今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及亚波长空穴共振实现超分辨率成像，用于3D打印的抗缺陷钴镍高温合金，通过拓扑优化创建声学拓扑绝缘体等敬请期待！
索引：
1.高阶外尔半金属
2.通过拓扑优化创建声学拓扑绝缘体
3.亚波长空穴共振实现超分辨率成像
4.光谱滤波阵列助力无透镜快照高光谱成像
5.用于宽带聚焦和准直的改良结构的吕内堡透镜
6.单片光纤谐振器中的光子飞轮
7.用于3D打印的抗缺陷钴镍高温合金
8.用于容积3D打印的高度可调硫醇烯光敏树脂
9.基于机器学习的多稳态结构和超材料的弯曲梁设计和优化
高阶外尔半金属
具有体边界对应关系的拓扑绝缘体和半金属在凝聚态物理，光子学，声学和声子学的研究中引起了范式转换。高阶拓扑绝缘体（HOTI）的最新发现显示出带隙的边界态以及受拓扑保护的角态和棱态，为传统的体-边对应提供了新的视野。底层的体-表面-角或体-表面-棱对应关系体现了并发的多维拓扑物理，这是高阶拓扑的最显著特征。另一方面，外尔（Weyl）半金属由于其异常的物理特性（例如，手性异常）及其与各种拓扑相的关联，而成为拓扑物理和材料研究的重点之一。尽管已经提出了高阶Dirac半金属，但是Weyl半金属仍然与高阶拓扑脱节。
近日，来自苏州大学的研究小组报告了高阶Weyl半金属的理论发现，从而建立了Weyl半金属和高阶拓扑的联系。研究者证明，高阶Weyl半金属作为常规Weyl半金属和3D高阶拓扑相之间的中间相，可以在手性材料（例如手性四方晶体）中出现。研究者提出了一个具有正方形螺旋结构的紧束缚模型，其中沿
方向的平移直接生成了合成通量。高阶Weyl半金属通过同时显示手性费米弧表面态，拓扑棱态和动量相关的分数拓扑荷而独特地展现自己，可以在具有
和时间反演T对称性的四方手性晶体中实现，揭示了一类新型的高阶拓扑相。研究者还讨论了在电子，声学系统中实验的候选材料的建议，由于HOTI的丰富性，还有许多其他类型的高阶拓扑可以在没有四极子拓扑的情况下实现HOTI相位（例如，具有量化Wannier中心的HOTI相位）。这项对高阶拓扑简并性的研究开启了拓扑物理学的前沿。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.125.146401
通过拓扑优化创建声学拓扑绝缘体
拓扑态的引入为凝聚态物理学开辟了许多新视野。由于拓扑态具有体绝缘和界面导电的独特特性，它有望在自旋电子学和量子计算等领域得到广泛的应用。拓扑态的概念最近被扩展到人工周期结构中的经典波，包括光子晶体中的电磁波和声子晶体中的弹性/声波。许多与拓扑态有关的异常现象已被证明，如单向传输和对无背散射缺陷的鲁棒传播。
以量子自旋霍尔效应(QSHE)为特征的拓扑绝缘体(TI)的前提条件是Kramers双重态。然而，纵向气载声不存在这种偏振Kramers双态，阻碍了声系统中量子自旋霍尔效应的实现。为了克服这一障碍，人们利用循环流场或耦合谐振波导构造了人工Kramers偶极子来打破时间反演对称性(TRS)。由于声波在介质中传播的固有损耗和环形波导制作的复杂性，这些系统在未来的拓扑应用受到了限制。近年来，人们提出了用无源材料制作声子晶体来实现具有时间反演对称性的二维声学拓扑态。对于该无源声学系统，空间宇称相反的偶极(D)模和四极(Q)模之间是TRS拓扑态的基础。这是通过改变位于布里渊区中心的双狄拉克锥原始蜂窝晶格的本构元原子的半径直观地实现的。在带反转的同时，建立了一对拓扑非平庸声子晶体和一对拓扑平庸声子晶体，利用该界面构造了声拓扑绝缘体，实现拓扑边界态。然而，这种传统的设计方法遵循一个试错的过程，这只适用于有限的规则结构和安排。考虑到声学拓扑绝缘体的复杂性，开发一种智能设计方法具有重要意义。由于声子晶体的结构决定了它的能带图，因此构造拓扑平庸和非平庸声子晶体的系统方法应该是拓扑优化技术，它使问题具有适当的目标和约束。拓扑优化最初是在弹性领域提出的，目的是在给定的设计域内寻求材料的布局，使所得到的结构具有最佳性能。除了传统的土木和机械结构外，拓扑优化还被扩展到寻找具有奇异性质的新颖声子和光子结构，如光子晶体中的类Dirac锥、负磁导性超材料、双负弹性和声学超材料和超结构等。
近日，来自湖南大学的Yafeng Chen等人提出了一种通过特殊的拓扑优化方法来设计基于声学拓扑绝缘体量子自旋霍尔效应。与现有的声学拓扑绝缘体拓扑优化不同，整个设计过程分为两个阶段。在第一阶段，拓扑优化的目标是在指定频率下形成由两个D模和两个Q模退化的双狄拉克锥。在第二阶段，拓扑优化打破双狄拉克锥，以创建拓扑平庸和非平庸声子晶体，并且验证了其对声波传播的异常操纵。相关工作发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107054
