今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及非线性霍尔效应的量子理论，超高速石墨烯基光学相干接收器，为高阶拓扑声学传输创建合成空间等敬请期待！
索引：
1.非线性霍尔效应的量子理论
2.超高速石墨烯基光学相干接收器
3.法布里−珀罗腔中的太赫兹超强耦合
4.实现声学超材料的时空有效介质
5.为高阶拓扑声学传输创建合成空间
6.频率调谐螺旋声镊三维捕获和动态轴向操纵的理论研究
7.超构材料中的反向和可编程坡印廷效应
8.可重构毫米级超构材料的制造策略
近期发现的非线性霍尔效应是霍尔大家族的一个新成员，其特征是非线性横向电压(或电流)响应于两个交流电流(或电场)。非线性霍尔效应不需要打破时间反演对称，而需要反转对称。更重要的是，这一效应是一种对离散和晶体对称破坏敏感的非常规响应，因此可以用来探测自发对称破坏引起的相变，如铁电或空间对称相关的隐藏有序跃迁。也有研究者表明非线性霍尔效应也其他应用，比如可以用来探测反铁磁体中的量子临界点等。各种相关的现象也被提出，如陀螺霍尔效应（gyrotropic Hall effect），马格努斯霍尔效应（Magnus Hall effect），非线性能斯特效应（ nonlinear Nernst effect）。然而，关于非线性霍尔效应的量子描述仍然没有被系统的研究。
近日，来自南方科技大学的卢海舟教授团队利用图表技术构造了一个完整的非线性霍尔效应的量子理论。与非线性光学截然不同的是，几乎所有的图都描述了在电子输运中起决定性作用的无序效应。在费曼图中加入无序贡献后，与只有贝里曲率贡献的模型相比，二维倾斜狄拉克模型的总非线性霍尔电导率得到了提高，但其符号保持不变。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25273-4
2.超高速石墨烯基光学相干接收器
石墨烯基光电探测器(PDs)因其大带宽、小尺寸以及与硅基光子学平台的兼容性，在高速光通信领域引起了广泛关注。目前，等离子体波导集成石墨烯基PDs具有几微米的紧凑尺寸，表现出高达0.7 A/W的高响应度，110 GHz的大带宽，以及100–120 Gbit/s的高接收容量。然而，石墨烯基PDs仍然难以应用于200-Gbit/s、400-Gbit/s甚至更高的800-Gbit/s光互连，而直接检测模式被利用。为了满足全球数据流量不断增长的容量需求，采用先进调制格式和数字信号处理(DSP)的相干光通信可以提高频谱效率和数据传输容量。基于等离子体波导集成的石墨烯PDs和相干检测，光接收机将有机会实现大带宽和高质量的大容量数据接收。然而，目前为止，石墨烯基光学相干接收器(OCR)尚未得到实验验证。
近日，来自武汉光电国家实验室和华中科技大学光电信息学院的Yilun Wang等人提出并实验性地演示了一种基于90度光学混合和石墨烯等离子体缝隙波导光电探测器的集成光学相干接收器，其特征在于紧凑的占地面积以及远远超过了67 GHz的大带宽。结合平衡检测，90 Gbit/s二进制相移键控信号以提升的信噪比被接收。此外，在单偏振载波上接收200 Gbit/s的正交相移键控和240 Gbit/s的16正交幅度调制信号，具有低于14 fJ/bit的低附加功耗。这种基于石墨烯的光相干接收器将有望在400千兆以太网和800千兆以太网技术中得到潜在应用，为未来的高速相干光通信网络铺平了另一条道路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Yilun Wang et al. Ultrahigh-speed graphene-based optical coherent Receiver. Nature Communications (2021) 12:5076
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25374-0
3.法布里−珀罗腔中的太赫兹超强耦合
