超材料前沿研究一周精选 2021年5月17日-2021年5月23日

合成振幅和相位都精准控制的场分布对于广泛的研究领域和应用至关重要，涉及全息照相术，微粒操纵，光束形成和光学组件设计。反过来，创建所需的复数值散射场构型需要具有独立地重塑幅度和相位上的源场分布的能力。虽然仅将相位应用于光源可以实现诸如聚焦，折射和相位全息图之类的功能，但仅相位控制具有其局限性。特别是，功率可能会损失到不希望的衍射级，全息图会出现图像斑点，并且光镊处理小颗粒的能力受到限制。除了相位以外，通过操纵光源的空间幅度分布来获得所需的输出，可以扩展应用空间并进一步提高性能

在过去的几年中，已经证明了可以对光场进行极端相位和偏振控制的低损耗超构表面。但是，通过使用诸如反射，吸收或偏振损耗之类的机制来控制振幅，提供振幅控制的超构表面仍然保持损耗。近日，来自密西根大学的Anthony Grbic研究小组通过使用两个短距离的纯相位超构表面，描述了不依赖损失的情况下在近红外波长下光场的振幅和相位操纵。研究者首先演示使用这种方法的组合的光束形成器和分束器光学组件。之后展示了高质量的计算机生成的三维全息图。拟议的光学平台结合了无损复数值场控制和物理厚度小的优点。这种方法可用于制备小巧的三维全息显示器，紧凑的光学组件以及用于微粒操纵的高精度光镊。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054039

微型和纳米力学谐振器可以检测质量、力、力矩、磁场和加速度，具有超高灵敏度和大动态范围，可广泛用于光谱测定、化学分析、生物医学诊断和电子消费产品。特别是，通过光机械系统中的光操作来驱动和量化机械运动是可能的，从而为单片集成创造了可能性。在各种光力学的候选者中，包括和膜谐振器，光机械晶体(OMC)腔是用于传感的极佳候选者。这是因为OMC腔能够以高机械频率(GHz)和低运动质量(100 fg)实现强光机械相互作用(100 kHz)。低运动质量有利于检测微小质量，而增加机械频率会增加对环境干扰的抵抗力和更大的传感带宽。

为了提高传感灵敏度，它能够以不精确(或低于)标准量子极限的精度检测机械运动。不幸的是，在机械耗散显著增加的实际设置环境中，这通常是无法实现的。这是因为依赖于检测机械共振位移的传感机制严重依赖于机械线宽或机械Q因子。通过使用真空或低温测量，已经有效地减少机械振动造成的阻尼损失，从而将机械Q因子增加到106的数量级。然而，真空或低温条件提出了实质性的技术挑战，并限制了其实际应用。

近日，清华大学电子工程系崔开宇等人设计了一个基于硅纳米束结构的OMC腔。该谐振腔适用频率为5.91 GHz、有效质量为116 fg、机械线宽为3.3 MHz ~ 5.2 kHz的声子激光器，光机耦合率高达1.9 MHz。利用这种声子激光器，可以预测片上传感的分辨率为δλ/λ=1.0×10 ^-8。利用基于硅的异质OMC腔，利用声子激光，可以为实现硅单片集成的高精度传感器铺平道路，并为广泛的物理传感应用提供前所未有的灵敏度。相关研究发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

文章链接：KAIYU CUI,et al, Phonon lasing in a hetero optomechanical crystal cavity, Photonics Research(2021).

https://doi.org/10.1364/PRJ.403833.

