今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于拓扑谷输运的可调谐双功能声学逻辑门，绘制任意频散曲线-通过非局域声子晶体定制能带结构，非线性控制的非厄米拓扑相变，深度学习辅助的增强热输运活性超材料等敬请期待！
索引：
1 基于拓扑谷输运的可调谐双功能声学逻辑门
拓扑声学是声学领域的一个新兴分支，通过研究拓扑保护的人工结构，如声学超材料和声子晶体，来实现声音的鲁棒传输。在实现声学系统拓扑边界态的研究中，谷自由度因其独特的物理特性和广泛的应用潜力倍受关注。然而，利用声学能谷拓扑绝缘体(ATIs)在不改变其结构的情况下设计可调谐多功能器件仍然是一个巨大的挑战。
最近，江苏大学孙宏祥教授，袁寿其教授，新加坡南洋理工大学Haoran Xue和张柏乐教授团队证明了具有两个不同畴壁的能谷ATIs中的谷边界态的反对称和对称分布性质可以用于设计可调谐的鲁棒声学逻辑门（ALGs）。研究人员利用声子晶体构成的声学能谷拓扑绝缘体，展示了两种可调谐双功能ALG，分别标记为ALG-I和ALG-II。ALG-I由单个畴壁组成，而ALG-II由包含两个畴壁的弯曲拓扑波导构成。对于ALG-I，通过调整两个输入声源的相位，可以实现“或”逻辑运算和“异或”逻辑运算的功能切换，分别表示为OR和XOR。而对于ALG-II，可以通过一对声源的左入射和右入射来实现OR和XOR的逻辑运算。此外，通过简单地调整两个声源的相位，可以实现ALG-II两侧OR和XOR逻辑功能的切换。这些ALGs具有结构简单、鲁棒性强、主动可调等优点，在集成声学、声通信、信息处理等领域具有广泛的应用前景。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。(李治含)
Yong Ge, Binjie Shi, Ding Jia, Hong-xiang Sun, Haoran Xue, Shou-qi Yuan, Baile Zhang; Tunable bifunctional acoustic logic gates based on topological valley transport. Appl. Phys. Lett. 1 October 2023; 123 (17): 171703. https://doi.org/10.1063/5.0172277
2 绘制任意频散曲线 - 通过非局域声子晶体定制能带结构
3 非线性控制的非厄米拓扑相变
拓扑物理学起源于凝聚态中的量子材料，它促进了不受紊乱和缺陷影响的拓扑保护光子器件的发展。超越凝聚态系统，光子拓扑系统可以结合高度可控的非厄米性和非线性，从而为拓扑现象的实验研究和非常规光子器件的开发提供一个多功能平台。最近，拓扑光子学和非厄米性之间的相互作用在多相和相变之间表现出了有趣的协同效果。非厄米性可以实现拓扑激光器、拓扑光子对源、拓扑纠缠光子发射器、拓扑宇称时间对称晶体、非厄米拓扑光转向、非厄米体边对应以及非厄米能带的任意拓扑绕组。此外，高度可控且自然存在于几乎所有光学材料中的光学非线性已显示出为控制新型拓扑光子器件提供通用且实用的工具的潜力。例如，利用非线性可以实现Floquet孤子和拓扑量子光源。非厄米性也可以通过非线性效应的工程损失和增益来很好地定制。拓扑、非厄米性和非线性三者之间的相互作用可以为非常规光子器件设计复杂的能带结构。以前的工作主要集中在拓扑、非厄米性和非线性之间两两配对的相互作用，而它们之间的三重相互作用可能会带来新的发现。
