今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及拓扑结构调控活性双乳液滴的流动模式，非线性SSH模型中拓扑到混沌的转变，连续波泵浦自组装胶体拓扑激光器等敬请期待！
索引：
活性物质是由自驱动单元组成的非平衡系统，能够通过消耗能量产生集体运动与复杂动力学行为。近年来，活性液晶作为典型的软物质体系，因其在生物系统（如细胞骨架）和人工合成材料中的广泛应用而备受关注。传统研究多聚焦于无约束或二维体系中的活性湍流现象，而对三维受限环境下活性物质的拓扑特性与流动模式的关联仍缺乏深入理解。双乳液滴作为一种典型的受限体系——即外层活性液滴包裹一个或多个被动内核——为探索拓扑约束与活性驱动间的相互作用提供了理想平台。此类体系不仅可通过微流控技术实验制备，其拓扑特性还可通过内核数量精确调控，从而为设计可控的活性功能材料开辟新路径。然而，活性双乳液滴中缺陷动力学与流动模式的协同演化机制尚未明晰，尤其是三维拓扑缺陷如何影响整体运动行为仍存在诸多未知。
近日，英国爱丁堡大学的Giuseppe Negro和美国约翰霍普金斯大学的Louise C. Head等研究者合作，通过大规模数值模拟系统分析了活性双乳液滴的形态演化与时空动力学，针对单核与双核体系，揭示了活性强度对运动模式的关键调控作用。在单核体系中，低活性驱动下液滴呈现无缺陷的平移运动，活性增强后过渡至旋转态，最终进入混沌态。双核体系因拓扑非平庸性（总电荷为奇数次）自发形成带电向错环，其构型随活性变化发生显著转变：低活性下稳定的“+−+−”型带电环驱动液滴规律旋转；高活性下向错环通过拉伸、扭曲与重组形成动态“活性活体聚合物”，展现出类似生物系统中微管网络的复杂动力学。研究进一步表明，内核数量通过全局拓扑约束决定缺陷环的电荷特性，而活性强度则通过调控弹性应力与流体耦合作用选择具体的流动模式。这一发现不仅建立了拓扑约束与活性驱动间的定量关联，还为实验上通过调控内核数量与活性参数设计可控微流控器件提供了理论依据。此外，该体系可作为简化模型模拟细胞运动、核旋转等生物过程，为理解生命系统中拓扑缺陷的功能提供了新视角。该成果发表于《Nature Communications》。（刘梦洋）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-56236-8
2 非线性SSH模型中拓扑到混沌的转变
能带结构的拓扑性质决定了样品边缘是否存在零能模，这一现象被称为体-边对应。一个典型的具有非平庸拓扑能带的例子是一维SSH模型，其具有交错的线性耦合。尽管拓扑能带的研究最初主要集中在电子系统中（如量子霍尔效应），但近年来，拓扑边缘模已在光子学、流体力学和冷原子系统等多个物理领域得到了实验验证。与标准的薛定谔方程不同，这些经典或量子玻色系统的动力学通常由非线性方程描述。因此，研究人员开始尝试将拓扑概念推广到非线性系统，并发现非线性效应可以诱导拓扑相变。特别是在非线性一维SSH模型中，已有研究表明，非线性诱导的拓扑边缘模依赖于系统的振幅，并据此定义了非线性拓扑不变量。然而，在强非线性区域，一些研究指出边缘模可能会消失。因此，在任意非线性强度下，体-边对应的适用性仍然是一个未解决的问题。
近日，日本筑波大学的Kazuki Sone教授团队揭示了强非线性效应会导致拓扑边缘模向空间混沌零模跃迁。这一零模的混沌化可能是体-边对应失效的普遍机制。研究人员发现零模的空间分布可以由离散动力系统捕捉。通过分析一维非线性拓扑绝缘体的最简模型，发现该动力系统会经历倍周期分岔，最终进入混沌态。这一倍周期分岔点对应于体-边对应失效的参数区域。此外，在足够弱的非线性条件下，非线性拓扑不变量的绝对值对应于描述零模的动力系统的稳定流形维度。研究人员在包含远程跃迁的模型中验证了这一对应关系。类似于最简模型，高阶非线性拓扑不变量的体-边对应也可能因混沌跃迁而破裂。该研究结果可能推广至任意维度，为理解非线性拓扑绝缘体中的体-边对应及其失效机制提供了重要的指导原则。相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-55237-3
