超材料前沿研究一周精选 2022年12月1日-2022年12月4日

索引：

1.全自由度空间光调制器

2.具有最大拓扑荷的外尔点的观测

3.连续域束缚态动量空间拓扑涡旋的光自旋霍尔效应

4.WSe₂/WS₂ Moiré异质结的声子谱位移和巨大共振拉曼增强

5.分层结构的仿生纳米复合材料

6.自旋轨道转矩开关的时域探测

7.面向小型软体机器人的制造与功能集成技术

可编程光学变换在科学和工程中具有十分重要意义，从天文学和神经科学中的自适应光学到机器学习和量子计算中的动态矩阵运算。尽管如此，多模光场（空间光调制器（SLM）的中心目标）的高分辨率操纵仍然是一个巨大的挑战。具体而言，基于液晶或微镜的SLMs、光学相控阵和有源超表面的有限调制带宽和/或像素密度阻止了对它们调谐的光场的完全控制。

近日，美国麻省理工学院Dirk R. Englund等人通过四个关键性进展实现的可编程光子晶体腔阵列解决了这一挑战：（1）通过反向设计将近单位垂直耦合到高精细度微腔；（2）通过优化300 mm全晶圆加工实现可扩展制造；（3）使用自动闭环“全息微调”的皮米级精确共振对准；（4）通过高速μLED阵列进行面外腔控制。研究人员展示了具有纳秒级和飞焦耳级开关的64个谐振器二维空间光调制器的近乎完全的时空控制。同时在空间-带宽和时间-带宽极限附近操作波长尺度模式。下图为光子晶体空间光调制器（PhC SLM）的具体实现原理。相干信号光被半导体板（介电常数ε）反射，该半导体板包含具有瞬时谐振频率ω₀+Δ_mn(t)的半导体光子晶体（PhC）腔的2D阵列。成像在腔阵列上的短波非相干控制平面控制每个谐振器的失谐。研究人员通过设计腔的耦合机制和相关的复反射率r(Δ)，所得到的线宽阶次失谐实现了相位主导、幅度主导或耦合的幅度-相位调制，自由载流子吸收可忽略不计。因此，自由载流子色散可以将非相干控制光快速(在纳秒级自由载流子寿命条件下>100 MHz)、低能量(fj级)转换为相干调制信号模式的密集阵列。这项工作在多模光学的控制极限上开启了可编程的先河。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）

文章链接：

Christopher L. Panuski et al. A full degree-of-freedom spatiotemporal light modulator. Nature Photonics(2022).

A full degree-of-freedom spatiotemporal light modulator.

在凝聚态和其他材料领域中有一个长期存在的范式，即某些能带简并点附近的低能激发为模拟高能物理学中最初预测的外来粒子提供了一个平台，比如三维能带中的Weyl点代表了在晶体环境中的外尔粒子，尽管这在高能物理学中的类似存在仍然是假设的。晶体中的外尔点携带定量的手性拓扑荷并且可以用陈数来表示，此时系统表现出拓扑保护的螺旋状表面态，这在表面的布里渊区形成了费米弧。一般来说外尔粒子携带一个单位的手性拓扑荷(陈数为1)。并且传统的外尔粒子的自旋为1/2，这符合外尔点的双重简并度，而非常规的外尔粒子在三维晶体中可以出现在多重能带简并附近，并且具有更高自旋度。比如发现的自旋为1的拓扑粒子是在三重能带简并附近形成的并且具有两个单位手性拓扑荷(陈数为2)。与此同时，最近的研究表明这种高自旋拓扑粒子所能携带的最大手性电荷上限为4(陈数为4)。并且在带有强自旋轨道耦合的钯镓(PdGa)晶体中已经证实了具有自旋为3/2的拓扑粒子具有能带四重简并的陈数为4的外尔点。然而，自旋1/2的外尔粒子的手性电荷是否存在这样的上限尚不清楚。但是我们知道，合并两个或两个以上带单位电荷的外尔粒子能够产生携带更大拓扑荷的新粒子。例如，在具有C4或C3对称性的晶体中形成的一个拓扑荷为2外尔粒子可以被视为两个电荷为1外尔粒子合并在一起，并且电荷为1的外尔点从线性色散变为二次曲线色散，合并得来的陈数为2的外尔粒子系统支持双螺旋体的表面态。直到最近人们才意识到外尔粒子的电荷确实存在一个上限。在详尽地研究了所有可能的对称群后，有研究人员指出一个双重的外尔点可以最大限度地容纳4个单位的拓扑荷，并且具有四重螺旋体表面态。并且与之前提到的同样带有4个单位的拓扑荷并且需要带有强自旋轨道耦合的钯镓(PdGa)晶体不同，这种带有4个单位拓扑荷的自旋为1/2的外尔粒子只能出现在没有自旋轨道耦合的晶体中。

