超材料前沿研究一周精选 2021年11月1日-2021年11月7日

光纤结构紧凑灵活，是当今信息高速公路上广泛使用的一种高容量通道。这些优势进一步促进了局部环境的光学传感。由于强光约束的性质，标准光纤需要在核心波导内部直接进行微或纳米工程，而这些器件通常通过化学蚀刻、机械抛光、热锥形加工、激光改性或离子研磨等方式应用。这种结构将波导光重定向到纤维包层外的探头。然而，当外部环境能够接近或直接进入光子带隙空心光纤时，光学探测的响应性显著提高。这种开放式结构可以实现气体和液体的折射率传感，但不具备远程、局域或分布式传感的优势，而当开放腔、微光学谐振器和干涉仪等微设备被嵌入到固体核心纤维中时，这些优势是可能实现的。这种微型器件通过吸收、荧光、散射、衍射和干涉等基本方法使核心波导上的局部光学传感点成为可能。这些内部元件提高了光学灵敏度，使光纤实验室广泛应用于生物学或医疗保健领域，如癌症生物标志物的无标签检测。光纤布拉格光栅(FBG)由于具有敏锐的和环境响应性的共振特性而成为局部光纤传感中最受青睐的器件。然而，光纤光栅通常通过包层探测局部环境，而没有受益于开放的光子带隙结构。高q的微谐振器可以在芯片上实现光学捕获、无标签传感或单纳米粒子检测，但在光纤中由于深埋在包层中的实心光纤光栅而受到限制。而在传统光纤中嵌入强光子阻挡带是具有挑战性的。超短脉冲激光细丝最近提供了一种非接触的方式：在大块透明玻璃内部打开高纵横比纳米孔。该方法已推广到光纤，可以导致高密度的激光丝孔阵列横向穿透二氧化硅包层和引导核心，以提供在电信频段高折射率对比度的Bragg光栅。点对点制造与化学后蚀刻相结合，直接在紧密型和柔性纤维内部设计强光子阻带。

近日，来自多伦多大学电子与计算机工程系、伊朗Payame Noor大学物理系的Keivan Mahmoud Aghdami等人将激光相互作用进一步放大，以驱动纤维横截面上可控的长丝爆炸，从而产生均匀纳米孔密集排列。通过可控定位，将隔离的、盲孔或通孔制成图案，选择性地穿透核心和/或包层，并使强光子阻挡带直接在核心波导中形成，而对周围包层的处理最小。FBGs具有强共振和尖锐分辨π-位移，为各种溶剂和油润湿提供了高毛细性，可用于n_H= 1-1.67的高分辨率折射率(RI)传感。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Keivan Mahmoud Aghdami et al. Laser nano-filament explosion for enabling open-grating sensing in optical fibre. Nature Communications (2021) 12:6344 https://doi.org/10.1038/s41467-021-26671-4

非线性光学研究的是光与材料的相互作用，在激光技术、显微镜、材料科学等领域有着广泛的应用。寻找更有效的非线性材料，如出现二维纳米材料或新的物理机制以增强材料的非线性成为现代光学的一个重要分支。最近的研究显示，超材料和超表面在增强亚波长纳米结构中的非线性光物质相互作用、显著放松相位匹配条件以及开发纳米尺度的多功能非线性光子元件方面具有很大的前景。但目前的基于高质量共振的方法本身存在带宽狭窄的问题，限制了宽带非线性的应用。然而，双曲超材料(HMMs)具有沿不同符号的不同方向支持有效介电常数的极端各向异性，使各种宽带应用成为可能，包括无限腔、增强的自发发射、超透镜、光学吸收、和波前操控等。其物理起源来自于它们奇异的双曲色散，与自由空间的光子相比，其动量非常大，可以支持增强的光物质相互作用，原则上不需要共振。尽管已经做出了许多努力来增强HMMs中的光学非线性，如金属纳米棒阵列和由球形金属/介质多层腔包裹的非线性介质芯，但由于引入共振来满足严格的相位匹配条件，窄谱带宽仍然是不可避免的。

近日，来自华中科技大学光电子学武汉国家实验室、光电子信息学院的Junhao Li等人反直觉地报告了一个宽带、增强的二次谐波产生，且是在纳米图案双曲超材料中。纳米图案允许直接进入具有大动量的模式，使彩虹光捕获，即宽频率的慢光，从而增强局部场强度以促进非线性光物质相互作用。为了进行概念验证，他们制作了纳米结构的Au/ZnO多层膜，在可见波长范围(400-650 nm)内可以观察到增强的二次谐波产生。在470-650 nm波长范围内，增强系数大于50，泵浦功率仅为8.80 mW时，最大转换效率为1.13×10⁻⁶。他们的结果为各种重要技术的宽带超表面非线性器件提供了一种有效和稳健的方法。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Junhao Li et al. Full-color enhanced second harmonic generation using rainbow trapping in ultrathin hyperbolic metamaterials. Nature Communications (2021) 12:6425

