“超材料前沿研究”一周精选 2018年9月24日-10月14日

1、Nature：实现多步自引导路径的形变力学超材料

——只需设计一种力学超材料结构，就可以发生两步以上的变形和运动模式，无需额外的机械或电子控制

力学超材料（Mechanical metamaterials）是物质材料的结构化形式，可广泛地展现出多种异常的机械力学性质，包括负响应、拓扑极化、非互易性和形状变形。这些奇异特性主要源自被“编码”（encode）于超材料内部结构中的软变形模式（soft deformation modes），但是大多数超材料都采用了单一的软模式，导致其变形模式被限制为“单步路径”（single-step pathway）。“多步变形”（Multi-step deformations）和其他高级功能都需要具有跨越多种软模式的高维变形空间（high-dimensional deformation space）设计；然而，当这些软模式被激活时，模式之间的竞争导致功能弱化和空间衰减。因此，到目前为止，多模态（multi-modal）力学超材料并没有对其重构路径（reconfiguration pathway）进行明确的驱动控制，或者需要针对每个自由度设计出多个致动器（actuators）。相比之下，在自然界中，诸如自组装和蛋白质折叠的过程往往会表现出稳健的“多步路径”，而不需要外部的控制。基于此，来自荷兰AMOLF的Corentin Coulais教授领衔的科研团队，向我们展示了一种宏观尺度的可变形力学超材料，这些超材料纯粹由无源组件构成、避免外部控制的需要，可经过自我引导、多步重构（multi-step reconfiguration）过程，以响应全局的均匀压缩。研究人员是将非线性机械元件与多模式结构相结合，能够实现由超材料单元之间的内部自接触（internal self-contacts）所形成的一系列拓扑重构（topological reconfigurations）。他们通过计算机控制的柔性材料水喷射切割工艺制备了超材料，并通过合理地设计非线性机械单元来控制多步路径和最终结构配置。同时，研究还证明自接触可以有效地抑制路径中的错误。最终，他们创建了分层体系结构（hierarchical architectures），以扩展不同重构步骤的数量。该工作确立了设计机械路径的一般性原则，为自动折叠介质、多能材料、可拉伸电子和软机器人等领域开辟了新的途径。相关研究发表在近期的《Nature》杂志上。

文章链接：CorentinCoulais, Alberico Sabbadini, Fré Vink & Martin van Hecke, Multi-step self-guided pathways for shape-changing metamaterials, Nature 561, pages 512–515(2018).

2、具有多I/O逻辑运算的可重构MEMS太赫兹超表面

——能够在太赫兹频段实现XOR, XNOR, NOT, NAND等多种逻辑运算，有助于实现THz无线通信网络的安全加密

最近的超材料研究趋势已朝着实现功能化和可重构的超表面（metasurface）方向发展，这些超表面能够实现对其几何和光学特性的实时控制，从而为有源和可调谐超材料领域的发展提供了新的研究范式。但是，这些超表面结构大多数都是以“单一输入/输出状态”（single-input–output state）运行的，极大地限制了这类逻辑器件在多任务、多功能应用场合下的使用效率。最近，来自新加坡南洋理工大学的Ranjan Singh教授等人通过实验证明了具有“多输入/输出态”（multiple-input–output）的可重构MEMS Fano共振超表面，通过两个独立控制的电输入实现了对太赫兹电磁波读出的逻辑运算。研究表明，Fano共振的远场特性表现出“异或”（XOR）和“异或非”（XNOR）运算行为，而近场共振局域特性则使“与非”（NAND）运算成为可能。此外，通过在谐振器的近场耦合中引入机电可调节的（electromechanically tuneable）面外各向异性，能够实现类似磁滞型闭环行为（hysteresis-typeclosed-loop behaviour）的“多输入/输出态”配置。“异或”超材料门在加密的太赫兹无线通信网络安全中具有许多潜在的应用。此外，“多输入/输出态”功能可为实现可编程和随机可访问的超材料奠定基础，在太赫兹、红外和光学频率上具有增强的电光性能。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

文章链接：Manukumara Manjappa, Prakash Pitchappa, Navab Singh, Nan Wang, Nikolay I. Zheludev,Chengkuo Lee & Ranjan Singh, Reconfigurable MEMS Fano metasurfaces with multiple-input–output states for logic operations at terahertz frequencies, Nature Communications 9, Article number: 4056 (2018).

