今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及二维范德华磁体自旋的全光学调控,基于能谷涡旋增强高效相移的超紧凑拓扑光学开关,超材料使GHz机械波的非对称负折射成为可能等，敬请期待！
索引：
1.二维范德华磁体自旋的全光学调控
2.基于能谷涡旋增强高效相移的超紧凑拓扑光学开关
3.通过双色两步吸收的光片3D微打印
4.超材料使GHz机械波的非对称负折射成为可能
5.深亚波长分米波等离子体谐振器实现无接触传感
6.自适应形态的多环境机器人
7.形变为具有仿珍珠层复合结构的3D曲面
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二维范德华磁体自旋的全光学调控
随着自旋电子学的发展，有望实现更加高效且低耗的信息存储器等电子器件，其中超快激光脉冲成为操纵电子自旋的最快、最节能的手段。利用超短激光脉冲实现超快退磁和全光开关(AOS)等效应，在超快时间尺度上的信息处理、物性调控等方面具有巨大潜力。二维(2D)范德华(vdW)磁体具备多自由度可控的激子特性，如过渡金属二硫代化合物具备与K谷激子相关的自旋依赖电荷转移特性，激子在谷之间的分布受激子产生的光偏振调控，其单分子层中的激子自旋谷极化可以持续几十皮秒到几十纳秒，并且还可以通过堆叠2D材料层，在实验中实现有效的自旋独立电荷转移，这些都为纳米尺度的磁性控制提供了新平台。
近日，英国埃克塞特大学Robert J. Hicken与其合作者利用激光诱导实现了对二维范德华铁磁CrI3磁畴的调控，并利用热退磁方法对单层CrI3的磁性进行单激光脉冲控制。此外，该工作将少层CrI3与WSe2单层相互堆叠结合形成范德华异质结，实现了全光调控，利用多个圆偏振或线偏振飞秒脉冲，切换异质结面外方向的磁化状态，而单脉冲可实现磁态的局域转换。研究发现AOS主要依赖于WSe2和CrI3之间的自旋依赖界面的电荷转移效应，由于电荷转移的时间尺度在几飞秒至几百飞秒之间，原则上可以在超快时间尺度上控制材料的磁性，该工作为未来二维范德华磁体光磁记录器件等技术的超快光学调控铺平了道路。相关工作发表在《Nature communications》上。（袁铭谦）
文章链接：
M. Da̧browski, S. Guo, M. Strungaru, et al. All-optical control of spin in a 2D van der Waals magnet. Nat. Commun. 13, 5976 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33343-4
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基于能谷涡旋增强高效相移的超紧凑拓扑光学开关
拓扑绝缘体是一种内部绝缘但沿其边缘或表面支持传导的材料，在光学领域的拓扑光学系统也被广泛研究，这些系统有希望克服制造误差带来的挑战，光的鲁棒传输已被广泛验证。尽管有许多不同的光学拓扑绝缘体平台，全介质的光学拓扑绝缘体由于其紧凑的结构和低损耗的光传输使其具有独特的优势。这其中能谷光子晶体(VPC)的功能器件作为未来应用的重要的候选者得到研究者的广泛关注。人们提出了各种基于能谷模态的拓扑器件，如拓扑激光器、拓扑光子路由器和功率分流器等。另一方面，对于调制和开关应用的功能器件，拓扑光电路的可调谐性是必不可少的。然而要实现一个小型化、损耗低的片上集成可调器件仍然是一个挑战。在传统的集成调谐方法中，基于热光(TO)调谐或电光(EO)调谐过程的移相器是片上光学电路中的关键器件，但是拓扑边界态的相移机制还没有得到深入研究。
近日，来自上海交通大学的Hongwei Wang等人研究了拓扑边界态的相移机制并且基于能谷光子晶体拓扑性质在通讯波段设计了超紧凑的热光调制的拓扑开关(TOTS)。并且发现利用能谷光子晶体结构形成的相位涡旋，拓扑边界模式在传播方向上的光程大约是条形波导常规光模式的两倍，并且实验结果表明相位调谐效率提高了1.57倍。利用拓扑波导的高效相移特性和尖角结构鲁棒性传输特性，设计了一种工作在通信波长的超紧凑热光拓扑开关(TOTS)。此外利用所提出的TOTS进行了高速信号传输实验，以证明高速数据的鲁棒性传输。该工作揭示的谷边缘态的相移机制在光通信、纳米光子学和量子信息处理等领域的拓扑功能器件等领域具有潜在应用。相关成果发表在《Light: Science & Applications》上。（张晓萌）
文章链接：
Hongwei Wang et al. Ultracompact topological photonic switch based on valley-vortex-enhanced high-efficiency phase shift. Light: Science & Applications (2022) 11:292
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00993-4
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通过双色两步吸收的光片3D微打印
