-021-22246-5

增强现实(AR)显示可以在真实场景上叠加虚拟图像，使用户能够同时观察这两者。近十年来，AR显示设备，即近眼透视显示，在导航、教育、手术、娱乐等诸多领域都可能成为一种新的研究范式。目前已经提出了各种实现方法，如自由光学棱镜，投影系统，视网膜扫描，反射系统，反射-折射混合系统和光波导等。一些大公司也发布了相关的商业产品，如索尼、谷歌、微软等。在这些方法中，光波导技术被认为是最有希望实现器件轻量化、小型化和高性能的方法；因此，其得到快速发展。透明光波导作为离轴成像系统，将图像投射到人眼，而不遮挡周围的场景。对于增强现实显示，三维(3D)视觉是非常可取的，因为它可以为观众提供身临其境和真实的体验。尽管人们提出了各种方法来实现3D AR显示，但这一功能对基于光波导的方法仍是一个挑战。解决上述局限性的一种常用方法是利用全息光栅作为耦合器来重建三维物体，但其成像质量低，视场小。立体波导显示通常是用两个波导作为子系统，分别将来自两个图像源的立体图像投射到不同的眼睛上，这不可避免地造成系统体积庞大，增加了集成的难度。

近日，华中科技大学Cheng Zhang等人提出了一种紧凑的立体波导AR显示系统，该系统使用一块薄平面玻璃，集成了一个偏振复用超光栅输入耦合器和两个衍射光栅输出耦合器。首先控制携带立体图像的相反圆偏振状态的入射光通过耦合器中的超光栅在平板玻璃波导中反向传播，随后由衍射光栅提取出耦合器，最后由眼睛接收，形成三维立体视觉。在实验上，研究人员制作了一个显示原型，并演示了两幅偏振多路立体图像的独立投影。这项工作为实现体积小、重量轻、多色兼容的高性能立体显示器铺平了一条新道路。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。(丁雷)

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Zeyang Liu et al, Compact Stereo Waveguide Display Based on a Unidirectional Polarization-Multiplexed Metagrating In-Coupler. ACS Photonics(2021).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01885.

厄密性是量子公式的基础，因为它保证了实值特征值和特征态的正交性。这些厄密特性有助于定义量子波函数的拓扑结构，并允许对物质的拓扑相进行分类。例如，拓扑绝缘体可以根据它们的Hermitian哈密顿量对称性分为十个Altland-Zirnbauer类。拓扑不变量如Chern数已经在厄密系统中得到很好的建立，通过体-边界对应的原理确定拓扑边界状态。在经典系统中，许多光子和声学拓扑绝缘子被提出来模拟拓扑绝缘体的特性，特别是在量子霍尔、量子自旋霍尔和量子谷霍尔效应的经典模拟中。虽然这些经典拓扑系统遵循厄密拓扑定义，但它们本质上是非厄密拓扑，因为存在损耗和/或增益。一方面，非厄密性对基本拓扑分类和体边界对应提出了挑战，另一方面，它使拓扑物理学大大更接近实际应用。

近日，来自香港理工大学机械工程系的He Gao等人报道了一种高阶拓扑绝缘体在声学晶体中的实验实现，它的非平庸拓扑是由故意引入损耗引起的。通过局部声学测量，确定了一个拓扑体禁带，它填充了间隙边界态和间隙角态，作为分层高阶拓扑的标志。

相关工作发表在《Nature communications》上。(郑江坡)

