超材料前沿研究一周精选 2022年7月25日-2022年7月31日

光子被认为是极好的信息载体。然而，寻求全光信息处理：一种可能消除电子和光电子系统带宽和能量消耗限制的技术通常被认为是具有非常大的挑战的，因为光学非线性通常很弱。在半导体材料中使用立方非线性和饱和吸收的全光开关通常需要皮焦或以上的脉冲能量。这种能量需求阻碍了它们的广泛利用，因为它们需要体积庞大、耗电大的光源。为了降低全光开关的能量需求，一种方法是增强光腔的非线性。然而，这种增强伴随着腔光子寿命的增加，这不可避免地增加了开关时间，通常导致高达几十GHz的低带宽。

近日，加州理工学院电气工程系Alireza Marandi等人设计并演示了一种非线性分束器，它可以实现超低的开关能量，低至80 fJ，同时具有目前在集成光子学领域最快的开关时间~46 fs和最低的能量-时间积3.7 × 10⁻²⁷ J s。此外，该非线性分束器还可以同时实现开和关操作，当输入脉冲能量小于500 fJ时，还可以实现超过5 dB的大消光比。此外，尽管目前的器件设计的工作波长是2090 nm，但同样的概念可以应用于1550 nm等通信波段。研究人员设想该全光开关的飞焦耳开关能量和太赫兹带宽可以为通信和计算的光学时分复用(OTDM)系统中每秒太比特(Tbps)的全光信息处理带来新的机遇。另外的一个重要应用是，该器件可以作为一种高效、超快的锁模元件，用于开发铌酸锂薄膜片上的可产生~100 fs超短脉冲的锁模激光器。该器件的超高速、低能量和更大的调制深度是产生超短脉冲、自启动锁模和激光脉冲长期稳定所必需的。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。(丁雷)

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Qiushi Guo et al, Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics, Nature Photonics (2022).https://doi.org/10.1038/s41566-022-01044-5.

作为一种普遍存在的物理现象，辐射换热在能源、动力、航空航天、光电子、军事技术、光机电系统等工程技术领域中有重要应用。如今，微/纳米技术日新月异，能源转化设备、电子元器件等设备器件都在实现高效微型化，与之相关的近场热辐射研究也面临着新的机遇与挑战，需要与时俱进地发展完善。近场热辐射问题也是影响许多微纳米技术发展和应用的关键因素。在异质结中不同单一结构之间分立的激元共振模式的耦合，进而形成一种新的局域电磁场，在多领域展现出重要应用前景而成为当前的研究热点。其中一个关键科学问题是：是否存在一种1+1>2的新型激元耦合形式，形成更强的局域电磁场，实现近场辐射换热功率的近一步突破？

近日，哈尔滨工业大学易红亮研究团队利用hBN薄膜和黑磷单层组成的异质结形成了一种新型的高能量密度近场辐射能量传输结构。结果表明，这种异质结构系统可以引起光子隧穿的显著增强，远优于其他一些代表性的异质结的近场热辐射特性。此外，研究发现各向异性的杂化效应可以诱发hBN薄膜和黑磷的激元的拓扑重构，形成一个新的各向异性的杂化激元。由于各向异性的反交叉杂化效应，这种新的各向异性的杂化激元模式与hBN薄膜和黑磷相比，在I型Reststrahlen带中显示出明显的形态差异。最后该研究系统地展示了这种各向异性杂化激元模式随不同hBN薄膜厚度的演化轨迹，并研究了这种演化如何有效地调制辐射热流密度和光子隧穿。相关工作发表在《Physical Review Materials》上。（袁铭谦）

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C-L Zhou, Y Zhang, Z Torbatian, D Novko, M Antezza, and H-L Yi. Photon tunneling reconstitution in black phosphorus/hBN heterostructure. Physical Review Materials (2022).https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.6.075201

