超材料前沿研究一周精选 2022年3月7日-2022年3月13日

非线性克尔微谐振器在理解耗散孤子以及将其应用于产生光学频率梳方面取得了根本性突破。然而，目前基于耗散克尔孤子（DKSs）的微谐振器光频梳（OFC）源的一个关键限制是泵浦功率到梳状线功率的转换效率极低。当在环形波导的反常色散区产生亮孤子时，这种情况是众所周知的。泵浦功率向梳状腔的低传输部分原因是由于泵浦/谐振器横模失配。更重要的是，由于产生孤子是为了使泵从微腔谐振中有效失谐，因此大多数泵功率被反射，因此它不会耦合到微谐振器中。此外，由于参数增益饱和，泵浦-调制转换效率受到限制。对于单个DKS梳子，这导致梳子线承载的输入泵功率小于1%，而对于多孤子或孤子晶体，梳子线与泵浦比通常限制在小于~5%。虽然在正常色散区产生暗孤子梳可能会使泵-梳转换效率达到30%，但与亮DKS相比，暗孤子具有较窄的光谱带宽，并且在参数空间（功率与泵谐振失谐）中表现出相当窄的存在域。

近日，来自德国innoFSPEC莱布尼茨天体物理研究所的J. M. Chavez Boggio等人制作并表征了一种混合式Mach-Zehnder环形谐振器几何结构，包括嵌入附加腔中的微环形谐振器，其光程长度为环形的两倍。由此产生的干涉背耦合能够实现对泵浦损耗的前所未有的控制：通过孤子晶体梳，实验证明泵浦-频率梳转换效率高达输入泵浦功率的55%。与具有相同参数的隔离微环谐振器相比，他们通过生成大量耗散克尔孤子梳来评估所提出的片上几何结构的鲁棒性，这些孤子梳需要更低的泵浦功率。带有反馈的微谐振器可以实现相干孤子梳状产生的新机制，非常适合于天文学、光谱学和电信领域的梳状应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

J. M. Chavez Boggio et al. Efficient Kerr soliton comb generation in micro-resonator with interferometric back-coupling. Nature Communications (2022) 13:1292

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28927-z

近年来，利用生物和生物相容性材料制造的用于研究各种生物系统的光学微腔和微激光器受到了广泛关注，且最近被用作活体细胞和组织内的探针。细胞追踪、生物传感和超分辨率成像等方面的应用已得到证实，但大多限于细胞培养。它们的主要优点是光谱窄，对环境高度敏感。在不同类型的微腔中，基于球形微粒全内反射的whispering gallery模式（WGM）微腔是最常用于生物应用的微腔，WGM微腔通常尺寸小，Q因子高，制造简单。尽管在强散射生物组织中有许多新的光学成像方法，但在弹道光传输机制之外的单细胞分辨率成像仍然非常具有挑战性。

近日，来自斯洛文尼亚J.Stefan研究所凝聚态物理系的Aljaž Kavčič等人展示了嵌入细胞内的光学微腔探针能够在较长时间内对单个细胞进行三维定位和跟踪，并在远远超过光传输长度的深度处感知其环境。这是通过利用whispering gallery模式独特的光谱特征实现的，该模式不受组织散射、吸收和自体荧光的影响。此外，可以对微腔进行功能化，以同时感应各种参数，例如温度或pH值，这将扩展其通用性，使其超出标准荧光标签的能力。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Aljaž Kavčič et al. Deep tissue localization and sensing using optical microcavity probes. Nature Communications (2022) 13:1269

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28904-6

受拓扑绝缘体概念的启发，拓扑声子学展现了前所未有的波特性。一个很有前景的方向是实现沿晶体边界或两相之间的畴壁单向和无后向散射的导波传播。无源拓扑波导，例如谷-霍尔型和量子-霍尔型，会产生对称保护的单模导波，沿着畴壁将具有不同拓扑不变量的同一晶体的两个相分开。根据体边界对应原理，波导的拓扑特性继承了二维体晶体的拓扑特性。在不打破二维晶格的周期性的前提下，通过调整连续的几何参数来控制拓扑过渡，形成一维(1D)畴壁异质结构。例如，在谷-霍尔晶体中，三角形包裹体被连续旋转，以减少二维晶体的对称性，或是在C_6v对称的量子霍尔晶体中，在Γ点处的双狄拉克在晶体单元胞内部结构的持续调整下经历拓扑跃迁。然而，在这两种情况下，引导波色散的可用带宽受到控制参数的限制。相比之下，拓扑平庸晶体一直被设计成呈现非常宽的全带隙，导带原则上可以覆盖。然而，耦合一系列晶体缺陷形成的声子晶体波导缺乏拓扑保护，通常是多模态的，导致完整带隙内的导带竞争，使导带严重变平。

