超材料前沿研究一周精选 2021年6月7日-2021年6月14日

光的拓扑态为绝缘体上硅(SOI)板上的信息编码提供了一种有效的方法，近年来，二维光子拓扑绝缘体(PTIs)的研究从理论验证到技术应用开辟了有趣的领域，包括鲁棒边缘态传输、光学延迟线、拓扑保护激光效应和拓扑慢光。有趣的是，与谷相关的螺旋边缘状态沿着相反的圆极化方向运动，称为谷-霍尔边缘输运，这可以通过打破系统的空间反演对称来实现。

拓扑相变的关键在于打破时间反演对称或反演对称，在某些简并点打开能带结构中的能隙。不具备时间反演对称的光子拓扑绝缘体具有非零Chern数，这通常需要对光子进行外部或有效磁场或对光子晶格的时间调制。另一方面，在时间反演对称系统中，具有特别定制的结构参数和空间结构的光子拓扑绝缘体是很容易获得的。通过打破反演对称性，证明了具有两个不等价亚晶格的二维蜂窝晶格光子晶体是实现后者的强大平台，可以与非零谷Chern数的谷霍尔效应有关。虽然具有反演对称破缺的系统是时间反演不变的，但只要无序不混合与带相关的谷，拓扑保护就会得到体现。

近日，来自中国科学技术大学量子信息重点实验室的Yang Chen等人设计和制造了基于120度弯曲界面的纳米光子拓扑鱼叉形分束器(HSBSs)，并首次实现了片上谷依赖量子信息处理。该工作还演示了一个简单的量子光子电路和路径纠缠态的产生。该工作表明，光子谷态可以用于量子信息处理，并且可以利用谷相关的光子拓扑绝缘体实现更复杂的量子电路，这为片上量子信息处理提供了一种新的方法。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.126.230503

场敏感非线性和光波电子学揭示了在强电磁场激发下奇异的物理过程和物质的隐藏相。特别是，具有低光子能量和皮秒时间分辨率的强太赫兹(THz)场为操纵相对论电子和发现光子以及凝聚态系统的新物理方面提供了一个独特而强大的工具。随着飞秒激光技术的成熟，基于倾斜脉冲波前技术、有机晶体、光导天线、和跃迁辐射已成为可获得的峰值电场大于MV cm^-1的强太赫兹源。极端太赫兹(THz)科学和技术，作为非线性光学的下一个颠覆性前沿技术，具备在各种物理系统中探索强光物质相互作用的多方面能力。然而，目前的技术需要一个很难产生的高场自由空间太赫兹源，并且对相当弱和线性的轻物质相互作用的研究有限。因此，人们正在寻找能引起非线性效应的太赫兹波的严格约束的新方法。

近日，北京航空航天大学Tian Dong等人研究了一种非线性的太赫兹超表面，该超表面在中等入射太赫兹场强下表现出极大的太赫兹非线性和共振的敏感自调制性。在15 nm的带隙中，深亚波长(≈λ/33 000)对应的增强太赫兹场(≈3200)，表现出显著的非线性。此外，超快注入光载流子揭示了非线性太赫兹场诱导的谷间散射和光驱动的带间激发之间的竞争关系。该可重构的太赫兹-纳米超表面可以作为探索超强太赫兹-物质相互作用的平台，在非线性频率开关、高灵敏生物/环境传感、束流控制、高分辨率成像、下一代无线通信和网络、太赫兹计算以及探索材料系统中不需要强太赫兹光源的新型局部非线性效应方面有着广泛潜在的应用。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（丁雷）

文章链接：

Tian Dong et al, Nonlinear THz-Nano Metasurfaces, Adv. Funct. Mater.2021,31,2100463.DOI: 10.1002/adfm.202100463.

