今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及光机械微谐振器中连续域束缚态的观测，磁热机械可重编程力学超构材料和超宽带纳米线超材料吸收体等，敬请期待！
索引：
1.光机械微谐振器中连续域束缚态的观测
2.超宽带纳米线超材料吸收体
3.磁热机械可重编程力学超构材料
4.二维Su-Schrieffer-Heeger模型的狄拉克电子态观测
5.大尺寸WSe2/BiFeO3异质结中的巨大铁电门控效应
6.压力诱导氧化铜的室温Ⅱ型多铁相
7.基于双稳态突跳的高速、高效软体机器鱼
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光机械微谐振器中连续域束缚态的观测
微机械和纳米机械谐振器具有非常小的质量，可以与光和物质强耦合，已被探索用于精确测量，如质量和力传感，并用于研究宏观量子物理。减少机械耗散对这些应用是至关重要的，从而提高性能。减少耗散损失的传统观点是，通过构建具有不同材料或周期结构的深能量势，将其本征模从有损模的连续域中分离出来。对于另一种类型的非周期性的单个谐振器，这时不能应用带隙屏蔽策略，减少耗散损失依赖于最小化它们的支撑结构，但是这增加了器件制造的难度，并对其应用领域进行了限制。近些年来，连续域束缚态(BIC)得到人们广泛关注，BIC是辐射态中的奇异值,尽管在背景中存在着可以耦合的辐射通道,其能量依然束缚在波导内。连续域束缚态的这种特殊性质使其在谐振器、激光器和滤波器的设计中具有良好的应用前景，如低阈值激光，超灵敏传感和涡旋光束产生。到目前为止，大多数在光学和力学中的实验演示都是基于具有一定对称性的周期结构,这些设备通常具有较大的占用空间导致这对它们的应用场景设置了限制，并且与基于周期结构的器件相比，非周期单个光学和机械谐振器更容易在微/纳米尺度上具有具有强模态强度的场束缚效应，从而在精密计量和宏观量子物理研究中得到了一系列的应用，这在单个光学和声学谐振器中已经被证明。然而，在单个机械谐振器中进行BICs的实验演示仍然少有提及。
近日，来自香港中文大学的Yue Yu等通过实验展示了在光机械微谐振器中的BICs。通过打破方位角对称，我们引入在轮状结构中径向轮廓模式和酒杯模式之间的耦合，以获得两种模式的能量耗散之间的破坏性干涉，从而在Friedrich–Wintgen条件下产生机械BIC。通过对真空器件的光力学测量，实验验证其BIC态的存在。与需要一定对称性的传统BIC相比，该BIC是通过对称性破缺构造高Q值微机械谐振器的新范式。相关研究工作发表在《Light :Science&Applications》上。（张晓萌）
文章链接：
Yu, Y., Xi, X. & Sun, X. Observation of mechanical bound states in the continuum in an optomechanical microresonator. Light Sci Appl 11, 328 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00971-w
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超宽带纳米线超材料吸收体
工作在不同波长的电磁波吸收器对于光化学、光伏、太阳能热光伏（STPV）、辐射冷却和光电探测等众多应用非常重要。超材料是由人工设计的亚波长单元构建的，显示出天然材料中不具备的独特光学特性，已被广泛用于完美的吸收器。超材料吸收体可分为宽带和窄带。宽带超材料吸收体可以在大带宽上保持高光吸收，对于光伏、光电探测器、太阳能蒸汽发电和机械共振操纵等应用至关重要。科研人员已经提出了用于宽带光吸收的各种超结构，包括金属光栅、纳米颗粒、光子晶体、空腔和碳基材料。到目前为止，科研人员已经为拓宽超材料吸收体的波长范围做出了巨大的努力。最直接的方法是耦合多个尺寸的金属谐振器，通过用系统中耦合的不同谐振覆盖电磁频谱来实现宽带吸收。虽然通过改变结构参数可以很容易地调整吸收带宽，但在单元中集成多谐振器大大增加了结构的尺寸。此外，相关报道的结构中很少有能够同时在从可见光到中红外的整个范围内实现宽带吸收的。
近日，成都信息工程大学光电工程学院余鹏等人提出了一种超宽带纳米线超材料吸收体，该吸收体由具有同轴金属环的垂直排列的介电纳米线阵列组成。由于法布里-珀罗类谐振器中间隙表面等离激元模式的激发，吸收体在0.2至7 μm范围内表现出强吸收，平均吸收率大于91%。此外，可以添加耐火电介质包层以提高吸收器的热稳定性，该包层对其吸收性能的影响可以忽略不计。该团队所提出的吸收器在太阳能收集、辐射冷却、红外成像和光谱学、图像检测器和光电器件方面具有潜在的应用。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）
文章链接：
Baoqing Wang,et al. Ultra-broadband nanowire metamaterial absorber. Photonics Research(2022).
