今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及二维可重构非厄米规范激光阵列、II型Weyl声子晶体中的反手性、由几何对称性决定的弹性突弹跳变不稳定性、力学超构材料的可编程多物理力学敬请期待！
索引：
1、二维可重构非厄米规范激光阵列
2、II型Weyl声子晶体中的反手性
3、由几何对称性决定的弹性突弹跳变不稳定性
4、力学超构材料的可编程多物理力学
1.二维可重构非厄米规范激光阵列
激光器之间的同步性具有基础和技术上的重要意义，当激光器是相位锁定(即同步)时，它们以相同的频率振荡并且有明确的相位关系。激光器之间的相位锁定保证了二次功率密度增强，这对自由空间光通信、光检测等许多应用至关重要。一个强大的相位锁定机制以及兼容模式的可重构性，将有助于下一代任意形状的高亮度源适应系统的复杂性以及软件硬件协同设计的需求。然而，现有的相位锁定机制和模式选择机制需要由光刻技术设定的精细配置，并且在制作后不能动态控制模式强度轮廓。在过去的几十年里，非厄米开放系统得到了广泛的研究，非厄米系统的新发现拓宽了人们的物理理解和下一代功能器件的应用。除了对微扰的鲁棒性之外，拓扑特性的一个标志是，一个具有虚数规范场的系统也具有非厄米趋肤效应。它是在系统的一个开放边界上的边界态数的积累，这源于它的非零卷绕数和周期边界与开放边界条件的对应关系。这种效应的拓扑性质保证了定向各向异性输运和相位锁定，并具有抗无序和动态不稳的鲁棒性。在实验上，非厄米趋肤效应已在各种经典和量子合成材料中实现，包括一维光子系统、二维电路和声学系统。并且可重构的虚数规范场也在一维耦合激光器中被实验证明。
近日，来自宾夕法尼亚大学的冯亮教授课题组等研究人员实验实现了一个鲁棒的相位锁定方案，同时实现了模式的可重构性，以及动态控制的卷绕数和可调的虚数规范场。通过将二维激光阵列放置在一个可编程的片上集成平台上，利用单向耦合合成虚规范场，打破了每个赝自旋的互易性，并且利用了非厄米趋肤效应的边界依赖性和拓扑性质。证明了非厄米拓扑特征在非线性非平衡系统中仍然保持，而且还可以实现具有强度变化的持续相位锁定。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（张晓萌）
文章链接：
Gao Z, Qiao X, Pan M, et al. Two-Dimensional Reconfigurable Non-Hermitian Gauged Laser Array. Physical Review Letters, 2023, 130(26): 263801.
2.II型Weyl声子晶体中的反手性
Weyl半金属在三维动量空间中具有两个线性交叉点（Weyl点）。Weyl点携带+1或−1的拓扑电荷，并在强磁场下支持表面费米弧色散和手性零阶朗道能级。与其他具有抛物色散的朗道能级不同，零阶朗道能级色散是沿磁场方向在Weyl点附近的线性色散，其斜率（群速度）与Weyl点的拓扑电荷相关。通过加入平行于磁场的电场，Weyl准粒子通过零阶朗道能级在具有相反电荷的Weyl点之间泵浦，导致手性电流的不守恒，即手性异常。不考虑洛伦兹对称的限制，拓扑半金属中的激发具有很多新的物理现象，如II型Weyl点和自旋-1Weyl点。不同于具有一个类似于点形费米表面的I型Weyl点，II型Weyl点具有一个过度倾斜的色散，并具有一个圆锥形的费米表面。II型Weyl点的过度倾斜特征可能会改变在Weyl点附近零阶朗道能级的群速度方向，而相关的Weyl点的电荷没有改变。它被称为反手性零阶朗道能级，在较大的波矢量范围内表现出s形色散。到目前为止，还不清楚在传输实验中II型Weyl点是否具有反手性的性质。同时，由于II型Weyl点过度倾斜的色散引起的反手性零阶朗道能级在光谱测量中难以与其他朗道能级进行区分。因此，虽然对II型Weyl点进行了大量的实验研究，但反手性朗道能级尚未在现实中得到证明
近日，武汉大学的邓伟胤、陆久阳和刘正猷联合团队在声子晶体中实现了理想的II型Weyl点，并通过构造梯度变形的散射体，实现了沿II型Weyl点倾斜方向的均匀赝磁场。并观察到了反手性零阶朗道能级的色散，以及这种梯度II型Weyl声子晶体中的亚晶格极化。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.266304