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26818-3

光子和量子阱激子的杂化导致激子极化子的形成，准粒子结合了高速传播的大非线性和对磁场的敏感性。这些由混合光物质性质产生的有利特性使极化子成为新型半导体光学器件的极具吸引力的候选器件，这些器件具有非线性和对拓扑引起的无序的鲁棒性。布拉格微腔是迄今为止最成熟的极化子研究平台，在布拉格微腔中，利用光刻结构来调整光子模式色散，从而导致极化子能带结构发生改变，使相干器件和拓扑激光器成为可能。

与传统的微腔相比，用于极化子研究的另一种几何结构是平板波导，其中由全内反射限制的引导电磁模式强耦合到量子阱激子中。这种结构不仅相对容易制造，而且由于平面传播速度大，更适合集成到片上电路中。相干和连续光源已经被证明使用这种“水平”几何，而薄层结构有助于使用偶极极化子增强非线性。

近日，英国谢菲尔德大学的C. E. Whittaker等人在强耦合的条件下，在基于砷化镓平板波导中实现二维正方晶格光子晶体。该工作实现了靠近布里渊边界的光子晶体带隙，其中的态受到全内反射的保护，并且在约50 um宽的光子晶体上显示出低损耗传播。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）

文章链接：10.1063/5.0071248

太赫兹(THz)时域光谱学(TDS)已经被大量科研人员研究。TDS系统测量太赫兹波的振幅和相位信息，因此可以方便地计算太赫兹复折射率，例如，可以深入了解半导体的电荷-载流子动力学和钙钛矿的晶体质量。此外，飞行时间信息可以用来创建一个3D图像，显示光学不透明材料的近表层结构信息。非电离的太赫兹光子能量也有可能用于癌症诊断。尽管有这些功能，时间分辨太赫兹光谱仪的成像并没有在实验室之外被广泛使用。目前商业的THz-TDS成像系统通过光栅扫描物体或发射探测器对工作，带来机械运动秒大约20 ~ 30个数据像素的缓慢采集。这种缓慢的成像速率对半导体行业没有太大的吸引力，此外在医院使用也不现实。光栅扫描机制通常被用作探测器阵列，可以测量不容易获得的太赫兹波的振幅和相位。尽管将微测辐射热计阵列与数字全息相结合可以实现单频率的相干成像，但它们缺乏THz-TDS所提供的亚皮秒时间分辨率。

近日，香港中文大学Rayko Ivanov Stantchev等人首次使用卷积神经网络进行太赫兹(THz)成像，结合单像素相机，实现比当前商业系统快10倍的高质量高光谱太赫兹成像，更快的潜力只是受到噪声的限制。利用空间光调制器(SLM)成像依赖于将一组空间模式投射到目标上，并用单像素探测器记录传输过程，并使用光学延迟单元(ODU)获取太赫兹飞行时间信息。这项工作的一个关键突破是同步设备，在投影图案时不需要任何时间来指示ODU移动。这项工作最有趣的方面是，不涉及昂贵的设备，实现更快采集的潜力受到噪声的限制，而不是设备的能力。作者表示，考虑到单像素太赫兹相机的广泛应用，未来的工作将需要专注于更具体应用的光学设计，如皮肤成像或半导体质量控制。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

文章链接：

Rayko Ivanov Stantchev et al, Rapid Imaging of Pulsed Terahertz Radiation with Spatial Light Modulators and Neural Networks,ACS Photonics(2021).https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00634.

声表面波是在弹性固体介质表面上传播的瑞利波，其纵向和横向分量相互交织。声表面波非常适合于以相干声子的形式进行转导、传感和处理，利用材料的压电效应，通过使用叉指换能器（IDT）可以有效地、相干地激发声波并进行电学检测。因此，声表面波在各种电子设备被广泛应用。例如，声表面波滤波器在手机中随处可见，基于声表面波的生物传感器也广泛地用于探测流体介质中的特定分子，在新兴的量子领域，声表面波由于长相干时间备受关注等等。

为了扩大声表面波器件在各个领域应用的可能性，对声表面波位移场的时空分布进行探测是非常必要的。为此，研究人员发展了各种光学测量技术。比如研究了干涉测量法观测由表面位移引起的相位调制，刀口法观测由表面倾斜引起的路径调制，以及利用位移的周期性特性的衍射法。

近日，日本东京大学的K. Taga等人展示了用偏振计测量声表面波引起的周期性倾斜表面斜率的方法。研究声表面波偏振测量的主要动机之一是偏振计在有限噪声范围内工作时，可以精确地校准少量的偏振旋转。因此，偏振测量可以构成定量评价各种表面声波器件的可行工具。

