今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及零折射率的外尔超构材料、由时空调制薄膜构成的可调单向紧凑声学放大器、通过应变工程打破Si在SWIR波长范围内的吸收极限等敬请期待！
索引：
1.写在皮肤上的超适性生物电路：
用于多功能无运动伪像传感和即时护理
2.用于节能建筑的可扩展美学透明木材
3.通过在热绘图中直接压印来图案化功能纤维
4.混合傅里叶域锁模激光器用于超宽带线性啁啾微波波形的生成
5.通过应变工程打破Si在SWIR波长范围内的吸收极限
6.单入射平面波的声拉动
7.时态数据的空间成像
8.零折射率的外尔超构材料
9.使用1比特编码的反射超构表面生成多功能艾里束
10.由时空调制薄膜构成的可调单向紧凑声学放大器
写在皮肤上的超适性生物电路：
用于多功能无运动伪像传感和即时护理
人体皮肤提供了大量的生理和物理信息，可用于监视，预防和应对不利的健康状况。通过将电子设备直接与皮肤连接，可以获取诸如心脏状态，肌肉状况、阻抗和皮肤水分等信息。在过去的十年中，可穿戴生物电子技术作为表皮传感的可行技术得到了快速发展。一般，可穿戴生物电子器件以柔软，柔性可拉伸的贴剂形式构成，因此有利于与皮肤的曲线表面形成接触。然而，可穿戴生物电子产品通常会遭受运动伪影，从而导致误解和错误诊断，这主要归因于薄弱的附着力或不完美的适应性，以及电子产品与皮肤之间的界面不一致。运动伪影极大的阻碍了可穿戴电子在日常生活和医疗中的实际应用。如何减轻甚至消除运动伪影是可穿戴电子领域的一项重要挑战。
最近,美国休斯敦大学机械工程系的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组报道了一种新型的生医电路，不同于目前大多数电子贴片类型的可穿戴器件，此类电路是直接“写”在皮肤上的(Drawn-on-skin electronics：DoS electronics)。这种新形式的生物电路可以用于监测各种电生理信号同时不受运动伪影的影响，也可以用于促进任意形状皮肤伤口的愈合。此外，该器件的制备不需要任何复杂仪器，用一根普通的圆珠笔灌上各种电子墨水，再辅以电路模板即可在皮肤上直接写出各种电路。这些电子墨水包括导体、半导体和电介质。将电子墨水直接写在皮肤上的制备工艺可以使液态墨水充满皮肤表面的微观结构，从而使电路紧密、牢固且不受皮肤运动影响地贴合在人体皮肤上。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：
Ershad.et al. Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment. Nat Commun 11, 3823 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17619-1.
从可持续发展的角度来说，绿色节能材料已成为应对能源消耗和环境污染的快速增长的重要角色。天然材料，如木材及其衍生物由于储量丰富，可再生，成本低以及原料的可持续性已被视为绿色和节能建筑中最重要的选择之一。目前开发的透明木质复合已成为木基建筑材料的新趋势。相比于玻璃，透明复合材料具有许多优点，包括重量轻，高光透射率，雾度可调，优异的机械强度和较低的热导率。此外，透明木质复合材料由于其导光作用，可以有效地收集阳光，这对于节能和舒适的室内照明非常重要。有了这些综合优势，透明的木质复合材料已成为绿色节能建筑的承诺工程组件（例如，屋顶，窗户，透明装饰）。然而，目前的研究很少讨论木材的交替结构，木材原始的年度增长模式的自然美感以及如何进行可扩展的制造。
近日，来自美国马里兰大学材料科学与工程系的胡良兵教授团队通过空间选择性地去除天然木质材料的木质素来使木材透明并同时保留其自然形态，从而开发出一种美学透明的木材（称为美学木材）。选择软木（例如花旗松）作为概念验证的证明，因为其低密度早木（EW）和高密度晚木（LW）之间具有明显的结构对比。在短短的2小时化学处理中，天然木材被选择性地脱木质以保留其原始的年轮样式。然后将折射率匹配的环氧树脂渗透到纳米级框架中，以使木材透明并保留木纹。因此，该作品首次展示了美学木材的新颖概念，具有光学透明性，防紫外线，隔热（0.24Wm-1K-1），机械强度（纵向拉伸强度高，为91.95 MPa，韧性为2.73MJm-3），可扩展性和美观性。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：
Ruiyu Mi. et al. Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings. Nat Commun 11, 3836 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17513-w.