量子技术的发展使得人们对纳米尺度热传输的实验和理论研究越来越感兴趣。在这种情况下，相位相干和纠缠等现象受到极大关注，因为它们可能在改进热机和设备性能方面带来量子优势，包括冰箱、热开关、热机，以及热加速器，以及产生纠缠的真正量子热机。这其中的关键便是热整流，即在两个热储层之间建立的温度梯度的反转下，热流缺乏反转对称性。有限整流意味着热功率的大小随着热流方向的改变而改变。超导混合器件在电子热整流方面具有优异的性能，在由不同超导体和正常金属之间的隧道结、拓扑绝缘体和铁磁绝缘体组成的系统中，整流值最高。虽然通常认为电子热传导是在低温下进行的，但在某些设计中，辐射通道也很重要，甚至占主导地位。例如，当将电路量子电动力学（cQED）方案应用于热状态时，光子热流非常重要，能够以显著的控制度和精度研究量子热传输。

近日，意大利比萨纳米科学研究所的A. Iorio教授和瑞士日内瓦大学应用物理系的G. Haack教授团队研究了由两个相互作用的磁通量量子位不对称耦合到两个RLC谐振器上组成的热浴系统的整流特性。该系统作为一个高效的光子热二极管，在两个热环境之间的热电流发生整流。他们利用两个量子位之间的量子关联来提高整流因子，以打破整流因子受到槽耦合和温度的限制。整流比高达R∼ 3.5，可用于实际系统，与非相互作用情况相比，可提高约230%。该系统的特点是可以控制整流幅度和方向。超导装置中热流的定向操纵可用于有效的散热或快速量子比特初始化。标准纳米制造技术可用于类似器件的实验实现。该分析适用于其他种类的超导量子位以及不同的耦合方案。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054050

干涉显微镜利用至少两种光波(通常是参考波和探测波)之间的干涉来获取关于微观物体的信息。基于这一原理的许多方法已被开发出来，包括相衬显微镜、全息显微镜、Nomarski显微镜和干涉反射显微镜。此外，通过成形参考波，可以重建探测波前的相位轮廓。这种被称为定量相位成像(QPI)的方法，已经成为一种强有力的工具，用于捕获透射结构中透明样品的相位图像，包括单细胞的高分辨率3D轮廓和映射反射结构中不透明结构的相位。QPI已经达到了以视频速率对纳米结构的位移进行成像的灵敏度，等离子体成像中的特定应用已经允许表征纳米级图案。然而，QPI的更高灵敏度和速度仍然受限于可用的空间光调制技术的性能。最近，干涉散射显微术(iSCAT)已成为亚波长散射体超灵敏成像和定位的首选方法，其中包括具有高时空分辨率的未标记的单个蛋白质。在iSCAT显微镜中，样品上散射的光波和样品基底反射的参考波共享一个简单的成像路径，并在检测器上发生干涉。然而，由于对小波前畸变具有很强的敏感性，在干涉扫描显微术中对相移的任何直接控制都是具有挑战性的。总的来说，能够捕捉亚毫秒级微观运动而没有衍射伪影和偏振相关性的连续空间光调制仍然备受挑战。

近日，来自捷克科学院光子学和电子学研究所的Hadrien M. L. Robert等人提出了一个光热空间光调制器(PT-SLM)，使快速相位成像的纳米级三维重建。铂-空间光调制器可以产生阶跃式波前变化，没有衍射伪影，具有高透射率和独立于光偏振的调制效率。他们实现了大于π的相移，响应时间短至70 s，理论极限在亚微秒范围内。他们使用铂-空间光调制器对亚分支以下的物种进行定量相位成像，以破译微管的三维纳米位移，并研究与微管相关的扩散蛋白质的轨迹，为通过复杂微管网络的蛋白质导航机制提供了见解。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Hadrien M. L. Robert et al. Fast photothermal spatial light modulation for quantitative phase imaging at the nanoscale. Nature Communications (2021) 12:2921

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23252-3

物质的拓扑相是凝聚态物理中最有趣的研究方向之一。众所周知，在拓扑绝缘体表面诱导的超导性可以导致奇异的Majorana模式，这是许多量子计算方案的主要组成部分。受到拓扑保护的Majorana费米子——这种难以捉摸的粒子是它们自己的反粒子——令人兴奋，因为它们在容错量子计算中具有潜在的重要性。从实验的角度来看，基于异质结构的装置被提议作为主要候选物来主持Majorana零能模式(MZM)。例如，拓扑绝缘体的拓扑保护的无间隙表面状态可以通过由下面的超导底层引起的邻近感应配对被提升到MZM。然而，由于电子自旋，分裂双简并带所需的大自旋-轨道耦合使得这种装置难以设计。另一组建议利用在BCS超导体上以链状结构排列的磁性原子(例如钆、铬或铁)。这些重要的努力表明，在真正的凝聚态化合物中创造MZM是具有挑战性的，目前只有罕见的例子。