近日，来自浙江大学的杨怡豪，陈红胜课题组与新加坡南洋理工大学的张柏乐课题组以及北京理工大学的余智明等研究人员在三维光子晶体中实验证明了这种拓扑荷为4的外尔粒子的存在。除了具有最大拓扑荷的外尔点之外，设计的光子晶体还拥有一系列其他的拓扑节点，包括多个拓扑荷为1的外尔点、多个拓扑荷为2的外尔点以及一个拓扑荷为2的三重简并点。并且通过微波泵浦探针光谱，绘制出由最大拓扑荷的外尔点所产生的拓扑表面态投影的四重螺旋形费米弧，这也验证了新发现的外尔点的拓扑电荷确实是4。值得注意的是，四重费米弧围绕在布里渊区环面表面形成双重环其特征是两个绕数，这是以前未被识别的等频轮廓线。与此同时，螺旋形费米弧表现出II型范霍夫奇点并且可以驻留在任意动量。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(张晓萌)

文章链接：

Qiaolu Chen et al. Discovery of a maximally charged Weyl point. Nature Communications (2022) 13:7359

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34978-z

光子晶体平板中的连续域束缚态(BIC)已经被发现是动量空间中的一种拓扑缺陷，已经受到广泛关注和研究。在BICs周围，辐射模的极化态(SOPs)在动量空间中形成涡旋,而作为涡旋奇点，每个BIC都携带一个拓扑荷，可以通过BIC周围的卷绕数来表征。动量空间中许多与BIC相关的拓扑性质已经在各种研究中被报道，例如拓扑荷的动量-空间动态演化,在超高Q腔中有各种应用,单向辐射,零折射率材料,涡旋激光器等。此外，最近的研究表明，BIC附近的拓扑涡旋具有产生涡旋光束的能力。这一发现实现了光子晶体平板的动量-空间偏振涡旋向光束的相位涡旋的转变，表明拓扑涡旋可以在光子晶体板中提供一种新的自旋轨道相互作用(SOIs)形式。在光子晶体平板中，自旋轨道相互作用的效应出现在自由空间光与辐射模式之间的共振过程中，在这一点上BIC周围的拓扑涡旋可以提供新的自由度来操纵光的SOIs。在动量空间中偏振的各向异性可以通过模式转换引入强的自旋轨道耦合，光的一般自旋霍尔效应包括独立的横向光束位移,角偏转和近场传输。其中与自旋相关的光束位移在操纵自旋光方面具有潜在应用，吸引了人们的广泛关注。由于正常光学界面的自旋轨道耦合较弱导致位移通常较小，难以观测。最近，人们提出了一些增强自旋霍尔位移的方法，如使用超表面或近零折射率材料中的BIC态，而对于传统的自旋霍尔位移，位移方向是有限制的。

近日，来自复旦大学资剑,石磊教授课题组等研究人员从理论上提出并且从实验上实现了通过BIC附近的动量-空间拓扑涡旋在光子晶体板中的光自旋霍尔效应。利用BIC态周围的拓扑涡旋，诱导了光的强自旋轨道相互作用。在自旋光束中引入波矢量相关的Pancharatnam-Berry相位梯度和交叉偏振共振相位梯度，诱导光的强自旋轨道相互作用，导致了自旋相关的平面内倾斜的横向光束偏移。他们的工作揭示了BIC周围有趣的自旋相关拓扑效应，为BIC在集成自旋光学器件和信息处理中的应用开辟了道路。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（张晓萌）

文章链接：

Jiajun Wang et al. Spin Hall Effect of Light via Momentum-Space Topological Vortices around Bound States in the Continuum. PHYSICAL REVIEW LETTERS 129, 236101 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.236101

