超材料前沿研究一周精选 2020年9月7日-2020年9月13日

由具有互补功能的不同物理组件组成的混合设备是用于信号存储、处理、转换和传输的新型量子通信技术的研究趋势之一。理论上已经提出了将腔量子电动力学和腔光力学结合起来的混合量子系统，并预测了单极化水平的冷却、特殊的量子统计以及耦合到色散和耗散性质的机械模式。声子的有效产生是预期的电声子激光器的重要组成部分。其结合了腔量子电动力学和光力学的混合量子系统构成了一个新的平台，具有在极高频率范围（30–300 GHz）上运行的潜力。

近日，来自阿根廷国立库约大学物理系的D. L. Chafatinos 等人在混合系统中报告了类似激光的声子发射，该系统光耦合了极化子玻色-爱因斯坦凝聚体（BECs）与半导体微腔中的声子。所研究的系统包括GaAs / AlAs量子阱，耦合到受腔限制的光学和振动模式。在陷阱阵列的单个陷阱中，极化激元BEC的非共振连续波激光激发，引起相干的机械自振荡，导致谱侧带被20 GHz基模振动频率的谐波所取代。当可调谐的相邻陷阱相对于泵浦陷阱BEC发射在振动模式的偶次谐波处发生红移时，这种声子“激射”将声子占据比热值提高了五个数量级。这些实验在理论模型的支持下，首次证明了具有激子极化子的相干腔的光机械现象，为量子技术、声子激光器和声子-光子双向转换器的新型混合设计铺平了道路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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D. L. Chafatinos et al. Polariton-driven phonon laser. Nature Communications (2020) 11:4552  https://doi.org/10.1038/s41467-020-18358-z

衍射是波的一个基本性质。空间上调制一个入射波的相位和振幅可以用来聚焦波或者形成期待的衍射图案。尽管使用空间光调制器可以动态的调制光波的振幅和相位，而类似地调制声波具有挑战性。声波没有极化，在kHz到MHz的波段几乎没有色散，使得对声波实现类似光波的空间调制器变得非常复杂。最近，有研究表明，静态相位板或全息图，可以调制高分辨率的超声场。这大大增加了静态超声场投影的复杂性，这使得声学制造和按照设定模式的细胞组装、声束控制和超声经颅聚焦时的波前色差补偿成为可能。传统的超声波束整形设备是相控阵传感器(PAT)，它使用许多单独可控的声发射源，通过叠加直接产生任意的、动态可调的波前。然而，驱动电路的复杂性限制了PAT像素的总数小于1000，这远远低于精密控制超声波所需的数量。空间超声调制可以解决这个问题，因为它可以解耦超声波的产生和调制，从而允许使用一个优化的单元件换能器。

近日，来自德国马普所的研究团队提出了一种在CMOS芯片表面基于数字化产生的微泡的动态SUM（空间超声调制器）。由于气泡和周围液体之间存在强烈的声阻抗失配，研究人员使用可编程微气泡来调制声波的传播，类似于用于空间光调制的数字镜像装置(DMD)。研究人员在12s内通过水电解过程具有10000个数字寻址微泡像素的CMOS芯片表面写入二进制振幅全息图。在每一帧之间，SUM的表面被重置，这能让我们实现第一个高分辨率动画的顺序声学成像。研究人员通过将微粒组合成复杂的形状来展示SUM的多功能性。该成果于近日发表在《Nature Communications》上。（华金国）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-18347-2

对称在我们对现代物理世界的理解中起着核心作用。自Bender等人的工作提出以来，科学家已经广泛研究了涉及宇称（P）和时间反演（T）对称性的系统，该系统基于能级本征值全部为正实数的系统提出了一种量子力学公式。到目前为止，PT对称系统依赖于增益和损耗之间的微妙平衡，这在其量子环境中的实验实现和应用中极具挑战性。因此在经典物理学的框架中，人们对PT对称性给予了极大关注，可以控制增益和损耗来观察到令人兴奋的现象，例如单向不可见，感应增强，激光吸收器等。上面的许多功能可以追溯到与PT对称性相关的独特散射特征。对于在保守系统中是否可以模拟PT对称结构的响应（例如PT对称相破缺和单向散射），从而消除诸如增益引起的噪声和不稳定性等基本障碍，引起了研究者对关于经典和量子平台中PT对称性的实验研究问题的兴趣。

