超材料前沿研究一周精选 2021年4月26日-2021年5月4日

物质的对称性保护拓扑相在材料科学中备受关注，并且可能在量子计算和量子技术中得到应用。光-物质相互作用是量子物理中的一个基本机制。一维（1D）波导是重要的光-物质界面，在量子器件和量子网络中有着举足轻重的地位。波导中的光子传输可以通过耦合到单个原子或原子阵列来控制。在亚波长区域，原子在不同位置发射的光子的干涉导致光子传输的集体增强和定向光子发射。在波导量子电动力学（QED）系统中，如果原子被困在纳米纤维周围，原子间的直接相互作用通常可以忽略不计。然而，在超导量子电路中，原子间的直接相互作用是必不可少的。通过设计这种相互作用，人们可以模拟凝聚态物理和高能物理中的许多模型，包括自旋模型、晶格规范理论和拓扑物质。

光与物质的相互作用不受拓扑结构的影响，产生了一系列光学现象。为了理解这种反常光子吸收，清华大学微电子研究所、量子信息前沿科学研究中心的刘玉玺教授和中国科学院理论物理研究所的石弢研究员提出了一种多通道散射方法以研究边界态和体态通道的相互作用谱。通过打破反转和时间反转对称性，他们发现光子反射是各向异性的，但传输时却是各向同性的。他们随后对边界态通道进行分析，发现反射过程中的各向异性源于波导介质的非厄米相互作用，同时非厄米相互作用中的反演对称性却导致光子传输的各向同性。由于边界态和体态通道之间的相互作用，拓扑带隙变宽进一步增强了光子在波导中的非互易反射，并反常光子吸收。此外，他们还证明了该方案可以在超导量子电路中实现。这项工作显示了利用拓扑量子物质操纵光的潜力。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.15.044041

集成非线性光子学是产生和控制电磁辐射的多功能引擎，开辟了新的应用方向，使基础研究成为可能。二阶和高阶非线性敏感度现在构成了许多光子技术的基础；一个很好的例子便是谐波或差频的产生，它实现了从紫外到红外的激光源。特别地，由于折射率n = n₀ + n₂I的强度依赖性，三阶Kerr过程在光子学中是普遍存在的，其中n₀和n₂是线性和非线性折射率，I是强度。它们能够自发形成稳定的电磁场结构，实现激光从一种颜色到另一种颜色的转换。一般地说，由非线性引起的调制不稳定性控制着系统中有趣的行为。Kerr谐振器—由n₂材料制成的光学腔—对于基础研究和应用来说是很有吸引力的系统。特别是，Kerr非线性谐振器支持由少量干扰波组成的稳态—包括图灵模式—和由广谱波组成的局域孤子。尽管图灵图案是在足够强的激发下从不稳定的Kerr谐振腔中产生的，但Kerr孤子在恒定的激发下不会自发形成，这使得这种有用的状态难以获得。

近日，来自美国科罗拉多大学物理系的Su-Peng Yu等人探索重新平衡卢吉托-勒弗方程(LLE)，从打破平坦状态来形成Kerr孤子，进而取代图灵模式。为了实现这一目标，他们设计并制作了无边缘光子晶体谐振器（PhCR），这种谐振器是Kerr微谐振器，其内壁被方位角均匀的纳米图案形状的振荡所修饰。环形几何形状在光子波导上施加了无边缘边界条件，为一个方位角模式打开了PhCR带隙，从而可控地移动了频率。共振频率中的这种点缺陷是超出传统多项式阶的光学色散的概括。他们对这种移动进行了编程，使孤子与泵浦激光器直接相位匹配，几乎与泵浦模式共振。此外，这将图灵模式移出共振，排除了它的形成。他们在广泛的实验中实现并探索了自发孤子的形成，包括观察从平坦态到孤子的直接跃迁，通过体环尺寸的色散工程控制孤子脉冲带宽，以及孤子重复频率的超精密测量。他们展示了纳米光子学扩展了非线性工程的调色板，使新的现象和光源成为可能。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）

