超材料前沿研究一周精选 2021年10月18日-2021年10月24日

近日，来自清华大学精密仪器系柳强教授课题组和英国南安普顿大学（University of Southampton）高级研究员申艺杰博士等研究人员就新型晶体Yb:CALGO的特性以及基于此晶体的连续光激光器、脉冲光激光器的最新进展以及指标等进行了整理，并展望了其前景与挑战，尤其强调了其在多自由度可控结构光激光器领域的应用价值。综述题为“Advances of Yb:CALGO Laser Crystals”，发表于crystals。

Yb:CaGdAlO₄或Yb:CALGO是一种新型激光晶体，近年来在各种激光技术中受到越来越多的关注。这种晶体具有显著的热、光谱和机械特性，能够高效、安全地产生连续光波和超短脉冲。具体来说，其显著的热光特性和高转换效率允许其工作在高功率之下。其高非线性系数有利于锁模激光器的研究。此外，其超宽平顶发射带有利于产生可调谐性强的复杂结构光。本文综述了近年来Yb:CALGO的相关研究进展，包括其物理性质、在各个领域日益增长的应用价值以及未来的发展前景。（潘婧）

文章信息：

Wang H, Pan J, Meng Y, Liu Q, Shen Y. Advances of Yb:CALGO Laser Crystals. Crystals. 2021; 11(9):1131.  

DOI：10.3390/cryst11091131

可听声音的观察和测量通常涉及到机电换能器浸入声场，以感知其静态值附近的压力波动。声学传感主要是记录空间中单个点上的压力变化。传感器阵列的使用是一个重要突破，它能够捕获声场的空间特性，并观察重要的声传播现象。然而，在空间上任意声场的宽带采集仍然是棘手的，因为可听到声音的波长包括从17米到17毫米的数量级，导致不可行的采样要求。从声学传感的角度来看，声光相互作用原理是一个很有前途的范例，因为它可以在空间上远程传感声音，具有良好的空间分辨率，而无需将换能器沉浸在声场中。声光相互作用描述了当光在透明介质中穿过声场时所经历的衍射、偏转和延迟效应。

近日，丹麦技术大学电气工程系Samuel A. Verburg和Efren Fernandez-Grande介绍了一种声光传感方法，使用稀疏的一组非侵入性光学测量来远程捕获空间中的声场。利用光作为传感元件的光学方法最近引起了人们的极大关注，因为它们能够以良好的空间分辨率对声场进行远距离、非侵入性采样。然而，光学传感在声学中的实际应用，由于可获得的数据有限，以及现有方法不适合在缺乏数据的情况下重建声场，因此受到了阻碍。研究人员提出的方法依赖于在满足波动方程的基础上投影测量数据，从而缓解了传统重建方法的测量要求。与现有方法相比，该方法的精度提高了20 dB，测量数据减少了90%。研究人员通过对声光相互作用的远程测量，在房间内原位重建三维声场，通过实验证明了这种方法的有效性。这些结果是推进声光传感方法应用的关键，目前声光传感方法还局限于简化领域。该研究为解决目前为止难以解决的问题，如复杂三维声场的体积和远程采集带来了可能性。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：Samuel A. Verburg et al, Acousto-Optical Volumetric Sensing of Acoustic Fields. Physical Review Applied (2021).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.044033.

自旋和轨道轨道角动量(OAM)是经典波的固有性质。自旋与波的圆偏振(矢量自由度)有关，并以矢量场的局部旋转为特征。OAM来源于波的空间相梯度(标量自由度)，表现为螺旋波阵面。自旋和OAM之间的耦合，被称为自旋轨道相互作用(SOIs)，可以在光学中产生有趣的现象和应用，如光子自旋霍尔效应和自旋无关涡旋生成。SOIs在光波等横波中是独特的，而在纵波中则不存在。这是因为，虽然像空气传播的声音这样的纵波可以携带OAM，但它们本质上是自旋为0的。最近的研究表明，工程声场可以具有一个局部旋转速度场v，可以看作是声旋，类似于由电场局部旋转产生的自旋。这种声音自旋可以在非均匀声场中局部出现，最近在实验中已经观察到。然而，在均匀介质中，局域波的声自旋密度的空间积分必须消失，这符合其自旋为0的性质。尽管发现了声学自旋，SOIs在声音中仍然无法达到，这主要是由于缺乏自由度。

