今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及杂化拓扑光子晶体、利用声表面波有序产生和运动skyrmions、吸湿变形模式的模块化可重编程3D力学超构材料等敬请期待！
索引：
1、杂化拓扑光子晶体
2、利用声表面波有序产生和运动skyrmions
3、三维节点线声子晶体中的Stiefel-Whitney拓扑电荷
4、椭圆齿轮静力超材料的非线性拓扑力学
5、具有不寻常吸湿变形模式的模块化可重编程3D力学超构材料
6、可编程弯曲刚度的多稳态超构材料中新兴零模拓扑变换
1、杂化拓扑光子晶体
受拓扑保护的光子边界态提供了前所未有的光子鲁棒传播特性，在波导、激光和量子信息处理方面具有广大应用前景。然而，大多数研究都集中在具有相同拓扑类的多带隙拓扑光子系统上，而具有不同拓扑类的多带隙拓扑光子系统尚未实现。
近日，南京大学的蒲殷教授团队联合苏州大学的蒋建华教授团队以及台湾大学的Guang-Yu Guo教授团队、广西师范大学的王海啸团队报告了一类杂化拓扑光子晶体，它们在不同的光子带隙中同时存在量子异常霍尔相和谷霍尔相。潜在的杂化拓扑在边界上表现为双带手性边界态和不平衡谷霍尔边界态的共存。作者通过实验实现了杂化拓扑光子晶体，揭示了其独特的拓扑跃迁，并利用泵浦-探针技术验证了其非常规的双带隙拓扑边界态。此外，作者还证明了双带光子拓扑边界通道可以作为分束器和合并器的频率复用器件。该研究揭示了杂化拓扑绝缘体作为一种奇异的光子拓扑态，以及未来在拓扑光子学中的应用途径。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40172-6
2.利用声表面波有序产生和运动skyrmions
具有明确自旋结构的磁性skyrmions由于其拓扑上的非平庸和准粒子性质，在各种自旋电子应用中显示出前所未有的潜力。为了使skyrmions应用于实际技术，人们一直在研究如何有效地操纵skyrmions，特别是抑制SkHE(skyrmion Hall effect)。尽管最近在一些替代体系(如铁磁体和合成反铁磁体)中在降低SkHE方面取得了进展，但铁磁体中，可以忽略SkHE的skyrmions的有序产生和电流驱动运动仍然具有挑战性。
近日，清华大学的宋成教授团队通过将[Co/Pd]多层膜嵌入声表面波延迟线中，激发LL SAW（ longitudinal leaky SAW），从而提供应变和热效应，从实验实现了磁skyrmions的有序产生。结果表明，在可忽略SkHE的情况下，电流诱导的skyrmions运动可归因于在SAW激发过程中系统的能量重新分配。该发现为操纵拓扑孤子开辟了一个前所未有的新视角。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40131-1
3.三维节点线声子晶体中的Stiefel-Whitney拓扑电荷
晶体中的布洛赫波函数用复数表示，其在动量空间中扭曲形成能带拓扑，并遵循纤维束的数学结构，其特征在于一组与特征类相对应的拓扑不变量。拓扑不变量的一个著名例子是Chern类中的Chern数，其根据体边界对应原理诱导拓扑边界态。在存在对称性的情况下，哈密顿特征空间的属性可以被修正。在没有自旋轨道耦合的周期厄米系统中，虽然本征能量已经是实数，但时空反演（PT）对称性的应用能够将布洛赫波函数从复数细化为实数。因此，Chern类在这种情况下不再适用。而Stiefel-Whitney (SW) 类负责具有实数特征空间的PT对称系统的拓扑分类。SW 类由两个拓扑电荷组成，即第一和第二SW 数，分别对一维和二维 PT 对称系统进行分类。虽然第一SW数相当于量子化的 Berry 相，但第二SW 数是SW类所独有的，能够保护二维高阶拓扑绝缘体和三维拓扑半金属，就像Chern绝缘体和Weyl半金属受到Chern数保护一样。更有趣的是，最近的理论表明，非平凡的第一和第二 SW 数可以共存于一个系统中，导致双重体边界对应，即同一个体可以同时具有两个拓扑电荷，从而在不同的位置产生两种边界态。
近日，南洋理工大学的张柏乐和香港大学的赵宇心联合团队在三维声子晶体中实验实现了具有两个SW拓扑电荷的节点线拓扑半金属，w1 和 w2 分别表示第一和第二SW数。这样的节点线由于其纯实本征空间可以被称为实节点线。w2非平凡导致这些节点线成对出现。一维拓扑电荷w1导致传统节点线中的一阶鼓面表面态（SS）。然而，SW 类所特有的二维拓扑电荷w2会产生奇数 PT 相关的铰链费米弧对。并在一个长矩形棱柱样品中通过实验得到了证明，该棱柱上装有一对PT相关的无间隙铰链。铰链态（HS）的新颖分布将这种非常规的节点线半金属与其他现有的在所有四个铰链上承载HS的二阶拓扑半金属区分开。 这种新颖性在具有更不规则但仍然具有 PT 不变几何形状的样品上得到了进一步的实验证实。相关工作发表在《Nature Communications》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40252-7
4.椭圆齿轮静力超材料的非线性拓扑力学
