超材料前沿研究一周精选2024年5月13日-2024年5月19日

布里渊非线性来源于光子和声子之间的耦合，集成光子学通过增强这种光声相互作用，推动了片上受激布里渊散射（SBS）的进步，使其广泛应用于信号生成和处理领域。近年来，集成光子学提高了对光模式和声模式的人为限制和操控，使光声相互作用的应用进入了一个新时代。但是，相比于已经发展完善的对光模式的限制，如何有效限制声模式仍是有待解决的问题，目前主要的方法有三种：第一种方法是声学全内反射，通常应用于低刚度材料，如硫族化合物，但这些材料难以与标准的硅光子电路集成。第二种方法基于声阻抗，将波导与基底隔离以有效防止声学泄漏。但这种方法在声学频率的选择上灵活性有限，并且制造工艺复杂。第三种方法利用声子带隙来阻碍声波的传播，但其复杂的结构为设计和制造带来了困难，且降低了鲁棒性。新兴的反共振反射提供了一种低损耗、可调节和易制造的方法来实现对场的限制，并已成功应用于空心光纤中，有效地将光模式限制在了低折射率的空气芯内。与光子带隙空心光纤相比，反共振空心光纤具有更简单的结构和更低的损耗，且在理论上被证明可以用于限制圆柱波导中正向和反向SBS的声模式。

近日，北京大学陈章渊教授团队将反共振反射的概念拓展到了集成器件上，并提出了一种新型悬挂式反共振声波导（SARAW），在约束声模式的同时，这种结构还简化了设计与制造过程，通过对反共振结构的设计可以在不影响光模式的前提下灵活地控制声模式。对于正向SBS，厘米级的SARAW可以提供超过6.4 dB的净增益。对于反向SBS，该工作在硅波导中观察到了27.6 GHz的布里渊频率偏移和高达1960的机械品质因数。这种新型声波导为光机械、声子电路和混合量子系统领域的发展提供了新方向。相关内容发表于《Nature Communications》上。（侯玥盈）

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https://doi.org/10.1038/s41467-024-48123-5

最近，能发出完全周期性和相干光波形的光频梳状源已迅速发展成为芯片级集成解决方案。其中，有两类技术尤为重要--半导体法布里-珀罗特激光器和无源环形克尔微谐振器。在这里，研究团队将这两种技术融合到环形半导体激光器中，并展示了一种形成自由运行孤子（称为 Nozaki-Bekki 孤子）的范例。这些耗散波形出现在一系列行进的局部暗脉冲中，在复杂的金兹堡-朗道方程中是已知的。研究表明，Nozaki-Bekki孤子在环形激光器中结构稳定，可通过调节激光偏置自发形成，无需外部光泵浦。通过将确凿的实验结果与精心设计的补充理论模型相结合，研究团队揭示了这些孤子的显著特征，并为它们的产生提供了指导。除了在环形激光器内部循环的基本孤子外，还展示了多孤子状态，验证了它们的局部性，并为孤子晶体的形成提供了见解。研究团队的成果巩固了直接产生孤子的整体电驱动平台，并为激光多模动力学和克尔参数过程交界处的研究领域打开了大门。

近期，奥地利维也纳工业大学 Benedikt Schwarz和 Nikola Opačak研究团队在实验中展示了无需外部光泵浦的 Nozaki–Bekki 孤子的形成，演示了多孤子状态，验证了局域化性质，深入讨论了孤子晶体的形成。提出了一种带有中间频谱滤波器的主振荡器功率放大器配置，作为一种理想的配置，可以提高孤子功率并显着增加应用中的可用带宽。相关研究成果以“Nozaki-Bekki solitons in semiconductor lasers”为题发表在《Nature》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1038/s41586-023-06915-7

在纳米尺度上操纵光的偏振对于下一代光电子设备的发展至关重要。材料的双折射性质是目前广泛用于调节光偏振的物理性质之一，它是材料结构破缺对称性和各向异性的体现。双折射效应同时能够用于证明材料新奇的电子特性，在光电子领域有许多重要的应用。双折射材料用于改变光偏振的两个主要用途为：一、旋转入射光偏振角；二、将线性偏振光转换为圆偏振光（用于四分之一波片）。通常，需要一个与入射波长相当的厚度来在双折射材料中累积所需的相位差。例如，石英在波长λ = 590 nm处的Δn = 0.009，其中Δn是材料主轴上折射率的差异。因此，石英四分之一波片的厚度为d = λ/(4Δn) = 16.4 μm。在更长的波长（THz光范围），λ = 100 μm (Δn = 0.044)时，需要更大的厚度d = 0.6 mm来实现四分之一波片所需的相位差，而mm级的尺寸并不适用于片上器件。为了减小厚度，早期已有工作对各向异性范德华半导体（黑磷、ReS₂、ReSe₂），准一维半导体（BaTiS₃），以及平面超双曲半导体（α-MoO₃）中的双折射效应进行了研究，但均不显著，所需的厚度与波长相当。