亚波长空穴共振实现超分辨率成像
由于可见光的波动特性，传统显微镜的分辨率通常受到瑞利判据的限制。在过去的几十年里，人们付出了巨大的努力来获得超过衍射极限的图像。在不依赖近场照度和测量的情况下，超分辨率技术的探索已经成为研究的热点。然而仍然存在许多问题，例如，探头和样品的间距需精确控制，所突破的衍射极限倍数不高。
近日，美国奥本大学数学与统计学系的Junshan Lin和香港科技大学数学系的Hai Zhang两人提出了一种利用亚波长空穴共振的超分辨率成像方法。采用一种亚波长结构，具体为在金属板上蚀刻一组小孔，其邻近的距离L小于波长的一半。通过将入射波的频率调整到共振频率，亚波长结构产生强烈的照明模式，能同时探测成像样品的低空间频率和高空间频率成分的照明图案，从而突破衍射极限。通过对衍射波的远场测量进行稳定的数值重建，得到了样品的图像。结果表明，重构图像的分辨率可以达到L/2，因此在一个波长内设置多个孔洞可以达到超分辨率。文章提出的方法可以在显微镜和基于波的成像如电磁和超声成像中找到应用。对实际实现具有重要意义，它避免了探头与样品表面距离高精度的困难。此外，在数值重建中，仅利用远场数据的低频波段，就可以得到信噪比很高的数值重建图像。
但该成像方法有一个很大的缺点：在样本平面上凸显出非常高的横向分辨率，但不能提高轴向分辨率。这是因为通过亚波长结构的高振荡透射场由于其倏逝的特性，局限在狭缝孔附近，并且它们在样品里的传播深度也是一个问题。因此，作者表示，轴向分辨率的提高是一个极具挑战性的问题，值得进一步研究。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：
Junshan Lin and Hai Zhang,Superresolution Imaging via Subwavelength Hole Resonances.DOI:10.1103/PhysRevApplied.14.034066.
光谱滤波阵列助力无透镜快照高光谱成像
高光谱成像系统旨在捕获包含每个空间位置光谱信息的三维空间光谱图像立方体。这使得通过光谱指纹检测和分类不同的材料属性成为可能，而光用彩色照相机是看不到光谱指纹的。高光谱成像技术在工业中已得到应用，从农业作物监测到医学诊断、显微镜和食品质量分析。然而，传统的高光谱扫描成像仪由于速度慢而难以大范围应用。虽然存在快照技术，但通常局限于大而笨重的体积或具有低的空间光谱分辨率。
近日，加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系Kristina Monakhova等人提出了一种用于快照高光谱成像技术的新颖的，紧凑的，低廉的计算相机。该光谱相机结合了彩色滤光片阵列和无透镜成像技术。该系统由直接放置在图像传感器上的平铺光谱滤波器阵列和靠近传感器的扩散器组成。实验中，每个点都映射到光谱滤波器阵列上的一个独特的伪随机模式，该模式对多路空间光谱信息进行编码。通过求解稀疏约束逆问题，研究人员恢复了亚超像素分辨率的高光谱体。作者表示该高光谱成像技术框架是灵活的，可设计为连续或非连续的光谱滤波器，对给定的应用场景选择一个特定的应用模式。最后，研究人员建立了一个原型机并演示了复杂空间光谱场景的重构，在64个光谱波段上实现了高达0.19超像素的空间分辨率。总之，该研究为系统设计提供理论，此外演示一个原型装置，并提供高空间光谱分辨率的实验结果。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：
Kristina Monakhova et al, Spectral DiffuserCam: lensless snapshot hyperspectral imaging with a spectral filter array.Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.397214
用于宽带聚焦和准直的改良结构的吕内堡透镜
人们对控制和操纵结构波的应用，如基于振动的能量收集、结构健康监测和医疗诊断和治疗等，产生了广泛和持续的兴趣。例如，结构波的聚焦可以是一个提高基于振动的能量收集效率使用压电换能器有效的方法。此外，结构波的强准直性使高性能声学换能器成为超声成像、诊断和治疗的理想设备。随着梯度指数（GRIN）声波超材料的发展，利用结构吕内堡透镜实现了弹性波在薄板中的聚焦和准直。例如，一个简单的GRIN结构吕内堡透镜可以通过使用一组不同半径的孔来实现所需的梯度折射率。虽然这些GRIN吕内堡透镜的频率响应一般是宽带的，但这些器件的性能受到了孔晶格离散性质的限制，这导致了折射率的逐步变化。为了使折射率的变化显得平滑，必须使小孔比波长小得多，但随着被操纵波的频率增加，这很快就变得不切实际。