近年来，光电子集成电路领域对高效、稳定的室温连续波（CW）激光器的需求日益增长。连续波泵浦激光器结合了胶体半导体激光器的经济性和简单制造工艺，以及连续泵浦的高效稳定输出，使其在半导体激光器领域具有重要潜力。然而，胶体半导体激光器的发展仍面临诸多挑战，如增益材料和腔体结构的限制。目前，大多数胶体半导体激光器依赖于脉冲激光作为泵浦源，这限制了其在实际应用中的广泛使用。因此，开发一种能够在室温下实现连续波泵浦的胶体半导体激光器成为了该领域的一个重要研究方向。胶体纳米片（NPLs）作为一种新型发光材料，因其优异的光学性能和自组装特性，被认为是下一代激光增益介质的有力候选者。通过自组装策略，NPLs可以实现纳米级的厚度和取向控制，从而显著提升光电器件的性能。然而，如何在室温下实现连续波泵浦的胶体激光器仍然是一个亟待解决的难题。
近日，澳门大学的孙汉东教授课题组与南洋理工大学的张柏乐教授课题组以及深圳大学的张强教授等合作，提出了一种自组装的胶体拓扑激光器，首次实现了在室温下的连续波泵浦。通过界面自组装策略，研究团队成功控制了NPLs的集体取向（面朝下或边缘朝上），首次实现了对放大自发辐射（ASE）偏振特性的可控调制。此外，研究还展示了单层NPLs厚度的精确控制，使得激光系统具有广泛的波长可调性（超过50 nm）、超高偏振度（超过95%）以及良好的时间稳定性。这些性能指标标志着胶体半导体激光器的最佳性能水平，为光电子集成电路领域的溶液处理系统开辟了新的时代。研究团队通过合成高均匀性和增强增益特性的异质胶体NPLs，设计了无需复杂光刻技术的拓扑垂直腔体，并通过自组装策略实现了对NPLs集体取向和堆叠厚度的控制。该研究首次实现了胶体纳米晶体激光器中ASE偏振特性的可控调制，并通过连续波泵浦在室温下实现了超高质量因子（约11800）和良好的时间稳定性。这些成果不仅克服了可见光范围内拓扑激光器制造的挑战，还为胶体NPLs在高性能光子器件中的广泛应用奠定了基础。该研究发表在《Advanced Materials》上。（刘梦洋）
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https://doi.org/10.1002/adma.202416635
4 光铁电半导体α-In2Se3中的超快光电流滞后现象及太赫兹发射调控
光铁电半导体作为一种兼具极化非易失性和丰富电子自由度的材料，近年来在光电子学领域引起了广泛关注。光铁电半导体因其自发的、可逆的面内和面外极化特性，展现出在多模态非易失性光电子器件中的巨大潜力。然而，大多数铁电极化和光电流的测量需要电极接触，导致响应时间通常在纳秒甚至微秒量级。如果能够在无线方式（光激发等方式）下将时间尺度缩短到皮秒量级，将极大提高自旋和电荷的超快读写效率。结合光铁电材料和太赫兹（THz）技术为解决这一挑战提供了可能，然而如何通过光激发精确控制其光电流的动态响应，优化器件的非线性光学特性，仍然是一个重要的挑战。其中，α-In2Se3作为一种典型的光铁电材料，能够实现可调的自旋、电荷和谷光电流，是研究光铁电极化与光电流相互作用的理想平台。
近日，西北大学徐新龙教授团队联合清华大学熊启华教授团队，通过太赫兹发射光谱技术，结合飞秒激光脉冲激发，深入研究了α-In2Se3中的超快光电流滞后现象及其对太赫兹波的调控机制。研究团队利用飞秒激光脉冲激发α-In2Se3样品，并测量了光电流诱导的太赫兹波的振幅、相位和极化特性。实验结果显示，α-In2Se3在零偏压条件下表现出显著的超快光电流滞后现象，其机制源于异常的线性和圆偏振光电效应，由极化状态的局部重排驱动。特别地，通过改变激发光的偏振状态（包括线偏振和圆偏振），研究团队实现了对太赫兹波的手性、旋转角度和椭圆率的灵活调控。进一步地，团队通过理论计算验证了激子-激子相互作用在光电流滞回现象中的主导作用，揭示了光铁电极化与光电流相互作用的机制，表明光电流的滞后现象与材料的面内和面外极化密切相关。这项研究不仅为这种独特的光电流滞后现象提供了理论解释，加深了对光铁电材料中光电流调控机制的理解，还为实现超快、非破坏性的光铁电滞后表征提供了技术手段，为通过全光学方法调控太赫兹波的极化状态提供了实验依据。这一成果为设计和优化新型光电子器件以及高性能量子材料提供了重要的理论指导。相关内容发表于《Science Advances》上。（赵泓远）
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https://doi.org/10.1126/sciadv.ads8786
5 基于晶体对称性修饰实现 n 型 SnSe 晶体的高面内热电性能
