超材料前沿研究一周精选 2020年12月7日-2020年12月13日

1.基于超构材料多功能结构设计与制造的最新进展

超构材料已成为电磁学、声学、力学、光学等领域的研究热点，但由于其力学特性和特定功能的整合仍是一个挑战，迄今为止超构材料的应用受到限制。相关领域的研究显示了将多功能设计整合到单一集成结构的明显趋势。在多功能结构或装置的设计中，基本要素主要包括重量、承重能力、环境适应性以及各种具体功能。因此，无论具体功能是否是力学功能，力学设计在构建多功能结构中起着重要的作用。

近日，轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室、北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室、北京大学工程学院方岱宁院士团队发表基于超构材料的多功能结构设计的研究进展。文章主要包括三个方面，即力学超构材料的直接设计和多功能结构、具有变形能力的智能多功能结构、基于超构材料的设计与制造实现承载能力和其他特定功能。强调了机械驱动设计发挥的重要作用，以及多功能结构背后的机制和其他关键方面。结构层次的创新不仅可以改善多功能的特性，而且还可以为功能融合结构铺平道路，从而可以将“冲突的”功能整合到单个结构中。相关研究发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。（徐锐）

文章链接：

Yuan, X., et al., Recent progress in the design and fabrication of multifunctional structures based on metamaterials. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2021. 25(1).

https://doi.org/10.1016/j.cossms.2020.100883

2.零折射率材料与拓扑光子学

当光线从一种物质进入另一种物质时，光线会改变方向-它会折射。由波斯物理学家Ibn Sahl提出，这是在数学定律中捕获的第一个效应之一，但折射指数n直到近千年后才被引入。麦克斯韦理论清楚地表明，折射率将自由空间中的波长与材料中的波长联系起来，在各向同性材料中，折射率等于介电常数和磁导率乘积的平方根。

随着现有材料的增长，折射率的概念在现代物理学中变得更加微妙。材料通常是各向异性的，这意味着折射率取决于极化和传播方向。该指数也可以是复值的，有一个虚部表示材料吸收或放大波的程度，从而导致违反直觉的波效应，这仍然是热门研究的主题。它的实部也可以是正的，也可以是负的，负的折射率给出了相速度的反转，弯曲了波的方向，这对正折射率介质来说是不可能的。折射率也可以取非常接近零的值，其中波长变得任意大，而远点在电磁上是接近的，就像麦克斯韦的鱼眼透镜一样。通过小的零指数通道可以实现电磁波的近乎完美的传输，并且可以实现不寻常的边界条件，例如有效磁导体的边界条件。

近日，来自英国埃克塞特大学物理和天文学系的S. A. R. Horsley等人通过最近在均匀陀螺介质中的单向传播方面的工作，研究了近零折射指数材料。显示单向传播的媒介通常是使用拓扑数学设计的，并涉及相当繁琐的计算。计算折射率中的零比计算一个Chern数要简单得多。他们发展了对折射率零点的理解，可以应用于设计支持单向传播的材料。他们发现了这种介质的一般条件，预测了新的波效应，重现了拓扑光子学文献中的许多已有发现。相关工作发表在《Nature physics》上。（郑江坡） 

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-020-01082-2

 3.通过接近零的纳米尺度超强等离子体-声子耦合

腔量子电动力学场(QED)一般将光物质相互作用分为两种状态:弱耦合，即损耗超过光物质耦合强度;强耦合，即耦合强度占优势。对于弱耦合现象，如珀塞尔效应、法诺干涉和表面增强红外吸收，耦合系统交换能量的时间尺度比衰减速率慢。相比之下，在强耦合的情况下，振荡子在比衰减率更长的时间框架内可逆地、相干地交换能量，这使得量子信息处理等应用得以实现。此外，强耦合导致杂化能态的形成，不同于那些裸组分，导致新的现象，如化学反应速率和基态反应活性的改变。

当系统的归一化耦合强度η超过~0.1时，会出现更多的奇异现象，其中η定义为光-物质耦合强度g与中隙频率ω的比值。在这种超强耦合(USC)机制中，一些适用于弱耦合和强耦合的标准近似，如旋转波近似，预计将被打破。此外，从强耦合过渡到超强耦合意味着混合模式在衰变前在光和物质状态之间表现出更多的振荡，这种快速和有效的相互作用可以使新的超快器件成为可能。在USC体系中预测的另一个引人注目的现象，是由光-物质耦合方程中的反共振项引起的，是通过动态Casimir效应从修正基态中提取虚拟光子的可能性。最后，光和分子之间的USC有可能改变或增强化学反应，超出强偶联区的可能范围。