https://doi.org/10.1364/PRJ.473332.
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磁热机械可重编程力学超构材料
用于可重构结构的主动超构材料应具有快速的形状锁定、无系留、可逆和可重编程（多模态）转换能力。具有可重编程性的多模态变形对未来的机器人物质具有重要意义，因为它具有单一材料系统对多输入的适应能力。磁控主动超构材料在磁场作用下，通过磁性粒子在弹性体中的微旋转实现多模态变形，具有很大的可重构潜力。具有快速、远程控制的特点，对未来的主动超构材料有独特的优势。然而，由于缺乏形状保持，在可调结构应用中必须施加外部磁场来保持变形结构的形状，一旦磁场去除，结构就会恢复原来的形状。对于形状锁定，形状记忆聚合物（SMPs）的热机械控制比其他触发方法具有显著的优势。SMPs分子随着外界热量的去除而凝固。结合SMPs和磁性粒子实现可逆和形状锁定转换。SMPs的形状锁定特性可以解决去除外界刺激恢复形状变形的问题。然而，SMPs本身的不可逆性可能会限制其作为主动超构材料的可重构性。
近日，上海交通大学密西根学院Jaehyung Ju教授通过引入磁热机械触发驱动，以克服系留问题，避免了额外的高热功率和重新编程的延长时间的需要。该方法以完全非接触触发的方式将局部磁力矩与形状记忆聚合物晶格结构的预应力耦合，最终提供了具有形状锁定的晶格结构的无约束和可逆变形。另外，还提出了一种新的主动结构材料的重编程策略，通过耦合磁矩的不对称排列与结构的不稳定性，这不需要额外的能量来重编程。局部磁力矩和热机械力的大小和方向，由相互作用的弯曲力学，反向刚度，不稳定性和非对称磁化构想，使复杂但多功能的转变。这种方法可以为主动超构材料、灵活的软体机器人、多模态变形结构和机械计算设备开辟一条新的道路，以可逆和可编程的方式设计它们。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
B. Zou, Z. Liang, D. Zhong, et al. Magneto‐thermomechanically reprogrammable mechanical metamaterials[J]. Advanced Materials, 2022.