文章链接：

Su-Peng Yu et al. Spontaneous pulse formation in edgeless photonic crystal resonators. Nature Photonics (2021)

https:/ / doi.org/10.1038/ s41566-021-00800-3  

高度非线性的超表面具有非常广泛应用的潜力，包括无相位匹配约束的波混频，全光开关和光束转向，光限制，以及相位共轭。考虑到这些功能，科研人员已经采取了许多方法在超表面中实现大规模二阶和三阶非线性效应，例如使用固有金属或电介质的非线性，ε-接近零材料，和与J-聚集体或其他分子偶联。最近已证明子带间极化超表面，基于亚波长贴片天线谐振器与多量子阱(MQWs)的子带间跃迁，可以产生一个远远超过其它方法的有效的二阶非线性效应。它们独特的非线性响应源于MQW中电子态的量子工程异质结构，它本身就能成为已知的最大的基于光子的块体材料非线性响应共振场剖面的载体。总之，具有快速三阶非线性光响应的高度非线性光学材料是全光光子器件(如信号处理和计算开关、功率限制器和饱和吸收器)运行的关键。传统光学材料的非线性响应较弱，因此需要较大的光强才能引起其特性的显著变化。

近日，美国纽约城市大学光子学研究中心Sander A. Mann等人研究了多量子阱半导体异质结构中耦合子带间跃迁的亚波长贴片天线的耦合速率的光学控制可以提供一个巨大的三阶非线性响应，其量级为3.4×10 ^-13m²/V²，响应时间小于2 ps。研究人员利用这种效应来设计子带间极化超表面，并演示了它们作为高度非线性饱和和反向饱和吸收体的运作流程，使光功率限制器和其它元件能够进行全光调制和控制。该方法可设计大量紧凑、低功率、高度非线性的器件，并通过设计可定制特定的光谱、时间和结构波前响应。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

文章链接：

Sander A. Mann et al, Ultrafast optical switching and power limiting in intersubband polaritonic metasurfaces,Optica(2021).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.415581.

作为一种人工亚波长微结构，声学超表面在操纵声波传播方面发展迅速。近年来，水声波操纵受到了广泛的关注。基于广义Snell定律，先后实现了柱面波向平面波的转换、波束操纵、聚焦、地毯隐身等不同的奇异功能。然而，这些仅基于局域相位梯度调制的水声超表面(WAM)并不能完全控制声波的传播方向。因此，它们的效率大多受制于广义Snell定律固有的局限性。特别是对于异常反射，由于入射波与反射波之间的阻抗不匹配，效率随着反射角的增大而急剧下降。因此，期望提高WAMs的效率，特别是对于大角度反射。

近日，天津大学机械工程学院力学系Hong-Tao Zhou等人提出了一种高效的超薄非局域的WAM。针对流固相互作用引起的水胞间强烈的非局域相互作用，研究人员提出了一种基于绕射理论的非局域设计概念和优化方法来设计WAM，而不是基于广义Snell定律的局域设计。可以打破广义斯涅尔定律的理论效率限制，甚至对大角度异常反射也可以得到幺正效率。非局域相互作用产生沿超表面的能量流，从而实现了高效率的调制。水声超表面的厚度可减至工作波长的十分之一或甚至六十分之一。基于阻抗匹配理论的高效设计所需要的能量分布通过非局域超胞的优化来实现。具有流固相互作用的非局域设计为实现高效的深亚波长水声操纵奠定了基础。这种超薄、高效的设计有望进一步推动超表面在轻质、高性能水声器件中的实际应用。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：

Hong-Tao Zhou et al, High-efficiency Ultrathin Nonlocal Waterborne Acoustic Metasurface. Physical Review Applied(2021).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.044046. 