近日，来自纽约城市大学的研究小组证明利用非周期性的时间调制和不可逆性来实现PT对称现象，而无需外部机制提供的增益和损失。研究者使用通用耦合模式框架开发方法，并在保守的电子电路中通过详细的仿真验证了该结果，论证了例如在Hermitian系统中散射PT相变和各向异性传输共振波现。这种概念为实现不带增益的PT对称现象提供了可能性，并将其应用于感测，通信和广泛的量子物理学中，相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.031002

 光检测和测距技术是机器人和自动驾驶系统中必不可少的工具，它对于汽车和飞行器感知周围的环境至关重要。但是，一般的光检测和测距系统在散射环境（如云、雾、灰尘或浑浊的水）下会失效，该限制是3D感测和导航系统的关键障碍。在其它微观应用中也有类似的限制，例如在生物医学成像和神经成像中，散射使得通过组织成像变得复杂，是高分辨率体内成像的障碍。因此，通过强散射介质进行有效的成像是一项亟待解决的挑战。

近日，来自斯坦福大学的研究团队提出了一种通过散射介质进行无创3D成像的技术：共聚焦扩散层析成像（confocal diffuse tomography, CDT）。通过显式建模和反转散射过程，CDT将散射的光子合并到重建过程中，从而实现了因光子效率低而无法有效发挥作用的情况下的成像。该技术克服了传统弹道成像技术的基本局限性，且无需事先了解目标深度即可恢复目标的3D形状。该工作于近日发表在《Nature Communications》上。（田源）

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Lindell, D.B., Wetzstein, G. Three-dimensional imaging through scattering media based on confocal diffuse tomography. Nat Commun 11, 4517 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18346-3

通过将能量微观注入固体介质，可以从根本上改变了它们的机械波性质。与光学，拓扑电路和开放量子系统一样，非厄密(Hermitian)算子通常可以表征主动（增益）和耗散（损耗）之间的相互作用。在所有这些情况下，一个中心问题是非Hermitian在系统边界上的作用。像对应的Hermitian系统一样，非Hermitian系统也表现出确定的局域边界模式的拓扑不变性。但是，在某些情况下，对于非Hermitian系统，熟悉的体边界对应会崩溃。这样的系统表现出非厄密趋肤效应，其中大量模式位于系统边界。

由活性成分构成的固体会表现出不可逆的弹性系数，从而引起非厄密的波现象。在连续体中，非厄密性通过奇数弹性模量进入固体的线性弹性，这是违反麦克斯韦-贝蒂互易性的主动模量。当这种各向异性的奇数弹性模量与各向异性结合使用时，会引起非厄密趋肤效应。这种影响意味着振动模式会急剧地定位到系统边界。近日，来自芝加哥大学的研究小组遵循两个一般假设，微观力保持线性动量，并且仅由静态变形引起，研究存在于二维主动弹性介质边界上的非厄密效应。利用连续方程研究者证明了非厄密趋肤效应的存在，其中边界具有大量局域模式。此外，晶格模型揭示了由单个键的活性水平驱动的异常环所介导的非厄密拓扑相变。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.125.118001

作为具有亚波长厚度和低插入损耗的二维超材料，超表面已被广泛研究以定制电磁波（EM）的相位，幅度或极化。其中，具有梯度相位响应的超表面可用于波前操纵，从而实现多种新颖的功能，例如反常反射，折射，聚焦，光束转向和全息技术。然而，轴对称波前操纵需要在连续入射角上具有反对称角相位梯度以及反对称角色散，这对于现有的超表面来说很难实现。

近日，合肥工业大学光电技术学院的杨军团队研究了角分散相超表面的设计原理，以实现在连续入射角下的轴对称波前操纵，并提出了一系列具有优化平面外倾斜结构的超原子，它们可以同时在每个超原子处引入反对称的角色散相梯度以及反对称的角相位色散。该团队证明、设计、制造并测量了由平面外倾斜的原子构成的角分散相超表面，并在连续入射角上展现出了透射TE波的轴对称光束转向能力。该方法还可以用于设计具有其他轴对称波前操纵功能的角色散超表面，或者设计特定周期或比例调整超原子的尺寸在其他频率下工作，这极大拓展了其应用前景。相关研究成果发表在杂志《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.031001.