在过去的几十年里，人们对太赫兹(THz)科学和技术的研究兴趣激增。太赫兹光谱区域在量子级联激光器、成像、腔量子电动力学（QED）等领域的广泛应用引起了人们的广泛关注。腔QED实验在光物质相互作用的研究中起着至关重要的作用。描述光物质相互作用的参数为归一化耦合强度比ΩR/ωc，其中ΩR和ωc分别为真空Rabi频率和空腔频率、非辐射物质衰变速率γ，光子衰变速率κ;这些时间尺度因子不同的从弱到强的耦合机制。
近日，瑞士量子电子学研究所Elena Mavrona等人报道了一种单片太赫兹平面法布里-珀罗（FP）谐振腔，该谐振腔采用晶片键合的方法制备，并配备了亚波长孔径的金属反射镜。研究人员证明其与高迁移率的二维电子气的回旋共振耦合。在300 GHz时，第一模的Q因子高达89，协同性C=56.4，归一化耦合系数和第三模式分别高达17.5%和6.4%。太赫兹FP的发展FP腔对进一步研究太赫兹范围内的光与物质相互作用具有重要意义。由于光子晶体的几何形状，它自然地将超材料和光子晶体腔的结果连接起来，用于研究超强耦合。该腔可用于研究超强-深耦合下的新现象和新机理。在增加有效载流子数量的同时，还需要进一步研究耦合比。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）
文章链接：Elena Mavrona,Shima Rajabali,et al,THz Ultrastrong Coupling in an Engineered Fabry−Perot Cavity.ACS Photonics(2021).
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00717.
在过去的二十年里，超材料在控制不同的经典波方面展示了非凡的能力。虽然这些材料通常由亚波长结构单元组成，但对超材料的有效介质描述是提供进一步研究的基础。它可以为不同的光学和声学器件提供了性能设计方法，这些提供需要有效介质的非均匀分布，包括隐形斗篷、场旋转器和超表面。为了进一步扩展超材料的能力，一个方向是使材料参数在时域上也不均匀。在电磁系统中，泵浦光束是控制非线性材料在光频中时空指数的一种有效方法，而由外部数字电路调制的分布式变量或电容器通常被用来实现微波中的时变参数。对于声波和弹性波，用于调整几何参数的外部机械驱动器和用于调整超原子谐振特性的反馈电路被用于时变系统的实验实现。这些最初的实验，以及许多与时变参数所支持的奇异物理学相关的工作，已经开辟了一个新的领域，现在被称为时空超材料。时间上连续平移对称性的打破为超材料的设计提供了额外的维度，使我们可以探索无磁非互易、参数放大、反棱镜、高效变频、时间变化涡旋光束、宽带慢光、Floquet拓扑绝缘体和泵浦等。
近日，来自香港科技大学的Jensen Li教授团队构造了一个具有时变卷积核且可以在两种不同共振强度之间的声学超材料动态切换的平台，目前已经可以包含超材料的频率色散和时间调制。建立了对两种构型的可压缩率、密度甚至威利斯耦合参数进行时间平均的有效介质公式。不同原子调制之间的相位延迟对有效介质的影响可以忽略不计。不同原子调制之间的相位延迟对有效介质的影响可以忽略不计。该工作的实现使时空领域的超材料的高水平描述成为可能。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW B》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevB.104.L060304
整数量子霍尔效应(IQHE)的物理本质上表现在凝聚态系统中，同样的物理可以用经典的自由度来模拟，例如电磁、机械和声学。霍尔物理在理论上可以推广到更高的维度，最近已有研究报道了用原子和光子系统以及电路在四维(4D)中实现霍尔效应的实验。这些实验工作指出了在物理空间中模拟更高空间维度的策略。通过利用具有相变的合成维度，已在较低物理维度中追求物质拓扑状态中的高阶拓扑绝缘体。虽然合成维度可以在光子学和冷原子气体中呈现，但声学方面几乎没有成功的工作，因为声波波导不能以连续的方式弱耦合。