三维(3D)增材制造的目的是制造复杂的3D(聚合物)零件，比成熟的技术(例如注塑)更灵活，精度更高，速度更快，成本更经济。如今，3D打印已经更加灵活，因为不需要铸件。尽管铸造的铣削已经达到微米级精度，但成形和减法制造工艺对3D打印中未面对的加工几何图形施加了约束。此外，3D打印早就达到了亚微米级，这在其他情况下是不容易实现的。然而，在注射成型中，通常每个零件的制造时间是几秒钟的量级。正如2018年关于3D增材制造的一篇综述中所强调的那样，目前的3D打印速度还有待大幅度提升。与成熟的投影微静电成像技术相比，有志于加快打印速度的新兴3D打印技术包括计算轴向光刻（CAL）、连续液界面加工（CLIP）、快速扫描多焦点多光子3D激光打印（MFMP-3DP）、飞秒投影双光子光刻（FP-TPL）。在所有这些方法中，液体光树脂在光的照射下固化。对于CAL，光树脂是通过单光子吸收固化的，即使用蓝光或紫外线，通过依次将光刻胶暴露在多个方向的预计算图像中。光树脂只在有足够剂量累积的地方固化。得到的最小体素体积大于5 × 105 μm3。使用CLIP，通过固化高吸收光树脂层来获得类似的体素体积，同样是通过单光子吸收。MFMP-3DP和FP-TPL，光通过双光子或多光子吸收。例如，在MFMP-3DLP中，以大约0.5 ms-1的聚焦速度并行扫描多达9个激光焦点。但是对于这两种方法，都需要笨重而昂贵的高功率飞秒激光器。
近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院应用物理研究所Vincent Hahn等人提出了一种方法，称之为光片3D激光显微打印。它结合了图像投影和基于双色两步吸收的AND型光学非线性特性。底光树脂由2,3-丁二酮作为光引发剂，(2,2,6,6四甲基哌啶1-基)氧基作为清除剂，双季戊四醇六丙烯酸酯作为多功能单体组成。采用波长为440 nm的连续波激光二极管进行投影，使用波长为660 nm的连续波激光进行光片的投影，最终在体素体积为0.55 μm3的情况下，获得了7 × 106个体积元/秒的峰值打印速率。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）
文章链接：
Vincent Hahn et al. Light-sheet 3D microprinting via two-colour two-step absorption. Nature Photonics(2022).
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01081-0.
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超材料使GHz机械波的非对称负折射成为可能
在不同材料界面处的波折射是一种基本而又基本的现象，它横跨多个科学领域——电磁学、气体和流体声学、固体力学，可能还包括物质波。在特定的情况下，主要是通过波长尺度以下的结构，即通过超材料方法，使波发生负折射，最终实现超透镜和变换光学。然而，目前已知的负折射系统是对称的，因为它们不能区分正入射角和负入射角。
近日，意大利纳米科学研究机构NEST的Simone Zanotto教授课题组利用具有非对称单元格的超材料，证明了上述对称性可以被打破，最终依赖于Bloch模等频曲线的特定形状。作者研究针对的是一种GHz频率下的机械超材料，该材料本身就是芯片级混合光机电器件等先进技术的基石。然而，这种现象是基于一般波动理论的概念，它适用于任何频率和任何类型的线性波的时间尺度，只要实现了适当的等频轮廓的整形。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33652-8
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深亚波长分米波等离子体谐振器实现无接触传感
电磁共振为生物医学传感提供了一种有效方式，传感信号来源于共振位移，共振位移与被测样品的介电常数变化近似成比例，与此同时辨别微量的生化物质与电磁波长有一定程度的负相关。因此光学微腔和表面等离子激元等光学谐振方法被广泛采用甚至可以实现单分子传感。微波谐振传感器具有对环境噪声的鲁棒性和模拟、数字电路的高度集成化等独特优势，在小型集成传感器中具有广阔的应用前景。微波共振传感技术已广泛应用于气体传感、溶液浓度传感和细菌传感等领域。微波共振传感的另一个引人注目的优点是可以实现非接触式传感，避免了对被测对象和传感芯片的耗损。这是由于与可见光波段相比，它的波长更长衰减更少;因此微波可以穿透人体或血管与被测生化量无接触地相互作用。然而，微波共振传感的检测极限尚且不能令人满意。瓶颈来自于固有的较长的波长，因此较低的区分能力，虽然波长较短的毫米波可以提高检测极限，但是较高的工作频率总是会增加难度和成本。仿表面等离激元(Spoof localized surface plasmons)带来了微波共振传感的另一种方法。通过人造金属结构构造有效的负介电常数，仿表面等离激元具有类似于光局域表面等离子激元(LSP)的强模态约束和高灵敏度。
近日,来自东南大学的崔铁军院士课题组提出利用仿表面等离激元(Spoof localized surface plasmons)设计微波频率谐振器，它是由两组阿基米德螺旋组成的单层结构。这个仿表面等离激元的谐振设计支持电单极子和磁偶极子的混合模式。将电磁模式压缩成直径小于自由空间波长四十分之一并且实验测得Q值为187。单层谐振腔的倏逝波使电磁谐振与被测样品充分相互作用，从而实现了非接触式的共振传感，成功检测出0.45umol的葡萄糖,这在微量生物医学传感方面具有潜在应用。相关成果发表在《Laser&Photonics Reviews》上。（张晓萌）
文章链接：
