超材料前沿研究一周精选 2022年1月17日-2022年1月24日

自发对称性破缺是基础物理学中的一个重要概念，它通过Higgs机制、超导性和物相描述了玻色子质量的起源。自发对称性破缺的特征是拉格朗日态和初始态是对称的(在某种变换下不变)，但系统演化到的最低能态却不具有这种对称性。非线性光相互作用，特别是Kerr效应，也可以表现出自发的对称性破缺。例如脉冲泵浦环腔中的时间反转对称性破缺。在脉冲激光系统中，Kerr效应引起的光偏振态的变化是众所周知的。非线性偏振旋转就是一个很好的例子，它对许多类型的锁模激光器的工作都是至关重要的。

近日，来自德国Max Planck光科学研究所的N. Moroney等人证明了在一个高精细的Fabry-Pérot谐振器中Kerr效应可以用来控制连续波激光器的偏振。结果表明，通过光功率控制，能够将线偏振输入场转换为左偏振或右圆偏振输入场。这一现象可以用Kerr非线性引起的对称性破缺来解释，它在对称谐振腔中分裂了偏振方向相反的简并模的共振频率。在阈值功率降至7 mW时，实现了全光偏振控制。这种基于Kerr效应的偏振控制器的物理原理适用于高Q的Kerr非线性谐振器，也可以在光子集成电路中实现。除偏振控制外，偏振态的自发对称性破缺还可在接近对称破缺点操作时用于偏振滤波器或高灵敏度偏振传感器。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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N. Moroney et al. A Kerr polarization controller. Nature Communications (2022) 13:398 https://doi.org/10.1038/s41467-021-27933-x

相变在物理学中无处不在，从水沸腾等热现象到固体中的磁相变，从早期宇宙中的真空衰变到高能碰撞中的夸克-胶子等离子体转变，还有在接近绝对零度的温度下发生的量子相变，它是由量子而非热波动驱动的。以往研究人员把焦点一直集中在连续量子相变（二阶或更高阶）上，例如大多数磁性或超流体到莫特绝缘体的相变。现在，人们对非连续（一阶）量子相变重新产生了兴趣，这种相变具有固有的亚稳态特征，在这种亚稳态中，系统在穿过相变后可以保持在初始阶段。光学晶格中的超冷原子为研究孤立多体系统中的量子相位和相变提供了一个原始可控的平台，但其中的非连续相变仅限于弱相互作用凝聚，因此亚稳态的量子衰减受到强烈抑制：它需要在愈合长度内所有原子的集体隧穿，导致指数下降，类似于大自旋系统中抑制其隧道效应。

近日，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Ulrich Schneide和意大利佛罗伦萨大学物理与天文系的Nigel Cooper研究团队利用共振在一个孤立的强关联晶格系统中实现了一个可调谐的量子相变，并展示了非连续和连续相变中显著不同的动力学，通过不连续跃迁的渐变揭示了相关的量子亚稳态，与张量网络模拟非常一致。因此，该共振驱动晶格系统为工程设计新的量子相、研究真正的量子不连续跃迁和其他有趣的临界现象开辟了新的途径。该团队的技术可以直接扩展到数值无法模拟的更高维度。未来的研究还可以研究亚稳态多体态的衰变机制，探索量子涨落引起的空间结构的出现以及成核点的影响。这将阐明早期宇宙的动力学和结构形成。共振驱动晶格将进一步实现对此类跃迁的动态标度的新研究，并为使用量子模拟器研究相互作用拓扑相位中普遍存在的一阶跃迁打开大门。相关研究成果发表在《Nature Physics》上。（钟雨豪）

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Song, B., Dutta, S., Bhave, S. et al. Realizing discontinuous quantum phase transitions in a strongly correlated driven optical lattice. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01476-w

氮化铝钪（AlScN）是一种新兴的压电材料，是一种掺钪氮化铝（AlN）材料，具有优异的压电性能。由于其压电系数优于AlN，在与体波和声表面波（SAWs）相关的微机电系统(MEMS)中得到了广泛的应用，如声学传感器、能量采集器和射频(RF)滤波器，因此AlScN在国内外引起了研究人员的广泛关注。近年来，压电材料，如氮化铝、铌酸锂（LN）和砷化镓（GaAs）经常被应用于声光（AO）耦合，显示出巨大的应用潜力。压电材料中的AO耦合为实现片上AO调制，微波光子滤波，声光频移，和光的非互易传播提供了一种很有前途的方法。与波导中固有的光力学相互作用不同，不需要为AO交互设计悬浮波导或光力学腔，

