今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及多端量子霍尔器件中的非厄米拓扑，非局域声学莫尔双曲超表面，超轻、超强、可自重新编程的力学超构材料等,敬请期待！
索引：
1 多端量子霍尔器件中的非厄米拓扑
2 非局域声学莫尔双曲超表面
3 用于光学擦除的基于超表面的完美涡旋光束
4 超轻、超强、可自重新编程的力学超构材料
5 通过类孤子脉冲碰撞实现2D多稳态力学超构材料的相变
以非厄米拓扑为特征的量子器件预计将表现出高鲁棒性，且对于精密传感和信号放大等具有潜在应用的价值。然而，这类量子器件的具体实现仍然是一项艰巨的任务，因为非厄米性通常与增益和损耗相关联，这需要精确的控制来产生非平凡拓扑的特征。
近日，德国莱布尼茨固态和材料研究所的Ion Cosma Fulga与Joseph Dufouleur团队在不使用增益和损耗的情况下，利用量子霍尔边界态的非互易性来直接观察多端量子霍尔环中的非厄米拓扑。他们的输运测量证明了一种鲁棒的非厄米趋肤效应，其特征是电流和电压呈现指数分布，该分布在霍尔平台跃迁时仍持续存在。他们对量子器件中非厄米拓扑的观察引入了一种可扩展的实验方法来构建和研究一般非厄米系统。相关内容发表于《Nature Physics》上。（张甜）
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https://doi.org/10.1038/s41567-023-02337-4
扭曲双层（tBL）材料由二维材料的扭曲堆叠组成，表现出许多非凡的物理现象，例如魔角平带超导、双曲超材料、分数量子霍尔效应、层间磁性等等。这些由扭转角控制的现象是由于莫尔超晶格和层间杂化而产生的，这在“扭转电子学”中具有发展潜力。特别是双曲超材料的概念首次被引入光子晶体中，从而可以对光子色散进行异常控制。与Lifshitz跃迁类似，光学等频面扮演费米面的角色，可以经历双曲到椭圆 (H2E) 拓扑跃迁。具体来说，在光子tBL系统中，动量空间中色散曲线的交叉导致杂化和新分支的形成，从而导致有趣的 H2E 拓扑转变。扭曲就像一个开关，在特定角度关闭色散曲线，并在进一步扭曲时打开它。这些类似的现象已在光子偏振系统中得到了广泛的实验证明，显示了光子器件的卓越应用潜力。然而，在声学的模拟中，由于声压固有的标量特性，尚未发现这种拓扑转变。
近日，东北大学的杨天智教授和新加坡国立大学仇成伟教授团队通过使用基于理论的非局域各向异性设计，使用扭曲的多层超表面将面内声压转换为空间分布的矢量场。所谓的“声学魔角”相关的声学现象会发生，例如非局域极化子杂化和拓扑Lifshitz跃迁。色散在声学魔角处变得平坦，使得偏振激励能够沿单一方向传播。此外，随着扭转角连续变化，首次通过实验观察到声学拓扑相变（从双曲色散到椭圆色散）。这种独特的特性有利于亚波长范围内的低损耗可调谐极化子杂化。研究人员还通过实验演示了扭曲的三层声学超表面，并发现了操纵声波的更多可能性。这些发现不仅丰富了莫尔物理和拓扑声学的概念，而且为解释观察到的现象提供了完整的理论和方法框架。相关工作发表在《Advanced Materials》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1002/adma.202311350
涡旋已成为各种自然系统中普遍存在的物理现象，引起了各学科的关注。在光学中，涡旋光束显示出多功能性，包括整数拓扑荷选择的无限频谱和不同拓扑荷之间的希尔伯特因子的正交性，为各种各样的应用铺平了道路，如多路复用通信、激光并行微钻、光镊、非线性光学和量子光学。完美涡旋光束(PVBs)利用了传统涡旋光束在不同拓扑荷上的环形强度分布直径恒定的特性，实现了不同拓扑电荷的多束光束同时在空间上耦合。然而，由于完美涡旋光束由笨重的光学元件组成，因此对具有更大拓扑荷的完美涡旋光束的需求可以与应用中的cmos制造工艺集成。
近日，中国台湾国立联合大学的Vin-Cent Su展示了基于超表面的完美涡旋光束(MPVBs)，其可见光拓扑荷高达- 32和16，表现出能够宽带运行的环形强度分布。研究人员提出了集成MPVBs的光学擦除概念，通过花状干涉进行螺旋切换，使不同拓扑荷的MPVBs的环形强度分布均匀。光学擦除实验证明了MPVBs在推进量子光学和光器件工程方面的潜力，并为探索光学中的量子行为铺平了道路。相关工作发表在《Communications Physics》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s42005-024-01525-9