相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）

文章链接：10.1063/5.0066362

物质（例如拓扑绝缘体和拓扑半金属）的革命性拓扑分类是以布洛赫本征态形成的能带拓扑概念为基础的，通常由布洛赫定理在无边界的无限大系统中计算。引入边界只会导致边界状态，但不会改变任何体特性（包括能带拓扑），这对于所有厄米或能量守恒系统都是普遍适用的。然而，最近发现的非厄米趋肤效应（NHSE）表明，源于损耗、增益或非互易性的非厄米性可导致所有体本征态向引入的边界坍塌。NHSE中体带的完全崩溃对体—边界对应（拓扑物理学的基本原理）提出了挑战，该对应性指出，从体中导出的能带拓扑决定了边界处的拓扑现象。理解NHSE需要引入非厄米能带拓扑描述，其特征与厄米对应的不同。例如，非常规拓扑可能由非厄米单能带产生，没有对称保护，而厄米能带拓扑需要两个或更多的能带，且处于一些对称保护下。除了最简单的单回路配置外，拓扑绕组还可以生成更复杂的拓扑。例如，正如最近在光子谐振器中沿频率合成维度所证明的，非厄米拓扑绕组可以在动量空间中表现出几乎任意的拓扑，包括产生两个相反方向的接触环的扭曲绕组。

近日，浙江大学信息科学与电子工程学院现代光学仪器国家重点实验室的Hongsheng Chen和江苏大学物理与电子工程学院的Hong-Xiang Sun以及新加坡南洋理工大学物理与数学学院的Baile Zhang联合研究团队证明了NHSE在有源非互易声子晶体中能够表现出不同的拓扑绕组。通过控制任意两个位置之间的非互易耦合，可以在现有的声学平台上实现更复杂的非常规拓扑绕组。NHSE是传统体边界对应崩溃的表现，研究非厄米拓扑声学中体边界对应和广义布里渊区的推广意义重大。尽管该实验是在一维中进行的，但将当前的设计扩展到二维或三维是可行的，这大大丰富了非厄米系统中的独特拓扑结构，并产生了奇异的物理现象，如高阶NHSE。此外，反馈机制具有普遍性，可用于设计声学和电磁学中具有非厄米、时间相关甚至非线性耦合的任意晶格。在应用方面，声学NHSE为高灵敏度声学传感器、坚固紧凑的单向波导和放大器铺平了道路。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：

Zhang, L., Yang, Y., Ge, Y. et al. Acoustic non-Hermitian skin effect from twisted winding topology. Nat Commun 12, 6297 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26619-8 

非互易性定义为系统响应不同入射波方向的正向和反向传输中的对称性破缺。整流器、隔离器和环行器是不同类型的非互易装置，在电磁学、声学和弹性波领域有着广泛的应用。在射频通信、量子技术系统和芯片处理应用中，控制波传播的微波频率超过100 MHz的非互易结构引起了人们极大的兴趣。然而，实现无磁非互易性和CMOS兼容制造技术仍然是一个挑战。表面声波（SAW）装置有望在雷达接收器中使用弹性波代替电磁波，实现尺寸小型化。这种器件具有广泛的应用前景，如片上射频滤波器、无线通信中不可分割的组件、微流、不同类型的传感器、混合量子技术以及光声和电声器件等。得益于声表面波器件，弹性非互易性适用于几百MHz到几GHz的频率范围，其中还包括微米和亚微米尺寸的低损耗器件。最近一些关于弹性非互易性的报告使用外部激励通过磁弹性和声电效应改变延迟线中的材料弹性波耦合。然而，这些基于材料的SAW非互易性报告涉及到在制造和缩小所提议的非互易器件时的不兼容性挑战，特别是对于集成芯片应用。

近日，伊朗Tarbiat Modares大学电气和计算机工程学院的Sara Darbari教授和法国FEMTO-ST研究所的Abdelkrim Khelif研究团队提出并模拟了一种基于简单倾斜声子晶体（PnC）异质结的整流声表面波（SAW）器件，该异质结由硅衬底上的单片柱组成。其原理是基于PNC前半部分的表面耦合导带与PNC后半部分的局部表面共振（LSR）带隙沿两个不同的等效入射方向的频率校准。得益于灵活的LSR带隙工程，他们通过优化芯片区域中柱的结构尺寸来调整带隙中心频率，这在不改变晶格常数的传统布拉格带隙中是无法实现的。此外，另一个主要影响破坏互易性的物理原理是梯形PnC异质结中特定频率范围内诱导SAW剪切到矢量模式转换，这取决于相对PnC倾斜切割线的入射方向。该设计具有简单的硅基结构和CMOS兼容的制造工艺，无需任何外部激励，是无线通信应用中极具前景的小型高效SAW整流候选器件之一。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.16.054004