波前位错是一种基本且普遍存在的波现象，它源于波场相位的不确定性，在波场中，波的振幅消失。自1974年John Nye和Michael Berry的开创性工作以来，人们认识到，这种拓扑缺陷可以出现在任何波场中，而不管它的物理性质或色散关系如何。从流体物理、声学、电磁学到海洋潮汐和天文学，波前错位已经被观察到，甚至导致了一个被称为奇异光学的整个研究领域的诞生。在量子力学中，波阵面位错已经被预测与Aharonov–Bohm效应有关，并且最近在石墨烯的电子密度中观察到它们作为波函数Berry相位的表现。与此同时，拓扑学也在凝聚态物理中传播开来，产生了物质的拓扑相及其各种经典类似物，如拓扑光子学。在这种情况下，拓扑性质是由大量材料中的离域波函数的奇点来定义的。尽管如此，除了量子霍尔相位中量化电导率的开创性例子之外，它们的实验表现主要是间接的，如通过在系统边界存在无间隙激发。尽管有相同的奇异特征，波中的拓扑绝缘体和拓扑缺陷仍然是两个不同的领域。

近日，来自法国国家科学研究中心、波尔多大学的Clément Dutreix等人通过显示波前位错作为离域波函数相位奇异性的直接证据来调和它们，并通过1D微波光子绝缘体中的驻波干涉来观察它。通过将绝缘体的整体拓扑与普遍存在的波动现象联系起来，他们开辟了一条通过真实空间干涉模式研究量子和经典拓扑系统的有前途的途径。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Clément Dutreix et al. Wavefront dislocations reveal the topology of quasi-1D photonic insulators. Nature Communications (2021) 12:3571

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23790-w

近年来，物理系统中的无序结构引起了人们的广泛关注，因为它决定了系统的光学性质。功能性无序发生在自然界，例如在花或甲虫鳞片中，决定了这些表面的光学性质。相关研究推动了仿生无序材料的发展，例如：无序诱导光散射带来了随机激光；无序不透明介质作为可编程光学电路与波前整形相结合；无序工程超表面又被用于波前整形和高分辨率显微术。然而利用电子束光刻技术制备的纳米结构通常会由于对准误差和邻近效应而出现结构紊乱，另一方面，利用结构紊乱的影响也带来了诸如光子捕获和表面等离子体激元局域化等有意义的应用。 最显著的是，纳米结构的无序排列已被用于研究超表面的远场光学性质，并应用于结构色，或者用来增强薄膜太阳能电池的光收集。

纳米结构排列中定制的无序结构也可用于抑制光栅模式以实现角度无关响应，或者在相反的情况下，实现具有定制的超高角度选择性的超表面。最近，来自德国斯图加特大学（University of Stuttgart）的研究人员为了研究空间无序纳米粒子系综对远场光学性质的影响，引入了一个包含“冻结声子”和相关无序模型，并提出了实验和计算方法。他们将纳米粒子视为偶极子，根据偶极-偶极相互作用计算电场，提取远场响应，并将其转换为RGB图像。相关研究结果揭示了不同的无序参数如何形成光学远场，从而定义了无序亚表面的光学外观，并表明相对简单的偶极子近似能够准确地预测光的远场衍射。这些见解可用于具有人工定制无序的工程亚表面，以产生所需的双向反射分布函数。相关研究工作以“Shaping the Color and Angular Appearance of Plasmonic Metasurfaces with Tailored Disorder”为题发表在《ACS Nano》上。（鲁强兵）

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https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02538 

