今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及无序辅助的实动量拓扑光子晶体，石墨烯中振荡声电效应的相干探测和采用高拉伸加工尼龙纳米纤维的红外透明织物等敬请期待！
索引：
1、无序辅助的实动量拓扑光子晶体
2、双层多拓扑相声学赝自旋输运研究
3、近场热辐射探测纳米级热电子和声子传输
4、石墨烯中振荡声电效应的相干探测
5、高阶时间位错拓扑模式
6、超快太赫兹脉冲精确操控单分子结中的激子形成
7、基于欧拉潜在动态和数据分析正则化的多物理耦合下超表面频率迁移与逆向设计
8、采用高拉伸加工尼龙纳米纤维的红外透明织物
拓扑光子学通过设计人工光学材料的非平凡拓扑特性，为光场调控提供了全新范式。传统研究普遍认为无序是破坏拓扑鲁棒性的不利因素，需通过对称性保护或结构优化予以抑制。然而，动量空间拓扑态（如连续体中的束缚态）与实空间无序之间的协同效应仍未被充分探索。动量空间拓扑态因其对结构扰动的强鲁棒性，已被广泛应用于涡旋光束生成与激光发射等领域，但现有方法难以在保持动量空间拓扑奇异性的同时，利用实空间无序编码额外信息或拓扑电荷。这一局限性导致光学器件的功能单一性与信息容量不足，阻碍了拓扑光子学在加密通信与多维光场调控中的进一步发展。因此，开发一种能够协同利用实空间无序与动量空间拓扑的复合光子平台，成为突破现有技术瓶颈的关键。
近日，清华大学的宋清华教授课题组和瑞士洛桑联邦理工学院的Romain Fleury教授课题组以及新加坡国立大学的仇成伟教授课题组等研究团队合作，提出了一种无序辅助的实动量拓扑光子晶体，首次实现了实空间Pancharatnam-Berry（PB）相位与动量空间拓扑奇异性的协同共存。通过引入各向异性纳米棒结构并调控其旋转角度，实空间无序被转化为PB相位分布，用于编码宽带涡旋光束或全息图像；与此同时，动量空间连续体中的束缚态仍保持其偏振涡旋的拓扑特性。实验表明，该光子晶体可在550 nm波长处产生窄带动量空间涡旋（拓扑电荷为2），并在可见光范围内生成实空间宽带涡旋（电荷为6），二者通过波长调控可实现独立切换。此外，研究成功将全息图像编码于纳米棒旋转角度中，验证了实空间信息与动量空间拓扑的并行操作能力。这种实动量双重拓扑的协同设计不仅突破了传统拓扑光子学对无序的排斥框架，还为光学加密、高容量通信及集成化拓扑器件提供了新思路。其核心优势在于无需额外维度或复杂结构，仅通过平面光学元件即可实现多维光场调控，显著提升了光学系统的功能密度与鲁棒性。该研究成果发表于《Nature》。（刘梦洋）
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https://doi.org/10.1038/s41586-025-08632-9
2 双层多拓扑相声学赝自旋输运研究
近年来，声学拓扑绝缘体因其受拓扑保护的边界态在单向声传输和声通信等领域的应用潜力而备受关注。基于赝自旋的声学拓扑绝缘体通过模拟量子系统中的自旋自由度，实现了对声波的高鲁棒性调控。然而，现有研究多集中于单层结构，其自由度受限，难以实现更复杂的物理现象和器件功能。尽管三维及多层声学拓扑绝缘体为探索新拓扑相提供了可能，但已有双层结构主要基于谷拓扑相，其设计局限于特定对称性，且难以实现赝自旋依赖的拓扑特性。如何通过引入层自由度构建具有多重拓扑相的双层赝自旋声学拓扑绝缘体，并实现层间可控的声传输，成为该领域亟待突破的关键问题。
近日，江苏大学孙宏祥教授课题组与浙江大学杨怡豪研究员和新加坡南洋理工大学的张柏乐教授合作，提出了一种基于蜂窝晶格的双层声子晶体结构，通过调节上下两层三角形散射体的旋转角度，实现了四种不同的拓扑相，并构建了六种畴壁类型以调控声波的层混合、层极化和单层传播特性。实验表明，当双层结构的旋转角度组合为（60°, 60°）与（30°, 30°）时，畴壁中形成的边界态呈现层混合特性，声能在上下层间交替振荡传输；而当组合为（50°, 20°）与（20°, 50°）时，边缘态仅存在于特定单层，表现出层极化特性。此外，通过结合不同畴壁设计，该研究成功实现了单路径和多路径的层间声能转换器。实验验证了这些转换器在复杂路径（如弯曲结构）中仍保持高鲁棒性，为多功能声学器件（如层选择性发射器、多路径拓扑分选器）的开发奠定了基础。该成果不仅拓展了赝自旋依赖拓扑声学的理论框架，还为未来多层拓扑声学器件的设计提供了新思路。该研究成果发表于《Advanced Functional Materials》。（刘梦洋）