由于受到尺寸效应影响。二维层状材料表现出独特的物理特性，例如石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDs)等，均表现出与体块材料截然不同的载流子行为及光学调控现象。另外，二维材料形成的异质结还具备多种多样的调控手段，例如光致载流子迁移、离子注入、施加外电场等方法，这使得二维材料成为研究层间耦合作用的理想平台。其中，通过机械堆叠或化学气相沉积法可以制备出具有层间扭转角的TMD范德华异质结构，其被称为Moiré超晶格，由于两种二维材料层间相对旋转改变了层间的范德华相互作用，其电子和光子的输运性质发生巨大变化，这为在原子极限上调整材料特性提供了全新维度。

近日，澳大利亚国立大学卢岳瑞教授研究团队利用机械剥离转移方法制备了具有层间扭转角的WS₂/WSe₂异质结，结合拉曼光谱精确测量到高频声子模态发生了5 ~ 6波数的异常蓝移，并且还发现了WSe₂的面内模态线宽随扭转角的增大而减小，这是Moiré结构异应变以及界面上原子重建造成的。单层结构的一阶线性系数与晶格的非谐性声子-声子散射及晶格热膨胀有关，而双层扭角异质结构中声子模态的一阶线性系数显著增加，并且具备明显的扭角依赖性，通过调整扭转角以及改变温度的手段，拉曼共振强度可以被提高约50倍。该工作通过改变温度和相对扭转角度来调制共振，证明了层间扭转方法对二维异质结构声子动力学的影响，促进了对Moiré超晶格结构和光学性质调控的全面理解。相关工作发表在《ACS Nano》上。（袁铭谦）

文章链接：

S. Rahman, X. Q. Sun, Y. Zhu, et al. Extraordinary Phonon Displacement and Giant Resonance Raman Enhancement in WSe₂/WS₂Moiré Heterostructures. ACS Nano ASAP (2022).

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10092

数百万年的进化中自然界掌握了层级多功能材料的制造，并在许多方面超过了合成材料。在环境作用下，利用小的构建块之间多样的基本分子相互作用，取得了惊人的结果。特别是具有独特而有时相互矛盾的性能，如高强度和韧性相结合的多层分级结构的演化发展，为现代材料工程提供了巨大的启发。在合成复合材料中模仿自然界的层级微结构可以产生更耐损伤的结构，一些仿生材料已经在各种应用中实现。然而，仿生结构的工程化面临着许多挑战，包括在分层结构的每层内实现分子尺度的精度，软硬结构单元之间的结构耦合，在保持机械完整性的同时实现其他功能特性的良好平衡，以及快速和大规模生产的能力。在植物和生物体中发现的多功能多层结构材料包括纤维素、角蛋白和蚕丝。这些复杂系统是在自然界中大规模生产的，在包括水环境和环境温度在内的高度可持续的条件下使用相对简单的构建块和成分进行设计。角蛋白是许多天然结构的关键成分，存在于头发、角和蹄中的一种结构蛋白，在多种脊椎动物的外骨骼中作为一种坚固而柔软的材料。动物的外骨骼表现出多种功能：自卫、通信、传感和温度调节，尽管每个过程都使用复杂的层次结构和组成梯度所促成的不同机制。阐明这类复杂结构的潜在机制和相关功能仍然是科学界面临的巨大挑战。理解设计原理为在增强机械完整性的同时将光子学和变形等各种功能纳入合成系统提供了机会。利用人工智能中的机会，还可以通过合成和表征中的交互、实时反馈来加速“模仿自然的设计原则”的目标。

近日，美国空军研究实验室Dhriti Nepal、美国佐治亚理工学院Vladimir V. Tsukruk和美国科罗拉多大学Hendrik Heinz团队基于在自然界中发现的结构-功能原型和最近的研究，重点介绍了仿生纳米复合材料的最新发展和概念，强调通过对结构、界面相和限域的定制来实现动态和协同响应。文章突出了基于在环境条件下水环境中产生的相对简单的建筑块的具有独特力学性能组合的天然材料的基础实例。一个特别的重点是跨越多个尺度的结构层次，以实现多功能和鲁棒性。接着，进一步讨论了结合生物和合成成分、最先进的表征和建模方法的最新进展、趋势和新出现的机会，以评估自然启发设计和多尺度力学响应的物理原理。这些多学科方法促进了单个材料性能的协同增强，并在多尺度上对结构材料的下一个时代进行了改进的预测和规范设计，以实现广泛的应用。相关研究发表在《Nature Materials》上。（徐锐）

文章链接：

D. Nepal, S. Kang, K. M. Adstedt, et al. Hierarchically structured bioinspired nanocomposites[J]. Nature Materials, 2022.

