超材料前沿研究一周精选 2021年6月1日-2021年6月6日

在扭曲双层范德瓦尔斯结构中形成的moir´e超晶格得到了广泛的研究，发现了许多的奇异现象，包括分数Chern绝缘子、moir´e激子、拓扑物理等。考虑到目前为止所展示的各种moir´e系统，扭曲双层石墨烯（TBG）系统是最具代表性的，具有由moir´e超晶格产生的微布里渊区。TBG中层间杂化诱导的魔角效应是moir´e物理学的里程碑之一，特别是在费米速度和奇点密度几乎为零的情况下平坦的动量空间色散特性。随着凝聚态物理中魔角moir´e双层研究的兴起，光子moir´e超晶格也迅速引起了人们的兴趣，利用大扭曲角三维光折变材料中的单层moir´e纹研究准晶体中的Anderson局域化和光孤子。尽管凝聚态系统和光子系统之间的独特对应关系为moir´e光子学带来了潜在的突破，但对魔角moir´e系统的光子类比的定量分析仍然缺乏:moir´e光子系统中小魔角的存在尚未被观察到，更重要的是，一个完整的描述小角度扭曲光子双层的模型将指导扭曲光子系统的探索和应用。

近日，来自美国加州大学伯克利分校的Kaichen Dong等人建立了一个小角度扭曲双层蜂窝光子晶体的耦合模理论，作为TBG的紧密类比，发现了具有非安德森型定位的魔角光子平坦带。此外，层间分离在不调节高压的光子moir´e纹中构成了方便的自由度。构造了一个相图，将扭转角和分离依赖性与光子魔角相关起来。他们的发现揭示了费米子和玻色子moir´e系统之间的显著对应关系。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.126.223601

得益于变换光学的强大创造力，已有研究开发了许多异常应用，如隐形斗篷、电磁(EM)场旋转器、聚光器和波导弯曲器。在互补介质和折叠几何变换的概念下，变换光学在理论上被用来设计错觉光学器件。这些装置的实现需要具有负介电常数和磁导率的超材料的构件。然而，由于超材料设计、制造和材料损耗的挑战，超散射效应，如阻止空气通道中的波传播，还没有从物理上从错觉器件中得到验证。

近日，来自南京大学电子科学与工程学院的Kang-Ping Ye等人实现了一个大的超材料超散射，并通过场映射技术实验演示了它在微波频率下的超散射效应。他们证实了超散射起源于表面等离子体激元的激发。结合超散射，他们通过实验展示了一个不可见的通道可以阻挡空气通道中的电磁波，其宽度远大于相应矩形波导的截止宽度。他们的结果首次直接观察到了双负超材料的超散射效应和电磁波的隐形通道。它为未来其他幻像设备的设计搭建了一个理想的平台。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（詹若男）

文章链接：

Kang-Ping Ye et al. Invisible Gateway by Superscattering Effect of Metamaterials. Physical Review Letters 126, 227403 (2021)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.227403

对于气体、液体和固体中常见的声波或声子，能量和动量是成正比的。旋子（Roton）可以被视为非常不寻常的声波，在有限动量和有限能量下，能量与动量的比值为抛物线最小值。根据Landau的预测和Feynman的建议，通过非弹性中子散射，在低温下的液氦-4(玻色-液体)中观察到了纵向声波的旋子色散关系。后来的大量理论工作根据这个量子系统的强空间相关性来解释旋子。最近，在二维(2D)液态氦-3 (费米液体)和受弱磁偶极子-偶极子相互作用的铒原子玻色-爱因斯坦凝聚体中，实验上发现了旋子。理论上，对于限制在一维(1D)和2D几何中的其他超冷偶极和四极，以及Rydberg修饰的原子，也预测了旋子色散关系。旋子色散关系被限制在如液氦-4、氦-3薄膜和玻色-爱因斯坦凝聚体等低温下的相关量子系统中。这种不寻常的色散关系提供了宽带声学反向波，用Feynman的话说，由于“回流”而与能量流涡流相连，以及在一个频率下具有相同极化的三种不同共存声学模式。通过在人造材料的单位细胞中建立机制，超材料允许塑造波的流动。到目前为止，研究人员已经开发了基于各种类型的局部共振、布拉格共振、时空对称破坏、拓扑和非线性的机制。不幸的是，到目前为止，还没有自然或合理设计的人造材料在环境条件下表现出类似旋子的色散行为的报道。

近日，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院应用物理研究所的Yi Chen等人通过引入超最近邻相互作用作为弹性和空气声学超材料的一种机制，介绍和分析了一类三维微结构弹性超材料，对于与最近邻相互作用相比足够强的第三最近邻相互作用，这种机制允许他们在环境条件下设计类似旋子的声学色散关系。而且它支持类似旋子的横向和纵向色散关系。除了通常的最近邻相互作用之外，他们还通过调整3D超材料晶体单元之间的超最近邻弹性相互作用来设计这些超材料。此外，他们将相同的概念应用于宏观三维通道基超材料中的空气声波，以说明该方法的一般性质。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Yi Chen et al. Roton-like acoustical dispersion relations in 3D metamaterials. Nature Communications (2021) 12:3278

