超材料前沿研究一周精选 2019年11月04日-11月10日

拓扑态普遍与具有带隙的电子相中的拓扑缺陷相关。这样的缺陷可能是不同拓扑相区域之间的边界，如二维的量子霍尔效应或量子自旋霍尔效应，这会产生扩展的（传播的）拓扑边界态。而零维的拓扑缺陷，则会产生拓扑束缚态：一个典型的例子是无自旋p波超导体中马约拉那态（Majorana states）被涡旋束缚的情形。

波色系统中的拓扑相近年来已被发现并被广泛研究。与之相关的存在于不同拓扑相之间的边界模式也被用于构建由周围体拓扑特性保护的，具有鲁棒性和缺陷免疫特性的波导。然而，目前尚未有研究证明波色环境下束缚在缺陷处而不传播的拓扑保护态。

近日，来自西班牙马德里卡洛斯三世大学（Universidad Carlos III de Madrid）的Johan Christensen研究团队及其合作者，通过数值模拟证明声学模式也可以被二维Kekul´e扭曲三角声学晶格中产生的涡旋所束缚。这种二维晶格在声学体系中实现了类似于Jackiw-Rossi机制的效应，即将束缚态与p波超导体中的涡旋拓扑的联系起来。因此，这种声束缚态是马约拉纳束缚态在波色系统中的类比，其中的两个波谷分别代替了粒子和空穴成分。数值计算还表明，这一状态在拓扑结构上受到保护：它免受任意保留对称性的局部扰动的影响，并且无论参数如何变化，它始终固定在未扰动晶格的Dirac频率上。研究人员通过3D打印，制备了产生这一涡旋模式的二维晶格，通过测量设备的声响应频谱来实验证明这一预测。尽管有粘性热损失，但所测得的拓扑共振仍然非常强烈，与数值模拟非常匹配。

该研究首次向人们展示了声拓扑约束态的存在并有望激发出新的途径来设计受拓扑保护的声波模态，同时对其进行操纵和传播的操纵。文章于近日发表在《Physical Review Letters》。（短文作者：王济乾）

文章链接：DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.196601

拓扑绝缘体和超导体的发现开辟了凝聚态物理学一个新的研究领域，这些状态的一个显著现象是体缘对应关系，由于d维体态中的拓扑特性，在系统的（d− 1）维边界周围出现了无间隙的边缘态，这导致了定量的电磁响应和马约拉纳费米子的出现。迄今为止，相关效应对拓扑状态的影响已被视为该领域的重要问题之一。作为广泛研究的结果，已经报道了由对无间隙边界状态的相关效应引起的各种新现象。例如，电子相关性可能会改变拓扑分类，而拓扑分类对于材料搜索至关重要。

此外，相关效应会引起所谓的拓扑Mott绝缘状态，在该状态下，系统仅在边缘附近显示Mott物理，并保持整体的非平凡特性。在这里，来自 University of Tsukuba的Koji Kudo研究小组提出了一种新的相关拓扑状态，研究人员称其为高阶拓扑Mott绝缘体（HOTMI）。由于电子相关性，该状态表现出惊人的体-边界对应。即，以自旋-Berry相为特征的整体的拓扑性质导致仅在自旋激发中出现无间隙拐角模式（即，单粒子激发在拐角周围保持有缺口）。证明了HOTMI在kagome晶格上的Hubbard模型中的出现，并阐明了在非交互情况下强相关如何改变无间隙转角模式，相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.123.196402.

超构材料是一类经过设计的系统，旨在通过在关键维度上精心设计的子单元来实现特殊的宏观物理特性，从而形成超出自然界的等效参数值。受到Maxwell方程对左手材料的理论预测的启发，最初的研究重点在于如何实现具有负介电常数和磁导率的材料。后来对负折射率的实验验证使科学家启发了人们用亚波长元件制作人造结构以操纵波传播的方法，这种结构已被广泛用于设计隐形披风和完美的透镜以及转换光学中。与光子晶体相比，可以忽略单元格尺寸远小于操纵波长的电磁超构材料中的局部物理不均匀性，从而可以定义物理等效参数。尽管超常材料具有单一的奇异特性，但特定几何形状与有效范围之间的强相关性限制了可调谐性和实际应用，从而导致了棘手的问题，例如狭窄的带宽和电磁超构材料的高损耗。可调参数和对由多物理场耦合效应引起的施加的外部应变敏感的单位元素，预计将形成智能超构材料设计，为相关的实用设备铺平道路，

对于天然压电陶瓷，压电矩阵中仅存在五个非零元素，这几十年来一直阻碍了π-压电器件的设计和应用。来自Peking University 的Shuxiang Dong研究小组介绍了一种方法，该方法受准对称性破缺的启发，通过超构材料设计将人工各向异性重新结合起来，以激发所有非零元素，而天然材料中的零值则与之相反。通过精心设计单元元素的拓扑结构和几何尺寸，在理论上和实验上证明了可以得到总体有效压电系数的可调非零或超高值。虽然这项工作着重于生成陶瓷的压电参数，但设计原理应具有启发性，以创造其他多物理场耦合超构材料的非自然的表征特性。相关研究发表在杂志《Science Advances》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aax1782

