今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及具有贝利曲率偶极子的二维材料中的类晶体管光学增益工程，拓扑谷声子晶体中的弹性谷自旋控制手性耦合，具有可调泊松比和带隙形成的微尺度力学超构材料等，敬请期待！
索引：
1.具有贝利曲率偶极子的二维材料中的类晶体管光学增益工程
2.新型高热导率红外非线性光学材料的无偏筛选: 长期忽略的氮化物和常见的硫化合物
3.拓扑谷声子晶体中的弹性谷自旋控制手性耦合
4.卤化物钙钛矿CsPbBr3中声子驱动的层内激子拉比振荡
5.时间调制系统中近场热辐射相干性的控制
6.具有可调泊松比和带隙形成的微尺度力学超构材料
7.作为转换机构的力学超构材料系统
8.具有三维负弯曲刚度手指的被动顺应型软体机器人抓手
具有贝利曲率偶极子的二维材料中的类晶体管光学增益工程
洛仑兹互易性能够限制电磁信号的操纵方式，是传统光子器件双向性质的起源。为了绕过这一限制并产生非互易电磁响应，对系统施加适当的偏置是有必要的，这可以通过打破时间反演对称性来实现。传统上是通过磁光效应来实现，但最近也出现了通过时间调制和电流注入的方式，或者也可以使用被入射波动态偏置的非线性材料来设计互易性。增益系统也可以用于实现非互易响应，通过对晶体管机制的模拟，晶体管超材料也可以实现独特的非互易和非厄密光学效应。而近期二维（2D）材料以其独特的光学性质成为纳米光子学领域的热点，它们是用于非互易设备的有力候选者。例如，漂移电子可以破坏石墨烯等离激元的光谱对称性而导致单向波传播；新型2D磁体还可以产生相当大的磁光效应；还有几种2D材料可以在宽光谱范围内增强非线性特性。因此在2D超材料中实现分布式晶体管型光学响应可能是实现非互易响应的理想平台。
近期，里斯本电信学院Tatiana G. Rappoport课题组证明了具有大贝里曲率偶极子的偏置二维金属可能表现为具有强烈非互易和非厄密光学响应的“分布式晶体管”。这种非厄密电光效应是由于静态偏置和材料非线性引起的漂移电流的相互作用而产生的。为了说明这些独特的性质，该工作表征了偏置二维材料在平面波照明下的吸收率和透射率，发现光响应可以是增益的，也可以是有损的，这取决于场偏振的手性、波传播的方向和静态偏置的方向。该工作为设计新的可调谐和有源器件提供了增益可由波的极化控制的灵活选择，并将石墨烯摩尔纹晶格确定为观察晶体管类电光效应的有希望平台。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.076901
新型高热导率红外非线性光学材料的无偏筛选：长期忽略的氮化物和常见的硫化合物
传统的红外（IR）非线性光学（NLO）材料，如AgGaS2，对固态激光器的关键器件至关重要，然而，低激光损伤阈值本质上阻碍了它们的实际应用。在此，我们提出了一个强有力的策略，对超过14万种材料进行无偏见的高通量筛选，以探索具有高热导率和宽带隙的新型红外NLO材料，这对激光损伤阈值至关重要。通过我们的策略，筛选出106种具有理想带隙、NLO系数和热导率的化合物，包括8种氮化物和68种卤化物，其中合成了Sr2SnS4以验证我们工艺的可靠性。值得注意的是，氮化物的热导率远远高于致癌物，例如ZrZnN2的热导率为AgGaS2（5.13 W/m-K）的五倍，表明氮化物可能是一个长期被忽视的红外NLO材料体系。这一策略为寻找具有高热导率的NLO化合物提供了一个强有力的工具。
近期，中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员、杨志华研究员团队提出了一种对超过 140000 种材料进行无偏高通量筛选以探索具有高导热性和宽带隙的新型红外非线性光学（IR NLO）材料的策略，并合成了 Sr2SnS4 来验证该策略的可靠性。该策略为寻找具有高导热性的 NLO 化合物提供了强大的助力。此外，氮化物的热导率远高于硫属化合物，这表明氮化物可能是一个长期被忽视的 IR NLO 材料体系。相关研究成果以“Unbiased screening of novel infrared nonlinear optical materials with high thermal conductivity: long-neglected nitrides and popular chalcogenides”为题发表在Angewandte Chemie上。 （郑佳慧）
文章链接：
DOI: 10.1002/anie.202300581
动量空间中的谷为操纵粒子提供了一个额外的自由度(DOF)，除电子系统外，谷自由度已成功扩展到光学、声学和弹性波等经典波系统。弹性波拓扑边界态（ETES）的弹性谷伪自旋向上(或向下)态可以用有效狄拉克哈密顿量进行数学描述。然而，伪自旋无法描述有限非齐次区域中包含丰富信息的详细性质，在给定的位置上，需要一个具有可测量效果的局部真实物理量来帮助人们识别或操纵ETES。