近日，来自美国密苏里大学机械与航天工程系的Hui Chen等人阐述了理论原理并制造了由通过调制通道强耦合的声学腔阵列组成的声学晶体，以证明一维(1D)和二维(2D)动态拓扑泵浦。特别地，高阶拓扑边-体-边和角-体-角输运在有限尺寸声学结构中被物理地说明。他们通过计算第一和第二陈数描绘了产生的2D和四维(4D)量子霍尔效应，并从物理上证明了对几何缺陷的鲁棒性。合成维度可以为声学拓扑波控制提供一种强有力的方法，并为探索四维及四维以上更高阶拓扑物质中的任何连续轨道开辟一个平台。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Hui Chen et al. Creating synthetic spaces for higher-order topological sound transport. Nature Communications (2021) 12:5028
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25305-z
6.频率调谐螺旋声镊三维捕获和动态轴向操纵的理论研究
用声辐射力操纵物体的想法是由瑞利、朗之万和布里渊早期关于声辐射压力和力计算的理论著作启发而来的，并在20世纪初报道了粒子在驻波的节点和波腹处捕获的一些早期演示。从那时起，这一原理不断完善，例如，通过将高频表面声波正交换能器和微流体技术相结合，在微通道中以二维方式操纵微粒和细胞，或者通过使用静态或可重构全息图在二维和三维同时图案化或操纵多个粒子。在声学中，“声学镊子”一词是由引Junru Wu引入的，类似于光镊，但是声学镊子同样缺乏光学对应物的两个基本特征：(i) 选择性，即选择、捕获和操纵单个物体而不影响其他相邻物体的能力，(ii)单光束的三维捕获能力，即仅从操纵室一侧光束中产生三维 (3D) 陷阱的能力。这两个问题可以通过使用聚焦声学涡旋或球形涡旋来解决，但同时也会导致声涡旋的一些轻微失真。
近日，法国里尔大学微电子和纳米技术研究院的Zhixiong Gong教授和Michael Baudoin教授研究团队从理论上证明了为弹性微粒和细胞获得3D 声学辐射陷阱的能力，该声场模拟了螺旋叉指换能器产生的逼真声场，这将螺旋叉指换能器提供的操作可能性扩展到三维维度。此外，他们还证明了3D捕获的细胞和微粒的位置可以通过将激发频率调整到接近用于设计螺旋换能器的原始频率，使之以可预测的方式轴向移动。实现的位移量比粒子半径大2个数量级，比波长大一个数量级以上。这项工作表明可以通过简单地调整驱动频率来轴向位移粒子，而无需移动换能器，这为使用单光束声学镊子操作3D 细胞和微粒开辟了前景。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.16.024034
坡印廷效应是一种令人惊讶的非线性弹性效应，在原始实验中，一根悬挂的钢琴丝在张力作用下扭曲时变长，如果两端之间的距离是固定的，扭转会引起垂直于剪切平面的应力（法向应力），该应力倾向于将两端分开。在扭转下产生法向应力或轴向变形是坡印廷效应的两种等效表现。作为剪切应变函数的法向应力遵循具有正系数的二次关系，称为坡印廷模量。虽然传统材料表现出正的坡印廷模量，但复杂的材料（如生物聚合物系统和设计的结构）可能表现出负的坡印廷模量，在固定载荷下引起剪切诱导收缩，或在固定载荷下引起负法向力。设计具有卓越机械性能的超构材料源于它们的结构而不是它们的成分，这吸引了不同科学学科的大量研究。到目前为止，力学超构材料主要在压缩或拉伸下进行研究。超构材料对直接剪切的响应，特别是坡印廷效应，在很大程度上仍未得到探索。理解超构材料中剪切和正常响应之间的复杂耦合，为驾驭和编程其剪切和坡印廷模量提供了见解。
