今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及频率扫描系统中的时变PT对称性，静止光栅中的行波放大技术，具有可编程功能的数字机械超材料等,敬请期待！
索引：
1 频率扫描系统中的时变PT对称性
2 静止光栅中的行波放大技术
3 具有可编程功能的数字机械超材料
4 取向单晶钙钛矿晶片的各向异性载流子动力学和激光制备发光图案
5 连续体中相互作用诱导的多粒子束缚态
6 超导量子处理器上的高阶拓扑泵浦
7 一种由声子水动力输运驱动的石墨热特斯拉阀
8 利用序列超材料的可塑性实现理想的减震效果
9 结构材料蓝图：组织工程中超构材料设计指南
在PT对称性的保护下，非厄米矩阵可以具有实特征值。随着增益和损耗强度的增加系统在通过一个临界点（EP点）后，打破PT对称性，会产生复共轭特征值。PT对称性已经成为多个领域的研究热点，带来了许多新的功能和应用，尤其在光学、微波光子学和电子学中引起了广泛关注。传统的PT对称系统通常是静态的，即其频率、增益和损耗等参数不随时间变化。相较之下，频率扫描系统则通过动态变化的频率被广泛应用于微波光子学、激光雷达、光学相干层析成像（OCT）等领域。这些系统中，窄线宽的频率调制连续波（FMCW）信号尤为重要，因为较宽的瞬时线宽会降低系统的分辨率。然而，由于缺乏有效的腔模选择机制，传统频率扫描系统通常存在较大的瞬时线宽，限制了其实际性能。
近日，中国科学院半导体研究所的郝腾飞和李明团队在最新研究中将PT对称性引入了时变频率扫描系统。基于耦合模理论，建立了时变PT对称的频率扫描系统方程，证明通过打破PT对称性，可以动态缩小系统的瞬时线宽。实验构建了一个具有双环结构的时变PT对称FDML光电振荡器（OEO），其中一个回路提供增益，另一个回路提供相同幅度的损耗。通过精确控制增益和损耗系数，使它们超过了PT对称破缺的强度，实验成功地将瞬时线宽缩小至0.18 MHz，相比传统的FDML OEO系统缩小了14倍。此外，所产生的FMCW波形的去啁啾信号的3-dB带宽大幅减少，进一步证明了时变PT对称性在动态线宽变窄中的有效性。雷达点目标成像的实验结果显示，基于PT对称FDML OEO的雷达系统在性能上明显优于传统系统。该研究为时变PT对称性在频率扫描系统中的模态控制和选择提供了新的思路，并展现了其在现代雷达和激光雷达系统中的巨大应用潜力。
相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52958-3
2 静止光栅中的行波放大技术
在与辐射周期相当的时间尺度上调制材料的介电常数方面已经取得了令人印象深刻的实验进展。然而，进一步的挑战在于同时在空间和时间上对介电常数进行调制，特别是实现能够以接近光速移动的折射率调制结构。例如，产生一个振荡速度超过波速的泵浦光源就是一个难题。传统的移动光栅设计虽然能够实现信号放大和压缩效果，但由于技术要求过高，其实验实现仍然面临诸多困难。时间依赖性结构的理论研究揭示了许多重要现象，例如：时间反演对称性的破缺、增益和压缩效应，以及通过新型量子过程产生的自发辐射等。这些理论为时变结构的理解提供了深刻见解，然而，实际实现兼具空间和时间调制的结构在实验上仍然充满挑战。
近日，英国埃克塞特大学S. A. R. Horsley和伦敦帝国理工学院J. B. Pendry提出可以通过时间调制静止光栅的振幅，达到了与移动光栅相似的效果。这种设计不仅简化了实验操作，还能够再现移动光栅的关键特性，如波的放大、压缩以及能量集中。具体而言，研究表明，静止光栅中的波动行为可以等效于两个向相反方向传播的光栅。这两个光栅与同方向传播的波相互作用时，能够独立产生与移动光栅类似的波放大效果。通过这种方式，研究团队成功再现了移动光栅的核心特性。当局部波速与光栅振荡速度匹配时，系统表现出显著的波放大、场压缩及光子产生。此外，静止光栅设计的另一个重要优势在于其结构的空间对称性。只需在光栅两端合理配置反射镜，便可以模拟出无限长的光栅效应，即使实际光栅的长度仅为一个周期。这一设计不仅提高了实验的可操作性，还能够实现与传统移动光栅相似的信号增强效果。该研究展示了静止光栅作为行波放大器的巨大潜力，并为其实验实现提供了坚实的理论基础。这一发现有望推动微波信号处理、光子增强以及量子光学等领域的发展。
相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》，并被选为Editors' Suggestion。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.156903
3 具有可编程功能的数字机械超材料
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202406263
4 取向单晶钙钛矿晶片的各向异性载流子动力学和激光制备发光图案
近期，北京工业大学宋海英副研究员、葛超助理研究员研究团队，山东大学刘阳教授研究团队和北京师范大学张文凯教授研究团队合作，在MAPbBr3单晶上发现了明显的载流子弛豫动力学面内极化和皮秒时间尺度的面外各向异性。这些发现是在高质量、不同取向的晶圆的基础上，通过偏振相关探针测量的瞬态传输得出的。随后，利用飞秒激光TPA工艺在晶圆上制备了发光图案。通过TAS和缺陷检测，研究团队阐明了光致发光增强三个数量级的机制。本研究从晶体学的角度对MAPbBr3的超快载流子动力学有了更深入的了解。对钙钛矿光电子学中热载流子的利用和取向选择提供了更多的指导。相关研究成果以“Anisotropic carrier dynamics and laser fabricated luminescent patterns on oriented single-crystal perovskite wafers”为题发表在《Nature Communications》上。（郑佳慧）