这保证了片上应用的稳定性和可行性。

近日，华中科技大学武汉光电国家实验室孙军强教授等人证明了AlScN是一种具有片上声光耦合相互作用的候选材料，此外还具有优异的压电性能。基于压电薄膜Al0.6Sc0.4N在绝缘体硅片平台上制备，该器件在210 μm较短的相互作用时间内具有良好的声光耦合性能，由叉指换能器驱动表面声波。同时，在具有8个相互作用片段的紧凑螺旋波导中，声光耦合性能进一步提高。在中心频率为3.044 GHz时，调制效率从-21.5 dB提高到-12.5 dB，射频(RF) 3-dB带宽从4 MHz缩小到3.1 MHz，射频驱动功率为18.6 dBm。测量的调制效率与入射射频驱动功率成正比，当射频功率增加到24.6 dBm时，调制效率呈线性增加趋势，斜率为1。这种声光器件能够实现宽带声光调制和窄带微波光子滤波。此外，该团队所设计的器件结构在单带调制、声光频移和光的非互易传播等方面具有广阔的应用前景。相关研究工作发表在《Advanced Optical Materials》上。（丁雷）

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Chukun Huang et al, Acousto-Optic Modulation in Silicon Waveguides Based on

Piezoelectric Aluminum Scandium Nitride Film, Adv. Optical Mater. 2022, 2102334.

DOI: 10.1002/adom.202102334.

在光学、声学、化学和生物学领域中，以无损方式灵活操纵微粒、细胞和生物体一直吸引着极大的兴趣。声镊是一种新兴的、多用途的非接触操作技术，它基于声场的动量传递和声辐射（ARF）处理微粒。目前，ARF粒子操纵的理论设计方法和实验技术已经取得了快速的进展，已出现各种成熟的平台，以实现可行和精确的声学非接触操纵。例如，声捕获、悬浮、识别和分类很多是在换能器及其阵列的帮助下实现，或是使用叉指换能器装置产生的表面声波来完成，或是通过声子晶体板和声学超材料形成的人工声场。然而，经典波的瑞利衍射极限严重限制了辐射声场域中的陷阱尺度。在保证ARF调控声子的前提下，要获得亚波长尺寸的超小区域并不容易。

目前，在亚波长区域内寻找新的粒子操纵方法是一个急需解决的问题。近日，武汉大学物理与科学技术学院、人工微结构教育部重点实验室的Manzhu Ke和Zhengyou Liu研究团队制作了一个具有八倍准周期孔阵列的结构板，在亚波长区域实现了梯度声场，且确保了声子在宽频率范围内不同空间位置的声辐射力。随后，他们对产生的梯度场的ARF效应进行了数值和实验研究，确定了声子的轨迹和位置，并进一步证明了在这个亚波长区域内对声子的弹性推动和捕获效应的操纵能力。这个简单系统有望将为生物和医学中实现对微粒的多功能声学操纵。相关研究成果发表在杂志《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.014026

物质的拓扑相已经彻底改变了人们对能带理论的基本理解，并为下一代的低功耗电子或量子计算机等技术带来了巨大的希望。单带隙拓扑已经被广泛地探索，大量的材料已经通过理论提出和实验观察。这些思想最近已被扩展到带节点携带non-Abelian电荷的多带隙拓扑，其特征是由这些节点的动量空间编织产生的不变量。然而，Fermi-Dirac分布对电子系统的限制到目前为止阻止了对真实材料中多带隙拓扑的实验观察。

近日，来自英国剑桥大学Cavendish实验室的Bo Peng等人表明，在已知的单层硅酸盐的玻色子声子光谱中，可以很容易地观察到由编织过程驱动的多带隙拓扑和伴随的相变。相关的编织过程可以通过电场和外延应变来控制，并且首次涉及到三个以上的能带。最后，他们提出可以通过拉曼光谱的演化来跟踪Γ点的能带反转过程，为实验验证伴随编织过程的能带反转提供了一个清晰的特征。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(詹若男)

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Bo Peng et al. Phonons as a platform for non-Abelian braiding and its manifestation in layered silicates. Nature Communications (2022) 13:423

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28046-9

由于其独特的材料特性，III-氮化物半导体被应用于功率、高频电子和固态照明等领域。III-氮化物微型led、垂直FinFETs、场发射器件和许多其他器件在尺寸上的需求均低于100nm。不幸的是，由于缺乏针对垂直结构的纳米分辨率蚀刻技术，特别是针对50nm以下尺寸的收缩特征，目前阻碍了这些极小器件的发展。在过去，加热四甲基氢氧化铵(TMAH)和KOH处理的取向依赖的蚀刻方法被用来消除干蚀刻对III -氮化物材料造成的损伤，并缩小垂直结构。不幸的是，由于化学蚀刻过程中的微面化，这些处理方法很难应用到直径小于50 nm的垂直纳米结构上。因此，在传统的蚀刻过程中精细控制和缩小垂直纳米结构的蚀刻技术仍然是必要的。

近日，来自美国麻省理工学院Pao-Chuan Shih等人进一步研究了湿化数字刻蚀法锐化GaN垂直尖端，并将其应用于AlGaN尖端和c面AlGaN刻蚀。这种数字蚀刻技术可以很好地收缩GaN垂直锥形尖端，而不会损坏侧壁，这在一些高密度垂直纳米结构阵列的应用中是有益的，如微型led和垂直功率器件。此外，它在c面AlGaN上的无等离子体可控刻蚀率在HEMT制造中有许多应用，包括栅极和欧姆凹槽的形成。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1063/5.0074443