典型的力学超构材料包括刚度可设计、五模式、负泊松比、负热膨胀以及基于折纸或剪纸的超构材料。近年来，具有独特性质和性能的刺激响应材料迅速涌现，为力学超构材料的发展提供了新的机遇。最常用的刺激响应材料包括形状记忆聚合物、液晶弹性体、水凝胶和其他复合材料。如果通过用刺激响应材料代替常规材料来重构力学超构材料，它们将能够对外部物理场的刺激做出反应，如热、化学、光、电、磁和压力作用。当受到刺激时，超构材料可以根据外部环境自动变形、运动并改变其结构特性或功能，因此可称为主动力学超构材料（AMMs）。与传统的力学超构材料相比，AMMs增加了时间维度，结构性能变得动态可调。AMMs是随着机械设计和材料科学不断发展的新兴课题，在工程和科学领域具有巨大的应用前景。一方面，AMMs结构的构建基于一般力学原理。另一方面，刺激响应材料的特性决定了AMM的功能和适用领域。这两个内容对于AMMs来说非常重要。但目前，考虑到这两个方面的报道是有限的，有必要讨论基于激励场的力学构造原理和分类，以及AMMs最先进的技术、研究成果和工程应用。

近日，北京理工大学方岱宁院士、李营教授、陶然副教授团队从力学和材料方面对主动力学超构材料的前沿工作和最新进展进行了综述，讨论分为三个部分。从主动超构材料的力学构造原理开始，即相变、应变失配、机械不稳定性、拓扑优化、机器学习。第二部分根据刺激场对主动力学超构材料进行分类，综合回顾了各个分支方向的研究进展，即热响应、化学响应、光响应、电响应、磁响应和压力响应。当然，这些并不代表所有类型的刺激响应材料。随着材料科学和物理学的发展，未来将出现新的替代刺激响应材料。在第三部分，总结了力学超构材料的几种代表性功能及其实际应用。它们可用于微型系统、大型机械和航空航天结构等各个领域。与以往的力学超构材料相比，AMMs具有更多的设计灵活性、预应力设计可实现性、机械性能可编程性、多激励场耦合驱动特性等。可以预期，AMMs将在制造业和人类生活中发挥更重要的作用。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

文章链接：

J. Qi, Z. Chen, P. Jiang, et al. Recent Progress in Active Mechanical Metamaterials and Construction Principles[J]. Advanced Science, 2021.

https://doi.org/10.1002/advs.202102662

多种不同功能的组合使多功能超构材料（MFMs）成为可能，这种材料或结构可以用于需要同时执行两种或两种以上功能的应用场合。如在远端磁场条件下制备刺激响应的声学超构材料来调节负模量和空腔诱导负密度。通过引入柔性压电贴片，开发了一种膜型声学超构材料，用于低频隔音和从声波中获取能量。另外，力学超构材料在低频范围内可以防止不必要的噪音和/或振动。大量的机械能以循环的方式进出局域谐振器，这意味着被捕获的机械能以振荡运动的形式集中在内部微结构元件中。因此，开发一种能够有效降低振动并同时收集捕获的机械能以用于实际应用的新型多功能超构材料多年来一直受到人们的关注。四种不同的能量收集机制，即电磁、磁电、压电和摩擦电，已被广泛探索以在不同条件下将环境能量转换为电能。与其他三种方法相比，摩擦纳米发电机（TENGs）结构简单、效率高。它基于摩擦起电效应和静电感应的结合，可以有效地收集机械能。自发明以来，研究人员提出了各种方法和新颖的设计来提高能量收集效率。

近日，美国密苏里大学黄国良教授和美国密歇根州立大学曹长勇教授团队报道了一种基于摩擦电纳米发电机（TENGs）的新型多功能超构材料（MFMs），它可以同时获取环境能量和降低振动。MFMs的单元由局部谐振腔、集成接触-分离模式TENGs和螺旋形连接梁组成。在此基础上，建立了一个综合力场和电场相互作用的多物理场理论模型来定量评估MFMs的性能，并通过实验验证了模型的有效性。结果表明，基于TENGs的MFMs不仅可以有效地将振动能量收集到电力-电子设备中，还可以显着抑制低频机械振动。这项工作为开发用于各种应用的先进智能系统的新型基于TENGs的MFMs提供了新的设计和模型。这种先进的智能系统可以用于汽车、机器人和植入设备的各种应用。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

X. Xu, Q. Wu, Y. Pang, et al. Multifunctional Metamaterials for Energy Harvesting and Vibration Control[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202107896

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。