https://doi.org/10.1002/adma.202207349
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二维Su-Schrieffer-Heeger模型的狄拉克电子态观测
石墨烯的发现激发了人们对寻找具有狄拉克锥的拓扑材料的研究兴趣，在Dirac材料中，价带和导带在动量空间的离散点上接触，并且能带的简并受到对称性的保护，如时间反演对称性和镜像对称。狄拉克材料的拓扑能带结构可以产生各种奇特的性质，比如半整数量子霍尔效应和 Klein隧穿等。与三维Dirac材料相比，二维Dirac材料由于缺乏可实现的二维材料而相对稀少,此外，大多数实验实现的二维狄拉克材料都是六边形对称的，如石墨烯和硅烯,在矩形或正方形晶格中狄拉克态相对少见。另一方面，打破某些对称性可以打开狄拉克锥，从而产生具有导电边界态的拓扑绝缘态。实现拓扑状态的一个典型模型是Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型，该模型最初被提出用于描述一维二聚晶格中的无自旋电子跳变。并且随着研究的深入，一维SSH模型已被扩展到二维方格晶格中，在二维的SSH模型中，当电子跳跃是均匀相同的时候，在M点处存在一个无能隙的狄拉克锥，假设跳变振幅在一个方向上交替，而在另一个方向上保持不变。在这种情况下，在另一个方向上应用交错势可以让狄拉克锥打开能隙。在实验上，二维SSH模型已经在包括光子晶体/声学晶格和电路系统中实现然而，在凝聚态系统中，具有二维SSH模型的材料仍然缺乏。
近日，来自中国科学院物理研究所Daiyu Geng等证明了狄拉克电子态可以在矩形硅晶格中实现，并且该系统的拓扑性质可以用二维SSH模型来描述。通过硅在银上的外延生长，可以合成矩形硅晶格。以往对该系统的研究主要集中于扫描隧道显微镜（STM）和表面X射线衍射的结构表征，而对其电子结构的研究仍然缺乏。而该文通过第一性原理计算和紧束缚分析，系统地研究了矩形硅晶格的原子和电子结构，并且发现通过ARPES测量证明了在硅晶格的每个M点上都存在一个有能隙的狄拉克锥,并且和第一性原理计算的结果一致。.除此之外，在基于二维SSH模型的紧束缚分析表明，狄拉克锥的间隙是由一个方向的键长的变化和另一个方向的势能的交错所驱动的。与此同时，拓扑边界态沿特定的边界存在，这表明该系统具有丰富的拓扑特性。该研究结果为探索二维SSH模型丰富的物理性质建立了一个理想的平台。相关研究发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
短文链接：
Geng, D., Zhou, H., Yue, S. et al. Observation of gapped Dirac cones in a two-dimensional Su-Schrieffer-Heeger lattice. Nat Commun 13, 7000 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34043-9
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大尺寸WSe2/BiFeO3异质结中的巨大铁电门控效应
近年来，基于拓扑绝缘体以及过渡金属二硫代化物(TMDs)异质结的研究，使微电子学和光电子学发生了革命性变化。例如，某些二维材料具有较高的带隙调控范围以及极高的载流子迁移率，与不同功能材料形成的异质结界面处会产生奇特的光、电、磁等效应。其中，二维TMD材料具有各向异性电输运、能带拓扑保护、长程自旋输运等特性，有望用于光电探测器、磁随机存储器等器件中，例如可以利用铁电材料极化调节TMD的电子输运等特性，开发铁电场效应晶体管等非易失性存储器件。由于受到机械转移方法的限制，大多数关于二维TMD材料的研究都集中在从大块样品剥离下来的微米大小的少层薄片上，即使已经通过优化生长条件及选择合适衬底的方式，实现了晶圆级TMD单晶薄膜的生长，但是宏观较大尺寸的二维材料在不同材料体系上的转移仍然具有挑战。
近日，法国巴黎萨克雷大学Manuel Bibes及其合作者提出了一种利用角度分辨光电子发射光谱(ARPES)直接观测铁电极化调控TMD电子能带结构的方法。分别使用分子束外延技术以及脉冲激光沉积技术生长出高质量WSe2及不同极化状态的BiFeO3(BFO)薄膜，再利用湿法转移将较大面积的少层WSe2转移到BFO薄膜上，结果发现当转移至不同极化方向BFO薄膜上时，不同厚度的WSe2均表现出明显的能带偏移，其中三层WSe2约为750 meV，这是由于TMD和铁电材料界面产生的偶极矩引起的。通过测量表面电势发现少层WSe2的功函数可以由铁电极化翻转调控，并产生类似电阻开关行为。该工作利用近邻效应极大调控界面的电子行为，为二维材料电学性质调控研究提供了指导意义，有望应用于非易失性电子存储器件中。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：