与广泛应用的铁磁存储器相比，反铁磁存储器有几个关键的改进。原子力显微镜（AFM）不产生外部杂散磁场，使这些器件中的存储器对外部磁探头不可见，从而使单个器件的封装更加紧密。AFM器件可以THz速度切换，大大快于它们的GHz限制铁磁对应器件。同时，它可与外部磁场弱耦合，使得AFM器件对磁场扰动具有较强的鲁棒性。这些特性结合在一起，使得AFM对高密度、超高速、极其稳定的存储器存储应用具有巨大的吸引力。然而，它们的磁场不敏感使得操作和检测AFM变得困难，限制了它们的广泛应用。控制过渡金属二卤化物相关行为的研究进展开辟了二维多体物理学的新领域。对于这些材料的反铁磁自旋电子领域，还是一个相对较新的研究方向，它具有开关时间短，对磁扰动不敏感以及减少串扰等技术优势。

在这项工作中，加州大学伯克利分校物理系的研究人员发现磁性插层过渡金属二卤化物 (TMDs)，具有多样性和高度可调的电子和磁性能，具有可切换的AFM阶。通过对嵌入过渡金属二硫化铁Fe_{1 / 3}NbS₂的测量，发现该金属在42 K以下表现出反铁磁有序性。电流密度在10⁴ A cm^-2量级（比CuMnAs和Mn₂Au低两个数量级以上），它可以在两种稳定的结构之间切换Fe_1/3NbS₂中的AFM阶数，使其更适合于低功率应用。各向异性磁电阻（AMR）可以通过简单的电阻率测量来确定AFM的取向。通过这种方式，Fe_1/3NbS₂可以用作具有电子写入和读出功能的低功耗磁存储器。虽然Fe_1/3NbS₂在42 K的AFM有序温度下仅表现出开关行为，但它只是刚刚开始探索的一类更大的磁性插层TMDs的一部分。在这类化合物中，有一些具有较高的定序温度的化合物，可以将Fe_1/3NbS₂的开关特性扩展到室温，并对器件性能进行特定于应用程序的调谐。这为在新一代电开关AFM自旋电子器件中更广泛地使用Fe_1/3NbS₂和磁性插层TMDs铺平了道路。相关工作发表在《Nature Materials》上。（短文作者：方轲）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-019-0518-x

光在无序系统中的传播特性在过去的40年里得到了广泛的研究。通过被称为散斑的透射光，散斑是样品中大量模式间干扰的特征。虽然这种斑点看起来是随机的，但这种混合的光仍然是线性的，因此是确定的。由于在无序系统(如生物组织、或多模光纤)中使用了空间光调制器(SLM)，波前整形已经彻底改变了相干光束的空间控制。研究人员已经开发了不同的方法来控制经历散射的相干光的传播，如迭代优化法、光学相位共轭法和光学传输矩阵法。这些方法已进一步扩展到光的偏振度、光谱、时间特性的控制，并广泛用于成像和光学操作。

在无序系统中，散射光的时空畸变是耦合的。因此，时空散斑场的时间特性可以通过对时空控制进行调整。在以往的研究中，利用单一的SLM实现了对散射光的时空聚焦。输出脉冲聚焦于单个散斑颗粒，并控制聚焦的光谱特性，以确保输出脉冲持续时间较短。然而，输出脉冲在这个指定的焦点位置只有很短的持续时间，而背景散斑在时间上仍然拉长。

近日，澳大利亚昆士兰大学信息技术与电气工程学院Mickael Mounaix和Joel Carpenter两人提出了一种新的方法来调整在任意延迟下，通过多模光纤传播的所有空间和偏振模的总输出强度的时间特性。通过对光纤多光谱传输矩阵(MSTM)的实验测量，利用傅里叶变换计算时间分辨传输矩阵(TRTM)。利用TRTM，研究人员首次证实了在特定的延迟时间内全波束的时间增强和衰减。与以往的时空聚焦实验中只在空间聚焦位置调整时间特性不同，所有的输出空间模式都控制在特定的延迟上。此外，还演示了对经常被忽略的偏振自由度的控制。这项工作为在无序介质中进行脉冲传输的相关应用开辟了一种新的路径。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Mickael Mounaix et al,Control of the temporal and polarization response of a multimode fiber, Nature Communications, (2019) 10:5085.

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13059-8.

几乎所有的现代电子产品，包括传统的刚性消费电子产品和新兴的软电子产品，都具有不变的机械性能，以服务于特定的目的。平面的刚性电子设备给用户提供友好，方便的固体界面，以最大限度应用于桌面或手持式电子产品中。柔软、灵活和可伸缩的电子设备更适合可穿戴和可植入的应用程序。其中，其适应人体组织自然变形的能力可以极大地提高舒适性、可移植性和连续生理监测的便利性。然而，刚性和柔性电子器件的静态机械特性限制了这些器件的应用。例如，将传统的刚性电子元件安装在皮肤上，会造成设备庞大、坚硬的部件与软组织之间的机械失配，使皮肤感到不舒适，不方便佩戴。同样地，在离体应用中使用软电子技术也会导致操作和接口方面的困难，因为设备无法承受高的接触力和负载。

为了将传统的平面、刚性电子产品和新兴的软电子产品的优势整合起来，近日，韩国高等科学技术学院电气工程学院Jae-Woong Jeong等人引入了一类新的电子系统，可根据实际需要来改变它们的形状和刚度。该功能是通过基于可调机械电子平台的温度触发软硬相变来实现的，从而使其具有新的功能和应用前景。研究人员将这项技术应用于制造具有可变刚度和可拉伸性的个人电子产品，一个具有可调带宽和灵敏度的压力传感器，以及一个与脑组织结合后变软的神经探头。总之，这些类型的变革性电子产品将大大扩大可穿戴和可植入应用电子产品的使用，相关研究工作发表在《Science Advances》。（短文作者：丁雷）

文章链接：Sang-Hyuk Byun，et al, Mechanically transformative electronics, sensors,

and implantable devices, Sci. Adv. 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aay0418.

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