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23574-2

热辐射由物质随机波动产生的光组成，因此，它在自然界和现代技术中无处不在。当由传统材料产生时，热辐射是非相干的、宽频带的和未准直的。通过对其进行滤波，笨重的光学器件可能会改变其光谱内容、偏振和空间特征，但仅在效率和设备占地面积方面付出巨大代价。在过去十年中，通过使用结构化光学材料或超材料，光学系统的后期紧凑化方面取得了实质性进展。超材料和结构薄膜（超表面）中的重点在于操纵外部产生的相干光（例如，来自激光器的光）或具有大程度相干的光（例如，在主体光学装置的初始阶段制备的光）。基本上，这些装置通过其亚波长单元局部操纵冲击波前，作用于入射波前。因为它们基于排列在表面上的独立散射体进行操作，在空间上被称为“局部”超表面。

近日，美国纽约城市大学先进科学研究中心的Andrea Alù教授团队导出了实现对热发射光完全控制的必要条件，并指出需要同时裁剪整个结构的局部和非局部散射特征。基于这些发现，该团队介绍了一个基于连续介质中准超声态的热超表面平台，该平台很好的满足了以上要求，并通过实现对结构薄膜部分相干光发射的完全控制来完成光学系统的紧凑化程序，包括圆偏振光的单向发射、聚焦、空间和时间相干性的控制，以及设计自旋和角轨道动量的波前控制。此外，该平台对局部和非局部散射现象的控制可以整合到具有非线性或光学增益的系统中，用于新的相干光的控制和产生。因此，该平台视为实现多功能混合局部-非局部超表面，为小型化和高性能的下一代经典和量子光学提供了一种新方法。相关研究成果发表在《Physical Review X》上。（钟雨豪）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021050

玻璃窗在现代建筑和智慧城市环境中的广泛使用强调了透明低热辐射涂层对能源消耗的重要性。在这方面，低辐射涂料已被广泛研究，包括导电氧化物等，包括氧化铟(ITO)，铝锌氧化(偶氮)，氧化钒(VO2)，和介质-金属-介质(DMD)层堆栈。虽然各种低辐射涂料已经实现了相当大的发展，但使用高导电材料进行近红外(NIR)控制导致了RF信号的堵塞，这使得这些设备在智能城市环境中的实施存在一定的问题。为了缓解这一问题，最近的研究表明，低发射膜的亚波长图案通过断开的Ag岛重复图案来阻止均匀银膜在低射频频率范围内的阻挡特性。然而，随着第五代(5G)通信技术的发展，迫切需要开发能够在更高频率范围(可扩展至100 GHz)运行的灵活、通用的设计。超材料技术的快速发展为这一问题的决解带来了新的机遇。

近日，加拿大电子与计算机系Geroge V. Eleftheriades等人提出了一种利用高近红外控制和低热辐射率的介电金属光谱选择性涂层的可见光和射频透明复合超表面，从而实现了一种能够提高第五代(5G)通信效率和节能的多功能超表面。与普通玻璃和低发射玻璃基板相比，所提出的金属玻璃在30 GHz时产生了92%的峰值RF传输，分别提高了20%和90%。此外，该玻璃在λ= 550 nm处具有86%的峰值光学透明性，近红外反射率优于60%，中红外反射率优于80%，对应的热发射率为0.2。该工作所提出的超表面设计具有高度的灵活性，由于其频率可伸缩性，可以在不同的频率范围内进行调优。与基于铟锡氧化物的低辐射玻璃相比，该研究提供了一种资源更为丰富的材料，同时提高5G通信效率，满足紧急智能/节能建筑/城市和自动交通应用需要的窗口系统设计。相关研究工作发表在《Advanced Optical Materials》上。（丁雷）

文章链接：Mahdi Safari, et al, Multi-Functional Metasurface: Visibly and RF Transparent, NIR Control and Low Thermal Emissivity. Advanced Optical Materials(2021).

DOI: 10.1002/adom.202100176.