近日，荷兰瓦格宁根大学Aref Ghorbani和Mehdi Habibi团队设计了一种超构材料，它可以通过编程在扭转下收缩或延伸，并在压缩下承受非线性扭曲。目标是在设计的结构中对坡印廷模量的符号和大小进行编程。设计了一种圆柱形超构材料，它具有可编程的坡印廷模量和反向坡印廷效应，其中压缩会引起扭转。圆柱形超构材料由相同的单元组成，这些单元由具有适当设计的横截面轮廓的梁组成。通过施加压缩，圆柱会产生非线性和线性扭转。设计结构的法向和剪切响应的符号和大小通过在剪切变形之前施加的预压缩梁的屈曲不稳定性和自接触相互作用之间的相互作用进行调节。他们提出了一个简单的弹簧模型，该模型再现了实验结果，并描述了获得反向坡印廷模量和编程坡印廷模量的基本设计参数。这一研究结果概述了一种合理设计超构材料可编程非线性弹性响应的策略，在工程生物材料中具有潜在的应用。这项工作为对材料的非线性弹性模量进行编程以及通过合理设计调整剪切和法向响应之间的耦合开辟了道路。在超构材料中获得反向和可编程的坡印廷效应激发了从设计机器材料、软体机器人和执行器到工程生物组织、植入物和在压缩和扭转下运行的假肢装置的各种应用。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
A. Ghorbani, D. Dykstra, C. Coulais, et al. Inverted and Programmable Poynting Effects in Metamaterials[J]. Adv Sci (Weinh), 2021: e2102279.
https://doi.org/10.1002/advs.202102279
通过设计几何形状，力学超构材料可以实常规材料无法实现的力学性能，如负压缩性、负热膨胀、零剪切模量和负泊松比等。除了利用结构直接影响力学性能外，还出现了多功能超构材料，这种材料的性能是通过其内部结构的几何重构决定的。允许可变的几何状态，每个状态都能够通过改变单胞的方向来展现独特的特性。为了设计可重构的超构材料，经常从折纸原理中获得灵感，设计的结构刚度通常是高度各向异性的，其中低刚度代表内部折叠模式，超构材料的结构可以沿该模式重新配置，而高刚度方向可用于承受施加的载荷。由于位于折叠处的应力和变形，折叠的使用对所使用的内部结构和材料产生了重大限制。虽然存在许多受折纸启发的可重构超构材料，包括基于三浦折纸图案、立方晶格、雙曲拋物面、萨鲁斯连杆和其他折纸图案的超构材料，但其中大多数尚无法在所需的特定于应用程序的长度尺度上使用或不能使用多种材料制造。可以使用各种制造技术，如3D打印、铸造和激光切割，这些技术中的大多数需要手动组装超构材料的子组件，使得材料制备变得越来越复杂，并且随着组件数量的增加很快变得棘手。对于制造微米级和亚微米级制造技术，其制造材料种类非常有限，并且由于其依赖可交联树脂的光聚合，不允许制备多材料结构。
近日，荷兰埃因霍温理工大学Johannes T. B. Overvelde团队克服这些限制并弥合宏观和微观超构材料之间的差距（即开发毫米级超构材料），开发了新的制造策略。使用四边萨鲁斯连杆作为超构材料的单元，因为其简单的单自由度（DOF）运动学和分层结构使其非常适合使用层压制造方法进行制造。采用的层压制造技术，通常用于生产印刷电路微机电系统（PC-MEMS）和智能复合微结构（SCM）。这些技术已成功用于设计和制造复杂的铰接式3D机构。层压制造用于开发一种在毫米级设计可重构超构材料的方法，该方法与各种材料兼容，并且需要最少的手动组装。除了展示这种制造方法的多功能性之外，还表征了层压制造的使用如何影响这些多组件阵列的行为。为此，开发了捕捉结构变形的数值模型，并建立了预测压缩应力下结构应变的分析模型。总体而言，这种方法可用于开发毫米级超构材料，用于需要可重构材料的应用，例如可调谐声学、光子波导和电磁器件的设计。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
H. D. McClintock, N. Doshi, A. Iniguez‐Rabago, et al. A Fabrication Strategy for Reconfigurable Millimeter‐Scale Metamaterials[J]. Advanced Functional Materials, 2021.
https://doi.org/10.1002/adfm.202103428
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