超表面作为传统笨重光学元件的小型替代品，因其独特的光调制能力而受到关注。超表面的应用场景包括小型卫星通信、成像、量子源平台，第六代无线系统中的智能反射面，和光探测与测距（LiDAR）系统。传统上，元件的设计依赖于一组样本库作为超表面的元素，这些样本库能够在目标波长处分析出电磁波的基本属性（相位、群速度等）。然后，通过根据目标相位剖面将波长尺度阵列中的选定元素组合成超表面。为了实现高性能的超表面，拓扑优化逆向设计方法引起了纳米光子学界的兴趣。这种方法利用自由形式的结构作为亚表面构建块，为波前工程的最佳解决方案提供了很大的设计空间。最近，基于伴随的拓扑优化算法被广泛应用于探索高效的纳米光子器件，包括分光光学元件、宽带光偏转器、光子晶体和多功能光栅。然而，由于光学功能性高度依赖于微尺度元件的表面形态，因此基于拓扑优化方法（深度学习、遗传算法等）实现有源元件（如超表面波导）具有挑战性。

近日，来自中国台湾国立成功大学的Pin Chieh Wu教授团队介绍了一种结合无监督聚类的遗传型树搜索（GTTS）算法，用于高性能超表面的自动逆向设计。该方法通过振幅和相位的联合优化，实现了高指向性的超表面波导。与以往的拓扑优化方法相比，该团队提出的GTTS算法优化了亚波长纳米天线的结构，适用于无源和有源超表面的设计。当转向角为5°-30°时，优化后的波束转向超表面具有几乎恒定的方向性。此外，当相位调制范围<180°时，优化的非直观反射和相位剖面有助于实现高度定向的波束控制°, 这便突破了以往方法上的限制。他们的方法可以降低散射光特性的要求，大幅提高光调制超表面的角度分辨率以实现高性能超表面，这极大的拓展了先进纳米光子的应用。相关研究发表在《Nano Letters》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00720

超材料是一类由于其新颖的电磁（EM）特性而吸引了越来越多的科学兴趣人工结构。这些特性通常优于天然材料，包括完美吸收、负折射率、不对称光传输、逆多普勒效应和电磁波隐蔽。在这些前所未有的特性和相关应用中，研究者在微波区域进行实验证明的超材料完美吸收体 (MPA) 在很宽的频率范围内（从太赫兹到可见光频率）得到了广泛的研究，在过去十年中。MPA凭借其紧凑的尺寸、高吸收率和可调波长的优势，在热发射器、光电检测和传感器等应用中发挥着重要作用。传统的光子吸收器其性能通常取决于其固有特性，包括材料的化学成分和晶体结构，MPA 提供了一种通过其人工周期结构来调制和控制光传播的有效方法。然而，这些设计中的大多数在特定波长范围内仅表现出一个共振吸收峰。这些简单结构的形态自由度较低，因此，它们缺乏足够数量的参数来调整其吸收系数和工作波长范围。

近日，来自南京理工大学的Baifu Zhang研究小组提出了具有多边形单元的新型 MPA 结构，研究者提出的 MPA 利用可调谐的形状参数，从而在超构材料单元建模方面实现更高的自由度，以单层结构实现双波段完美吸收，这通过三维的有限差分时域(FDTD)模拟。研究者使用神经网络算法（NNA）建立了一个模型，将MPA的几何形状与吸收光谱相关联，以预测给定MPA结构的吸收光谱，反之亦然。此外还改进了NNA以获得理想的目标模型精度。结果显示模型准确率提高了38%，训练集和验证集的最终均方误差 (MSE) 分别降低到0.0008和0.0017。研究者提出的由NNA建模和训练的MPA结构在设计灵活高效和完美吸收等方面显示出新的特性，并且可以在传感器、热量计和光伏领域中找到应用。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1364/OE.427593