近日，北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室的王剑威教授团队在硅纳米光子Floquet拓扑绝缘体中观察到了由光学非线性驱动的拓扑保护非厄米相变。利用硅纳米波导的四波混频非线性来设计能带结构，禁带隙中的光可以沿着发生非厄米相变的拓扑增益-损耗结传输。我们发现非厄米相变速度大约在250 ps，并表现出对缺陷的拓扑鲁棒性，非厄米边界模式的相干性通过实施干涉测量得到了明确证实。这项工作通过非线性光学展示了拓扑和非厄米性之间的相互作用，并提供了一种高速操纵多个相变的方法，该方法适用于许多其它具有强非线性的材料，这可以促进非常规鲁棒光-控制设备在经典和量子应用方面的发展。相关内容发表于期刊《Nature Physics》上。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02244-8
4 深度学习辅助的增强热输运活性超材料
热管理在现代技术中发挥着至关重要的作用，因为有效的热控制可以显着提高电子设备的性能和寿命，降低能耗，并确保用户的舒适和安全。近年来，基于超材料的突破性创新出现在热管理领域，但传统超材料主要关注静态情况，缺乏对可变情况的可调性，为了解决这个问题，提出了具有动态特性的自适应超材料。但最先进的自适应热扩散超材料仍然面临三个长期存在的强大障碍，首先具有鲁棒功能的自适应器件通常需要极其各向异性的参数，其次，现有的自适应器件仅限于与形状记忆合金的相变温度相关的特定温度范围。最后，大多数自适应超材料需要手动调整而不是自动调整。
为了克服这些障碍，复旦大学黄吉平教授课题组与新加坡国立大学仇成伟教授课题组合作，引入了由深度学习驱动的热增强热扩散超材料。这种活性超材料可以自动感应环境温度，并快速、连续地以高度可调的方式调整其热功能。即使外部热场改变方向，它们也能保持强大的热性能，并且模拟和实验都给出了出色的结果。此外，研究者设计了两种具有按需适应性的超设备，利用各向同性材料、宽工作温度和自发响应来实现独特的功能。这项工作为智能热扩散超材料的设计提供了一个框架，并且可以扩展到其他扩散领域，适应日益复杂和动态的环境。相关工作发表在《Advanced Materials》上。（刘帅）
5 受元胞自动机启发的多稳态折纸超构材料
长期以来，研究人员一直在寻求特殊性能的材料以实现功能上的灵活性，如形状可重构性、可编程刚度/模量、多稳态。如今，将计算能力融入材料的想法使机械特性与信息处理融为一体。基于机械材料的计算才刚刚起步，这种方法在恶劣环境下的生存能力方面具有天然优势，并有可能应用于全软体机器人、分布式神经形态计算和自主系统的开发。通过自主形状变形，材料能够与外部环境互动，并感知和处理信息，从而在力学中产生智能。对于工程材料而言，从多稳态结构中抽象出机械位已被认为是实现机械计算的可行方法。人们探索了更高级别的计算或可编程逻辑门，但通常需要在力学超构材料中嵌入可扩展的集成电路。需要注意的是，机械计算的基本原理遵循现代电子计算的框架，因此可以通过集成网络化的基本逻辑门来实现高级计算操作。基于材料元件与电子元件之间的一一对应关系，由于对材料元件需求的爆炸式增长以及对材料中信号传播效率的严格要求，高层次机械计算将遇到瓶颈。
受元胞自动机的启发，复旦大学方虹斌教授团队提出了一种基于多稳态折纸超构材料的新型计算框架，该框架结合了储备池计算，无需构建逻辑门网络即可完成高级计算任务。因此，这种方法省去了传统机械逻辑中构建用于高级计算的大规模网络时对材料制造和信号传播的苛刻要求。利用多稳态堆叠三浦折纸超构材料作为验证平台，只需一个致动器就能在实验中实现数字识别。此外，新的计算框架还证明了手写识别和5位记忆任务等复杂任务的可行性。这项研究标志着在开发具有先进计算能力的新一代智能材料方面取得了重大进展。随着研究和开发的不断深入，这些材料将对从计算科学到材料机械智能技术等广泛领域产生变革性影响。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
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