光致变色分子、电路QED系统、亚带间偏振光、分子液体和二维电子气体已经证明了超强耦合。中红外(MIR)频率与振动模式的强耦合已经在各种系统中得到验证，这使得诸如表面增强振动光谱、热发射和特征控制以及改进的热传递等应用成为可能。然而，在MIR频率下实现USC一直是一个挑战，尤其是在固态系统中，因为晶格离子运动产生的振动模式的振子强度相对较弱。以前的演示涉及扩展的微腔结构，在这些技术上重要的频率上开辟了一个新的物理机制，但新的非线性效应的可能性有限。

近日，来自美国明尼苏达州明尼阿波利斯大学电气和计算机工程系的Daehan Yoo等人演示了纳米腔内的振动超强耦合，大大减少了系统的尺寸，从而减少了实现MIR超强耦合所涉及的材料量。具体来说，他们使用同轴纳米腔，它表现出很强的传输共振和场增强，接近TE₁₁模式的截止频率；这些可以理解为是由零阶Fabry-Perot共振的激发引起的，或者是由有效的ENZ效应引起的。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-00731-5

4.弹道超材料

自由电子与电磁辐射的相互作用为实现光的超强局域提供了基础。在这种机制下，由自由电子产生的负介电常数光学基元为生物传感、近场显微镜、光学隐身、亚波长聚焦和超分辨率成像成为可能。实验上，纳米光子学和纳米光学的发展为负介电常数（等离激元）介质的制备和表征提供了手段。而其中，弹道共振拓展了等离子体光子学、纳米光子学和超材的应用，并将现有材料的工作频率扩展到更短的波长。许多研究表明自由电荷载流子在这种导电介质中的基本迁移率显著地超过了众所周知的自由电子气体的光学响应。证明了在亚波长尺度纳米结构中自由电子的时间周期运动和时间周期电磁场相互作用的弹道共振将导致介质的极化急剧增强。

最近，来自美国得克萨斯大学（University of Texas），麻省洛厄尔大学（University of Massachusetts Lowell）和美国普渡大学（Purdue University）的研究人员报道了“弹道共振”光学现象的理论预测和实验实现。这种共振是由约束几何中的自由电荷运动和周期驱动电磁场相互作用而产生的，可用于获得远高于等离子体频率的负介电常数。研究人员证明了所有半导体双曲超材料的工作频率比掺杂成分的半导体“金属”层的等离子体频率高60%。因此，弹道共振将使依赖于局部场增强和发射调制的各种应用在新材料平台上得以实现和部署。目前的工作提供了一个实用的途径，就是利用成熟的半导体产业。此外，本工作从根本上不同于量子阱中的子带间跃迁效应。这两种效应可以在同一个材料平台内结合起来，以进一步增强电磁响应，同时加入活性成分，从而对合成的复合材料的光学性能提供更大的控制。文章以“Ballistic metamaterials”发表在Optica上。（鲁强兵）

文章链接：10.1364/OPTICA.40289

5.超越Janus功能的依赖路径的热元设备

Janus超材料、超表面和单层在纳米光子学和2D材料中受到了广泛的关注。它们的核心概念是通过堆叠不同的材料或亚原子层，或通过外部偏置打破平面外镜面不对称性，从而沿波传播方向引入不对称性。然而，迄今为止，实现扩散式Janus元设备一直是难以捉摸的，因为标量扩散系统（例如热传导）通常在没有偏振控制、自旋操纵或电场刺激的情况下运行，所有这些都广泛用于实现光学Janus装置。即使不是不可能，单个扩散元设备也要具有两个以上的热功能，这甚至更具挑战性。

近日，来自哈尔滨工业大学复合材料与结构中心的Yishu Su等人提出了超越Janus特性的与路径有关的热元设备，该设备在不同的热流方向上可以表现出三种不同的热行为（隐蔽、集中和透明）。导热的旋转变换机制提供了一个强大的平台，可以在任何方向上分配特定的热行为。各向异性平面内传导的概念验证实验成功验证了这种与路径相关的三功能热超材料设备。在未来，可以预期，这种与路径有关的策略可以为热领域中的多功能超材料设备以及更广泛的扩散过程提供新的维度。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（詹若男）

文章链接：Yishu Su et al. Path-Dependent Thermal Metadevice beyond Janus Functionalities. Adv. Mater. 2020, 2003084

https://doi.org/10.1002/adma.202003084.