能否得到充分利用拓扑平庸晶体宽带隙的拓扑晶体波导？近日，法国勃艮第大学的Julio Andr´es Iglesias Mart´ınez等人引入一个圆形夹杂的方形晶格晶体，晶体产生滑移对称位错，证明了在不依赖体边界对应的情况下，可以产生一对宽频带、单模和对称保护的导波。演示实验是用超声波频率在水中进行的。这一概念进一步适用于不同类型的波，包括固体中的弹性波，也包括光波和电磁波。相关工作发表在《 arXiv》上。（郑江坡）

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https://arxiv.org/abs/2203.02692

与电磁微波相比，声波的波长较短，传播速度较慢，在千兆赫兹的频率下，不会向自由空间造成辐射损失。这些特点使得声学设备一般比较小巧，可以进行相干信号处理。因此，了解声子相互作用并加以利用，可以将声子的这些有利特性引入其他物理系统，并扩展混合系统的功能。通过磁弹性耦合的磁子-声子相互作用激起了力学和自旋电子学领域的跨学科研究，千兆赫兹自旋振荡可以通过电磁腔共振与兆赫声振动进行参数化相互作用，并与适宜频率的振动共振耦合。此外，与声子杂交的磁子能够获得声子的低损耗特性，并形成磁弹性波（磁子极化子），从而改善相干性。另一方面，声子获得磁子的磁化率，携带自旋角动量，并显示出非互易传播。目前，声表面波设备可以通过声学驱动自旋波振荡，这种芯片级磁机械结构可以利用平面集成电路的短波长。与铁磁性球体和体声波谐振器不同，它与当前基于声表面波的传感和通信设备技术兼容然而，目前的实验主要集中在行波上，行波的弱相互作用使得很难深入探究共振磁子-声子耦合的特征。

近日，日本NTT基础研究实验室的D. Hatanaka研究团队在声表面波的腔体磁机械系统中演示了磁子和声子之间的片上相干转换。声表面波腔可以增强空间和波谱的功率密度，以放大磁子-声子耦合。该系统可以与自旋电子学技术相结合，通过微加工技术设计磁弹性效应，从而产生不受磁场配置限制的多功能强自旋激发方案。系统中波长尺度声子晶体结构的集成将有助于增强空间控制声波的能力，便于开发大规模磁机械电路。声子晶体平台可以通过压电效应等电气手段激发，可以很好的兼容复杂的电子技术。因此，他们的平面腔磁机械系统将为用磁子控制声子提供了可行方案，这有望成为用于经典和量子信号处理应用的新型磁子-声子技术。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034024 

近年来，通过将超材料的厚度和结构复杂性压缩到二维尺度，在超表面领域得到了迅速发展。一些显著的特征，如亚波长尺度，切向相位可控性，甚至透过率调制，为我们的波操纵提供了更多的空间(光波，声波，甚至弹性波)。在光学领域提出了超表面的概念，广义斯涅尔定律为我们提供了理论指导。声学编码超表面(ACMs)作为一种二维的超材料，由于其单元数量有限，但对复杂的波传播现象具有出色的控制能力，因此在超材料应用中具有强大的竞争力。

近日，青岛大学数学与统计学院Sheng-Dong Zhao等人提出了一种基于自底向上拓扑优化方法设计的宽带声编码超表面(BACMs)。然后，利用他们提出的优化策略，设计了具有反相位响应的1比特编码单元0和1，以及具有0°、90°、180°和270°四种不同相移的2位编码单元00、01、10和11。研究人员试图通过内部共振和双各向异性效应的相关机理来解释这一现象。优化后的BACMs有利于提高固定编码超表面在频率范围内的性能。这一想法为制备快速扇区扫描声天线提供了灵感。此外，结合卷积法，该团队给出了宽带快速扫描多波束天线的设计策略。声学天线的设计是一个固定的编码序列，其扫描和回波定位方式不依赖于编码单元的重构。最后，研究人员还论证了两种相反的功能，即宽带声的聚焦和扩散-散射特性，这在超声治疗、低散射目标设计和噪声控制等方面具有潜在的应用前景。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：