Xuanru Zhang et al. Contactless Glucose Sensing at Sub-Micromole Level Using a Deep-Subwavelength Decimeter-Wave Plasmonic Resonator. Laser Photonics Rev. 2022, 16, 2200221
DOI: 10.1002/lpor.202200221
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自适应形态的多环境机器人
随着移动机器人的普及，其涵盖了生态监测、仓库管理和极端环境探索等领域，甚至延伸到个人消费者的家庭。以上领域要求机器人跨越多种环境，这是传统机器人设计尚未解决的挑战。仿生设计以模仿动物的形态、推进机制和步态的方法，但失去了可用于超越动物性能的工程材料和机制的优势。还有为同一机器人的每个环境添加独特的推进机制，这可能导致能量效率低下。总的来说，主要的机器人设计策略倾向于不可变的结构和行为，导致系统无法实现跨环境的专业化。栖息在一个生态位的动物往往表现出特殊的身体布局和步态运动学，从而提高了在该生态位的运动效率，以牺牲在其他环境中的性能为代价。相反，两栖动物表现出固有的形态和步态上的折衷，使得它们在这两种环境中都只有适度的效率。环境专业化也适用于移动机器人，它们通常只在陆地或水中工作。能够在水生和陆地环境中导航的两栖机器人的引入有望推动生物监测、灾害响应和安全等多个领域的发展，或作为研究动物运动物理的代理。重要的是，两栖机器人为评估旨在实现高效、多环境机器人的设计范式提供了相关平台。
近日，美国耶鲁大学Rebecca Kramer-Bottiglio教授团队融合了水生和陆地运动的特殊形态特征——海龟的流线型鳍状形状和步态，陆生乌龟的柱状腿形状和步态——创造了两栖机器龟。两栖机器龟采用单一的龟形身体布局，通过结合刺激响应软材料和传统机器人组件，采用适应性形态发生技术。使用变刚度复合材料，能够在功能性水动力和承重形状之间变形的肢体，与一系列步态相结合，使两栖机器龟能够在水下游泳，在水面游泳，在各种基质上移动，并在陆地和水之间过渡。步态、肢体形状和环境介质的相互作用揭示了控制机器人运输成本的重要参数。结果表明，自适应形态发生是提高移动机器人面对非结构化、变化环境的效率的有效方法。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）
文章链接：
R. Baines, S. K. Patiballa, J. Booth, et al. Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis[J]. Nature, 2022, 610(7931): 283-289.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05188-w
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形变为具有仿珍珠层复合结构的3D曲面
为了实现平面结构的变形和复杂曲率的协调，通常采用两种策略：一种是通过诸如充气、膨胀、施加电场和热激活等方法在软可拉伸材料中引入不均匀的面内应变。另一种利用剪纸和折纸策略从不可拉伸的平面上编程高斯曲率。然而，由于材料的内在柔软性或几何不连续性，这两种方法都无法产生既轻质又机械强度高的3D结构。层状复合材料具有轻量化、高机械强度和刚度等特性在诸多领域中得到应用。为了实现复杂的曲线形状，各向异性材料中不可避免的局部变形往往会导致剪切破坏、起皱和褶皱，或局部加固结构的破坏，所有这些都严重限制了所得到的结构的力学性能。通常情况下，为了更好地符合所需的形状，平面结构会被“切割和缝合”。但这一过程是高度经验化的，几乎没有控制的叠层。生物材料，如骨骼和软体动物壳，通常由有限的部件组成，有许多缺陷，但由于有序的层次结构和丰富的界面相互作用，与人工材料相比，具有非凡的机械强度和韧性。
近日，美国宾夕法尼亚大学杨澍教授团队报告了一种优化的通用切割和堆叠策略，该策略将复合层转换为具有珍珠层结构的3D双弯曲形状。多层层压板显示出交错的切割分布，而层间剪切减轻了切割引起的机械缺陷。对于给定的曲面，计算了将离散化曲面切割和展开为一组有效的2D网络而不自重叠的多个路径，所有这些路径都进行了优化，以最小化多层叠层时同一位置的重叠切割数。在堆叠和折叠复合材料层固结后，通过层间剪切在层间分担载荷可以减轻切割引起的薄弱环节，为3D结构提供额外的强度。也就是说，在施加的拉伸应力下，复合材料层承受拉伸载荷，而基体通过剪切在层间传递载荷，从而确保结构完整性和产生的壳状3D形状的优化力学性能。将半球壳在不同方向被压缩时，与随机切割分布的半球壳相比，平均增加了37%和69%的压缩峰值力。这种方法为形状一致的任意曲面打开了一个之前未知的范式，同时实现了高力学性能。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）
文章链接：
L. Jin, M. Yeager, Y.-J. Lee, et al. Shape-morphing into 3D curved surfaces with nacre-like composite architectures[J]. Science Advances, 2022, 8: eabq3248.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3248
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