单光子上的量子信息编码水平，称为光子qudits，为量子通信和网络应用提供了关键优势，例如更高的信息容量和更高的噪声容限等。光子量子点的生成和操纵已经在许多自由度上进行了探索，包括路径、轨道角动量、频率箱和时间箱等。集成光子学在扩展量子态的复杂性方面起着关键作用。同时，由于集成双光子频率梳的出现，因其固有的高维度和与光纤网络兼容的纠缠，人们越来越关注频域中的量子信息处理。然而，这种状态的量子态断层扫描需要复杂而精确的主动混频操作工程，这很难扩展。

为了解决这些限制，来自美国橡树岭国家实验室量子信息科学部、美国Purdue大学电气与计算机工程学院和Purdue量子科学与工程学院的Hsuan-Hao Lu等人提出了一种解决方案，该解决方案采用脉冲整形器和电光相位调制器来执行随机操作，而不是按照规定的方式进行混合。他们成功地验证了纠缠并重建了由片上Si₃N₄微环谐振器在高达8×8维的双qudit的Hilbert空间中生成的双光子频率梳的全密度矩阵，这是迄今为止频率仓的最高维度。更一般地说，他们采用的Bayesian统计模型可以针对各种测量能力受限的量子系统进行定制，形成一个以最佳方式利用所有可用数据的机会断层扫描框架。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）

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Hsuan-Hao Lu et al. Bayesian tomography of high-dimensional on-chip biphoton frequency combs with randomized measurements. Nature Communications (2022) 13:4338. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31639-z

二维(2D) 层状材料种类繁多，所形成的异质结构具备多种奇特的物理现象，特别是过渡金属二硫属化物(TMD)，为设备集成提供了更多的选择。随着对单层(ML)极限中量子自旋霍尔效应(QSH)边界态的研究，1T’-TMD层状材料最近备受关注，特别是WTe₂，由于它具备多种与厚度有关的奇异物理现象，引起了研究学者的极大兴趣。已有研究工作证实了1T’-WTe₂单分子层在高达100 K温度时，仍能表现出明显的QSH效应，并在1 K以下呈超导相。另一方面，双层(BL) WTe₂被预测是一种拓扑平庸半金属，在面外方向的电场在作用下，表现出明显的铁电开关行为。而在体块极限下，WTe₂呈现为ii型Weyl半金属以及具有一维铰链态的高阶拓扑相。正是由于WTe₂具备随厚度变化的高度可调谐性，使其成为范德华异质结构集成中潜力巨大的材料之一，例如实现一维拓扑超导等。然而为了实现拓扑边界态在电子器件中的应用，例如相邻层间耦合如何影响拓扑性质等问题仍有待研究。

近日，卡内基梅隆大学Felix Lüpke研究团队利用扫描隧道显微镜和光谱仪(STM/STS)研究了双层扭转(tBL) WTe₂异质结的拓扑性质，并在单层WTe₂中发现了以拓扑保护的自旋极化边缘态为特征的QSH，这种拓扑保护的鲁棒性在单层或多层QSH绝缘体的范德华异质结构中仍然有待研究。在tBL边缘，观察到QSH边界态的光谱特征。对于小的扭转角，形成一个矩形moiré图案，这导致了能带结构的局部改变。通过与非扭转WTe₂双分子层的实验结果和利用第一性原理计算得到的结果相比较，证实了可以通过改变扭转角和层间相互作用来调控WTe₂双分子层的拓扑结构。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）

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Felix Lüpke, Dacen Waters, Anh D. Pham, et al. Quantum Spin Hall Edge States and Interlayer Coupling in Twisted Bilayer WTe₂Nano Letters 22 (14) 5674-5680 (2022)