5 连续体中相互作用诱导的多粒子束缚态
近日，深圳大学的李朝红教授课题组预测了在无杂质的Bose-Hubbard模型中存在少粒子BICs和准BICs，并提出了通过在空间和时间上调制粒子-粒子相互作用来实现准BICs的拓扑泵浦的方案。在开放边界条件下，三个粒子的多粒子BIC在有限晶格中表现为被另一个粒子的驻波局域化的束缚对；在周期边界条件下，该课题提出了一种利用投影位置算子构造多粒子最大局域万尼尔态（MLWS）的新方法，发现由三粒子MLWS构造的准BICs在其他粒子的驻波中表现为局域束缚对。在Thouless泵浦中，不同的初始态如BIC和准BIC表现出不同的行为方式：当BIC在一个周期内振荡并返回到初始位置时，准BIC的中心每周期逆时针移动一个单元格，这与均匀占据多粒子带的陈数直接相关。令人惊讶的是，束缚对和单粒子驻波在抽运过程中向相反的方向运动。这些结果揭示了一般的相互作用多体系统中广泛存在连续谱中的多粒子束缚态，并提供了连续谱中多粒子束缚态的动力学调控方案，为系统地寻找连续谱中的多粒子（准）束缚态及其调控和应用铺平了道路。相关文章发表在《Physical Review Letters》。（刘梦洋）
6 超导量子处理器上的高阶拓扑泵浦
近日，中国科学院物理研究所的范桁研究员、许凯副研究员，北京量子信息科学研究院的于海峰研究员团队与华南理工大学的张煜然教授合作，在超导量子比特的4×4方形晶格阵列上实验展示了对角线和非对角线HOSPT泵。文章利用绝热方案制备了半填充时哈密顿量的初始基态，并可分离为四个4量子位纠缠态的乘积。在泵浦过程中，实验通过调整耦合器的频率连接附近的量子位，以动态地操纵跳频强度，结合量子比特频率的动态控制，成功模拟了随时间变化的哈密顿量，从而实现了循环泵浦。在前半泵浦过程中，系统由拓扑平凡状态向拓扑非平凡状态演化，在对角泵和非对角泵的半抽运周期，系统分别演化为两种不同类型的拓扑角态。实验成功观察到了对角泵和非对角泵的平均电荷输运量，这与预期的分数电荷分布非常吻合，并且该课题还实验研究了具有在位能无序的对角HOSPT泵。这一研究结果为在各种量子模拟平台上研究HOSPT泵开辟了道路。相关文章发表在《Physical Review Letters》。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.140402
7 一种由声子水动力输运驱动的石墨热特斯拉阀
最近，日本东京大学（The University of Tokyo）Xin Huang，Masahiro Nomura等，在《Nature》上发文，报道了一种声子流体动力学方法，实现了同位素富集石墨晶体中，热传导的整流。
他们在90nm厚的石墨中设计了一个微米级的特斯拉阀，石墨是一种以其固有的强大的声子水动力学动力行为而闻名的材料。利用时域热反射(TDTR)技术，研究了悬浮石墨特斯拉阀在10-300 K温度范围内的热性能和整流效果。实验观察到在45 K时，相反方向的导热系数差异可达到15.2%。与流体力学类似，在固体石墨中观察到的热整流现象归因于特斯拉阀中类似流体力学的声子流动。这一工作标志着，在微纳米级电子器件中，利用集体声子行为，实现了热管理的重要一步，有助于固体中的热整流研究。相关内容发表于《Nature》上。（张琰炯）
Huang, X., Anufriev, R., Jalabert, L. et al. A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08052-1
8 利用序列超材料的可塑性实现理想的减震效果
近日，阿姆斯特丹大学的Corentin Coulais教授团队，转而采用塑性，并发现塑性和屈曲不稳定性之间的微妙平衡，称之为“屈服屈曲”。研究人员利用屈服屈曲来设计超材料，这些超材料在保持承载能力的同时，以任意大的步骤顺序屈曲。利用顺序屈服屈曲来创建结合了刚度和耗散（这两个特性通常不相容）的超材料，并且可以多次使用。因此，这种超材料表现出卓越的减震性能。该发现为超材料工具箱增加了可塑性，使机械超材料成为一项具有大规模生产巨大潜力的新兴技术。理想减震器可以应用于各种应用，从米级的汽车和航空航天到微米级的显微镜和纳米光刻。除了减震范围之外，预计屈服屈曲可以在软机器人和机械自组装以及材料学习的变形超材料背景下产生独特的响应。更一般地说，使用材料非线性以及几何形状将机械超材料领域扩展到固体力学和材料科学之间的边界。相关工作发表在《Nature》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08037-0
9 结构材料蓝图：组织工程中超构材料设计指南
近日，荷兰马斯特里赫特大学Lorenzo Moroni教授团队提供了一份综合指南，详细介绍了超构材料的设计原则。该指南总结了基本的单胞几何参数和设计限制，以及它们对力学行为的影响，突出了有效制造的要点。此外，还探讨了人工智能技术在超生物材料设计中的潜在整合，以实现针对患者和特定应用的设计。此外，还按组织类型全面概述了力学超构材料目前在组织工程中的应用，从而展示了不同设计在匹配目标组织力学特性方面的多功能性。本综述旨在为组织工程研究人员提供有价值的资源，帮助超构材料在该领域得到更广泛的应用。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
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