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https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202422858
在纳米电子器件、光化学催化和量子材料研究中，热电子（hot electrons）与热声子（hot phonons）的动力学行为是决定能量转换效率与器件性能的核心问题。当材料受到光或电激发时，电子与声子系统会瞬间脱离平衡态，并通过散射、输运等过程释放能量。理解这些过程的时空演化规律，对开发高效光伏器件、超快光探测器和新型热电材料至关重要。传统研究主要依赖超快泵浦-探测光谱技术，其时间分辨率可达飞秒量级，但受限于光学衍射极限，空间分辨率难以突破微米尺度。然而，热载流子的相互作用和输运往往发生在纳米甚至原子尺度。例如，石墨烯中电子-声子耦合的“超碰撞”效应（supercollision）或声子水动力学中的“第二声波”（second sound），其关键特征仅在局域纳米区域内显现。尽管近场光学与热显微技术（如扫描热探针）理论上能实现纳米级空间分辨，但现有理论模型多基于平衡态或稳态假设，难以描述超快时间尺度下的非平衡动力学过程。此外，近场辐射与热载流子的耦合机制尚不清晰，导致实验与理论预测之间存在显著鸿沟。这一领域的突破，亟需一种能够同时兼顾超高时空分辨率、低扰动性，并能定量解析多种能量耗散路径的新方法。
近日，美国科罗拉多大学博尔德分校机械工程系Longji Cui助理教授课题组首次构建了一套非平衡态近场热辐射理论模型，将超快时域动力学与纳米空间分辨相结合，为揭示热载流子输运的微观机制提供了全新工具。研究团队的核心突破在于建立了广义多温度模型-近场辐射耦合框架。该模型首次区分了电子与不同声子分支（如纵向声子LA、横向声子TA等）的温度演化，并纳入声子流体力学方程，以描述非傅里叶热输运效应（如声子黏滞性与热涡旋）。同时，通过结合涨落电动力学理论，团队量化了扫描纳米探针与样品间近场热辐射的瞬态吸收与散射信号，将局域热载流子动力学直接映射为可观测的辐射通量。以单层石墨烯为模型体系，研究揭示了超快热电子辐射开关效应，即飞秒激光激发下，电子温度在皮秒量级内剧烈升高，并通过非线性超碰撞机制将能量传递给声子，导致近场热辐射强度呈现数量级变化。这种响应速度远超传统热传导，为超快热调控器件设计提供了新思路；声子水动力学指纹，通过对比傅里叶扩散模型与流体力学模型，团队预测了第二声波的传播特征。当激发光斑尺寸（~200 nm）与声子平均自由程相当时，声子集体运动形成热波前，其速度可通过近场辐射成像直接捕捉。此外，声子黏滞性会延缓能量耗散，在纳秒尺度上形成独特的温度分布，这为区分弹道输运与流体动力学行为提供了判据。相关内容发表于《ACS Nano》上。（张琰炯）
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https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11893
4 石墨烯中振荡声电效应的相干探测
声表面波(SAW)是一种在弹性材料表面传播的高度定向的机械振动。SAW利用其通过压电和应变场与材料相互作用的独特能力，在凝聚态物理领域得到了广泛的应用。传输方法的发展进一步提供了通过用高性能压电基板构建二维材料的异质结构来为声电（AE）效应研究提供高效SAW生成的机会。声表面波通过压电场和应变场与半导体中的电子相互作用，产生声发射效应。稳定的AE效应表现为由载流子沿SAW传播方向的定向运动产生的稳定电势差，而振荡的AE效应起因于载流子围绕其平衡位置的振荡运动。这种电荷调制反过来会产生内部电场，部分屏蔽原始压电场，导致声衰减和速度偏移。虽然传统的研究主要集中在稳定的AE效应上，但是SAW的波动性质所固有的振荡AE分量可以提供对载流子动力学的更深入的见解。探索声表面波下电子的振荡行为和再分布对于基础研究和声电子器件的发展至关重要。然而，由于固有的时空振荡，在输运实验中直接观察这种瞬态电荷再分布具有重大的技术挑战。