众所周知，模量的局域依赖性可以通过改变结构厚度来调整弯曲波在结构中传播的色散。这种方法被称为声黑洞(ABH)，且已被用于振动控制和能量收集。由于折射率不仅取决于材料的性质，而且还取决于结构厚度，因此利用ABH可以得到折射率的平滑变化。这种方法已被广泛研究，以实现有效的阻尼弯曲波。然而，由于其中心的零厚度要求(奇异点)，制造理想的ABH是不可能的。虽然有研究人员提出了一种基于与ABH不同的厚度剖面的结构吕内堡透镜，并通过数值模拟演示了其弯曲波聚焦特性，然而，这种厚度的透镜只能用来聚焦弯曲波的边缘。
近日，来自美国马里兰大学系统研究所Liuxian Zhao等人在扩展了前人的研究工作基础上，开发了一个通用公式，将一个结构吕内堡透镜的厚度剖面与其焦距联系起来，这样焦点可以被调整到透镜内部、外部或边缘的任何位置。然后用解析、数值和实验的方法研究了这些结构吕内堡透镜的弯曲波聚焦和准直特性，并将用数值和实验的方法证明其在能量收集中的有用性。相关工作发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106868
单片光纤谐振器中的光子飞轮
耗散克尔孤子（DKS）频率梳是通过将高Q单片谐振器与谐振连续波（cw）单模激光器泵浦而产生的，最近已成为对传统锁模技术的补充激光频率梳。片上单片谐振器具有较强的模式限制和较大的Kerr非线性，从根本上提高了量子限制的相位噪声，并阻止了其在光学飞轮级实现定时抖动。此外，需要复杂的泵噪声控制和热效应管理来实际实现量子限制的相位噪声。由于泵是DKS频率梳不可或缺的一部分，因此窄线宽泵对于减少泵到梳齿的噪声转换以达到量子限制梳的相干性是必需的。缓解强烈的热非线性也是稳定DKS生成的根本挑战。
近日，来自南京大学先进微结构协同创新中心的Kunpeng Jia等人展示了第一个紧凑的光子飞轮，在单片光纤谐振器的量子噪声极限下具有亚fs的时间抖动（平均时间高达10 μs）。通过用于耗散克尔孤子生成的新型两步泵浦方案，可以获得这种量子受限的性能。受激布里渊激射和Kerr非线性之间的可控相互作用增强了DKS相干性并减轻了热不稳定性，在945 MHz载波自由运行时，实现了惊人的的22 Hz固有梳状线宽和前所未有的相位噪声-180 dBc / Hz。该方案可以推广到用于现场可部署的精密计量的各种设备平台。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（詹若男）
文章链接：
Kunpeng Jia et al. Photonic Flywheel in a Monolithic Fiber Resonator. Physical Review Letters 125, 143902 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.143902
用于3D打印的抗缺陷钴镍高温合金
基于金属的增材制造（AM）或三维（3D）打印已经能够实现制造出具有最佳几何形状的近最终形状的金属组件，而传统的制造技术无法实现这种几何形状。若能提高设计的灵活性，那么人们将能够把3D打印方法应用于生物医学、汽车和航空航天等领域使用的商业合金。但是，适合合金属基增材制造过程中存在的复杂热条件的合金的数量是有限的。目前首要的挑战是设计与独特的添加剂加工条件兼容的合金，同时保持足以满足能源、空间和核应用中所面临的挑战性环境的材料性能。
近日，来自加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校材料系的Sean P. Murray等人描述了一类高强度、抗缺陷的3D可印刷高温合金，其中含有大约相等的Co和Ni含量以及Al、Cr、Ta和W，他们在印刷和后加工形式下的强度超过1.1 GPa，并且室温下拉伸延展性大于13％。这些合金可通过预热的电子束熔化（EBM）以及预热有限的选择性激光熔化（SLM）进行无裂纹3D打印。他们也描述了合金设计原理以及EBM和SLM CoNi基材料的结构和性能。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Sean P. Murray et al. A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing. Nature Communications (2020) 11:4975https://doi.org/10.1038/s41467-020-18775-0
用于容积3D打印的高度可调硫醇烯光敏树脂