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00432

铁电畴壁(DW)是一种分隔不同极化区域的低维结构，近年来已显示出吸引人的特性，包括金属传导、磁阻和光伏行为。迄今为止，已在各种类型的材料中检测到导电DW，主要表现为头对头(H-H)或尾对尾(T-T)DW。由于DW的纳米级空间分布和极化状态的无损切换，铁电DW在高密度和低功耗非易失性存储器中具有巨大的应用潜力。然而，对于基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的实际工业应用，研究者们非常希望将这些DW存储器与硅(Si)集成。但迄今为止，这种尝试仅在LiNbO₃和α-In₂Se₃中得到证实，目前铁电钙钛矿氧化物尚未取得成功，尽管它们表现出良好的铁电特性，有助于DW存储器的开发。

近日，来自南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构国家实验室、江苏省人工功能材料重点实验室和南京大学先进微结构协同创新中心的Haoying Sun等人展示了利用转移到硅上的独立式BaTiO₃膜的畴壁存储器原型。虽然(001)SrTiO₃衬底上生长的BaTiO₃薄膜是完全沿c轴极化的，但由于去极化场和应变弛豫的集体效应，他们发现它们在从衬底释放并集成到硅上后表现出明显的面内多畴结构。基于强大的平面内铁电性，可以观察到读取高达纳安培电流的导电畴壁，并且可以人工创建和擦除，突出了钙钛矿氧化物与硅集成用于铁电畴壁存储器的巨大潜力。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。‍（张晓萌）

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Haoying Sun et al. Nonvolatile ferroelectric domain wall memory integrated on silicon. Nature Communications (2022) 13:4332

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31763-w

一阶Z₂拓扑绝缘体的特征是d维有带隙的体态与(d - 1)维无带隙边界态对应，而高阶拓扑绝缘体(HOTI)的特征是(d - 2)维无带隙边界态对应，该边界态由时间反转(TR)对称保护，而高阶拓扑绝缘体(HOTI)则由晶体的空间对称(如镜像和旋转对称)保护。高阶拓扑绝缘体(HOTIs)是由拓扑晶体绝缘体推广而来的，具有晶体空间对称性保护的低维金属边界态，其基于特殊k点能带反转的理论框架不能推广到准晶体，因为准晶体包含与晶体不相容的旋转对称性，动量不再是一个良好的量子数。

近日，北京大学的黄华卿研究员课题组建立了二维准晶体中所有可能的旋转对称的HOTI态的低能有效模型。通过实现一种全新的针对准晶的傅里叶变换，并通过其大尺度平均来近似长波长行为，作者构造了一个有效的k·p哈密顿量来捕获伪布里渊区中心的能带反转。作者证明了平面内的Zeeman场可以在二维准晶体拓扑绝缘体相邻边缘的交点处诱导质量扭结，并产生具有旋转对称性的分数电荷角模(CMs)。该模型预测的结果被紧束缚模型的数值计算所证实。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevLett.129.056403

能够根据外界刺激（如温度、pH值、光、磁场和电场）进行变形和运动的主动软体机器在各种领域都有很大的前景，如微型外科设备、驱动器、软体机器人和柔性电子产品。其中，磁驱动因其远程控制、响应速度快、侵彻范围大而被广泛采用。虽然已经提出了各种制造磁控软体机器的策略（如模板成型、基于挤压的3D打印、激光打印、体素组装和转移打印），但许多现有的制造方法要么可以实现低结构复杂性，要么是一个耗时的过程。如模板成型法可能只能打印出2D结构，而基于挤压的3D打印由于复合油墨的粘度和模具膨胀而无法打印出复杂结构。激光编程法通常需要较长的时间来大面积编码磁极图案。因此，软磁主动电机的快速制造与定制架构仍然是一个未解决的挑战。由于其良好的可定制性，折纸被广泛应用于构建3D结构。通过利用折叠过程，折纸将平面的纸张转化为3D结构，赋予其内在的形状可编程性和形状变形能力。当与刺激响应性相结合时，折纸结构在开发功能和自主系统方面显示出了巨大的潜力，这为设计软磁主动机器提供了一个窗口。一种使折纸具有磁性响应性的简单方法是直接在折纸上粘附永久磁铁。到目前为止，还没有一种制造方法能够大规模地利用磁折纸机器的结构复杂性、柔软度、分辨率和快速生产。