在全球能源危机与环境保护双重挑战下，热电材料因其能够直接实现热能与电能的相互转换，而被视为未来节能减排和废热回收的重要技术路线。近年来，SnSe 作为一种典型的热电材料备受关注，其独特的低对称性结构使得其在出色的热电性能与机械强度之间取得了较好平衡，尤其在面内方向展现出优异的稳定性和高强度，这为其在实际器件制造中的应用提供了坚实基础。然而，如何在兼顾低热导率的同时大幅提升电荷传输性能，一直是制约热电性能进一步提升的关键问题。传统热电材料往往在提高电导率的同时会不可避免地增加热导率，从而降低热电转换效率（ZT值）。基于此，晶体对称性调控成为近年来提升热电性能的有效策略之一，通过合理掺杂和合金化处理，不仅可以优化能带结构，实现导带收敛，从而提高载流子迁移率和电导率，还可以通过调控晶格振动降低热导率，最终实现热电参数之间的有机平衡。正是在这样的背景下，多家研究机构开始探索利用 Te 和 Mo 共掺杂技术对 n 型 SnSe 晶体进行晶体对称性调控，期望通过结构优化实现面内方向高效热电性能，为器件高效能量转换提供新方案。
近日，由北京航空航天大学赵立东教授课题组，利用逐步掺杂 Te 和 Mo 对 n 型 SnSe 晶体进行精细调控，成功实现了晶体结构的高对称性改造。实验结果显示，随着 Te 与 Mo 掺杂浓度的增加，SnSe 晶体的局部晶体对称性得到了显著提升，其导带结构发生了明显变化：原本分离的两个导带逐渐收敛，形成多重简并的能带结构，从而使得载流子迁移率大幅提升，实验测得室温下载流子迁移率高达约422 cm²V⁻¹s⁻¹。同时，得益于晶格振动的柔化，声子传输受到有效抑制，导致晶格热导率降低至约1.1 Wm⁻¹K⁻¹。基于这些优化，材料在300K时实现了约28 μWcm⁻¹K⁻²的功率因子和约0.6的ZT值，而在300–723K的温度区间内，平均ZT值高达约0.89。更为引人注目的是，该课题组利用所制备的 n 型 SnSe 晶体成功构建了单腿热电器件，在约300K温差下实现了约5.3%的转换效率，这一数值在 n 型 SnSe 材料中处于国际领先水平。研究团队通过同步辐射 XRD、X 射线光电子能谱、球差校正透射电子显微镜以及密度泛函理论计算等多项先进技术，系统验证了 Te 和 Mo 的共掺杂对晶体结构、能带收敛以及电子与声子输运性能的综合影响。该成果不仅为高效 n 型热电材料的设计提供了全新的结构调控思路，而且对于推动热电材料在废热回收、微电子冷却和可再生能源转换等领域的应用具有重要意义。研究成果发表在《Nature Communications》上(张琰炯)。
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-57125-w
6 界面粘合增强3D打印材料的热电冷却能力
近年来，随着全球节能减排和高效散热技术的迫切需求，热电制冷器（TEC）作为一种无机械运动、响应速度快且结构紧凑的固态制冷设备，日益受到关注。TEC利用珀耳帖效应，在电流作用下实现一侧吸热、另一侧放热，为高功率电子设备、传感器及微型制冷系统等提供精确的局部温度调控。然而，传统热电材料在效率、制备工艺及大规模生产方面仍面临诸多瓶颈。例如，常规工艺通常依赖于高温合成、压力辅助烧结以及冶金加工等步骤，这些方法不仅耗能大、生产周期长，而且容易造成材料内部晶粒之间连接不良，导致电导率低、热导率高，从而制约了热电转换效率（ZT值）的提升。与此同时，随着微电子器件尺寸不断缩小，传统金属互连中因电子散射而引发的电阻增加问题日益突出，亟需开发兼具低电阻和高散热性能的新型材料。在此背景下，利用3D打印技术直接构建所需几何形态、实现高性能热电材料的制备成为当前研究的热点。该技术具有工艺简化、生产灵活、节能环保等优势，为热电器件的规模化、低成本生产提供了新思路，成为热管理领域转型升级的重要方向。
近日，奥地利科学与技术研究院Maria Ibáñez教授和Shengduo Xu博士，取得了一项突破性进展。他们采用挤出式3D打印技术，创新性地设计并优化了适用于热电材料的油墨配方，使得打印过程中既能保证构件结构的完整性，又能在随后的烧结过程中实现颗粒间高效的界面连接。团队成功制备了p型（Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se两种热电材料，其室温下的ZT值分别达到1.42和1.3，均处于国际先进水平。利用这些高性能热电腿，研究人员组装出一款热电制冷器，其在空气中实现了50°C的温差冷却效果，且在制冷效率（COP）上也达到了3.8的优异表现。值得注意的是，该方法不但克服了传统工艺中高温合成、压制烧结及切割冶金胚体等繁琐步骤，而且大幅降低了材料浪费和生产成本，展现了良好的工业化应用前景。这一成果为3D打印技术在热电器件制造领域的应用提供了有力支撑，同时也为推动高效散热技术和可持续能源利用开启了新局面。相关内容发表于《Science》上。（张琰炯）