容积3D打印是基于光敏聚合物的一种新型3D打印方法，可以在一次光固化操作中形成完整的三维对象，没有分层缺陷，使得打印的部件具有类似于其大块材料的机械性能。该方法可以一步完成复杂的三维结构，而不是传统3D打印逐层组装。这种3D打印模式具有非常好的应用前景，因为它克服了基于层打印的许多缺点，如打印时间长和表面粗糙。容积3D打印技术拓宽了光聚合物3D打印材料的应用，与分层打印相比，对粘度和反应性的限制更少。事实上，尽管非常软的水凝胶已被证实可以应用于容积3D打印，但到目前为止仍然依赖于丙烯酸酯化合物，因为丙烯酸酯聚合的氧抑制作用提供了容积3D打印所需的阈值行为。但是，由于所得材料的脆性和类似玻璃的性质，丙烯酸酯化合物的应用受到了限制。因此，研究人员进行了诸多尝试，以确定柔软、弹性的丙烯酸酯配方，并引入容积3D打印领域，有望替代交联反应，以便更加广泛地应用于3D打印领域。
近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室Maxim Shusteff团队首次报道了硫醇烯树脂容积3D打印。借助有序的分子网络，硫醇烯聚合物具有良好的机械性能，使容积3D打印超越了常规丙烯酸酯配方的限制。由于硫醇烯自由基聚合不受氧的抑制，通过加入2,2,6,6‐四甲基‐1‐哌啶氧基作为自由基清除剂，引入容积3D打印所需的非线性阈值响应。通过平衡抑制剂和引发剂的含量来调节反应，将其与吸收容积光学剂量的定量测量值相结合，可以控制打印过程中聚合物的转化和凝胶化。重要的是，这项工作由此建立了第一个全面的时空控制容积能量分布的综合框架，展示了通过层析容积3D打印法在硫醇树脂中打印的3D结构。这种硫醇烯体系的机械特性显示出高度可调的机械响应，远比相同的丙烯酸酯基树脂更具有通用性。这拓宽了可用于容积3D打印材料及其性能范围，向高性能打印聚合物又迈进了一步。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：Cook, C.C., et al., Highly Tunable Thiol‐Ene Photoresins for Volumetric Additive Manufacturing. Advanced Materials, 2020.
https://doi.org/10.1002/adma.202003376
基于机器学习的多稳态结构和超材料的弯曲梁设计和优化
梁是一种结构单元，广泛应用于各种长度尺度的工程领域。在许多大型结构中，梁用作水平结构以承载垂直载荷，如船结构中的龙骨和桥梁结构中的梁。此外，在微结构方面，由于弯曲梁的双稳定性，可用于构造用于能量捕获的超材料。从矩形截面梁到工字梁、均匀截面梁到锥形梁、直梁到弯曲梁，工程师们修改了梁的形状以达到不同的目的。新开发的制造技术提供了先进的工具来制备具有复杂几何形状的结构。同时，快速发展的工业对结构提出了新的要求，如轻质和抗疲劳。因此，如何用这些工具来实现多种优化目标变得至关重要。在以前的研究中，几乎所有弯曲梁的厚度都是恒定的。尽管可以通过改变梁的厚度分布来获得更好的性能，如强度均匀的梁，但缺乏设计和优化限制了厚度变化弯曲梁的发展和应用。
对于给定结构，其力学性能可以通过实验测试或数值模拟来获得。然而，由于设计空间太大，无法进行广泛的探索，通过寻找结构来实现目标性能的反向问题并非易事。为了解决这个反向问题，人们发展了各种优化技术，如密度法、水平集法和进化法。这些技术不仅在力学设计问题上，而且在流体和声学等其他物理学科上也取得了巨大的成功。然而，由于合规最小化问题的计算量大、应用范围有限以及难以应用更多的几何和物理约束等问题，仍然存在许多挑战。
近日，纽约州立大学石溪分校Lifeng Wang团队展示了一种基于机器学习的弯曲梁设计和优化的新方法，由于它具有处理大数据的能力，该方法已经在许多领域获得成功，同时也可以用于结构设计和优化。这种基于机器学习的模型能够准确预测非线性结构与性能之间的关系。针对不同的优化目标，如刚度、前向跳跃力和后向跳跃力，得到高效、精确的优化设计结果。用高分辨率多材料3D打印机制作试样，并进行轮廓优化试验。实验结果验证了计算结果的正确性。提出的基于机器学习的优化方法可以为基于梁的结构和力学超材料的设计和优化提供一个有前途的工具。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
文章链接：
Liu, F., et al., Machine learning-based design and optimization of curved beams for multistable structures and metamaterials. Extreme Mechanics Letters, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.101002
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