Sheng-Dong Zhao et al, Broadband Coding Metasurfaces with 2-bit Manipulations, Physical Review Applied(2022).DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.034019

生物体和合成材料中可以广泛观察到响应外部刺激的形状变形，这些形状变形材料在药物输送、生物医学设备、智能纺织品、太空探索和自主机器人中有着广泛的应用。它们能够将平面结构转换为复杂的3D形状，材料和几何属性被编码到最初的平面构型中，在激活时获得预定义的3D形状。其中主要有两个基本原则：（1）多层结构中的平面外弯曲，由整个材料厚度的应力梯度产生的；（2）平面物体的不稳定性触发，由平面内尺寸变化引起的平面内压缩应力产生的。对于平面外弯曲，刺激响应材料通常被掺杂在薄层结构中。虽然平面材料通过面外弯曲实现3D形状变形已经被广泛报道，但所有的概念都需要层压板结构。此外，具有非零高斯曲率的更复杂的几何形状是很难实现的。对于平面外屈曲，其生成的变形模式由其图案控制。当平面构造在激活时，经历平面内尺寸变化，可以获得所需的应力，然后在变形期间释放以最小化弹性能量。然而，由于变形引起的不稳定性，这种方法在控制变形的平面外方向方面提出了挑战。除此之外，折纸和剪纸方法已被用于3D形状转换。然而，折纸和剪纸技术仅限于薄片，并且手动折叠以及对折叠方向和角度的控制在更小或更大的长度尺度上变得越来越具有挑战性。

近日，加拿大麦吉尔大学Damiano Pasini团队展示了一种3D桁架的热驱动形状变形，它可以演变成复杂、轻量、既坚硬又可变形形状，从而解决了刚性和变形之间的冲突。即通过引入了一种桁架式单元，产生一种重量有效的结构。当受到温度变化的影响时，由具有不同热膨胀系数的多材料构成的3D晶格显示出可编程的空间变形，该变形由其桁架构件的相互作用控制。创建由多个单元组成的各种超表面以匹配预定义的形状目标，每个目标都通过材料和几何属性的编码序列获得；目标可以具有多个高斯曲率值，以响应可以均匀或局部应用的给定温度变化。此外，还探索冷却和局部加热，揭示与温度相关的形态演变和热源跟踪。这里介绍的可变形、坚硬的桁架超构材料在热响应智能建筑、热管理自适应设备、极端环境中的可展开避难所以及太空中的镜面光学系统中具有潜在的应用。相关研究发表在《Applied Materials Today》上。（徐锐）

文章链接：

R. Ma, L. Liu, O. Wyman, et al. Programming polymorphable yet stiff truss metamaterials in response to temperature[J]. Applied Materials Today, 2022, 27.

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101432

负泊松比结构已被证明了可以提高材料的填充效率、抗冲击性、抗压痕性、抗断裂性和吸声效果，在防护罩和支架等应用中发挥重要作用。自从具有随机内部结构的可重入式泡沫首次作为拉胀材料进行研究以来，对不同负泊松比结构的研究不断增多，包括可重入式设计、旋转多边形、双V结构和手性结构。无论分类如何，拉胀结构通常与刚性拉伸主导的晶格相比显示出较低的刚度，因为其变形需以弯曲或关节旋转为主，才能使负泊松比明显。然而，对于大多数结构来说，负泊松比的模量权衡之间的定量关系仍然不清楚，尽管它在告知拉胀设计对结构应用的适用性方面很重要。

近日，新加坡南洋理工大学Chang Quan Lai团队研究了3D反四手性（3ATC）结构的刚度-泊松比-密度（SPRD）特性空间，其总体目标是开发具有较大特定模量的轻质（即低相对密度）和高度拉胀的3ATC设计。特别是，将通过分析以及有限元模拟和实验详细研究立柱横截面几何形状对该属性空间的影响。3ATC几何结构被选为该研究的主题，因为它之前表现出优异的强度和能量吸收特性，使得它成为一种有前途的超构材料设计。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。(徐锐)

文章链接：

I. P. Seetoh, B. L. S. Wei, E. L. Yi, et al. Extremely stiff and lightweight auxetic metamaterial designs enabled by asymmetric strut cross-sections[J]. Extreme Mechanics Letters, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2022.101677 

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