超材料是一种具有特定性质（例如负磁导率或介电常数）的人工微结构，是实现磁近场调制的有效方法之一。为了进行调制，可以以周期性平面阵列的形式组织大量的单元，称为超表面。超表面不仅具有许多远场电磁应用，例如频率选择，窄带完美吸收，波前整形等，而且还显示出其在太赫兹和RF波段中进行近场控制的能力。超材料科学的发展催生了可调谐超材料，在此基础上，提出了一个称为“编码超材料”的分支。编码超材料是传统超材料和数字电子设备的结合，提高了超材料的灵活性，开拓了一个新的研究领域。它具有几种离散的工作状态，可以通过外部数字电压信号进行切换。与传统的超材料相比，编码超材料具有几个优点。首先，对超材料进行编码可以实现动态电磁调制，极大地提高了灵活性。其次，它具有与数字控制元件集成的便利，例如现场可编程门阵列（FPGA）。最后，编码超材料提供了物理与信息科学之间的桥梁。电磁调制效果可以从密码学，数据存储或计算科学的领域进行研究，这开辟了广阔的研究领域，对人工智能算法和机器学习具有重要意义。

近年来，低频的近场电磁调制引起了研究人员的广泛关注。来自同济大学的李云辉，陈鸿研究小组理论上提出并通过实验验证了编码超表面可以实现可重构的磁近场分布。通过调节驱动超表面的谐振单元的数字电压信号，可以动态地控制谐振器的电容，从而可以实现对磁性近场分布的动态调制。特别地，这种磁近场控制可以借助耦合模式理论和相干叠加方法来解释。此外，采用模拟退火算法确定整个调制系统的工作频率，可以避免费时的频率扫描过程。实验结果与计算结果吻合良好。这项工作揭示了对磁性近场控制进行超表面编码的巨大潜力，并促进了超表面在众多集成功能设备中的使用。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。(刘乐)

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https://doi.org/10.1364/OE.424234

声学超构材料能够以一种前所未有的方式操纵声波，并能实现从亚波长声学成像到声学隐身等有趣的功能。基于波动方程的形式不变性，坐标变换被广泛应用于设计声学斗篷，以精确控制波的传播路径。然而，它通常会导致介质中本构参数的畸变，使其具有高度的各向异性和非均匀性，极大地限制了材料的选择。具有谐振组件的人造结构能够产生所需的动态材料特性，例如有效密度和体积模量，从而减小了适用的频率范围，并可能导致显著的耗散损失。另一方面，通过在平面上隐藏物体来实现地毯隐身，通过放宽对材料各向异性或不均匀性的要求来简化设计。例如，基于准保形映射，利用非均匀各向同性材料设计了地毯斗篷。此外，线性坐标变换可以使用各向异性但同质的结构组件构造地毯斗篷。然而，在空间变化的方式中，材料设计的复杂性仍然限制了这些斗篷的实用性。软力学超构材料在利用可重构结构设计进行波的主动控制方面受到了广泛的关注。这些超构材料的变形自然会导致介质中本构参数的调制，从而影响波的传播。更有趣的是，甚至可以通过设计这些力学超构材料的变形模式来精细地控制波的传播路径，从而获得所需的材料特性分布。然而，由于用于转换声学的合适材料的有限可用性，在声学方面的这种探索仍然是难以捉摸的。

近日，美国加利福尼亚大学伯克利分校张翔院士团队报告了一种自适应的声学斗篷，该斗篷是通过将水中的软力学超构材料弹性变形而自动形成的，从而显示出宽带频率和角响应。超构材料的基质基于柔软的材料，如硅酮弹性体（PDMS），其优点是可以进行适当调整以匹配水的声阻抗。使用泊松比为-1的极高力学性能的晶格结构可以使其变形自发地满足准保形映射的要求。这种映射需要有效的声速变化与晶格单元的体积变化成平方根关系。这可以通过在基质中引入第二组分（如空气）来有效地以分数平均的方式调节材料的声学特性而获得。这种自适应声斗篷具有较宽的频率和角带宽，为方便设计各种声学超构材料提供了途径。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Xue, X. Zhang. Self-adaptive acoustic cloak enabled by soft mechanical metamaterials[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101347