R. Salazar, S. Varotto, C. Vergnaud, et al. Nano Letters, Article ASAP (2022).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02448
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压力诱导氧化铜的室温Ⅱ型多铁相
磁电(ME)多铁材料同时具有磁电和铁电特性，因其显著的多物理场互相关现象而备受关注，特别是可用于开发具有ME读写操作的存储设备以及低功耗光学设备等。在Ⅰ型多铁材料中，铁电性和磁序在不同的温度下出现，而在Ⅱ型多铁材料中磁电有序会同时发生，此时的铁电极化是由磁序的反演对称性破缺引起的。然而，Ⅱ型多铁材料的临界温度TC远低于室温，通常低于100 K，最有前途的解决方案是通过加强磁超交换相互作用来提高TC，例如采用施加压力、应变或化学取代等方法改变晶体结构来实现。已有理论工作表明，通过施加压力调控超交换相互作用，二元氧化物CuO的居里温度可以提升至室温，然而到目前为止，还没有实验观测到其室温多铁性。
近日，日本国立材料科学研究所Noriki Terada及合作者通过中子衍射实验发现，CuO的相变温度随压强增大近似线性增加，在18.5 GPa的压力下，CuO的多铁相转变温度可以达到295 K。在密度泛函理论的基础上，利用超交换理论建立了自旋哈密顿量模型，通过计算发现CuO的AF2相变温度接近室温，与实验结果相符。该工作率先用实验验证了Ⅱ型多铁材料的室温多铁性，为磁电材料应用于存储和其他类型的多功能器件提供了指导意义。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：
N. Terada, D. D. Khalyavin, P. Manuel, et al. Room-Temperature Type-II Multiferroic Phase Induced by Pressure in Cupric Oxide. Phys. Rev. Lett. 129, 217601 (2022)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.217601
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基于双稳态突跳的高速、高效软体机器鱼
拍打运动是一种快速而节能的运动方式，在飞行和游泳，如鸟类，昆虫和海洋动物。它们利用弯曲或旋转的柔性机翼、鳍、身体或尾部，被动地提高推进效率，以节省能源。受这些飞人和游泳者的生物启发，人们创造了各种水中软体机器人。然而，它们的性能在速度U和推进效率方面都远远不能与海洋动物竞争。由于其柔软的身体和自然选择的狭窄设计空间的高推进效率，实现快速和高效的水下软体机器人并具有与生物机器人相当的性能仍然是一个巨大的挑战。为了应对这一挑战，我们利用双稳态柔性翅膀的突跳来放大软体拍翼游泳器的水体性能。突跳是一种快速运动，在自然界（如捕蝇草的快速闭合）和日常生活中（如弹跳玩具和发卡）经常可以看到。这些结构有两种稳定形状，即双稳态结构。它们可以在几十毫秒内从一个稳定的形状可逆地突跳另一个可逆的稳定形状，并在不消耗能量的情况下保持任一稳定状态。近年来，利用双稳定性来解决柔性机器人的顺应性问题，如响应慢和力小。双稳定性使软执行器能够快速响应，并通过突跳过程中的快速能量释放放大力。这对水中仿生软体机器人尤其有吸引力，因为通常需要相对较大的力来克服比在地面和空中高得多的水阻力。
近日，美国北卡罗来纳州立大学尹杰教授团队提出了一种由软弯曲作动器和预弯曲柔性翼组成的双稳态和多稳态软拍打驱动器的通用设计。软拍打驱动器的设计灵感来自于发卡的设计，它是通过在末端结合两条平行的翼框带，形成一对双稳态预弯曲柔性翼。被驱动的软体的微小屈曲可以驱动翅膀的被动拍动，以实现大幅度放大的拍动和旋转运动。通过实验表征、有限元模拟和理论建模相结合的方法，探讨了双稳态软启动器的一般设计原理和动态扑动性能。基于这些知识开发了利用双稳态和多稳态高速、高效和可操作性软体机器鱼。这种软拍打机器鱼与生物体具有相当高的性能。这种轻量级、蝶泳式软体机器鱼（2.8克）展现了创纪录的3.74体长/秒的速度（比报道的最快拍打式软泳快4.8倍）、高功率效率（0.2<St=0.25<0.4）、低能量消耗成本和高机动性（157°/秒的高转弯速度）。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Chi, Y. Hong, Y. Zhao, et al. Snapping for high-speed and high-efficient butterfly stroke–like soft swimmer[J]. Science Advances, 2022, 8: eadd3788.
https://doi.org/10.1126/sciadv.add3788
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