磁 skyrmions及其物理特性的发现推动了固态系统中拓扑自旋态的研究，skyrmions作为移动信息载体为自旋电子器件提供了新的概念。Skyrmions非常有趣，因为它们是纳米尺度的物体，可以有效地结合自旋电流，实现高存储密度和低能量控制。随着这一领域的发展，研究范围逐渐扩大，其他自旋结构如介子、双质子和hopfions也被考虑在内。近年来，错位、旋错和螺旋磁畴壁作为一种新的拓扑纳米系统家族出现，它们自然地出现在手性磁体的螺旋磁基态中。这些拓扑自旋纹理的出现是由螺旋成像顺序的层状形态实现的，例如，胆甾相液晶，游动细菌和我们手掌的皮肤。在磁性中，存在某些类似于铁磁条纹域，但所涉及的长度尺度有很大的不同。在手性磁体中，自旋结构连续扭曲，其周期比经典的条纹域小3个数量级。螺旋成象结构中的边界位错是由一对+π和−π的边界位错形成的，根据它们的Burgers向量，可以携带一个拓扑电荷W=±1/2。

现在已经确定，具有非平庸拓扑结构的自旋纹理具有巨大的技术潜力，例如，可重构逻辑门、赛道内存、以及神经形态和储层计算。然而，对单个拓扑自旋结构和磁性纳米物体的传感，以与所提出的器件结构和半导体制造方法兼容，仍然是一项具有挑战性的任务。拓扑自旋排列已被各种成像技术解决，包括电子、x射线、和磁光显微镜，以及扫描隧道显微镜、磁力显微镜(MFM)、和氮空位磁强计。虽然这些方法为拓扑非平凡自旋纹理的物理学提供了重要的见解，但它们不能直接转移到器件上。对于特殊的skyrmion-electronics情况，一种很有前景的方法是利用拓扑霍尔效应或磁电阻测量，但向其他磁性纳米实体的扩展仍有待证明。因此，开发动态和更灵活的读取方案，允许在器件相关的几何图形中解决单个纳米尺度的自旋纹理是非常值得研究的。

近日，来自挪威科技大学大学Dennis Meier教授团队演示了如何利用非线性磁响应来检测和识别纳米尺度上的拓扑平庸和非平庸的自旋纹理。结合MFM和微磁模拟，分析了模型系统FeGe中磁偏移、位错和helimagnetic畴壁的局部磁响应。研究结果阐明了局部磁性特性，并揭示了特征指纹，使使用超导微线圈能够选择性地检测不同的纳米尺度自旋排列。相关研究工作发表在《Nano Letters》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02723

刺激响应材料可以改变其状态以响应外部触发。这允许通过物理、化学、生物或环境刺激来专门调节它们的物理、化学和生物特性，从而实现某些特定的功能。因此，响应材料被广泛研究，应用于传感器、致动器和靶向药物输送等领域。如果状态之间的转换表现出双稳态的滞后，则不同状态之间的切换能够读取和写入信息。具有双稳定性的非常规非磁性材料最近已被证明用于折纸结构的折叠状态、玻璃体和主客体功能化的热响应聚合物。有了两个状态控制变量，逻辑操作的实现也将成为可能。逻辑门响应功能已被用于控制溶胶/凝胶转变、水凝胶降解或用于药物递送应用的纳米载体分解。对于响应材料，到目前为止，双稳态和逻辑门功能都是通过采用化学反应来实现的，这导致了化学状态和动力学方面的双稳态是很有趣的，但与使用铁磁和铁电材料的固有物理双稳态相比，还很难实现。如果可以在响应材料中证明内在的双稳态，这将是在广泛类别的响应材料中编码记忆、读/写信息甚至逻辑操作的决定性步骤。

近日，德国于利希研究中心Stephan Förster团队展示了基于聚合物体积相变的本征滞后的双稳态、剩磁和读/写信息存储。研究团队使用笔和激光将信息热写入薄层显示设备。使用了最广泛的一类响应材料：聚-N-异丙基丙烯酰胺均聚物和二嵌段聚合物。展示了“与”逻辑门功能。此外，还发现了一种非常规的记忆状态，在这种状态下，信息在滞后窗口中是可见的，而在较高的温度下是不可见的，这允许隐藏编码的信息。由于滞后是响应材料非常普遍的固有现象，因此这种编码和存储信息的原理可能适用于广泛的响应材料。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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J. Michalska-Walkowiak, B. Forster, S. Hauschild, et al. Bistability, Remanence, Read/write-memory and Logic Gate Function via A Stimuli Responsive Polymer[J]. Adv Mater, 2022: e2108833.

https://doi.org/10.1002/adma.202108833

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