今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及光电子学的速度极限, 声学扭曲Moiré超晶格中的高阶拓扑态, 静电约束拓扑表面态的berry相位开关,柔性超构材料电子等敬请期待！
索引：
1.光电子学的速度极限
2.低频水下隔声承重材料的设计
3.声学扭曲Moiré超晶格中的高阶拓扑态
4.时空调制弹性波环行腔中的非互易性和模式转换
5.三端超导电路中的光子热输运
6.静电约束拓扑表面态的berry相位开关
7.柔性超构材料电子
8.通过数据驱动的非周期超构材料设计的力学隐身斗篷
1.光电子学的速度极限
控制光场的能力为探索电路中电子信号处理的终极速度打开了大门。为了推动当代电子学朝着光时钟速率（0.3–1 PHz）的方向发展，需要建立控制布洛赫波包的产生、它们的加速度、运动、相互作用，以及最终它们与光电互连的耦合。在此之前，超短脉冲光的强场激发允许在亚飞秒时间间隔内产生波包，作为场效应晶体管中源信号的超快模拟，从而打开了光速率信号处理的途径。该方法填充多个导带，其占用剖面随能量迅速减小。强场激励的这一特征意味着对于高保真和高速信号处理的存在两个主要缺点：（a）可用于维持短信号瞬态的有效带宽减少；（b）多波段电子波包禁止光到电子信号的可靠映射及其随后与外部电路的耦合。
近日，来自德国Max-Planck量子光学研究所、慕尼黑大学物理学院的M. Ossiander等人报道了单光子在大约一飞秒内填充宽禁带电介质的导带。他们用可见光的电场控制随后的布洛赫波包运动。由此产生的电流允许对光场进行采样，并跟踪由光信号驱动的电荷运动。他们的方法利用了导带带宽的很大一部分来最大化运行速度。他们发现，粒子向相邻带的转移和相关的群速度反转是最终限制固体中电流控制速度的机制。他们的结果暗示了经典信号处理的一个基本极限，并表明了高达1phz频率的固态光电器件的可行性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
M. Ossiander et al. The speed limit of optoelectronics. Nature Communications (2022) 13:1620
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29252-1
2.低频水下隔声承重材料的设计
水声的调控对于水下探测和通信至关重要。工程应用要求声波更远的探测距离和更深的穿透能力，因此水声调控正朝着低频方向发展。水下隔音材料已广泛应用于水下设备，以隔离和控制不必要的噪音。与声学超材料中的布拉格散射或局部共振引起的窄带隙相比，材料和液体介质之间的阻抗失配仍然是实现宽带隔声的最可行方法。常见的固体，如金属或聚合物，其阻抗比空气大3-4个数量级，却比水大几十个数量级。因此，小厚度的固体板可以有效地阻止空气传播的声音，但很难阻止水中传播的声音（尤其是在低频时）。板厚随着波频率的降低而增加，这不利于行业对轻量化的需求。高阻抗固体材料已不能满足当前水下低频隔声的要，而低阻抗材料又难以满足实际所需的刚度。因此，设计同时具有承压和隔音性能的水声超材料十分必要。其中的关键思想在于打破阻抗和刚度之间的正相关性，这需要对水下隔声和承压机制有深刻的理解。
近日，北京理工大学航空航天工程学院的胡更开团队的最新研究表明，材料的弹性各向异性不仅可以实现极低的阻抗，还可以获得足够高的承载刚度。并且他们还提出了一种无量纲质量因子Q来综合表征各向异性材料的隔声和承载性能，发现该质量因子具有统一的上限，并针对某些特殊的各向异性材料推导出相应的参数条件。通过统一材料的质量因子作为微观结构优化的目标函数，该团队提出了一种基于拓扑优化的方法来设计相应材料的微观结构，使其具有优化的水下隔声和承载刚度等综合性能。通过数值模拟与其他类似低阻抗水下隔声材料的对比，验证了该优化材料的有效性。这项研究为设计具有极低阻抗的承重材料铺平了道路，并为控制低频水下波开辟了一条途径。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034065
3.声学扭曲Moiré超晶格中的高阶拓扑态
扭曲moiré超晶格(TMSs)是由两个(或多个)相同的二维(2D)晶格结构以相对扭曲角度形成的超晶格。在过去的几年里，TMSs作为一种特殊的材料，其物理性能可以通过扭转角度进行显著调整，产生了丰富的物理现象，如Mott绝缘体、非常规超导性、激子效应和相关的Chern绝缘体等。近年来，TMSs的研究开始从电子系统扩展到光子和声子系统，发现了局域-离域跃迁、极化子中的体色散跃迁、可控声子色散等。在光子TMSs中，拓扑特性的研究主要集中在极化子的体色散，产生椭圆和双曲等频线之间的跃迁。然而，TMSs中的拓扑体-边界响应很少被探索。
近日，苏州大学的蒋建华教授团队报道了声学TMSs中高阶拓扑的实验观察。作者在耦合声腔的双层蜂窝状晶格中，利用moiré扭转和超强层间耦合，创建了声学TMSs的物理实现。通过这样的设计，达到了石墨烯TMS和其他固态TMS系统所没有的未开发的TMS系统。结果表明，超强层间耦合产生了较大的带隙，具有独特的高阶拓扑结构，其特征是前所未有的拓扑指数和层杂化的角态。通过声泵浦探针测量观察了高阶拓扑边缘和角态，与理论和模拟结果一致。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevApplied.17.034061