近日，斯坦福大学的Aaron M. Lindenberg教授团队使用了一种新颖的超快电子衍射技术，在厚度仅为50 nm（比波长小3个数量级）的WTe₂薄膜中观察到了类似于四分之一波片效应的太赫兹脉冲偏振状态变化。由于WTe₂薄膜尺寸小，难以通过普通的光电探测或透射光偏振检测方法来探测透射THz光的偏振改变。在该工作中，研究者通过测量透射WTe₂薄膜电子束衍射图样，得到了时间分辨的偏转，进而得到太赫兹场的电场极化。同时，还证明了WTe₂薄膜在太赫兹频域内具有宽带的双折射响应，不会对入射THz光造成明显展宽。该结论为开发新型超薄光学器件以及在芯片级集成光电子系统中控制光的偏振提供了新方向。相关内容发表于《Nano Letter》上。（侯玥盈）

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00758

纳米材料具有比传统体块材料高得多的机械强度，可以通过施加更高的应变来实现前所未有的材料特性，例如可调电子带隙、提高超导温度以及增强电催化活性等到。目前，引入应变的一种常用方法是在晶格不匹配的衬底上生长薄膜外延层，并在实验中观察到了外延层的极低导热系数。但从物理机制的角度，应变梯度效应在实验上很难与界面处声子的边界散射效应解耦，这对于理解外延层超低热导率的物理来源提出了艰巨的挑战。同样，尽管材料中的位错和空位缺陷可以在各种功能器件中提高声子散射率，但也难以将非谐振动与缺陷引入的远程应变场的影响分离开来。因此，材料在非均匀应变下复杂的声子输运机制仍未得到充分研究。

近日，北京大学高鹏教授、杨林研究员、杜进隆工程师和西安交通大学岳圣瀛教授团队合作，通过在自制的悬空微器件上弯曲单个硅纳米带来诱导非均匀应变场，试验结果表明，每纳米0.112％应变梯度将导致热导率显著降低34±5％，是之前报道的均匀应变下热导率调制结果的3倍以上。同时，研究团队利用具有亚纳米分辨率的基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术表征了硅纳米带的局域晶格振动谱，揭示了完全受非均匀应变调控的声子谱扩展效应。这使得声子-声子散射的能量守恒条件更容易满足，提高了声子-声子散射率，进而缩短了声子寿命，降低热导率。该工作明确揭示了非均匀应变对热输运的显著影响，并为应变功能器件的创新设计提供了新思路。相关工作发表于《Nature》上。（侯玥盈）

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-07390-4

热电冷却技术在智能电子的精确温度控制等过程中有着重要的应用。目前使用的基于碲化铋(Bi₂Te₃)的冷却器受到碲的稀缺性和不太理想的冷却能力的限制。研究团队演示了如何通过网格设计策略去除晶格空位，将PbSe从有用的中温发电机转变为热电冷却器。在室温下，基于n型PbSe和p型SnSe的7对器件的最大冷却温差为73开尔文，发电效率接近11.2%。研究团队将结果归功于>52微瓦每厘米每平方开尔文的功率因数，这是通过提高载流子迁移率来实现的。研究团队的演示为基于地球上丰富的不含Te的硒基化合物的热电冷却的商业应用提供了一条途径。

近期，北京航空航天大学赵立东教授研究团队在热电半导体制冷材料及器件研究上取得突破性成果，开发了高效的n型PbSe晶体热电材料，通过控制基于网格化策略的成分来冷却。大大降低了缺陷浓度，从而促进了载流子的迁移，并在宽温度范围内，特别是在环境温度附近，获得了超高的载流子迁移率和功率因数值。相关研究成果以“Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3”为题发表在《Science》上。（郑佳慧）

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DOI:10.1126/science.adk9589

导热系数低的材料通常具有复杂的晶体结构。本文通过实验发现，简单晶体结构材料AgTlI₂ (I4/mcm)在室温下具有极低的热导率，为0.25 W/mK。为了理解这种异常，研究团队在从头算分子动力学模拟和非调和晶格动力学的基础上进行了深入的理论研究。发现独特的原子排列和弱化学键为银原子的强振荡提供了一个允许的环境，导致巨大的晶格非调和性。单晶衍射的实验概率密度函数细化也验证了这一特征。特别强的非调和性打破了传统的声子气体模型，在300 K的AgTlI₂中产生不可忽略的波状声子行为。有趣的是，与许多强非调和材料不同，小的传播导热系数通常伴随着大的扩散导热系数，研究团队发现基于热输运统一理论的AgTlI₂中存在超低的传播导热系数和扩散导热系数的不寻常共存。这项研究强调了简单晶体结构在实现低导热系数方面的潜力，并鼓励进一步的实验研究，以丰富超低导热系数材料家族。