经典波中的自旋角动量(简称自旋)在拓扑和单向输运中起着重要作用，例如，弹性自旋证明了传统半无限介质中瑞利波的局部手性锁定机制。弹性自旋不同于伪自旋，伪自旋不是自旋角动量，而是在各种体系中表现出一种SU(2)类自旋的数学结构。伪自旋没有角动量的单位，而是一个无量纲的量。相反，弹性自旋是SO(3)结构的角动量等真实物理量，它不依赖于SU(2)数学结构的抽象模拟。因此，一方面，尽管人们普遍认为伪自旋动量锁定对ETES至关重要，但在拓扑弹性超材料中，真实的局部弹性自旋与不同位置的方向性锁定尚未被发现。另一方面，尽管弹性自旋可以揭示三维复杂结构中更多的局域物理，但迄今为止，将弹性自旋应用于拓扑超材料的研究尚属空白，更不用说谷弹性超材料了。
近日，同济大学的仲政教授团队和任捷教授团队基于谷自由度构造了拓扑声子晶体(PC)板，并在具有相反谷霍尔相的PC板之间生成了ETES。特别地，作者将弹性自旋引入谷PC板，并展示了谷超材料的局部弹性自旋动量锁定机制。根据PC板中边界态的自旋分布和亚尺度元源的位置，观测了波的单向传播。边界态内的自旋密度方向可以为选择性手性操作提供明确的指导。相关工作发表在《arXiv》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36936-9
卤化物钙钛矿CsPbBr3中声子驱动的层内激子拉比振荡
通过外部光学腔中的共振光场将电磁辐射与物质耦合，可以在不改变材料成分和晶体结构的条件下，在纳米尺度上调控功能材料的光电性质。在卤化物钙钛矿（HaPs）中，电子激发与柔性极性晶格振动模式的相互作用对其独特的光电和输运特性至关重要。然而，HaPs中电子-声子相互作用的基本原理目前仍存在争议。作为解释传统半导体的经典模型，Fröhlich模型将晶格视为可极化的介电连续体，描述了长程电子-声子相互作用，且被广泛用于解释时间分辨光谱的结果。该模型忽略了晶格的真实空间结构，因此不能用于短程相互作用，然而小极化子在二维HaPs等低维晶体中尤其重要。目前的实验大多是用电子-声子耦合的绝热处理来解释的，但原子模拟表明非绝热耦合也可能发挥重要作用，这对基本的Born-Oppenheimer近似是否足以解释HaPs的光电性质提出了质疑。
近日，德国奥尔登堡大学Christoph Lienau教授团队使用超快二维电子光谱技术（DES），结合非线性光学响应的模型，发现CsPbBr3单晶中绝热激子-声子耦合机制明显被破坏，与目前电子-声子耦合主流的绝热模型不符。该研究指出，不仅是外部的共振光场，相干晶格运动诱导的内部场也可以用于控制CsPbBr3卤化物钙钛矿晶体中的瞬态激子光学响应，这为提高功能材料的光电性能提供了一条新途径。相关工作发表在《Nature Communications》上。（侯玥盈）
文章链接：
Nguyen, X.T., Winte, K., Timmer, D.et al. Phonon-driven intra-exciton Rabi oscillations in CsPbBr3 halide perovskites. Nat Commun 14, 1047 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36654-2
热辐射不仅可以实现非接触式换热，还可以在真空中进行能量交换，例如被动辐射冷却、太阳能热光伏能量转换和白炽灯等等，其中近场光子学的发展为增强辐射冷却、热光伏能量转换以及热成像技术提供了新的可能性。目前对材料热发射的研究大多数基于无源系统，最近的工作指出了有源系统中的新效应，例如可以将折射率调制成具有时间相关性，被用于两个光学共振态之间的能量转移，并实现远场状态下的主动冷却。传统的热发射器可以近似看成黑体，因此辐射电磁场在远场体系中是非相干的，但在近场条件下，已经有较多理论工作及实验现象证明了在贵金属或极性材料构成的平面结构中近场热辐射的相干性，这种相干性的增强是由于表面等离激元或声子极化激元共振所引起，进一步可以将增强的相干性转移至远场，导致来自热源的电磁波相干发射，然而目前关于热辐射相干特性的研究大多数集中于主动系统。
近日，斯坦福大学范汕洄课题组证明了时间调制有源系统中热辐射的空间相干性，研究了介电常数调制下介电薄膜热发射电磁场的近场相干特性。研究表明由于时间调制引起的相干转移，在远离表面等离激元共振频率处也可以观察到较强得相干性。空间相干性可以在不同频率之间传递，使得不同频率分量之间的相关性成为可能，此外还发现在这种具备时间调制结构附近，光发射器的衰减率同样可以被调控。该工作在热辐射相干调控、动态热成像、光热发射器间的能量传递控制、高效的近场辐射冷却等领域中具有重大意义，相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：R. W. Yu and S. H. Fan. Manipulating Coherence of Near-Field Thermal Radiation in Time-Modulated Systems. Phys. Rev. Lett. 130, 096902 (2023)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.096902