近日，复旦大学的张成研究员团队提出了石墨烯中振荡声电效应的相干检测。这是通过用叉指换能器发射的电磁波对时空电荷振荡进行相干整流来实现的。作者系统地研究了整流信号的频率和栅极依赖性，并定量地探讨了SAW驱动的载流子再分布动力学。通过输运实验观察振荡声电效应，可以直接获得SAW引起的动态空间电荷调制。这项工作不仅加深了对 SAW 存在下的载流子动力学的理解，而且为探索二维材料和其他凝聚态系统中的动态电荷调制开辟了新途径。相干检测和操纵这些振荡的能力对于开发先进的电子和光电设备具有巨大的潜力。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.096301
5 高阶时间位错拓扑模式
拓扑界面作为连接不同拓扑相的关键子系统，支持从鲁棒手性异常到渗透边缘态的奇异现象。特别是在高维系统中，由于不同局域化机制的相互作用，这类界面的物理特性变得更加复杂，例如高阶拓扑态和混合趋肤-拓扑态。近年来，时间周期驱动的引入进一步拓展了拓扑物理的研究边界，使时间成为新的研究维度。
受到空间晶格位错所诱导的拓扑现象和奇点的启发，不禁思考：类似的奇异物理现象是否也能在时间位错中产生？ 随着时变材料研究的兴起，其丰富的物理特性和广泛的应用潜力引起了越来越多的关注。现有研究表明，时间变化或时间界面可诱导一系列新奇的物理效应，例如时间光子晶体、时间超表面以及时间反射与折射等，并在信号处理等领域展现出巨大潜力。然而，不同时间子系统之间的界面仍然鲜有研究，主要原因在于其实验实现的技术挑战较大。
近日，山西大学梅锋教授和新加坡国立大学Ching Hua Lee教授联合团队理论与实验结合，首次实现了时间位错拓扑模式，揭示了时间位错与Floquet带隙拓扑之间的作用机制。通过引入额外的物理维度来表征频率空间晶格，成功构建了二维Floquet高阶拓扑相。尽管各二维层在时间边界处保持平移不变，研究人员仍然在界面附近观测到了空间局域化的Floquet高阶拓扑角态。在实验上，利用三维电路超材料成功观测到了时间位错诱导的π模角态。有趣的是，尽管这些时间位错拓扑模式在时间界面上呈现强烈的空间局域化，但其平面内的晶格耦合依然保持均匀。这一发现不仅深化了人们对时间拓扑界面的理解，也开启了一条全新的研究路径，探索实空间、时间空间与动量空间拓扑相互作用所带来的丰富物理现象。
相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-56717-w
6 超快太赫兹脉冲精确操控单分子结中的激子形成
超快电荷转移过程在分子电子学、光电子器件和量子计算等领域具有重要意义，尤其在分子尺度上精确操控激子（电子-空穴对）的形成，对发展新型光电子技术至关重要。然而，传统的超快光谱技术虽然能够研究分子体系中的电子动力学，但难以直接操控单分子量级的激子形成过程。扫描隧道显微镜（STM）结合超快光谱学被认为是研究单分子激子动力学的理想平台，但由于单分子电荷态的超快变化难以探测，如何在超快时间尺度上实现可控的电荷转移仍然是一个挑战。
近日，日本理化学研究所（RIKEN）的Kimura Kensuke 教授团队利用波形定制的太赫兹（THz）脉冲，在 STM 隧道结中实现了对单分子激子形成的按需调控。研究团队选用 Pd(II)酞菁（PdPc）分子作为模型体系，利用 THz 场驱动的电子隧穿过程，在单分子水平上研究激子动力学。结果表明，THz 脉冲的正负半周期分别驱动电子注入最低未占分子轨道（LUMO）和从最高占据分子轨道（HOMO）移除，从而诱导激子形成。此外，通过相位和时间延迟可控的 THz 双脉冲技术，研究团队进一步优化了激子形成速率，并显著增强了扫描隧道发光（STL）信号。同时，团队将实验数据与理论计算相结合，揭示了电子注入与移除的顺序隧穿过程在激子形成中的主导作用，而非传统静态电场诱导的能级移动效应。该研究揭示了 THz 场驱动的电子动力学在时间尺度上可精确控制，展示了通过 THz 波形整形调控分子体系的巨大潜力。此外，相比于传统的直流 STM 测量，该方法实现了对单分子激子态的选择性操控，为超快电子动力学研究提供了新的实验手段，为发展基于分子的超快光电子器件（如单分子光源、纳米级光电转换器和量子光子学组件）提供了理论和技术支持。相关内容发表于《Science》上。（赵泓远）
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads2776