声涡携带的轨道角动量因其在声镊和通信等领域的应用引起了广泛的研究兴趣。涡旋束是具有螺旋相位错的螺旋波，其核心为零幅值。其方位相位依赖于拓扑荷数l，并携带轨道角动量（OAM）。通常，声涡是径向对称的，具有高强度的亮环，该对称涡旋所携带的OAM由拓扑荷数l表征，而将OAM从声波束转移到被照物体上会产生辐射力矩，OAM转化为能量吸收的比例是由拓扑荷数l和角频率ω的比值决定的。因此，对于给定频率和能量密度的声波，只能通过改变拓扑荷数来控制轨道角动量。

近日，复旦大学电子工程系的研究团队将波束对称性作为调控OAM的一个替代因素，提出了一种非衍射的非对称声涡旋束，这种涡旋束可以通过声超表面产生，并能将OAM调制到任意值。非对称声涡的强度分布不是径向对称的，而是由非对称参数控制成月牙形。轴向OAM和平面声能的比值依赖于非对称参数，因此不受l/ω的影响。此外，还通过设计超表面实现了涡旋束，并揭示了非对称涡旋束的非衍射特性。与传统涡旋束一样，非对称涡旋束的OAM与拓扑荷数l线性相关，但同时还依赖于波束的非对称性。该工作有助于声涡在通信和粒子调控方面的应用。相关研究发表在近日的《Physical Review Applied》上。（赵涵）

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Xue Jiang et al, Modulation of Orbital-Angular-Momentum Symmetry of Nondiffractive Acoustic Vortex Beams and Realization Using a Metasurface. Physical Review Applied 14, 034014(2020).https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.034014

陶瓷气凝胶具有低密度、低导热率、高孔隙率以及出色的热和化学稳定性等独特优势，被认为是隔热、储能和催化剂载体应用的理想选择。然而，传统的陶瓷气凝胶易碎，在外部应力作用下容易发生结构坍塌。力学性能受损的主要原因是由氧化陶瓷纳米颗粒构成的典型不连续的珍珠项链状结构，这种结构在破碎前只能吸收适度的冲击能量。通过结构设计来提高能量吸收能力被认为是缓解脆性的有效策略。在这方面，已经有许多报道致力于将陶瓷气凝胶结构缺陷的存在最小化。但是，其有限的可逆压缩应变和较差的循环压缩性能，难以满足实际应用需求。

近日，东华大学纺织学院和东华大学纺织科技创新中心丁彬教授团队受自然界中高强度的三维多孔结构（例如木材、蜂窝和蚕茧）的启发，使用电纺二氧化硅纳米纤维开发了具有多孔结构的高压缩陶瓷纤维气凝胶。柔性二氧化硅纳米纤维的高连续性，加上气凝胶的蜂窝状纤维状多孔结构，赋予了这种材料更高的可压缩性，即具有80%的压缩应变和良好的循环压缩恢复性能（在60%应变下500个循环）。但是在很小的弯曲应变（<5％）下，制备陶瓷气凝胶仍然会发生瞬时结构断裂，从而导致在动态复杂设备中的应用受到限制。经过多次改良，并结合结构的连续性，可以使材料具有更好的弯曲特性。通过将具有高长径比的柔性二氧化硅纳米纤维组装到交织的蜂窝结构陶瓷气凝胶中，可以容易地制造出具有优异的可弯曲性和优异的可压缩性的陶瓷纳米纤维气凝胶。所得的气凝胶表现出增强的结构连续性，并且在压缩和弯曲应力下异常坚固和有弹性。这项工作揭示的弯曲机理可以为通过改善结构连续性来增强纤维气凝胶的机械性能提供有效途径，这对于开发其他机械坚固的陶瓷气凝胶具有重要意义。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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Dou, L., et al., Interweaved Cellular Structured Ceramic Nanofibrous Aerogels with Superior Bendability and Compressibility. Advanced Functional Materials. n/a(n/a): p. 2005928.https://doi.org/10.1002/adfm.202005928