3、时变超表面中的线性频率转换

——通过空间上的“绝缘体-金属”相转变，将两个金属“基元”突然合并一个，从而提供了发生光波频率转换的“时变介质”

在激光器尚未被发明的时候，Morgenthaler等人就已经考虑利用介质的介电常数或磁导率随时间的变化来实现光学非线性现象。尽管这类开创性的工作随着激光非线性研究的成功没有受到太多的关注，但是科学家依旧从理论上探索时变介质（time-varying media）在不同物理条件下的线性频率转换。这些理论推测在等离子体物理学领域已经得到了实验验证；然而，直到芯片级动态光子结构的提出，包括光子晶体、微环谐振器和波导结构，这一波长转换现象才在工程具有一定的研究意义。在这些研究中，当光波通过时间边界时，电磁波的能量发生转换，因此介质的有效时域控制（effective temporal control）对于频率转换是至关重要的。最近，来自韩国高等科学技术研究院的Bumki Min教授等人组成的科研团队提出了采用快速时变超表面材料（rapidly time-variant metasurfac）作为频率转换的研究平台，并通过实验证明了它们在太赫兹频率下的非线性频率转换效果。在超快光学激发下，超表面可将两个不同的金属超原子（metallicmeta-atom）突然合并成单个超原子；这种突然的合并在超表面上构建了光谱设计的时间边界，通过该时间边界可以实现和调制太赫兹的频率转换。有趣的是，突变时间边界与输入太赫兹脉冲之间的时间延迟跟转换光波的相位及幅值密切相关。并且，由于所提出的方案不依赖于材料的非线性，因此将特别有利于实现弱强度光波的频率转换应用。相关研究发表在近期的《Nature Photonics》上。

文章链接：Kanghee Lee,Jaehyeon Son, Jagang Park, Byungsoo Kang, Wonju Jeon, Fabian Rotermund &Bumki Min, Linear frequency conversion via sudden merging of meta-atoms intime-variant metasurfaces, Nature Photonics (2018).

4、超灵敏中红外生物传感的复合超表面结构

——石墨烯与金属纳米天线的复合超表面，对小分子具有极高的检测灵敏度和指纹识别能力

光学器件对于生物传感非常具有吸引力，因为它们不仅能够对分析物进行定量测量，还能提供分子结构的信息。遗憾的是，基于折射率检测的传统光学传感器不具有足够的灵敏度来探测低分子量分析物的结合过程；诸如场效应晶体管的非光学器件在灵敏度上可以满足要求，但是不能像光学器件提供一些重要特征，特别是分子指纹。最近，来自美国哥伦比亚大学的Qiao Lin教授、Nanfang Yu教授等人研究出一种基于光电导原理（optical conductivity-based）的中红外生物传感器，可以对低分子量分析物进行高灵敏度的定量测量，并得到增强的光谱指纹（spectral fingerprints）。该传感器采用由单层石墨烯和金属纳米天线组成的复合超表面结构，同时结合了等离子体、电子和光谱方法的优点。首先，复合超表面传感器可以对目标分子诱导的石墨烯载流子掺杂现象进行光学检测，在尺寸极小的器件上实现了低分子量分析物的高灵敏度检测。其次，由石墨烯光电导率的变化引起的共振峰偏移是关于石墨烯载流子浓度的明确函数，从而允许分子结合的定量化。第三，由于传感器对石墨烯载流子迁移率的降低不敏感性，其性能具有高度的稳定性和一致性。最后，传感器还可以用作表面增强红外光谱的基底。研究展示了单层亚纳米级亚分子或颗粒的测量，以及基于亲和力结合的葡萄糖定量检测，测量灵敏度低至200 pM（36 pg/mL）。并且，实验还验证了传感器对微量葡萄糖和聚合物分子的增强指纹识别。相关研究发表在近期的《Light: Science& Applications》上。