近日，来自波兰弗罗茨瓦夫理工大学的J. Herbrych等人将铁基高临界温度超导体可以在真正的冷凝物质化合物中容纳这种奇异的现象以及库仑相互作用对这些系统的磁性和超导特性至关重要这两种观点联系起来，并表明库仑相互作用也可以驱动具有轨道自由度的正则超导体进入拓扑状态。也就是说，他们表明，在Hubbard相互作用的临界值以上，系统同时发展出螺旋自旋序、超导性中非常不寻常的三重态振幅，而且值得注意的是，在系统的边缘还有Majorana费米子。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。

文章链接：

J. Herbrych et al. Interaction-induced topological phase transition and Majorana edge states in low-dimensional orbital-selective Mott insulators. Nature Communications  (2021) 12:2955

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23261-2

力学超构材料是一种具有负泊松比、可变形、拓扑保护、多稳态、强密度比和能量吸收等多种先进功能的人工材料。其中，柔性超构材料使用可变形构件来实现不同寻常和可调节的力学性能。这种力学响应依赖于按需变形路径，该路径消耗相对较低的弹性能。设计这类路径的一个有用且广泛适用的范例利用了其弹性能为零的极限，这些路径随后成为零能模态。到目前为止，基于这种原理的柔性超构材料是单模或多模。一方面，单模超构材料具有单一的零能模态和单一的功能，这通常是鲁棒的，并且易于通过简单的致动协议进行控制，也就是说，该协议需要单一的驱动，例如单轴压缩。另一方面，多模超构材料具有大量零能模态，随着系统尺寸的增加而增加。这些多个零模态的存在原则上提供了多种可能的功能，但实际上很难控制。也就是说，它们需要复杂的驱动协议（协议需要多个驱动器）才能成功执行。

近日，荷兰阿姆斯特丹大学和瑞士洛桑联邦理工学院的Aleksi Bossart团队介绍了一类低模超构材料，这些材料提供了一些可以在单轴压缩下进行选择性控制的不同特性。他们引入了一个包含各种超构材料系列的组合设计空间。这些族包括单模的（具有单个零能变形模态）；低模的（具有恒定数量的零能变形模态）和多模的（具有许多零能变形模态），其数量随着系统尺寸的增加而增加。使用边界纹理和粘弹性来确认低模超构材料的多功能性质。特别是，实现了一种超构材料，在有限的应变范围内，低（高）压缩率的泊松比为负（正），即可以根据压缩的速度在侧面收缩或膨胀。这种低模超构材料能够在单一结构中承载多种力学响应，这为多功能材料和设备（如在机器人和能量吸收等领域）的发展铺平了道路。相关研究发表在《Proc Natl Acad Sci U S A》上。（徐锐）

文章链接：

A. Bossart, D. M. J. Dykstra, J. van der Laan, et al. Oligomodal metamaterials with multifunctional mechanics[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2021, 118(21).

https://doi.org/10.1073/pnas.2018610118

超表面是超材料的二维对应物，其组成散射体也是亚波长的，通常称为超原子，类似于天然材料的原子或分子。电磁波对亚表面的调制不再依赖于传播相位的空间积累，而是依赖于超原子的强共振或空间取向所产生的突变相位。因此，超表面可以用来控制空间中反射/透射波的相位、振幅和偏振。由于超表面在操纵电磁波方面具有很大的自由度，其在工程上具有广泛的应用价值。 2014年，人们提出了“数字超材料”的概念，对其单元模式进行了离散化和编码。在此基础上，提出了超原子设计的不同编码序列来实现不同的电磁响应。具有不同相位响应的超原子在设计具有聚焦、偏振转换等功能的超表面方面有很大的应用价值。人们希望快速预测不同编码序列的电磁特性，以便快速设计超表面，机器学习作为一种快速的设计方法，广泛应用于替代人工工作。