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01384-1

基于自旋轨道力矩(SOTs)的自旋电子器件可用于开发高效低耗的非易失性存储器件，最初的SOT器件异质结由重金属/铁磁体(FM)/氧化物组成，而在最近被广泛研究的FM/反铁磁体(AFM)异质结构中，不仅可以通过交换偏置效应诱导内部有效磁场来实现无场SOT，还可以通过SOT开关操纵AFM层自旋。FM层的磁翻转伴随交换偏置的切换，对发展抗磁场的鲁棒磁化开关具有重要意义。在亚纳秒的时间尺度上，由SOT驱动的电流感应磁化开关还可用于制造快速、低功率的自旋电子器件，其中铁磁体/反铁磁体交换偏置结构中开关的时间分辨检测和分析是设计高速自旋轨道转矩器件的关键，但目前对该领域的研究还很有限。

近日，德国慕尼黑工业大学Christian H. Back与合作者们研究了由SOT诱导Pt/Co/IrMn异质结构的亚纳秒尺度磁化及交换偏置开关，结合时域磁光克尔(TR-MOKE)系统，发现可以利用纳秒电流脉冲切换异质结的磁化和交换偏置。此外该工作还实现了利用电流诱导SOT对AFM层自旋的高效和超快操作，从而可以通过改变外部磁场、电流密度和电流脉冲长度等多维度灵活调控开关行为。该工作研究了SOT切换过程中的自旋动力学行为，有助于基于反铁磁材料的超快低耗自旋电子器件的设计开发。相关工作发表在《Nature Electronics》上。（袁铭谦）

文章链接：

Y. Wang, T. Taniguchi, P. H. Lin, et al. Time-resolved detection of spin–orbit torque switching of magnetization and exchange bias. Nat. Electron. (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00870-3

软体机器人凭借柔顺的身体和结构，广泛应用于包括工业制造在内的各个领域，并由此孕育了一个新的交叉领域。在过去的几十年中，从简单的气动抓手到复杂的机器人系统，随着软材料、柔顺结构和相应的制造方法的发展，软体机器人已经经历了几代的发展。与其他软体机器人相比，毫米至厘米级的小型软体机器人，由于其小型化的柔顺结构提供了可在一定功率水平下有效驱动的可调节体积，对于有限的空间分配或困难/危险的可接近场景是最有效的。然而，由于体积非常有限，在不影响其功能结构的情况下，在小尺寸软体上同时实现鲁棒的功率驱动模块在技术上具有挑战性。因此，在受限的本征柔软和可拉伸体中，特别是在连续大变形中，协同设计结构和驱动以实现后续的实施/制造是必要的，但也是具有挑战性的。所提出的实现方法能够实现新颖的复合材料合成、软体模块成形和柔顺机构变形，为小型软体机器人的基础制造和集成技术提供了大量的设计原则。然而，基于这些材料和结构基础，提高软体机器人的有效性是研究人员必须解决的关键问题。通过增强电、光、磁、机械和热响应单元/模块的多样性，可以赋予小型软体机器人更多的功能。然而，在小型软体机器人中集成更多的主动和被动功能模块，以增强其能力和提高其智能水平是具有挑战性的，因为与大型软体机器人相比，在有限的体积内集成更多的功能芯片是不可能的。因此，在制造和集成策略方面的技术进步是非常必要的。

近日，华中科技大学吴志刚教授和丁汉教授团队综述了小型软体机器人的软体和功能模块的制造与集成技术。基于各种制造技术，不仅驱动结构随着结构复杂性的增加而发展，而且越来越多的功能集成在表面或软体上。然而，小型软体机器人在设计和制造过程中存在一些关键因素，从材料、结构、驱动、功能和智能五个方面进行分类讨论。此外，基于这五个因素，将对软体驱动的常见和潜在的制造方法和策略进行回顾和讨论。进一步强调了几种结构、驱动和传感部分的集成制造方法，这些方法可以有效地集成功能，从而提高小型软体机器人的智能性。最后，对未来小型软体机器人及其在潜在工作领域的应用前景进行了展望。相关研究发表在《Advanced Materials》上。(徐锐)

文章链接：

S. Zhang, X. Ke, Q. Jiang, et al. Fabrication and Functionality Integration Technologies for Small-scale Soft Robots[J]. Adv Mater, 2022: e2200671.

https://doi.org/10.1002/adma.202200671

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