6.将超导量子位耦合到左手超材料谐振器

由基于约瑟夫逊结的器件与线性谐振电路相结合形成的人造原子能够达到强耦合状态，其中量子比特与谐振微波模式之间的耦合强度大于相关的线宽。电路量子电动力学（cQED）领域已发展成为实现可扩展量子处理器的领先架构之一，同时也提供了探索具有定制的人造原子的微波量子光学系统中光-物质相互作用的机制。对于具有耦合到量子位的多个模式的系统，存在以不同模式的光子进行模拟量子模拟的可能性，从而允许在受控平台中实现量子模型。例如，在高耦合强度下的光-质相互作用哈密顿量有助于实现自旋玻色子模型，它是量子耗散和量子相变的范式模型。多模cQED还可以用于研究光子带隙附近的量子位动力学，类似于使用真实原子和光子晶体的实验。量子随机存取存储器是耦合到多种模式的量子位的另一个潜在应用

由超导集总电路元件阵列制成的超材料谐振结构可以表现出具有用于驻波谐振的左手色散微波模式谱，从而导致在超导量子位通常运行的频率范围内的模式密度很高，使用这种机制可以进行多模电路量子电动力学研究。近日，来自纽约雪城大学的研究小组对耦合到通量可调量子比特的超导超材料谐振器进行了一系列测量。通过对超材料的微波测量，观察到量子位与其通过的每个模式的耦合。使用单独的读出谐振器探测了量子比特，并将量子比特能量弛豫表征为频率的函数，该频率在密集模式频谱的存在下受到Purcell效应的强烈影响。此外，随着各种超材料模式中光子数的变化，我们研究了量子比特的ac Stark位移。通过数值模拟，研究人员探索了基于该方案的增强耦合设计，以使量子位和超材料模式之间的耦合能量可以超过具有可实现电路参数的设备中的模式间距。通过选择电路参数来定制密集模式光谱，以及通过与量子位相互作用来控制超材料的光子状态的能力，使其成为具有微波光子和量子存储器的模拟量子仿真的有效平台。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.064033

7.机械能操纵的动态力学超构材料综述

近几十年来，已经报道了许多具有静态特性的力学超构材料。另一方面，具有动态性能的力学超构材料，也称为声学/弹性超构材料，越来越受到人们的关注。例如，能够产生声波不可见区域的声隐身超构材料、能够隔离振动机械能的零刚度超构材料、能够实现弹性波定向传输的折纸超构材料等。获得目标应用的微结构设计在力学超构材料的领域中占据着中心位置。然而，设计方法和实际（或潜在）应用是通用的，不适合作为分类标准。

近日，美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授团队回顾了动态力学超构材料一些代表性成果，为了更好地理解动态力学超构材料所采用的机制并提出对现有研究的总体看法，根据这些力学超构材料如何操纵物质与机械能之间的相互作用的方式对其进行了分类，为了区分动态力学超构材料的不同类别，使用了一对二进制数分别测量能流的大小和方向的变化状态。文章综述了有关参考数的一些研究工作，并重点介绍了该元件的工作频率、工作带宽和特性尺寸。总结了动态力学超构材料存在的问题，并为其发展提供了可能的解决方案和未来的机会，这篇综述可以为设计新颖的动态超构材料提供一些指导。相关研究发表在《Materials Today》上。（徐锐）

文章链接： 

Wu, L., et al., A brief review of dynamic mechanical metamaterials for mechanical energy manipulation. Materials Today, 2020.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.10.006

8.用于完美异常反射的双偏振全金属合金

在过去的几年中，超晶格光栅(MGs)引起了人们的极大兴趣。这些器件由可极化粒子(超原子)的稀疏周期性排列组成，允许使用相对简单的结构和半解析设计程序有效地实现各种光束操纵功能。这种MG稀疏性与普通超表面(MSs)的特征形成鲜明的对比，MSs为了基于均匀化近似通过广义片跃迁条件(GSTCs)进行合成，需要利用密集、紧密排列的元原子构型。这一需求具有一定的挑战，主要是由于缺乏一种方便而有效的方法来实现由指定的满足GSTCs的各种元原子响应。

近日，以色列理工学院电气工程学院Oshri Rabinovich和Ariel Epstein从理论上阐述了金属介质中由周期性矩形槽组成的用于完美异常反射的超晶格光栅（MGs）的设计，并在实验上进行了验证。利用模式匹配的方法，导出了一种用于分析和综合这种每周期含有多个任意排列的槽沟的半解析方案。遵循典型的MG设计方法，研究人员使用这种形式来识别相关的弗洛克-布洛赫模式，并且非常方便地给定抑制杂散散射的约束条件，直接将结构的几何自由度与期望的功能联系起来。此外，除了提供了实现全金属结构高效波束偏转的方法外，研究人员还展示了矩形(二维)沟槽配置可以同时操纵横向电场(TE)和横向电磁场(TM)这两个偏振场。与此同时，作者强调对TE极化性能的物理限制，阻止了实现任意角度异常反射的能力。这些能力通过使用三个MG原型验证，这些原型由标准的计算机数控(CNC)机器产生，演示了对多衍射模式的单偏振和双偏振控制能力。该研究结果使MGs的应用范围更广，如需要双极化控制，或最好使用所有金属装置，例如，星载系统等。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷） 

文章链接：Oshri Rabinovich和Ariel Epstein，Dual-Polarized All-Metallic Metagratings For Perfect Anomalous Reflection，PRApplied(2020).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.064028.

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