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-22223-y

超构材料的宏观响应是基于有效的介质描述来评估的，而没有明确考虑内部自由度、非均匀性或结构中存在的其他成分。力学超构材料在不同的结构中实现了广泛的力学行为，如负有效弹性常数多稳态结构、逆圣维南端点效应、静态非互易性以及其他行为。晶格力学的最新研究表明，材料的内部结构会影响正弦力分布的指数衰减，而正弦力分布是静态地施加在表面上，并在内部以依赖于波数的变形模式消散。在这些分析中，力学超构材料的静态响应取决于压力波的空间频率，这类似于声和光超构材料的研究，其中动态响应是所传输的声波和光波频率的函数。当在波数域中求解弹性方程并执行傅立叶逆变换以获得空间域解时，针对任意加载状态的位移场解都表示为变形的谐波模式的叠加。傅里叶模的振幅可以由边界条件确定。研究表明，应变能分布在波数域中也可以表示为变形的傅里叶模态所包含的谱应变能或应变能。力学超构材料的各向异性有望在能谱的复杂性中发挥关键作用。早期对高度各向异性的结构的研究表明，某些谐波可能会缓慢地衰减或由于渐近带隙而消失。因此，尽管空间应变能衰减很快，但在远离被加载表面的距离处，光谱应变能分布可能更加复杂或不规则。因此，把谱熵看作是能量谱复杂性的度量是很有趣的。

近日，美国伊利诺伊大学Eduard G.Karpov教授通过对一组无限高的点阵带在点表面载荷作用下的数值试验，研究了由芯部和加强件组成的复合材料点阵的应变能和谱熵分布。谱熵测量应变能谱的复杂性，因为应变能谱随着距加载表面的距离的变化而变化。通过调整晶格中的各向异性程度来定制谱熵行为。各向同性连续体响应在加载表面附近表现出增强的谱熵衰减，并与晶格宽空间区域上的应变能色散有关。高度各向异性的响应在表面表现出缓慢的熵衰减和应变能局部化。有趣的是，在距离加载表面足够远的情况下，所有晶格设计都表现出相同的熵衰减渐近速率，并且这个速率也类似于各向同性连续介质的行为。这意味着在实践中，任何由模态选择性决定的超构材料的奇异特性通常在负载附近更明显，而且它们往往在这些有趣的材料系统的外围减少。相关研究工作发表在《Extreme Mechanics Letters》上。(徐锐)

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J. T. Klein, E. G. Karpov. Spectral entropy and strain energy trends in composite mechanical metamaterials[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021, 45.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101289

出汗通常与运动和高环境温度有关，但人体自然出汗的范围更广，并持续在内源性代谢或压力过程中调节核心温度，即使是在坐着或睡觉等久坐活动期间。休息时热调节性汗液的分泌速率比运动时低得多，这使得收集和分析具有挑战性。然而，与运动、热汗液或化学诱发的汗液相比，接近或静止时的汗液可能提供对人体生理学的独特见解。具体来说，静息期汗液分泌的速度可以反映出潜在健康状况引起的交感神经系统活动。例如，静息出汗率与婴儿的中枢神经系统缺陷有关，与脑梗死患者麻痹的严重程度有关，与士兵的生理习惯有。休息时出汗升高或受到抑制，可进一步表明自主神经功能障碍、糖尿病、脑血管疾病和帕金森氏症，以及慢性心理压力、焦虑或疼痛。静汗可以确保与压力、伤害或疾病相关的内源性排汗率不会被与运动或其他外部排汗诱因相关的内汗率淹没或混淆，从而深入了解这些情况。此外，低分泌率可能更好地保持汗和血液之间生物标志物的扩散平衡，可能使休息汗成分比其他类型的汗更能反映血液化学反应。最后，休息的汗是持续产生的，不像离散的或短期的运动或化学诱导的汗，为受影响的人群创造了机会，甚至为身体状态创造了机会。因此，用可穿戴传感器连续测量最佳温度调节流汗率和组成可能是无创性健康监测的有力途径。

近日，来自美国加州大学伯克利分校的Hnin Yin Yin Nyein等人提出了一种可穿戴的贴片，用于连续测量静止恒温调节汗液组成和速率，克服微流体传感通道内的蒸发。以低分泌率的快速吸收是通过在汗水收集井中加入亲水填物，以减少在进入通道进行测量之前必须积累的汗量。结合刚性，亲水插入件与覆盖的水凝胶，防止漏汗迅速吸收，同时也确保机械完整性。

相关工作发表在《Nature communications》上。(郑江坡)

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-22109-z

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