近日，中山大学蒋乐伦教授、南方科技大学郭传飞教授、华中科技大学吴志刚教授和中国科学技术大学王柳教授团队提出一种简易的制造策略，通过结合2D图案的卷对卷加工和3D折纸折叠，可以快速地大规模制造磁控软体机器。通过简单地在一张原纸上涂上一层磁性复合材料（即在聚合物基质中分散硬磁性微粒）并固化，就可以创造出一种类似软磁片的纸张，可以折叠成具有定制几何形状和高分辨率的磁折纸机器。利用强脉冲磁场（H ~ 3T）一次快速编码磁折纸机的磁极，在驱动磁场作用下，磁折纸机可实现按需变形。文中展示了一套磁折纸机器，可以折叠、弯曲、滚动和行走，具有潜在的应用部署、物体操作和移动。与现有的软磁主动机器相比，该软体机器的卷对卷平台允许自动制造2D磁图形，结合快速磁化过程和折叠，从而实现各种几何形状和多模态变形能力的磁主动机器的便捷和大规模生产。相关研究发表在《Nature communications》上。（徐锐）

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S. Yi, L. Wang, Z. Chen, et al. High-throughput fabrication of soft magneto-origami machines[J]. Nat Commun, 2022, 13(1): 4177.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31900-5

随着技术的发展，包括精密制造和复杂机械系统在内的高精度设备需要更好的稳定性来抵抗热扰动和机械扰动，这对支撑部件提出了更高的要求。这为自然材料设定了一个不可能的任务，但力学超构材料的出现通过从精心设计的人工微结构（包括负泊松比和负热膨胀）中实现违反直觉的变形，为这个问题提供了解决方案。负泊松比材料具有良好的抗压强度和高冲击能量吸收，而负热膨胀材料可以通过与正膨胀材料结合来消除热应力。力学超构材料通过特殊的人工微结构将自然材料中泊松比和热膨胀系数的常见正值调整为负值。近年来，多材料3D加性制造促进了3D超构材料的发展。许多工作已经证明了负泊松比或负热膨胀超构材料的各种设计，一些力学超构材料，如手性结构和蜂窝结构，被提出同时具有负泊松比和负热膨胀。然而，这些关于双重反直觉变形的开创性工作大多基于理论分析和仿真，相应的实验研究还很少。此外，以往的工作总是集中在各向同性热变形调节，甚至在一个方向上。相比之下，材料在真实环境中承受的热应力非常复杂，并且经常伴随着机械扰动。因此，对各向同性系数的单个力和热变形的研究远远不能满足当前应用中的复杂要求。

近日，北京科技大学白洋教授团队开发了基于手性和反手性结构的可编程2D力学超构材料，该结构由弯曲的双材料条构成，以产生可定制的负泊松比和任意热变形。力学超构材料的热膨胀系数可在负值、接近零值和正值之间进行大规模调整，这取决于双材料配置和弯曲条带的几何参数，而负泊松比的值主要由弧度决定。此外，通过对单元进行编码，可以将均匀、梯度和剪切模式结合起来，显示定制的各向异性热变形。提出的力学超构材料是通过多材料3D打印制作的，实验验证了异常的变形模式，这与有限元分析的结果非常一致。这项工作展示了一种可行的方法，通过简单的模块构建实现定制的机械和热变形，用于特定的工程应用，包括消除热应力、形状变形和智能执行器。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Bai, C. Liu, Y. Li, et al. Programmable Mechanical Metamaterials with Tailorable Negative Poisson’s Ratio and Arbitrary Thermal Expansion in Multiple Thermal Deformation Modes[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022.

https://doi.org/10.1021/acsami.2c08270

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