超材料前沿研究一周精选 2021年7月5日-2021年7月11日

在过去三十年中，光子晶体（PhC）显示出特殊的限制和传输特性，利用光子带隙，可以抑制嵌入的量子发射器的自发辐射，促进通过带边操作的慢光，或作为高Q谐振器或波导的宿主局部缺陷模式。受限缺陷模式构成了许多器件的基础，如PhC光纤、光谱滤波器和激光器，为了实现近乎完美的受限，缺陷模式被构造成位于光子带隙内，以便在光谱上将它们与PhC的扩展态隔离开来。然而，这就需要使用具有足够高折射率的材料来打开完整的间隙。另一种限制机制可以绕过对带隙的需求，使得许多低折射率材料（如玻璃和聚合物）的使用成为可能，并提高了实现基于PhC的器件的设计灵活性。实现这一点的一种可能方法是使用连续体中的束缚态（BICs）。BIC是一个系统的本征模，尽管它退化为一个连续的扩展态，但仍然是有限的。实际上，到目前为止，在嵌入多维光子晶体内部的点缺陷中还没有实现连续介质中的限制。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的Sachin Vaidya教授和美国新墨西哥桑迪亚国家实验室的Alexander Cerjan教授团队预测了在二维PhC环境中存在指数受限于点缺陷的束缚态。缺陷腔和体PhC的设计使得由于缺陷模和周围连续态之间的对称性失配，不存在辐射泄漏被。作为这些BICs的一个应用，该团队还展示了它们如何绕过带隙要求，在低对比度、慢光PhC光纤中作为任意小群速度的传输光纤模式。同时，该文章提出的BICs可以在多种系统中实验实现。例如，这些原理可以应用于在无间隙PhC板中产生高Q值的纳米空腔，其中一些垂直泄漏是不可避免的，但是面内泄漏可以通过对称失配机制来抑制。在功能上，这些模式的行为类似于普通的基于PhC板的空腔，这些空腔依赖于带隙，但可以在具有潜在较低介电对比度的替代结构中实现。此外，这些BIC完全依赖于对称性考虑，也可以使用其他周期性系统（如声学晶体、波导和耦合谐振器阵列）轻松实现。相关研究成果发表在《Physical Review Letters》上。（钟雨豪）

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.023605                      

近年来，用于检测周围介质的基于光的传感器在环境保护、生物和食品安全以及气候和海底监测中的应用引起了人们越来越大的兴趣。典型的传感策略包括测量吸收光、散射光和荧光，以及光强、偏振和波长的变化。微米或纳米级体积中的光子-声子相互作用，例如微腔、小芯光纤和纳米结构材料中的光子-声子相互作用，赋予了操纵光和声音的新策略。这为光学控制小腔或薄波导的运动以及制造新器件以实现下一代微波/射频光子学、数据存储和光通信开辟了新的途径。这种相互作用还能使传感器进入一个新的维度，即检测周围介质或附着颗粒的密度、弹性或质量。光纤是研究和处理光子-声子相互作用的补充介质。光声振动，也称为类拉曼振荡器或前向受激布里渊散射(F-SBS)，可以通过相位测量通过额外的共传播探测光进行光学激励和检测。光声振动可用于通过使用芯内灯对声脉冲序列进行频谱分析来检测周围的阻抗。最近，通过控制光纤中的光声相互作用，实现了空间分辨光声传感。光纤中的光声振动使得空间分辨传感成为可能，但是微弱的电致伸缩力阻碍了它们的应用。

近日，来自中国广州暨南大学光子技术研究所、广东省光纤传感与通信重点实验室的Yizhi Liang等人引入光热诱导声振动(PTAVs)来实现高性能的光纤光声传感。利用聚焦脉冲激光进行光热驱动的具有宽范围轴向波数的强声振动。局部横向共振频率和损耗系数可以通过光谱分析由芯内声学传感器光学测量。空间分辨传感进一步通过机械扫描激光点来实现。实验结果表明，在大约10微米的空间分辨率和50赫兹的帧速率下，声阻抗传感器可用于解析周围流体的声阻抗。因此，基于PTAV的光声传感可以以更高的时空分辨率提供微流体中扩散动力学的无标记可视化。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Yizhi Liang et al. High spatiotemporal resolution optoacoustic sensing with photothermally induced acoustic vibrations in optical fibres. Nature Communications        (2021) 12:4139

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24398-w

在低温下，超流氦的表面是一个不可思议的原始基底，没有几乎所有其他材料系统中不可避免的缺陷。放置在这个超流体基底附近的电子被吸引，并浮出表面10nm，形成一个独特的二维电子系统(2DES)的二维电子系统(2DES)。氦上的电子是量子非简并的，但不是经典的，量子效应影响高磁场中的多电子输运以及单电子的自由度。

该系统中电子之间的强排斥力共同产生电子流体或结晶电子固体，表现出奇异的高频动力响应，通常通过电子与射频场或微波场之间的自由空间耦合来研究。基于声表面波(SAW)的技术是研究这些高频集体现象的一个很有前途的互补探针。声表面波的波长可以与该系统中的电子间距相兼容，打开了基于声表面波的电子在氦或工程声晶格上的Wigner固态散射测量，用于研究在相应的俘获势存在下的电子结晶。