如何将材料的晶格热导率(κ)推至下限一直以来引起凝聚态物理和材料科学的广泛关注，因为它对促进隔热和热电学的应用至关重要。声子作为一种集体热激发，在固体晶体的热传递中起着至关重要的作用。因此，有效阻碍声子输运可以显著降低固体的κ。近期，香港大学陈粤教授、Zeng Zezhu 研究团队和法国诺曼底大学Emmanuel Guilmeau 研究团队合作，将具有简单结构晶体的热导率推动至其下限，强调了简单晶体结构在实现低导热系数方面的潜力。相关研究成果以“Pushing thermal conductivity to its lower limit in crystals with simple structures”为题发表在《Nature Communications》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1038/s41467-024-46799-3

增材制造（AM）为材料创新提供了前所未有的机遇，其中粉末床熔融（PBF）增材制造所实现的复杂金属蜂窝材料或点阵超构材料已经得到了广泛的应用，通常以共形方式出现。共形点阵可定义为符合产品全部或部分物理空间的点阵，具有拓扑上完整的边界单元。然而，实际使用的共形点阵并不总是具有拓扑完整的边界单元。此外，没有直接证据表明完整的边界单元具有力学性能优势。因此，关于完整边界单元的争论可能会继续存在。共形点阵超构材料源于20世纪90年代末的组织工程学，但共形金属点阵超构材料直到2007年才有报道，这是因为2007年之前金属的PBF增材制造仍处于早期阶段。如今，尽管对其定义仍有争议，但由于AM技术日益成熟，共形点阵超构材料或蜂窝材料已普遍应用于组织工程、轻量化设计、油气分离、催化反应、热交换器、燃料电池和其他工业领域。此外，新兴的多材料AM技术预计将为其设计和制造提供更多令人兴奋的机会，因为采用不同组成材料的共形点阵结构可提供不同的力学性能或功能。其他未来的增材制造技术可能会带来类似的激动人心的创新。

近日，上海交通大学顾剑锋教授和澳大利亚皇家墨尔本理工大学的马前教授团队回顾了增材制造的共形点阵超构材料的设计方法，并使用七项标准对每种方法进行了评估。这些标准包括：几何建模和点阵拓扑生成的顺序（顺序或同步）；边界处点阵单元拓扑的完整性；与点阵单元类型的兼容性；对复杂几何形状的适用性；编码的简易性；通过常用软件工具的可访问性；以及在复杂共形设计空间中定义支柱倾斜角的能力。在此基础上，考虑了共形金属点阵的各种激光共形（LPBF）可制造性问题，并使用LPBF制作和评估了两个Ti-6Al-4V共形点阵结构。本综述为共形点阵超构材料在各个工程领域的未来研究和应用奠定了必要的基础。相关研究发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。（徐锐）

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H. Z. Zhong, H. X. Mo, Y. Liang, et al. Design of conformal lattice metamaterials for additive manufacturing[J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2024, 30.

https://doi.org/10.1016/j.cossms.2024.101162

组成周期性结构的单胞控制着结构的宏观力学特性，在缺乏相互连接的情况下，单胞可能会解体，导致其强度急剧下降。通过多相材料设计方法或互连改进技术加以解决，即使没有额外的约束条件，也能在压缩或冲击载荷作用下自发或自动锁定（称为自锁）。各种复杂的自锁结构可由互锁单元快速、轻松地组装而成，其独特的防止解体能力提高了整个结构的力学特性，如刚度、强度、承载能力、韧性和抗冲击性。人们从能量吸收的角度对薄壁周期性自锁结构进行了广泛研究，然而，这些系统是2D弯曲主导周期结构，仅在特定方向加载时提供自锁。当承受更复杂的载荷时，如组合压缩和剪切载荷，这些结构就会失去自锁能力。目前，研究人员一直致力于设计多向自锁结构，然而这些多向自锁结构主要以拉伸为主。由于管壁屈曲或塑性破坏在压缩过程的开始阶段很常见，因此压缩曲线通常具有很高的初始峰值力，从而降低了压缩变形的稳定性。

近日，哈尔滨工业大学熊健教授团队介绍了一种基于折纸的3D双向自锁系统，该系统可在法向和剪切载荷下实现自锁。此外，塑性铰链模型揭示了基于折纸单元的能量吸收机制，其SEA（比吸能）高于其他现有的以弯曲为主的自锁单元。通过压缩、弯曲和冲击试验，证明了基于折纸的系统具有双向自锁功能。这种基于折纸的系统具有很高的能量吸收效率，新颖的双向自锁机制可以大大拓宽周期耗散超构材料的设计空间。相关研究发表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。 （徐锐）

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Z. Chen, X. Wei, L. Yang, et al. Origami-based bidirectional self-locking system for energy absorption[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105672

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