近日，来自香港城市大学物理系王书波教授团队和香港浸会大学物理系马冠聪教授团队从理论上和实验上证明，空气中的声音可以在声学微极性超材料中具有人工横向性，从而携带自旋和轨道角动量。这使得声学SOIs的实现具有传统声学系统之外的丰富现象。他们证明了超材料的声活性可以诱导自旋和线性晶体动量k之间的耦合，从而导致横向声的负折射。此外，他们还发现偶极子对横向声的散射可以通过几何相位效应产生与自旋相关的声涡旋。声学SOIs可以为声音操纵提供超越传统标量自由度的新视角和新功能，并可能为自旋轨道声学的发展开辟一条道路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Shubo Wang et al. Spin-orbit interactions of transverse sound. Nature Communications (2021) 12:6125

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26375-9

光隔离器在所有光子系统中都是不可或缺的，它们能够确保光传播的单向性，防止不良反射。基于非对称法拉第旋转的磁光隔离器长期以来一直主导着非互易光子器件领域，因为它们具有提供低插入损耗（<2 dB），高对比度（30-60 dB）和宽带（数纳米）等优点。研究人员已经做出了许多尝试，试图将这些设备带到芯片上，并取得了一定程度的成功，但仍有许多未解决的挑战阻碍了其全面应用。于是人们对光隔离器的改进技术进行了广泛的研究，这些技术涉及利用合成场、光机学、声光、电光、旋转谐振器和手性泵浦原子等领域。他们可以通过时空复合调制的方法，并使用一些动量守恒规则或动量偏差来破坏互易性。一般情况下，这些方法在较窄的带宽上工作，这对于各种单频激光应用来说是可行的，例如，在超稳定光源、光探测和测距、频率梳等应用中，然而同时兼具低插入损耗的能力仍然是一个巨大的技术挑战。

近日，美国伊利诺伊大学机械科学与工程系的Gaurav Bahl教授研究团展示了一种电驱动的光隔离器设计技术，该技术利用了小尺寸、高质量的介质波导的高透明度特点，以及临界耦合吸收体的强衰减效应。该结果通过铌酸锂环形谐振器来实现的，其中声子介导的光子Autler–Townes分裂破坏了共振模式的手征对称性，在低温量子技术中作为抑制热噪声的手段，且不会影响超导材料的磁场。此外，他们还演示了波长在1550nm和780nm附近相隔一个倍频程的隔离器，由相同绝缘晶片上的铌酸锂制成。线性隔离被证明同时小于1 dB插入损耗，大于39 dB的对比度和10 dB带宽高达200MHz。这是实现芯片级原子-光子集成的关键技术。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（钟雨豪）

文章链接：Sohn, D.B., Örsel, O.E. & Bahl, G. Electrically driven optical isolation through phonon-mediated photonic Autler–Townes splitting. Nat. Photon. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00884-x

由于人们对器件性能和灵敏度的不断追求，微电子机械系统(MEMS)的尺寸缩小到纳米范围，纳米电子机械系统(NEMS) 也得到了发展。NEMS谐振器的极端器件小型化为高性能质量传感和力探测达到前所未有的分辨率提供了可能性，并开启了它们在量子物理领域的实现。纳米机械谐振器在质量和力谱中所达到的极低检测限与两个因素的结合有关:小的谐振器质量和高品质因子Q。NEMS的主要缺点是制造过程高度复杂、步骤多且昂贵。已经有研究开发了几种替代制造工艺，但它们仍然局限于MEMS范围和非常低的品质因子。

近日，来自都灵理工大学应用科学与技术系的Stefano Stassi等人报告了用3D打印方法制造高品质因子Q的刚性NEMS谐振器。该器件是通过双光子聚合技术打印，以达到纳米分辨率，使用了他们最近开发的由金属盐和光聚基团组成的液体油墨。该油墨在第一步进行空间光聚合，随后通过热步骤去除有机含量，并实现金属前驱体的致密化，从而得到了由高杨氏模量和低阻尼的陶瓷结构组成的复杂几何打印器件。3D打印的NEMS谐振器的品质因子高达15000，质量灵敏度高达450 zg，与硅基NEMS谐振器的性能一致。他们通过实验证明了通过一种简单的技术快速制造NEMS器件的可能性。该技术提供了一种替代半导体谐振器作为高灵敏度质量和力传感器的有效方法。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Stefano Stassi et al. Reaching silicon-based NEMS performances with 3D printed nanomechanical resonators. Nature Communications (2021) 12:6080