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426
7 四能带协同作用实现了在地球储量丰富的硫化锡晶体中的高热电效率
热电材料的发展一直受限于其组成元素的稀缺性，尤其是碲化物。地球储量丰富且具有宽带隙（Eg ≈ 46 kBT）的硫化锡（SnS）晶体已展现出优异的热电性能。我们通过促进四个价带的能量和动量协同（称为四能带协同作用），显著提高了 SnS 晶体的热电效率。我们通过引入更多的 Sn 空位来激活四能带协同作用，并通过在硒（Se）合金化的 SnS 中诱导 SnS2 来促进载流子传输，从而使 p 型 SnS 晶体在 300 开尔文时实现了约 1.0 的无量纲热电优值（ZT），并在 300 至 773 开尔文范围内实现了约 1.3 的平均 ZT。我们进一步获得了约 6.5% 的实验效率，并且所制备的制冷器在 353 开尔文时实现了约 48.4 开尔文的最大制冷温差。这些发现将激发人们对地球储量丰富的 SnS 晶体在废热回收和热电制冷领域应用的广泛兴趣。
近期，北京航空航天大学赵立东教授、常诚教授、秦炳超博士后研究团队和中国国防科技创新研究院常超教授研究团队合作，通过促进四能带协同作用，显著提升了地球储量丰富且具有宽带隙的 p 型 SnS 晶体的热电性能，SnS 中的 Sn 空位有效促进了四能带协同作用，增大了有效质量，并在宽温度范围内实现了高热电功率因子（PF），在 300 K 时达到约 58 mW cm⁻¹ K⁻²。此外，SnS 具有地球储量丰富、成本低廉和环境友好等显著优势，展现了其在热电发电和制冷领域广泛应用的巨大潜力。相关研究成果以“Quadruple-band synglisis enables high thermoelectric efficiency in earth-abundant tin sulfide crystals”为题发表在《Science》上。（郑佳慧）
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https://doi.org/10.1126/science.ado1133
8 用于表征梯形折纸超材料等距度的粗粒度基本形式
折纸板是具有预定义折痕的二维表面，这些折痕控制其对机械负载的三维响应。折纸行为背后的基本原理是弯曲面板的弹性变形和拉伸面板的弹性变形的能量尺度之间的差异。这种缩放导致准静态、低能量响应，该响应由不会拉伸面板的变形主导，将其称为线性等距。由于该原理仅取决于板材的厚度，因此对应于特定折痕图案的线性等距在很大程度上与材料无关，因此可以在一定长度范围内在金属和聚合物材料中实现。因此，对于折纸超材料的设计来说，对折纸运动学的理解往往比对折纸动力学的理解更重要。而现有的工作集中在由平行四边形面组成的折痕图案上，其中平行线约束准静态弹性响应。
近日，密西根大学的James P. McInerney和Xiaoming Mao教授团队考虑了由更一般的梯面组成的折痕图案，并探索了它们的低能量线性响应。这种折纸镶嵌的变形被建模为线性等距，不会在小尺度上拉伸单个面板，但会映射到粗粒度基本形式的非等距变化，从而量化有效介质在大尺度上的应变和弯曲程度。在连续模型中确定了两种不同的模态形状，即刚性呼吸模式和非刚性剪切模式。研究人员将其称为 Arc-Morph 折纸，并给出了离散和连续模型中其变形的解析表达式。制作并测试了可展开的样本以验证解析预测。这项工作推进了折纸镶嵌的连续建模，将其作为有效介质，并结合了更通用的面和基态，从而能够研究新颖的设计和应用。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-57089-x
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