超构材料的概念起源于负折射率左手材料的提出，随之而来的是各种具有天然材料所不具备的奇异特性的超构材料，如零/负泊松比、电磁/声学/热隐身效应等被提出。根据其应用领域，超构材料大致可分为电磁超构材料、声学超构材料、热超构材料和力学超构材料四大类。通过设计结构和排列不同物理参数的材料，可以从理论上实现超构材料的功能。超构材料的优异性能主要是通过设计结构和结合各种材料来实现的，传统的加工方法，如铸造、焊接、成型等，制造起来费时费力，还有一些复杂的晶格结构甚至无法制造。由于在制造复杂结构方面的巨大优势，增材制造（AM）技术提供了一种更直接、更有效的方式来实现超构材料和实验验证。适用增材制造的材料包括金属、聚合物和陶瓷，制造尺寸从纳米级到米级，可极大满足大多数超构材料的超高要求。但需要注意的是，不同的增材制造技术具有不同的特性，例如成型材料、尺寸、分辨率和表面质量都有显着差异。在超构材料制造方面，需要根据所需材料的结构和特性选择合适的工艺。虽然增材制造技术发展迅速，但在制造某些类型的超构材料方面仍然存在一些限制，例如超细纳米级复杂结构、多材料系统、超大结构等。

近日，华中科技大学史玉升教授团队回顾了不同的超构材料的基本原理和不同领域的典型超构材料类型，以及增材制造技术在其中的应用。文章主要介绍了不同应用情况下的典型超构材料及其设计方法。特别关注超构材料的制造和增材制造技术在其中的应用现状。此外，还讨论了目前超构材料在设计方法方面的局限性和现有增材制造技术的缺点，以及超构材料的发展趋势。增材制造技术是一种适合制作超构材料的方法，而且对超构材料的研究可以促进增材制造技术的发展。相关研究发表在《Materials Today》上。（徐锐）

文章链接：

J. Fan, L. Zhang, S. Wei, et al. A review of additive manufacturing of metamaterials and developing trends[J]. Materials Today, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.019

非互易性指空间中任意两点之间的能量不对称传输，在物理学的许多领域受到越来越多的关注。以弹性系统为研究对象，非互易性已成功用于实现选择性信号传输逻辑元件方向相关的绝缘体和开关。为了实现这种卓越的行为，研究人员提出了主动和被动策略。一方面，线性波的非互易性是通过向介质施加旋转或通过在空间和时间中引入具有时间调制特性的活性材料打破时间反演对称性来获得的。另一方面，利用非线性现象，也证明了被动介质中的非互易性。特别是，具有两个或多个稳定状态的力学超构材料最近已成为实现非互易性的强大平台，因为当它们包含具有不对称能量阱的双稳态阵列时，仅支持单向过渡波传播。然而，尽管这种策略具有简单性和鲁棒性，但它通常会导致不可逆的波传播，因为这些系统在脉冲传播时会释放净能量，并且需要手动“充电”（即所有元件都需要重置为更高的能量阱）以维持第二波。

近日，美国马里兰大学Eleonora Tubaldi教授和哈佛大学Katia Bertoldi教授团队实现了多稳态力学超构材料的非互易性和可逆性的独立编程。这种动态响应的控制是通过丰富和高度可调的浅拱行为实现的，因为它们的能量分布可以很容易地调整，以显示目标能量势垒以及对称或非对称。首先表明了由具有对称能量阱的相同拱形组成的链支持非线性脉冲的传播，这些非线性脉冲将元件依次切换到其反向稳定构型。然而，尽管这种信号传播是相互的和可逆的，但它并不稳定，因为波在传播过程中会发生演化。然后，证明了通过仔细设计拱形和它们的排列来打破结构或单元层的对称，不仅可以使信号稳定传播，而且还可以实现广泛的非互易行为。例如，可以通过连接对称但分级的能量势的浅拱来创建可逆二极管。此外，利用对称和不对称能势的浅拱交替，可以得到可调谐的一维非互易链，使不同的过渡波向相反方向传播。因此，这项工作为下一代具有鲁棒、非互易弹性波转向能力的非线性结构和器件的设计开辟了道路。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）

文章链接：

G. Librandi, E. Tubaldi, K. Bertoldi. Programming nonreciprocity and reversibility in multistable mechanical metamaterials[J]. Nature Communications, 20 12(1).

https://doi.org/.1038/s41467-021-23690-z

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