4.时空调制弹性波环行腔中的非互易性和模式转换
声波和弹性波具有互易性，它是指在线性时不变（Linear time invariant，LTI）介质中，空间上两点之间行波的对称性。简而言之，如果源和接收器互换，波从源传播到接收器时相位和幅度均相同，这便是互易性。因此，目前对非互易波传播的研究旨在打破源和接收器之间的这种对称性，实现与方向相关的波现象，如单向传输和隔振。实现非互易性往往依赖于违反LTI系统的假设。例如，几何不对称介质中的非线性波传播表现出非互易性。此外，通过使用有源元件对材料特性进行时空调制，包括在非厄米系统中调制损耗-增益介质，从而实现线性波的非互易效应。然而，很少有人关注具有时空调制材料特性的弹性波环行器，它可以通过模式之间的耦合，使环行腔及其端口中产生多个波偏振，极大地丰富其动力学特性。
近日，德克萨斯大学奥斯汀分校应用研究实验室和机械工程系的Benjamin M. Goldsberry 研究团队设计了一种弹性波环行腔，它由一个薄弹性环和三个半无限弹性波导组成一个三端口网络。通过旋转方式调制环的弹性模量，可实现纵波和横波的非互易性。他们推导了两个数值模型来计算环行腔中的弹性波场。第一种是基于耦合模式理论的近似模型，该模型利用了未调制系统的已知振型。第二个模型是有限元法，包括调制频率谐波的傅里叶展开和端口处的辐射边界条件。耦合模式模型与有限元模型非常吻合，并且给出了实现高非互易性的调制参数条件。总之，这种弹性波环行腔可以将入射纵波的非互易模式分裂为输出纵波和横波，未来可以改进器件进一步拓展其应用性。相关研究成果发表在杂志《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034050
5.三端超导电路中的光子热输运
超导电路QED技术与超灵敏纳米级温度测量相结合的最新成就促进了片上致冷器、量子热机、热整流器、干涉仪和其他热设备的理论讨论和实验实现。包含Josephson结并与超导谐振器耦合的超导回路是此类系统的重要组成部分，因为它们允许通过磁场控制光子热流。基于这种结构的最新示例包括基于谐振器量子比特谐振器组件的量子热阀和具有不等频率谐振器的热整流器。到目前为止，该领域的大多数实验都是在两个终端设备上进行的。然而，根据这一理论，转移到三个终端应该会带来新的机遇。
近日，来自芬兰阿尔托大学应用物理系QTF卓越中心的Azat Gubaydullin等人报道了一个基于超导量子电路的三端光子热输运装置的实验实现。该设备的核心元件是由包含三个Josephson结的超导回路制成的通量量子比特，可以通过磁通量进行调谐。它与三个由电阻器端接的谐振器相连。通过加热其中一个电阻器并监测另外两个电阻器的温度，他们确定了系统中的光子热电流，并通过1 aW水平的磁场证明了它们的可调谐性。他们通过在一个名义上完全相同的单独样品上进行微波传输测量来确定系统参数，并以这种方式证明量子位元的能级分裂和流经它的热流之间存在明显的相关性。他们的实验是实现热晶体管、热放大器、热泵微波激射器和其他量子热输运器件的重要一步。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Azat Gubaydullin et al. Photonic heat transport in three terminal superconducting circuit. Nature Communications (2022) 13:1552
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29078-x
6.静电约束拓扑表面态的berry相位开关
在量子力学中，Berry相是描述固体电子能带几何性质的一个基本概念，表现为在动量空间中进行闭合运动，并在运动包围Berry曲率奇异点时表现出异常。这种奇异点在于布洛赫能带的几何性质的异常，如具有不同程度的带交叉或扭曲。Bi(Sb)Te(Se)家族中的三维(3D)拓扑绝缘体(TI)在表面态结构中具有一个单带交叉(Dirac点)，作为Berry曲率的来源，导致表面态的π的Berry相位。对于二维(2D)狄拉克电子的受限运动，非平庸贝里相位的存在将导致独特的贝里相位开关行为，其中弱磁场可以引起贝里相位的突变，从而使特定捕获态的能量量子化。尽管如此，由于克莱因隧穿，二维无质量狄拉克费米子(DFs)不能被完全限制，除非引入一个质量项。实验表明，在石墨烯的圆形n-p结或p-n结中，可以实现无质量DFs的高效静电捕获，将石墨烯调整到电荷中性条件附近后，通过亚表面带电缺陷实现局部倒置区域。