近日，西安空军工程大学理学院的王甲富教授和新加坡国立大学工程学院电气与计算机工程系的仇成伟教授团队提出了一种基于迁移学习逆向设计方法，用于快速准确地实现功能元表面。转移学习使将训练有素的模型转移到新任务成为可能。我们将初始V3模型应用于表面设计，并成功地将图像识别知识转移到相位预测中。在使用收集数据重新训练了转移学习模型（TLM）之后，他们获得了可用于预测超结构单元相位的新模型，其准确度约为90％，并使用迁移学习建立了一个全阶段跨度的超原子库，以实现逆向设计。使用由TLN模型建立的全相数据库，给定所需的2D相轮廓，可以自动而快速地生成功能超表面的整个图案。与常规方法相比，该方法是预测亚原子相位的有效手段，并且可以建立完整的用于设计功能性超表面的数据库，大大提高了设计效率。相关研究发表在《Nature Communications》上。(钟雨豪)

文章链接：

Zhu, R., Qiu, T., Wang, J. et al. Phase-to-pattern inverse design paradigm for fast realization of functional metasurfaces via transfer learning. Nat Commun 12, 2974 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23087-y

4D打印是一种新兴的制造技术，使3D打印结构能够在第四维“时间”上改变配置，以响应包括热、湿、磁和电等环境刺激。4D打印是通过具有环境响应性软活性材料（SAMs）的3D打印结构实现的，这些材料主要包括水凝胶、液晶弹性体（LCEs）和形状记忆聚合物（SMPs）。与其他两个非常软的活性材料不同，SMPs能够在1分钟内将材料模量从几MPa切换到几GPa，并且与各种3D打印技术兼容。其中，紫外线（UV）固化与基于数字光处理（DLP）的3D打印SMPs兼容，以制造具有复杂几何形状和高分辨率的结构。但是，可紫外线固化的SMPs在力学性能方面有局限性，这极大地限制了它们的应用范围。目前可用于打印SMPs的3D打印技术包括Polyjet、熔融沉积建模（FDM）、直接墨水书写（DIW）、基于数字光处理（DLP）的3D打印、立体光刻（SLA）和双光子聚合（TPP）。但是，这些3D打印技术的SMPs在编程温度（高于SMPs的相变温度）下会变脆，这极大地限制了SMPs的4D打印在工程中的应用。

近日，南方科技大学葛锜副教授团队报道了一种鲁棒、可紫外光固化的SMPs系统，该系统具有高度可变形、抗疲劳性能，且与DLP的3D打印兼容，用于制造高分辨率（2µm）和高度复杂的3D结构，在加热时表现出较大的形状变化（1240%）。这种极大的变形可以通过出色的形状固定性进行固定（≈100％）在室温下加热至80°C后，以良好的形状恢复率（≈90％）恢复。这种SMPs系统具有很高的UV固化性，因此与DLP的3D打印技术兼容，从而可实现高分辨率（2倍）的制造和高度复杂的3D结构。更重要的是，这种SMPs系统具有出色的抗疲劳性，可以重复加载超过10000次。另外，还进行了大量实验研究了SMPs系统的大变形机理，并将其高拉伸能力归因于AUD交联剂的高分子量和氢键存在的共同作用。鲁棒且可紫外线固化的SMPs的开发显着改善了SMPs的4D打印结构的力学性能，这使其可以应用于航空航天、智能家具和软体机器人等工程应用。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

B. Zhang, H. Li, J. Cheng, et al. Mechanically Robust and UV-Curable Shape-Memory Polymers for Digital Light Processing Based 4D Printing[J]. Adv Mater, 2021: e2101298.

https://doi.org/10.1002/adma.202101298

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