超表面由局部控制波前光学相位的纳米结构组成，这种能力广泛用于远场波束整形。在许多情况下，相位是由光学共振控制的，可以通过设计来调整。这些共振应表现出高的q因子，以实现最大的控制，它们需要高度局部化，以实现整个表面的快速相位变化。高q因子和紧密定位的相同要求也适用于近场使用的超表面；高q因子确保谐振模可以非常敏感地感知折射率的变化，严格约束确保超表面可以作为高空间分辨率的折射率传感器，即成像传感器。q值和局部化通常呈现一种权衡，因为一个通常只能实现一个或另一个。

介电超表面支持了被广泛探索的远场波前整形和近场传感和成像的共振。他们的设计探索了局域共振和扩展共振之间的相互作用，在q因子和光局域化之间有典型的权衡；高q因子对折射率传感是理想的，而局部化对成像分辨率是理想的。

近日，来自英国约克大学的Donato Conteduca等人展示了一个由非晶硅中的纳米孔阵列组成的介电超表面在这些需求之间提供了一个有利的权衡。该工作设计并实现了超表面以支持两种光学模式，这两种模式都具有尖锐的Fano共振，表现出相对较高的q因子和强的空间限制，从而同时优化了成像和生化传感设备。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23357-9

在通信系统中，频率转换是一项非常重要的工作，将输入信号的频率转换为较大或较小的值，即在发射机中进行上转换，在接收机中进行下转换。实用的频率转换是理想的，以产生大的频率转换比，其中输入信号的频率从一个频带转换到另一个频带，例如，从超高频频带到低频带。传统的非线性混频器由于射频(RF)和本振(LO)信号的谐波混频器而产生杂散信号。对于单音RF和LO信号，杂散信号频率对应于iω_RF + j ω_LO谐波乘积，i和j为任意整数。然而，多频RF和LO信号产生一个更不需要寻找的杂散频率。准纯频率转换通常是通过频率混频器与带通滤波器的集成来实现的，这通常会导致高插入损耗。几十年来，人们提出了几种方法来实现谐波抑制混频器。然而,传统的非线性混频器，开关混频器，子采样混频器和微波光子混频器，甚至在研究人员看来最理想的操作机制，仍然会产生不必要的混合杂散信号。超表面是由亚波长散射体阵列构成的超薄结构，具有可设计的散射响应。

近日，加拿大多伦多大学电子与计算机工程系Sajjad Taravati和George V. Eleftheriades设计了一个无杂散的，线性频率转换的超表面。这种超表面是由时间调制的超单元组成，包含了时间和静态的贴片谐振器和移相器。这代表了一类具有可控频带和传输幅度的大频率转换比的变频器超表面。与传统的非线性混频器相比，所提出的时域频率转换器提供了线性响应。此外，通过利用表面-互连-相位-表面(SIPS)架构，可以实现无杂散和线性频率转换，所有无用的的混合信号都得到了强烈的抑制。所提出的超表面可以通过现场可编程门阵列进行数字控制和编程。这使得无杂散线性频率转换器超表面成为无线和卫星通信系统以及隐形斗篷和雷达的突出解决方案。本研究为实现更复杂、更高效的频谱变换超表面开辟了一条途径。相关研究工作发表在《Physical Rewiew Applied》上。（丁雷）

文章链接：Sajjad Taravati and George V. Eleftheriades，Pure and Linear Frequency-Conversion Temporal Metasurface，Physical Rewiew Applied(2021).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.064011

按需定制和再定制的力学行为，且可以随着材料的不同应用而变化，这对于调整运动、操纵刚度、适应环境和切换设备的功能至关重要，也是材料科学家和工程师面对的持续挑战。作为材料设计的新范式，力学超构材料具有前所未有的特性，这归因于巧妙定制的微结构而不是化学成分，这使得设计具有可重新定制特性的材料成为可能。虽然可以通过改变初始状态、边界条件和外部约束条件等来调整少数构件的力学行为，但结构拓扑与力学之间的复杂关系阻碍了超构材料力学行为对不同目标的调整。一方面，具有非线性力学行为的构件通常具有特殊的微观结构，因此设计具有目标力学行为的构件通常需要复杂的力学分析和迭代优化。另一方面，力学超构材料通常由周期性互连的单元构成，因此单元的运动学高度耦合且相互约束。宏观尺度和微观尺度之间的变形耦合使使用空间异质性有意调整宏观行为变得复杂。

近日，北京航空航天大学陈玉丽教授、潘飞博士团队提出了一种新颖的“阶梯构建”策略，用于定制和重新定制力学超构材料的目标力学行为。类似于用砖块建造楼梯，定制或重新定制材料的目标应力-应变（力-位移）曲线，可以通过可视化地堆叠双稳态单元的砖状加载曲线来实现。“阶梯构建”策略的力学可行性首先在一种阵列结构的多稳态力学超构材料中实现，然后通过理论力学分析进行仔细验证。据此，进一步提出三种具体的简单设计方案进行实施。通过实验和有限元模拟，证明了“阶梯构建”策略对于力学行为定制是快速、有效和准确的。此外，可以通过同一块超构材料实现对大范围内不同力学行为的重新定制。这种设计策略为定制具有可重新定制的目标力学行为的超构材料提供了一种新方法，并适用于各种双稳态单元。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：X. Lin, F. Pan, K. Yang, et al. A Stair‐Building Strategy for Tailoring Mechanical Behavior of Re‐Customizable Metamaterials[J]. Advanced Functional Materials, 2021.https://doi.org/10.1002/adfm.202101808

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