负泊松比（拉胀）力学超构材料具有优异的抗压痕性、能量吸收和波衰减性能，但绝大多数负泊松比力学超构材料都有一个重要的局限性：一旦被制造出来就很难在不重建系统的情况下改变其机械特性。这反过来削弱了它们在需要材料的可变响应的领域中的适用性。这一缺点可以通过使用刺激响应结构形式的主动力学超构材料来解决。主动力学超构材料是一种可以根据外部刺激的应用表现出可调谐力学行为的结构。尽管在这方面取得了一些显著的成就，但致力于主动力学超构材料的研究仍处于起步阶段，需要更深入的分析来充分利用其潜力。
近日，法国勃艮第大学M. Kadic团队提出了一种新的力学超构材料，它可以以两种不同构型的形式定义。所考虑的结构可以从一种构型过渡到另一种构型，在此期间泊松比变化非常显著；无需重新构建系统。即从具有正泊松比的结构到强负泊松比的结构，反之亦然。此外，还表明可以通过改变系统的构型来实现对声子带隙形成的控制。最后，证明了所考虑系统的所有构型在微观尺度上都是可实现的，实验测试证明了通过使用外部磁场实现结构重构的可能性。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
K. K. Dudek, J. A. I. Martinez, G. Ulliac, et al. Micro-Scale Mechanical Metamaterial with a Controllable Transition in the Poisson's Ratio and Band Gap Formation[J]. Adv Mater, 2023: e2210993.
https://doi.org/10.1002/adma.202210993
随着数字计算和制造技术的进步，通过利用周期性结构形式的不均匀性，力学超构材料的研究获得了前所未有的性能。其结果是超构材料的激增，最近又出现了非周期异质超构材料系统（超结构）。这代表了超构材料从具有独特性能的材料向具有更复杂、类似机器功能的系统进化的开端。为了更好地理解力学超构材料和超结构类中这种广泛和不断增长的物种之间的基本特征和关系，需要一个侧重于功能的分类方案。周期和非周期超构材料系统都可以抽象为通过对给定的机械输入执行指定的转换来产生所需输出的机构。
近日，墨尔本大学工程学院R. Das团队提出了一种基于变换的方案对力学超构材料进行分类，其重点是具有形变输出的变换。文章讨论了柔性结构及其几何变换。柔顺超原子提供了广泛的变形映射，可用于多种应用，包括形状移动和拟合、能量耗散、可展开设备或边缘检测。当这些超原子组装成系统时，它们在多功能超结构、超构材料机构和机器人超构材料或超构材料器件的发展中具有重大作用。接下来，概述了目前可用于实现不同变换的机构类型、与特定类型几何地图相关的构建块以及运动和力传递背后的工作原理。与经典机构一样，超构材料系统中不同的单胞可以建模为在运动中施加约束的连杆和运动副的排列。因此，所涵盖的文献展示了使用类似的简化模型分析的超构材料和超结构的力学。最后，展望部分讨论了基于变换的力学超构材料和超结构目前面临的挑战和可能的未来。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
文章链接：
S. E. Rodriguez, E. P. Calius, A. Khatibi, et al. Mechanical metamaterial systems as transformation mechanisms[J]. Extreme Mechanics Letters, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2023.101985
机器抓手在机器人体系中占据非常重要的地位，其中自适应式软抓手不仅可以抓取脆性大和易变形的物体，还能与人类和环境进行安全的互动。在不设置复杂的控制系统时，自适应抓手的应用更为广阔。然而，现有的软机器人抓取器需要一个很大的工作空间来驱动手指在目标物体周围弯曲，较难处理外界的不确定因素，这限制了它们在复杂环境中的功效。
近日，伍斯特理工学院Cagdas D. Onal教授团队设计了一种于手指弯曲方向显示负刚度的软机器人夹持器。研究人员利用了一种锥形的柔顺机制，使得横向的外部接触力会导致手指向接触点弯曲，即使在复杂的环境中也能实现被动的自适应抓取。通过分析和实验表明，所提出的结构具有负弯曲响应，可适应于不同尺寸的物体。此工作还演示了该软机器人抓取器，执行以下操作:(1)指尖抓取；(2)动力抓取；(3)杂波中半被动抓取。实验结果表明，自适应结构能够平滑地包裹住不同尺寸的对象，在实验中表现了100%的抓取成功率，且能够在不干扰目标附近物体的情况下拾取复杂和未知的样品，这一过程不需要复杂的抓取算法。相关成果以'A Passively Conforming Soft Robotic Gripper with Three-Dimensional Negative Bending Stiffness Fingers'为题发布在《Soft Robotics》上。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1089/soro.2021.0200
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