生物材料是由生物活细胞(非工程或基因工程)组成的生物混合结构，这些生物活细胞容纳在非生物合成基质中，例如有机或无机聚合物、金属、陶瓷等。这些材料中的活细胞赋予它们新的功能，例如感觉和反应、能量产生、高价值化合物的产生、有害化合物的解毒或自愈能力等。此类功能性生物材料已越来越多地被提议用于潜在应用，包括智能纺织品、可穿戴设备、生物传感器或发酵生物反应器。然而，控制生物材料的时空形式，同时赋予其足够的机械强度以使材料自立，这几乎是不可实现的。3D打印已被证明是制造具有受控形状和尺寸的活体材料的有效技术。从纳米到宏观尺度的定制生活材料可以以高分辨率3D打印成空间定义的图案。可以借助生物打印来设计材料和图案，使它们模仿活细胞的复杂结构、空间组织和时间演变性质。来自不同分类领域的活细胞(包括藻类、细菌、真菌、酵母、植物和动物细胞)已经被有效地生物印刷用于制造活的功能材料。特别地，微藻的生物打印近年来已经获得了相当大的关注。微藻是生物技术上有利可图的单细胞微生物，能够进行光合作用。由于其对恶劣条件的适应性、鲁棒性和可持续性，微藻已被广泛用于生物燃料生产、生物修复、高价值代谢物(食品和药物级)生产和废水处理等应用，并且它们已被印刷成能够改善空气质量的丝支架。然而，这些生物打印的活体材料大多仍然脆弱，缺乏机械强度。制造独立且机械坚固的活材料，同时保持封装细胞的生存能力，仍然是一项挑战。

近日，来自荷兰代尔夫特理工大学纳米科学学院、生物纳米科学系的Srikkanth Balasubramanian等人报道了一种生物打印技术，该技术采用环境友好的化学物质将微藻包裹在藻酸盐水凝胶基质中。生物打印的光合结构采用预先设计的毫米级分辨率几何图形。细菌纤维素基质赋予这种生物材料以非凡的优势，包括强度、韧性、柔韧性、坚固性和抵抗极端物理变形的物理完整性。生物打印的材料具有足够的机械强度来自立，并且可以分离和重新附着到不同的表面上。生物打印材料可以在没有营养的情况下稳定存活至少3天，并且通过在此时间范围内将它们转移到新鲜的营养来源，可以进一步延长它们的寿命。这些生物打印是再生性的，即可以重复使用和扩展以打印额外的生物材料。生物打印活材料的制造可以很容易地扩大规模(达到≥70厘米× 20厘米)，突出其潜在的产品应用，包括人造叶子、光合生物服装和粘性标签。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（詹若男）

文章链接：

Srikkanth Balasubramanian et al. Bioprinting of Regenerative Photosynthetic Living Materials. Adv. Funct. Mater. 2021, 2011162

https://doi.org/10.1002/adfm.202011162

在过去的十年中，许多研究致力于功能性3D水凝胶的成功建模和成型。取得的重大进展，将对水基材料在生物医学等领域的应用产生重大影响。尤其是再生医学可以从这一发展中受益匪浅。制造能够保存、替换或增强人体组织的人工替代品将是对生活质量的突破性改善。为了使这些材料在实际应用中具有明显的吸引力，它们必须能够复制活组织的自然功能。这些软材料必须模仿复杂的自然结构，结合机械强度和细胞活力等特性。此外，赋予水凝胶自愈能力的可能性可能会使水凝胶超越其结构作用，延长其目前因不可逆失效而受限的使用寿命。自愈合水凝胶可以模拟活体组织的行为，能够自主修复微小损伤，因此在生物医学领域具有很高的应用潜力。迄今为止，这种水凝胶只能通过基于挤出的增材制造技术进行加工，在设计自由度和分辨率方面受到限制。

近日，意大利都灵理工大学Annalisa Chiappone教授和耶路撒冷希伯来大学Shlomo Magdassi教授团队展示了仅使用商业材料和商业数字光处理打印机制作的具有自愈合能力的3D打印水凝胶。这些水凝胶基于半互穿聚合物网络，能够实现自我修复。在室温下，自动恢复发生得很快，没有任何外部触发。复合后试样能够承受变形，并在12小时后恢复了其初始强度的72％。这项工作为开发具有复杂3D结构的自修复水凝胶提供了一种通用且适应性强的方法，可应用于从生物医学和可穿戴传感器到机器人和能量采集等多个领域。相关研究发表在《Nature Communications》上。(徐锐)

文章链接：

M. Caprioli, I. Roppolo, A. Chiappone, et al. 3D-printed self-healing hydrogels via Digital Light Processing[J]. Nature Communications, 2021, 12(1).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22802-z

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