自组装和可重构机器长期以来被认为是具有通用计算机的多功能性和适应性的材料系统。此类系统有望根据需要调整其属性和形式，以满足不断变化的需求、案例或环境。由于它们可以重复使用和自我修复，此类系统可以改变材料生命周期，以实现更可持续的工程世界，并为零质量太空探索提供新的工程范式。为了实现自适应基础设施、空间应用、灾难响应等宏观3D应用，需要可编程材料系统，该系统既可以大规模重新构建自身，又可以满足高性能机械要求（拉伸和压缩）。自重构机器人和集体机器人构造领域推动了全合成3D自重编程性的进步，但在可扩展性和机械性能领域仍然存在开放性挑战。
近日，美国宇航局艾姆斯研究中心（NASA）Christine E. Gregg和Kenneth C. Cheung团队介绍了一种机器人结构系统，可实现可编程物质，其机械性能和规模与传统的高性能材料和桁架系统相当。纤维增强复合材料桁架状构件形成坚固、坚硬且轻质的点阵结构作为力学超构材料。两种类型的移动机器人在系统的外表面和内部运行，利用固有的点阵周期性进行索引和计量，执行运输、放置和可逆紧固。该系统设计利用可编程物质算法实现尺寸和复杂性的可扩展性，能够使用简单的机器人对大型结构进行鲁棒的集体自动组装和重构。文中描述了256个单胞组装演示和点阵机械测试以及拆卸和重构演示的系统设计和实验结果。组装的结构点阵材料具有超轻的质量密度（0.0103g/cm3）以及相对于其重量的高强度和刚度（11.38kPa和1.1129MPa），这是适合空间结构等应用的材料性能领域。该系统具有简单的机器人和结构、高质量的特定结构性能和具有竞争力的运载能力，展示了用于多种应用的自重构自主超构材料的潜力。相关研究发表在《Science Robotics》上。（徐锐）
文章链接：
C. E. Gregg, D. Catanoso, O. I. B. Formoso, et al. Ultralight, strong, and self-reprogrammable mechanical metamaterials[J]. Science Robotics, 2024, 9: eadi2746.
https://doi.org/10.1126/scirobotics.adi2746
5 通过类孤子脉冲碰撞实现2D多稳态力学超构材料的相变
非线性力学超构材料因其多变的静态和动态行为以及调节响应的能力（如可调刚度、泊松比、热膨胀系数和带隙等），在过去十年中受到了广泛关注。它们通常表现出丰富的振幅相关特性，如弱非线性谐波、椭圆余弦波、孤子和过渡波。铰链连接正方形超构材料旋转可以获得非线性特性，基于这种机制的系统因其有趣的静态特性（即拉胀性）而长期受到研究。最近，人们发现它们还能传播各种非线性波。一个显著的例子是矢量孤子的传播，它具有耦合的平移和旋转自由度（DOFs），并能在不同的传播方向上显示出不同的孤子模式。由于在赫兹颗粒介质中较少考虑不同DOFs之间的耦合，矢量孤子的碰撞除了经典孤子碰撞外，还表现出异常现象，包括排斥、破坏等。最近，人们还研究了这些系统的多稳态动力学，多稳态可以通过引入永久磁铁来实现。如果方块从一个稳定角度旋转到另一个稳定角度，这种重构就有可能以过渡波的形式传播到整个结构中。此外，不相容类型的过渡波碰撞会形成静态畴壁，可用于设计可重构超构材料。
近日，美国宾夕法尼亚大学Jordan R. Raney教授团队报告了对2D多稳态力学超构材料中相变的观察结果，这种相变是由超构材料中的孤子状脉冲碰撞引发的。与晶体固体中的一阶相变类似，如果新相达到或超过临界核尺寸，多稳态超构材料就会支持相变。如果符合这一标准，新相就会以过渡波的形式传播，将超构材料的其他部分转换为新相。更有趣的是，利用实验验证的模型从数值上证明，临界核可以通过孤子状脉冲的碰撞形成。此外，非线性脉冲丰富的方向依赖行为可以控制成核位置和生长相的时空形状。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
W. Jiao, H. Shu, V. Tournat, et al. Phase transitions in 2D multistable mechanical metamaterials via collisions of soliton-like pulses[J]. Nature Communications, 2024, 15(1).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44293-w
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