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26353-1

超构材料研究主要集中在二维结构上，虽然这些结构获得了负折射率、电磁隐蔽等优异的物理特性，但仍存在对波入射角敏感、难以适应复杂曲面基板等缺点，难以满足实际使用条件。为了克服2D超构材料的不足、扩大超构材料的应用范围，研究人员将注意力转向3D超构材料的设计和制造，寻求超构材料的结构创新、工艺创新和功能创新。制造超构材料主要有三种方法：印制电路板（PCB）、光刻和3D打印。由于PCB工艺特性，仅限于2D或2.5D结构。而光刻法工艺存在成本高、制作工艺复杂、共形难以实现、3D结构制造复杂等缺点。3D打印技术为3D超构材料结构的制造提供了新的途径，其中许多是通过传统的制造方法无法实现的。虽然大多数超构材料结构是多材料复合结构，如超构材料吸收体，包括介电层和金属层，而大多数3D打印方法，如喷墨打印、立体光刻、熔融沉积成型、激光直写等，只能打印单一材料，这是打印后需要沉积金属层。并且仍然存在阻碍3D打印方法在超构材料制造中更广泛应用的挑战性问题，特别是对于共形表面和多层超构材料结构。

近日，厦门大学陈沁楠教授和孙道恒教授团队提出的投影显微立体光刻（PμSL）3D打印技术与液态金属填充技术的结合，将为制备具有3D保形结构的超构材料开辟新的途径。这种方法的一个贡献，即在不考虑复杂的3D结构的情况下有效和准确地制造超构材料的能力，将有助于减少制造超构材料设备的障碍，并推进超构材料设备技术的研究。该团队制造了一个正交开口环谐振器3D超构材料，传统方法需要多个步骤。另一个贡献是共形超构材料结构的制造，在常规方法中，超构材料结构首先在柔性基板（如PDMS、PI等）上制造，然后粘附到目标表面或转移超构材料结构通过水转印方法中的浸渍工艺将其打印到3D表面上。为了进一步展示所提出方法的鲁棒性，该团队制造了一种仿生复眼共形正交开口环谐振器超构材料，具有对入射波不敏感的特性。此外，该团队还将该方法应用于制造五层多波段共形超构材料，该超构材料需要堆叠单层，然后粘附在传统方法难以对准的共形表面上，以显示其多功能性。据了解，以前没有研究有如此灵活的方法来制造3D和共形超构材料，特别是对于多层共形超构材料，本文提出的方法具有嵌入式结构，可以有效地保护金属谐振层免受损坏，并具有以下优点高精度，宏观-微观-功能-结构一体化成型。相关研究发表在《Small》上。（徐锐）

文章链接：

K. P. Zhang, Y. F. Liao, B. Qiu, et al. 3D Printed Embedded Metamaterials[J]. Small, 2021.

https://doi.org/10.1002/smll.202103262

材料的形状与其固有特性一样重要，轻质材料对于车辆应用特别有价值，减轻重量可以提高燃油效率。聚合物和一些金属具有低密度和易于加工的特点被用于机械支撑，并通过不同的方式（如挤压、铸造和注塑）成型。然而，需要开发更可持续的材料来降低石化塑料的环境成本和金属的能源成本。木材是替代这些轻质结构材料的潜在候选材料之一。木材还具有机械强度高、重量轻、成本低的优点。各种方法已被证明可以改善木材的特性和功能以用于更广泛的应用，包括通过脱木素、致密化和其他改性。然而木材成型性通常较差，这使得将其加工成复杂的形状变得困难。为了满足特定形状的需要，人们探索了不同的木材成型方法，取得了不同的成功。传统的减材制造和木工将木材雕刻成复杂的3D形状，其中将木块连接起来以形成更复杂的结构。然而，这些“物理方法”通常是在大尺度上设计木材，不会改变内在的微观结构或材料特性，因此无法同时实现高机械强度和良好的成型性，限制了木材在需要两者的先进工程领域的实际应用。近年来，还研究了各种自下而上的方法，其中将木材分解为其组成部分，然后重新制造成所需的形状和用途。然而这些方法成本高、削弱了作为可持续材料的优势、牺牲了木材的自然层次结构和各向异性结构。

近日，马里兰大学的胡良兵教授团队报告一种自上而下的方法，通过该方法可以将木材加工成各种形状，同时还可以显着提高其机械强度。主要概念是基于部分脱木素和软化天然木材，然后通过干燥收缩其导管和纤维，然后在水中“冲击”材料以选择性地打开导管。这种快速的水冲击过程形成了一个独特的部分开放、起皱的细胞壁结构，为压缩提供空间以及支持高应变的能力，使材料易于折叠和成型。这种可成型木材可以实现不同的形状和结构，然后可以通过空气干燥来去除剩余的水，以形成最终的3D成型木制品。由此产生的3D成型木材的强度是原始木材的六倍，可与广泛使用的轻质材料（如铝合金）相媲美。这种方法扩大了木材作为结构材料的潜力，对建筑和运输应用的环境影响较小。相关研究发表在《Science》封面上。（徐锐）

文章链接：

S. Xiao, C. Chen, Q. Xia, et al. Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material[J]. Science, 2021, 374(6566): 465-471.

DOI: 10.1126/science.abg9556

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