7 基于欧拉潜在动态和数据分析正则化的多物理耦合下超表面频率迁移与逆向设计
如今，人工智能(AI)吸引了生物科学、材料科学和能源科学的许多兴趣，它提高了检测和分析的质量，加速了新发现，并实现了实时控制。特别是，作为全波模拟的替代品，数据驱动的人工神经网络在加速设计过程和缩短测量与设计之间的差距方面显示出非凡的潜力，这大大减轻了数值模拟的压力，以获得逆设计的合适解决方案。频率迁移是机器学习中的一个关键挑战，因为它允许研究人员超越范围内的频谱特性分析，走向范围外的预测。传统上，为了预测特定频率下的特性，目标频谱被包括在深度神经网络的训练数据中。然而，由于测量或计算资源的限制，一些频率的训练数据很难获得，特别是对于多物理问题。
近日，浙江大学的尹文言教授、魏准研究员团队提出了一个多物理深度学习框架 (MDLF)，由多保真度 DeepONet、欧拉潜在动态网络和数据分析反演网络组成。在没有多物理响应知识的情况下，通过动态利用欧拉潜在空间和单物理信息，MDLF 成功地推广到参数化和自由形式超表面的未见频带。此外，引入了一种反演方法，将混合先验纳入超表面的反演设计中。在电磁热耦合下，研究人员通过数值和实验验证了所提出的 MDLF。这项工作提供了一种实现强大的混合正则化的有效方法，因此最终可以在需要综合多物理和多频域的各种科学领域中用作通用框架。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57516-z
8 采用高拉伸加工尼龙纳米纤维的红外透明织物
随着全球气候变暖与能源危机加剧，个人热管理技术成为节能减排的重要研究方向。被动辐射冷却纺织品通过调控红外（IR）波段的透射或发射特性，可显著提升人体散热效率，降低空调能耗。理想的红外透明纺织品需满足两大核心要求：高红外透射率（减少人体热辐射吸收）与穿戴舒适性（透气、透湿、柔韧）。然而，传统纺织材料（如棉、涤纶）因分子键振动（如C-O、C-N键）在红外波段存在强吸收，难以兼顾光学性能与实用性。目前，仅有聚乙烯（PE）等少数合成纤维被报道可用于红外透明纺织品，但其加工性差、力学性能弱，限制了大规模应用。尼龙6（PA6）作为全球使用最广的合成纤维之一，虽分子结构简单且潜在红外透射特性，但其商业产品因晶相结构（α相）导致强红外吸收，一直未能实现突破。如何通过材料设计与工艺革新，调控PA6的分子链排列与晶相结构，成为解锁其红外透明潜力的关键。
近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室朱嘉教授、朱斌教授与武汉纺织大学钱张教授团队通过高拉伸-快速溶剂蒸发工艺，成功制备出红外透射率接近80%的尼龙6纳米纤维纺织品（IRT-PA6），在模拟人体实验中实现比棉织物低2.1°C的降温效果，对应室内空调能耗降低约20%。研究团队的核心突破在于分子链取向与晶相结构的精准调控。通过静电纺丝技术结合无针头工艺，PA6溶液在高压电场下经历超强拉伸与快速溶剂蒸发，促使分子链从无序的α相（反平行排列、强氢键）转变为γ相（平行排列、弱氢键）。理论模拟表明，γ相的分子振动强度较α相降低60%以上，大幅削弱了7-14 μm波段的红外吸收。同时，团队将纤维直径控制在150纳米，远小于红外波长，显著降低了散射损耗，使整体红外透射率提升至80%，较传统PA6材料提高近4倍。在模拟人体皮肤实验中，覆盖IRT-PA6纺织品的表面温度较棉织物低3.3°C，较商业PA6织物低2.5°C。热成像显示，其初始红外辐射通量接近裸露皮肤，证实了高效的热量透射能力。实际穿戴测试中，混合IRT-PA6与棉的背心在稳态下呈现2.1°C的温差，且在30°C环境温度下可实现20%的空调节能。为兼顾穿戴舒适性，团队通过激光打孔技术引入50 μm级微孔，赋予材料优异的透气性（与棉相当）与透湿性。力学测试显示，IRT-PA6的拉伸强度达7.04 MPa，与商业棉织物（7.48 MPa）接近，且通过层压尼龙网可进一步提升耐久性。该工艺不仅适用于PA6，还可拓展至其他传统纺织材料。团队已成功开发红外透明口罩等原型产品，为户外工作者、医疗防护等领域提供热管理解决方案。(张琰炯)。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57366-9
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