3.由几何对称性决定的弹性突弹跳变不稳定性
双稳态和突弹跳变是许多生物和人工系统中的常见现象。双稳态是指系统具有两个稳定的平衡态。当系统处于平衡状态时，随着控制参数的变化，该平衡状态变得不稳定或突然消失，这时就会出现突弹跳变现象。许多弹性结构在两种可能的平衡状态之间表现出快速的形状转换：伞在强风中变成翻转状态，弹跳玩具在内翻时发生跳跃。这种跳跃是弹性能量存储和快速释放的一般模式，它被从扑蝇草到力学超构材料的许多生物和工程系统所利用。利用这些不稳定性来诱导力学超构材料形状转变，并可以在多种功能模式之间切换。众所周知，形状转变与系统经历的分岔类型有关，然而，迄今为止，对于选择这些分岔的机制还没有一个普遍的认识。
近日，美国南加州大学Basile Radisson和Eva Kanso团队利用数值解析分析了最近文献中提出的两个系统，弹性条带的最初处于屈曲状态和通过旋转或平移其边界来驱动形状转换状态。文章证明了这两个系统在数学上是等价的，并确定了三种情况，说明了以前作者描述的整个转换范围。重要的是，利用降阶方法，建立了潜在分岔的性质，并解释了这些分岔是如何从几何对称性和对称性破缺机制中预测的，从而为弹性形状转变提供了普适的设计规则。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（徐锐）
文章链接：
B. Radisson, E. Kanso. Elastic Snap-Through Instabilities Are Governed by Geometric Symmetries[J]. Phys Rev Lett, 2023, 130(23): 236102.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.236102
4.力学超构材料的可编程多物理力学
超构材料是具有周期性（或准周期性、非周期性）微结构或纳米结构的人工工程材料，由独特的定制的几何形状和模式组成，产生前所未有的、非凡的和不寻常的批量特性，这在传统材料中是无法实现的。由于它们能够在适当的范围内表现出显著的声学、光学、电磁或力学特性，这些新奇的结构材料在最近几年引起了科学界的极大关注。
力学超构材料是一种具有非传统力学行为的工程材料，其来源于人工设计的微结构和本征材料特性。在过去的十年中，随着实现复杂微结构的计算和制造能力的巨大进步，力学超构材料领域由于能够获得自然材料所不具备的前所未有的多物理性质而引起了广泛的关注。该领域迅速兴起的趋势之一是将材料行为的力学和单胞结构与其他不同的多物理方面（如电场或磁场）和刺激（如温度、光或化学反应）耦合起来，以扩大主动编程按需力学响应的范围。
近日，英国南安普顿大学T. Mukhopadhyay团队总结了关于超构材料的力学和多物理特性调制的相关文献，重点关注双层设计的新兴趋势，并随后强调力学超构材料在其关键工程应用中的广泛潜力。文章从超构材料的新兴类别的描述开始，强调了力学超构材料是超构材料家族中最年轻的成员之一。除了传统的基于单胞的周期网络设计，还讨论了新出现的双层设计概念，其中的基本组成单元被进一步利用，以在扩展的设计空间中实现极端的力学性能和主动行为。此后，文中首先介绍了基于功能性和微结构的新型超构材料，然后将重点转移到具有双层被动和主动行为的力学超构材料。进一步讨论了不断发展的多功能概念，其中微观结构的力学与超构材料的主动微观结构成分相结合的多物理行为。随后，将焦点转移到通过制造计算设计的复杂材料微结构来实现物理实现的相关问题上。最后，总结了科学界需要立即关注的关键问题，以及在力学超构材料领域的一个适度长期的路线图和前景。相关研究发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。（徐锐）
文章链接：
P. Sinha, T. Mukhopadhyay. Programmable multi-physical mechanics of mechanical metamaterials[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2023, 155.
https://doi.org/10.1016/j.mser.2023.100745
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