然而，对于三维三维拓扑绝缘体来说仍具有挑战性，因为在这些材料中，在近似的体态中有大量的天然掺杂和相对较小的体隙(0.1-0.2eV)。近日，清华大学的薛其坤教授团队和华东师范大学的蒋烨平教授团队通过可控生长高质量的超薄外延三维TISb2Te3薄膜，成功地在顶部表面获得了圆形的n-p结，实现了拓扑表面状态的有效静电捕获。利用空间分辨扫描隧道光谱(STS)对捕获的共振态进行了可视化，并显示了场诱导的berry相位开关。实验数据以及数值计算和半经典计算都表明，这种动态行为无疑是由于这种超薄3D TI薄膜表面态的非平庸Berry相造成的。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）
文章链接：10.1103/PhysRevLett.128.126402
7.柔性超构材料电子
柔性电子突破传统刚性电子的瓶颈和垄断，引起了研究界的广泛兴趣，成为最受关注的前沿交叉学科之一。其创新应用包括可穿戴电子、植入电子、软体机器人、智能皮肤等。虽然柔性和可拉伸功能材料的发展为机械变形提供了解决方案，但由于缺乏稳定性和可靠性，此类材料的应用仍然受到限制。参考传统刚性、不可拉伸材料的柔韧性这一违反直觉的问题，结构工程如具有代表性的“岛桥”策略，可实现高模量的低模量力学材料已被广泛用于适应极端的机械变形。然而，通过在材料或结构体系中使用常规策略来进一步提高或增强柔性电子的能力变得越来越具有挑战性和成本高昂。超构材料为随意设计材料的性能开辟了一个崭新的方向。根据超自然特性的物理特性，将超构材料主要分为两类：基于波的超构材料和力学超构材料。前者包括电磁超构材料、声学超构材料和弹性超构材料，它们控制电磁波、声波和弹性波的传播。后者与弹性常数（泊松比和模量）相关，侧重于刚度、可变形性和可变形性，例如剪纸超构材料、折纸超构材料、五模式超构材料、拓扑超构材料。
近日，华中科技大学黄永安教授团队提出了一个突破性的跨学科领域：“柔性超构材料电子”，专注于通过超构材料设计来增强和创新柔性电子的功能。从类型上看，柔性力学超构材料可以进一步分为柔性力学超构材料电子和柔性波基超构材料电子。此外，柔性活性超构材料电子从材料科学的角度单独讨论，因为它们增加了一个维度。文章总结了柔性力学超构材料的分类和相应的原理、特性、应用、图形和挑战。本文的目的是让这个研究引起学术界的注意，并鼓励来自相关学科的兴趣。为此，文章首先概述了柔性电子（需求）和超构材料（供应）的基本关联性，然后对迄今为止取得的进展进行了深入的文献综述。此外，还特别考虑了应用前景。最后，根据当前的发展轨迹，对未来进行了简要展望。相关研究发表在《Advanced Materials》上。(徐锐)
文章链接：
S. Jiang, X. Liu, J. Liu, et al. Flexible Metamaterial Electronics[J]. Advanced Materials, 2022.https://doi.org/10.1002/adma.202200070
8.通过数据驱动的非周期超构材料设计的力学隐身斗篷
隐身材料可用于将物体隐藏在均匀的环境中，以防止物体被外部物理场（如电磁场和力场）检测到。为了实现隐身效果，在物体或空隙周围设计了隐身斗篷，其材料特性与周围均质材料的材料特性不同。设计斗篷的常用方法是通过材料参数变换，利用变换下控制方程的形式不变性来决定斗篷区域内的材料特性。虽然在光学、热学和电场领域制造了斗篷，但力学隐身斗篷的进展有限。大多数现有设计依赖于基于映射的方法，到目前为止，这些方法仅限于特殊的基本单元和形状简单的空隙的狭窄选择。这种方法已成功应用于如电/光、热斗篷。然而，材料参数变换不适用于隐藏弹性响应的力学隐身斗篷，例如位移场和弹性波。这是因为连续介质力学理论在一般坐标变换下不是形式不变的，而这是使用材料参数变换的前提。此外，为了表征材料的机械响应，需要一个四阶弹性张量，与在其他物理问题中设计标量材料参数相比，这增加了隐形设计问题的复杂性。因此，在设计力学隐身斗篷方面取得的进展有限。
近日，上海交通大学朱平教授、加州理工学院Chiara Daraio教授、美国西北大学Chen Wei教授团队提出了一种系统的、数据驱动的设计方法，使用大型预先计算的单元数据库来创建由非周期性超构材料组成的力学隐身斗篷。这种方法很灵活，可以设计具有各种边界条件、多种载荷、不同形状和数量的空隙以及不同的均匀环境的斗篷。它可以同时优化斗篷的拓扑结构和属性分布。与传统的固定形状解决方案相比，这会带来更好的整体隐身性能并提供无与伦比的多功能性。对增材制造结构的实验测量进一步证实了所提出方法的有效性。研究说明了数据驱动方法在快速响应新设计场景和解决与功能结构的多尺度设计相关的计算挑战方面的优势。它可以推广以适应需要异构属性分布的其他应用，例如软体机器人和植入物设计。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。(徐锐)
文章链接：
L. Wang, J. Boddapati, K. Liu, et al. Mechanical cloak via data-driven aperiodic metamaterial design[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2022, 119(13): e2122185119.
https://doi.org/10.1073/pnas.2122185119
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