压电表面声波(SAWs)对于研究和控制凝聚态中的基本和集体激发具有强大的作用。在半导体二维电子系统中，SAWs已经被用来揭示电子态的时空结构，产生量子化的电荷泵送和传输量子信息。近日，来自美国密歇根州立大学的H. Byeon等人报告了氦上电子与倏逝压电声表面波的耦合。该文章演示了低至0.01%的电子的精确声电传输，为未来的量子化电荷泵浦实验打开了大门。该文章还指出，SAW是研究氦上电子液相和电子固相集体激发态的高频动力学响应和弛豫过程的一条有效途径。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-24452-7

传统上，在超强激光场隧穿电离的气体中观察到强谐波产生(HHG)，超过了结合电子与原子核的气体。高电离阈值、反演对称性和气体室施加的基础设施要求给现有光电平台集成的小足迹低功率源的开发带来了挑战，以实现高效和宽带高谐波产生。固态材料代表了高谐波产生源的一个有吸引力的替代。然而，传统的利用块体晶体产生高谐波的方法由于谐波重吸收和相位不匹配，不能同时实现高转换效率和宽光谱带宽。最近，设计纳米结构引起了相当多的关注，因为它们可以通过各种机制缓解局部增强的光学热点场带来的这些问题:在接近零的状态下运行，在Si超表面中发现的高质量因子集体模式，或等离子体场增强。然而，在强场条件下通过光谱选择超表面实现高效高谐波产生的几个挑战可以被识别出来。此外，过量的自由载流子会大大降低谐振超表面的质量(Q)因子，从而破坏其关键目的:产生共振驱动的光学热点。其次，不透明材料对谐波的吸收降低了高谐波产生体积，大大降低了高谐波产生效率。最后，中心对称材料只能产生一个谐波子集(奇)。

近日，来自美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学的Maxim R. Shcherbakov等人展示了一个纳米级平台的高效高谐波产生强烈的中红外激光脉冲:超薄共振磷化镓(GaP)超表面。GaP晶体的宽禁带和缺乏倒转对称性使得偶奇次谐波的产生覆盖了1.3 - 3ev之间的广泛光子能量范围，并且具有最小的重吸收。共振增强的转换效率促进了单次发射测量，避免了材料损伤，并为研究纳米尺度下轻物质相互作用的微扰和非微扰之间的可控过渡铺平了道路。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-24450-9

抑制低频水声，即降低水下目标的探测信号强度，消除声纳设备的辐射噪声，对于海洋环境学至关重要。然而，有效地消散低频的水声对科学家和工程师来说一直是个挑战，特别是在波长高达几十米的亚千赫兹频率下。传统的水声消声涂层吸收材料是由均匀的橡胶或聚氨酯制成，通过分子间摩擦耗散声能，其中松弛和热传导的影响严重依赖于固有粘弹性。由于低频声能的能量密度较低，粘弹性系数本身较弱，受质量定律的限制，需要通过复杂笨重的处理手段来阻断或抑制低频声能。低频声的亚波长结构在实际应用中是难以被接受的。另一方面，局部共振声学超材料对于亚波长尺度下的声波操纵无疑引起了科研人员前所未有的研究兴趣。

近日，南京大学近代声学教育部重点实验室刘晓峻教授等人提出了一种基于橡胶-金属谐振器(RMRs)支撑的五模式超材料(PMs)的深亚波长厚度的超薄复合超表面。研究结果表明，在760 ~ 920 Hz(波长λ从30.9 ~ 25.5倍吸收层厚度)的亚千赫兹频率下，平均吸收率达到87.8%。在复合系统中，PM层起到了能量转换器的作用，它将入射的水声转化为机械振动，这表明只有当转换振动被反向的RMRs消除时，声波才能被吸收。除了作为一个转换器，PM本身还表现出来自固定边界约束的额外的共振模式，这导致RMRs的强烈振动，从而促进能量耗散。进一步的研究表明，在扩展频域和宽斜角入射角下，该材料具有独特的高效吸收特性。所提出的方法为低频水下吸收器的设计提供了一种新的研究思路。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

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Ye Gu et al, Ultrathin Composite Metasurface for Absorbing Subkilohertz Low-Frequency Underwater Sound.Physical Review Applied(2021).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.014021.