文章链接：Yibo Zhu,Zhaoyi Li, Zhuang Hao, Christopher DiMarco, Panita Maturavongsadit, Yufeng Hao,Ming Lu, Aaron Stein, Qian Wang, James Hone, Nanfang Yu & Qiao Lin, Optical conductivity-based ultrasensitive mid-infrared biosensing on a hybrid metasurface, Light: Science & Applications 7, Article number: 67 (2018).

5、双曲超材料中的长程偶极子相互作用

——首次在实验上观测到与“超库仑理论”相一致的长程偶极子相互作用

近邻原子和分子之间的“偶极子-偶极子”相互作用（Dipole-Dipole interactions）与它们之间的真实光子和虚光子交换有关，并且在与库仑偶极场定律（Coulombic dipole field law）相关的近场中逐渐减弱。由于偶极子相互作用控制着范德瓦尔斯力、集体兰姆位移、原子阻塞效应和Förster共振能量转移，因此控制和调制这种距离缩放效应（scaling with distance）已成为量子工程中的一个长期研究主题。最近，来自普渡大学的Zubin Jacob教授领衔的科研团队表明：在超材料中，尽管发生相互作用的量子发射体之间存在大的物理空间距离，但是仍然可以利用超材料从根本上改变这些相互作用。实验证明在中长距离（近场的10倍）处，近场共振偶极子相互作用强度增加了两个数量级，并且观察到距离缩放定律（distance scaling law）与超库仑相互作用（super-Coulombic interaction theory）理论一致，仅受吸收和超材料结构单元的有限尺寸的限制。在此基础上，研究人员还开发了超材料中的多体偶极子相互作用的第一性原理数值计算方法（first-principles numerical approach），用以证实理论预测和实验观察结果。该研究工作与现有辐射相互作用的工程化设计理念存在明显的不同，为控制双曲超材料和自然双曲二维材料中的远程偶极子相互作用铺平了道路。相关研究发表在近期的《Science Advances》上。

文章链接：Ward D. Newman,Cristian L. Cortes, Amir Afshar, Ken Cadien, Al Meldrum, Robert Fedosejevs,Zubin Jacob, Observation of long-range dipole-dipole interactions in hyperbolic metamaterials, Science Advances, 05 OCT 2018 : EAAR5278.

6、空间-频域梯度超材料

——通过在超材料中增加频域相位梯度这一新的自由度，实现对光束方向和涡旋模式的有效控制

近年来，人们在使用超材料灵活地操纵电磁波方面开展了诸多研究。作为其中的一个重要类别，梯度超材料（gradient metamaterials），即具有梯度相位的超材料，可以在电磁波传播期间赋予亚波长尺度的空间调制相位变化，以塑造电磁辐射特性，其中具有特定相位梯度的基元阵列可以根据需要形成所设计的光束传播。最近，来自东南大学的崔铁军教授课题组提出了一种“空间-频域”（space‐frequency‐domain）梯度超材料的概念，通过将频域上的相位梯度（frequency‐domain phase gradients）引入超材料来获得新的自由度。在该研究中，超材料的频率梯度是通过相位梯度相对于频率的导数获得的，其可以用于对均匀分布相位梯度的整形，以根据工作带宽中的实际需求而变化，不需要附加任何有源器件。 1D/2D超材料中的空间和频率梯度组合为更强大的电磁波控制开辟了新的可能性，能够生成更为复杂的功能，如2D光束的灵活扫描、涡旋模式的连续变换，以及产生具有所需传输方向和模式的多通道光束。相关研究发表在近期的《Advanced Optical Materials》上。