自从拓扑绝缘体被发现以来，凝聚态学界对拓扑态的兴趣日益浓厚。拓扑能带理论已经应用到经典结构中，如拓扑光子学、电路、声学、等离子体和力学，它们表现出非常规的边界响应。然而，大多数工作仅限于线性体系，而对于非线性拓扑系统的研究仍然是零星的。目前，非线性拓扑超材料已经在克尔-非线性光子学、弱非线性电学和机械系统中得到了研究。尽管从线性理论中继承的表面克尔-非线性拓扑不变量具有有效性，但这些弱非线性激励在较大振幅下是否仍然具有拓扑性尚不清楚。违反对称性的非线性可能会导致模态不稳定和频率与体带混合，从而降低拓扑鲁棒性。另一方面，非线性激励也提供了线性系统所没有的独特特征，如非倒易相变、移动畴壁和传递力学态。然而，对强非线性拓扑相和其性质的严格实验证明仍然难以实现。
近日，北京理工大学姚裕贵教授、周迪研究员、李锋教授团队，设计并制造了椭圆齿轮静力超材料。它们的非线性拓扑跃迁可以通过集体孤子运动来实现，而集体孤子运动源于非线性贝里相的跃迁。由于固有的非线性拓扑力学特性，当拓扑极化方向反转时，表面极性弹性和位错束缚的零模式可以产生或湮灭。该方法将拓扑物理与强非线性力学相结合，有望在微观和宏观尺度上实现多相结构。本文发表在《Physical Review Letters》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.046101
5.具有不寻常吸湿变形模式的模块化可重编程3D力学超构材料
力学超构材料通过在3D空间中设计特定的人工微结构，拥有传统材料罕见或无法获得的非凡特性，如剪切模量接近零的五模超构材料、负泊松比超构材料、负热膨胀（NTE）超构材料和刚度可调超构材料等。与热膨胀对器件或设备的影响类似，有些材料具有吸湿性，在湿度变化的环境中，吸湿膨胀不匹配会产生应力，如在电子封装和涂层中产生的吸湿应力。此外，在约束系统中，木结构吸湿膨胀产生的应力可能会导致失效。负吸湿膨胀（NHE）材料与正吸湿膨胀（PHE）材料以适当的比例结合在一起，可以平衡吸湿应力，而这种不寻常的特性在天然材料中很难找到。超构材料的出现为实现负吸湿膨胀效应和解决这一问题带来了希望。然而，目前报道的负吸湿膨胀（NHE）超构材料是基于三角形的复合结构、针接2D桁架结构，且研究只侧重于理论分析方法，缺乏实验甚至有限元分析。它们通常以2D平面几何结构展示，单一吸湿模式在实际应用中无法完全平衡错综复杂的吸湿应变。此外，即使制造出来，其特性也是固定的，无法通过调整吸湿特性来适应潮湿环境。
近日，北京科技大学刘传宝、白洋教授联合清华大学周济院士提出了具有可切换吸湿变形模式的模块化可重编3D湿敏力学超构材料，它由双材料弯曲条带和立方体节点组成，并通过多材料3D打印制造而成。根据弯曲条带的几何参数和空间布局，超构材料表现出从负到正的可调吸湿膨胀系数。除了均匀变形外，还可以实现复杂的3D吸湿变形模式，包括剪切和扭曲。更有趣的是，这种超构材料是可重新编程的，因为所有变形模式都可以通过模块化拆卸和重新组装弯曲条带来切换，就像乐高积木一样。这项工作展示了一种可行的方法，即通过简单的积木搭建实现定制的3D吸湿变形，用于消除吸湿应力、形状变形结构和智能致动器等特定工程应用。相关研究发表在《Materials Horizons》上。（徐锐）
文章链接：
YISONG B, LIU C, LI Y, LI J, QIAO L, ZHOU J, BAI Y. Modular Reprogrammable 3D Mechanical Metamaterials with Unusual Hygroscopic Deformation Modes[J]. Materials Horizons, 2023.
https://doi.org/10.1039/D3MH00694H
6.可编程弯曲刚度的多稳态超构材料中新兴零模拓扑变换
设计具有跨越数量级可调刚度的结构材料已成为力学超构材料领域的一个新兴课题。同时具有刚性和柔性模式的结构可以被重新编程，以实现广泛的性能和功能，如能量吸收、承载能力和形状变形。迄今为止，利用多稳态对超构材料的轴向（拉伸或压缩）刚度进行重新编程已被证明是有效的。然而，尽管弯曲是一种跨长度尺度的普遍机械模式，但迄今为止，多稳态材料中弯曲刚度的原位重编程能力尚未得到证实。
近日，加拿大麦吉尔大学Damiano Pasini教授团队揭示了一种多稳拓扑变化，其新出现的零模式提供了出色的弯曲刚度可重编程能力。他们采用了一种自下而上的设计策略，并引入了一种多稳态点阵框架，其特点是一组构件可以进行有限旋转，然后通过接触和局部重新排列其相对于弯曲轴的空间位置。这种重新配置会导致与零能模式相关的拓扑变换，从而使弯曲刚度发生巨大变化。从理论上研究了框架重构，并提出了一个可以复制框架行为的物理模型。还利用数值模拟和实验来表征拓扑引起的弯曲刚度变化。最后，证明了这一概念可以扩展到设计基于机构的物质，并将流动性和刚性结合在一起。相关研究发表在《Physical Review Applied》上。（徐锐）
文章链接：
WU L, PASINI D. Topological Transformation with Emerging Zero Modes in Multistable Metamaterials for Reprogrammable Flexural Stiffness[J]. Physical Review Applied, 2023, 19(6).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.L061001
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