拉胀力学超构材料（即负泊松比超构材料）在进行轴向拉伸时横向会发生膨胀，并表现出优异的力学性能，如抗剪切性、耐压缩性、抗冲击性和负热膨胀性。这些特殊的性能使得拉胀力学超构材料在先进功能材料领域具有巨大的发展空间和应用前景。传统的手性超构材料受应变范围的限制（小于百分之几），且负泊松比行为与几何参数无关。波状韧带微观结构的几何多样性为超构材料提供了广泛的可调力学性能。由波状微结构组成的超构材料具有可调泊松比、“J”形应力-应变关系和大变形等仿生力学特性，在柔性电子和组织工程中具有广阔的应用前景。4D打印结合了3D打印和刺激响应材料，且具有可逆性。打印的对象可以通过外部刺激（即热、磁、电等）自适应地更改其配置和属性。形状记忆聚合物作为一种刺激响应材料，具有在环境刺激下保持暂时形状并恢复其原始形状的能力。

近日，哈尔滨工业大学航天科学与力学学院刘立武教授和哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所冷劲松教授团队通过4D打印技术开发了具有大变形、可编程、可重构和可调特性的手性拉胀超构材料。将弧形和月牙形的韧带微结构引入手性超构材料中，以解决常规手性超构材料的应变范围狭窄和力学行为不可调的局限性。通过约束节点的中心坐标，实现了结构的可伸缩制造。研究了几何拓扑参数和变形对无穷小和大变形条件下超材料力学性能（泊松比、应力-应变）的影响。力学性能和变形之间的定量关系实现了超材料的可编程性和可重构性，突破了传统手性超构材料一旦制造便无法改变的局限性。微观结构的多样性提供了更大范围的可调力学性能，显示了极大的设计自由度。通过可编程发光二极管集成设备和定制支架展示了手性超构材料在柔性电子和组织工程中的潜在应用。相关工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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Xin, X., et al., 4D Printing Auxetic Metamaterials with Tunable, Programmable, and Reconfigurable Mechanical Properties. Advanced Functional Materials. n/a(n/a): p. 2004226. https://doi.org/10.1002/adfm.202004226

光学力传感器具有多个优势，例如免疫电磁干扰，在生物医学应用中没有电击危险，以及与电力传感器相比，只需单根光纤就可进行长距离测量。光学力传感器的典型示例是基于Fabry-Pérot干涉仪（FPI）的力传感器，该力传感器用于监视各种生物信号，例如血压，椎间盘内压力，颅内压和眼内压等。基于FPI的力传感器的灵敏度不仅取决于每单位力的膜片挠度，还取决于每单位挠度的共振波长偏移。但是后者在FPI的每个共振模式下都是常数。因此，传感器的灵敏度仅取决于膜片的挠曲，这导致了高灵敏度和最大承受力之间的权衡。与FPI一样，一些光子超材料也由于入射光和在它们中形成的亚波长结构之间的电磁相互作用而显示出光学共振响应。一种光子超材料是金属-绝缘体-金属（MIM）超材料，它在谐振波长下显示出反射率的下降。这种下降是由于在夹着绝缘层的两个金属层上的局部表面等离子体共振引起的光的吸收，这促使MIM超材料的广泛应用，例如折射率传感器，滤色器等。根据先前的研究，谐振波长取决于绝缘体层的厚度，并且当绝缘体层变窄时，谐振波长会发生急剧变化。单位厚度变化的这种偏移可能大于FPI；因此，有可能突破现有的光学力传感器。尽管到目前为止已经提出了几种具有纳米等离子体结构的力/压力/应变传感器，但是很少有关于在MIM超材料中利用绝缘体层厚度变化的力传感器的研究。

近日，来自日本东北大学的Taiyu Okatani等人提出了基于金属-绝缘体-金属（MIM）超材料的表面等离子体激元耦合光学力传感器，其中可移动气隙作为绝缘体层。 MIM超材料由夹在金属纳米点阵列和金属膜片之间的气隙组成，当通过施加法向力使气隙变窄时，其谐振波长会发生红移。他们基于MIM超材料所设计并制造了的传感器可以用作比基于Fabry-Pérot干涉仪（FPI）的力传感器更大的灵敏度的力传感器。该工作于近日发表在《Nature Materials》上。（成程）

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Okatani, T., Sekiguchi, S., Hane, K. et al. Surface-plasmon-coupled optical force sensors based on metal–insulator–metal metamaterials with movable air gap. Sci Rep 10, 14807 (2020).https://doi.org/10.1038/s41598-020-71825-x

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