文章链接：H. T. Wu, D.Wang, X. Fu, S. Liu, L. Zhang, G. D. Bai, C. Zhang, W. X. Jiang, H. L. Jiang,R. Y. Wu, J. W. Wu, T. J. Cui, Space‐Frequency‐Domain Gradient Metamaterials, Advanced Optical Materials 2018, 1801086. https://doi.org/10.1002/adom.201801086

7、综述：宽带超材料吸收体

最近，超材料的兴起为高效的光学吸收带来了新的机会，因为它们可以根据特定的电动力学性质，设计和制备具有天然材料中所无法获得的等效介电常数和磁导率值。自2008年的首次实验演示以来，从无线电到可见光频率的超材料完美吸收体（Metamaterial Perfect Absorbers, MMPAs）都取得了长足的进步。其中，宽带的光学吸收在热光电研究（thermophotovoltaics）、光电探测、电磁辐射计（bolometry）和机械共振应用中是必不可少的。虽然，现在人们可以很容易获得具有单波段或多波段的超材料完美吸收体，但实现宽带（broadband MMPA,BMMPA）仍然是一项极大的挑战，因为基于共振原理的表面等离激元往往在本质上就是具有极窄的带宽。最近，来自电子科技大学的Zhiming Wang教授和Alexander O. Govorov等人在《Advanced Optical Materials》上发表长篇综述，系统总结了BMMPA的最新研究进展，包括创建宽带吸收的方法及其潜在应用。本综述介绍了实现BMMPAs的四种主流方法，包括平面和垂直元件排列、它们与集总元件的焊接、等离子体纳米复合材料的使用，以及其他不太常见的方法的描述。此外，他们还回顾了BMMPA在太阳能光伏发电、光电探测、测辐射热和机械共振操纵中的应用，探讨了这一领域的挑战和发展前景。

文章链接：P. Yu, L. V.Besteiro, Y. Huang, J. Wu, L. Fu, H. H. Tan, C. Jagadish, G. P. Wiederrecht, A.O. Govorov, Z. Wang, Broadband Metamaterial Absorbers, Advanced Optical Materials 2018, 1800995. https://doi.org/10.1002/adom.201800995

8、各向异性拓扑光子晶体中的偶然双Dirac锥和鲁棒边界态

——在非磁性材料中实现了双Dirac锥偶然简并，并基于结构对称性分析实现了拓扑带隙的打开

具有锥形色散的材料，如Dirac锥和Weyl点，已在各种领域中被广泛研究。例如，在布里渊区中心具有单个狄拉克锥的光子晶体在一定频率下表现为零折射率（zero‐index）超材料，能够实现隐形斗篷、非对称传输和定向辐射。另一方面，通过破坏单个或双个Dirac锥，可以在动量空间中获得以非零Berry曲率为特征的拓扑相，它们提供了一种新的自由度来控制电子、声音或光的流动，从而产生例如自旋方向锁定边界态和缺陷免疫传输等新颖的物理现象。最近，来自中山大学的董建文教授课题组通过在具有各向异性介电常数的二维光子晶体中，实现了横电模和横磁模之间的偶然简并，可以恢复布里渊区边界处的双Dirac锥色散。其中，拓扑带隙可以通过提升非平庸的双Dirac锥位置来获得，每个锥体由两个具有相同镜面对称性的正交极化线性能带形成。研究人员在各向异性的拓扑光子晶体中获得了无能隙和高透过率边界态的鲁棒传输，证明即使界面不再是直的，在多个工作频率中也能观测到高透射率的平顶光谱（flat‐top spectrum）。该工作为拓扑光子学中实现带宽可控的鲁棒光波导铺平了道路。相关研究发表在近期的《Laser &Photonics Reviews》上。

文章链接：X. Chen, W.Deng, F. Zhao, J. Dong, Accidental Double Dirac Cones and Robust Edge States in Topological Anisotropic Photonic Crystals, Laser & Photonics Reviews 2018,1800073. https://doi.org/10.1002/lpor.201800073