由于其独特的电磁 (EM) 特性，超材料为科学界开创了一个新时代，这些特性在自然界中通常是不存在的。这些材料已被广泛用于操纵电磁波波，产生了许多令人兴奋的现象和新奇的设备，例如负折射率、梯度折射率和隐形斗篷。超表面 (MSs) 是一种二维(2D)超材料，由于其电学厚度可忽略不计，因此减小了超材料的体积并降低了损耗，目前已经提出了许多基于MSs的应用，例如透镜天线、偏振转换器、涡流发生器和无色差设备。因为设备的小型化和集成化要求，多功能的MSs备受关注。一种简单的方案是将不同功能的MSs直接合并到一个设备中。然而，这种方法导致体积更大的设备和不同功能之间的干扰。可重构和有源MSs可以实现多种功能，但通常需要复杂的设计和额外的控制系统。实现多功能能力的另一种策略是设计具有偏振相关相位响应的MSs，然而，这类设备仅能实现两个功能，因为极化自由度为两个。

多功能超表面由于能够在平面设备中实现多样化的波前控制而受到广泛关注。迄今为止，大多数通过超表面的设计仅限于实现一两个功能。近日，来自南京大学的Rui-Xin Wu研究小组通过使用相同类型的不同结构单元实现了宽带的三功能超表面。结构单元可以在很宽的频率范围内独立操纵透射波的振幅和相位以及反射波的相位。因此，根据入射波的偏振和方向可以实现光束偏转、漫散射和光束聚焦的功能。超表面应用于超透镜天线，具有宽带、低旁瓣和隐身的特性。超透镜天线的工作频率范围为 9.8 GHz 至 11.6 GHz，增益超过 25dBi。实验验证了三功能超表面的功能，并且与设计非常吻合。这种方法为基于超构材料的具有多种功能高效宽带设备提供了一个可靠的平台。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1364/OE.431316

冰是地球表面上最丰富和最重要的结晶固体之一，在化学物理、生命科学、地球物理、天文学和其他学科的各种主题中发挥着重要作用。因此，在过去的几个世纪里，人们对冰进行了广泛的研究。大块冰具有刚性和脆性，会导致雪崩、冰川滑动和海冰破碎等自然现象。实验发现，其最大弹性应变远低于理论极限>10%。这种差异主要是由冰晶体的结构缺陷造成的。低维形式的材料，如纳米晶体、纳米线和超细纤维，由于较低的缺陷密度和更均匀的应力分布，可以表现出比其体积材料优越得多的机械性能。冰的纳米和微观结构以雪花和冰须的形式自然存在；预计这些冰块还具有比块冰更好的机械性能。虽然低维冰的结构，如冰须和冰针已经在实验室中生长，但研究的重点是生长和形态，而不是研究机械性能。

近日，浙江大学童利民教授团队发现冰微纤维（IMF）具有出色的机械性能。通过采用电场增强生长方法，其生长温度远低于以前使用的温度，成功地生长出高质量和小直径（低至数百纳米）的IMF。结果表明，生长的IMF为六角单晶，沿晶核方向为六边形，表面光滑，截面均匀。这种IMF可以以高达10.9%的应变弯曲，这远高于先前报告的最大应变，并且该值接近理论弹性极限（14%-16.2%）。对弯曲的IMF进行了拉曼光谱测量，并在-70℃下在3%的临界应变附近检测到冰Ih和II之间的可逆相变。另外，还证明了IMF具有良好的光学性质，IMF可用于引导具有低光学损耗的可见光并支持其周围的回音壁模式（WGM）。这些柔性冰纤维的发现为在微纳尺度上探索冰物理和冰相关技术提供了机会。相关研究发表在《Science》上。（徐锐）

文章链接：

P. Xu, B. Cui, Y. Bu, et al. Elastic ice microfibers[J]. Science, 2021, 373(6551): 187.

https://science.sciencemag.org/content/373/6551/187

刚度是对任何材料系统都至关重要的力学特性，通常被认为是一个静态量。生物系统通常会调节其刚度以实现特定功能，调节其刚度的能力允许对环境变化的按需响应和实现优雅的功能，这是恒定刚度无法实现的。最近的工作表明，具有可编程刚度的新型材料可以提高性能并简化工程系统的设计，例如变形机翼、机器人抓手和可穿戴外骨骼。常用的几种刺激（如光、磁、热等）可以触发材料系统中可编程和可逆的刚度变化。虽然这些刺激在特定场景中都有优势，但它们都有明显的缺点。一些刺激需要笨重的设备，这会给工程系统增加相当大的设计复杂性、重量和成本，而另一些则导致缓慢、不均匀的材料响应。通过电刺激来编程刚度的能力是有利的，因为它与自动机器和机器人普遍存在的电传感、控制和电力网络具有自然兼容性。

近日，美国宾夕法尼亚大学Kevin T. Turner和James H. Pikul团队回顾了具有电可编程刚度的材料。这种材料被定义为响应电刺激而改变其机械刚度的材料。目前此类材料的例子利用静电或相变来调节刚度，因此，本综述分为两个主要部分，利用静电或相变的材料系统。对于每个系统，总结了控制的物理方法，并讨论了利用这些物理方法对不同材料的优点和局限性。然后解释材料选择和设计如何在设备性能中发挥关键作用，并比较最先进的示例。最后，详细介绍了该领域的挑战，并展望了具有电可编程刚度的材料的未来机会。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

D. J. Levine, K. T. Turner, J. H. Pikul. Materials with Electroprogrammable Stiffness. Advanced Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adma.202007952

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