在纤维表面上创建微/纳米结构将使基于纤维的设备的功能得到极大扩展，例如疏水性表面、着色、增强的气体吸收、可调节的等离激子行为、增加的表面区域和抗菌剂等。但是，到目前为止，仅沿纤维轴向形成了表面凹槽。为了在任意方向上创建高分辨率的复杂表面图案，必须解决两个基本挑战。第一个挑战是将预成型坯拉制成纤维时的结构伸长率。另一个挑战是受表面张力驱动的热塑材料的流动，这导致所需结构的变形，从而导致较低的图案分辨率。当前，选择两种不同的聚合物来构建低表面张力的界面不仅极大地限制了适用材料的选择，而且降低了与其他内部功能结构的相容性，这实质上阻碍了表面图案化纤维的进一步发展和应用。因此，迫切需要一种有效且通用的方法来在热拉伸纤维上创建超出轴向方向的高分辨率复杂微/纳米结构。
近日，南洋理工大学电气与电子工程学院的Zhe Wang等人开发了直接压印热绘图（DITD）技术，从而在各个方向上以高分辨率实现了整个纤维表面上任意设计的表面图案。这样的热压印过程是通过仿真来确定的。他们进一步检查了关键工艺参数，显示出工艺特征尺寸小至数十纳米。此外，纳米图案在纤维上形成等离子超表面，并生产出双面图案纤维以构建自供电的可穿戴式触摸传感织物，这揭示了DITD技术在基于多功能纤维的设备、可穿戴电子产品和智能纺织品中的光明前景。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（成程）
文章链接：
Zhe Wang et al. Designer patterned functional fibers via direct imprinting in thermal drawing. Nature Communications (2020) 11:3842
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17674-8
近年来，无人机技术的飞速发展使得其在航空摄影、检测和监视等领域得到了广泛应用。由于无人机通常具有几米或更小的数量级，因此对于当前的雷达系统来说，检测和跟踪无人机非常困难。当前大多数微波成像系统通常具有几米的分辨率。因此，迫切需要开发高分辨率的微波成像系统来检测和跟踪无人机。为解决此问题，脉冲压缩是一种可行的技术，其中需要可调线性啁啾微波波形（LCMW）和非常大的时间带宽积（TBWP）。由于当前可用电子电路的速度有限，使用数字方法生成的LCMW的中心频率和带宽受到限制，这显著限制了成像分辨率。在过去的几年中，为了产生具有大TBWP的LCMW，已经有人提出并证明了用于LCMW产生的不同光子学方法，包括直接空时（STM）脉冲整形、光谱整形和波长-时间（SS-WTT）映射，光学外差检测和傅里叶域锁模（FDML）光电振荡（OEO）。在这些方法中，STM技术是一种易于实现的技术。但是，由于通道数量有限，生成的LCMW通常具有的TBWP小至50。
近日，来自渥太华大学电气工程与计算机科学学院微波光子学研究实验室的Jian Tang等人提出并通过实验演示了一种基于混合FDML激光器并结合硅光子集成可调谐微盘谐振器（MDR）的超大TBWP产生LCMW的方法。混合FDML激光器中的关键设备是硅光子集成微盘谐振器（MDR），它起着光学带通滤波器的作用，具有很强的波长选择性和快速的频率可调性。通过将集成的MDR集成到基于光纤的环形腔中以执行频域模式锁定，可以实现FDML激光器并生成宽带频率光脉冲。通过在光电检测器（PD）处用来自激光二极管（LD）的光载波殴打调频后的光脉冲，可产生LCMW。 LCMW的带宽超过50GHz，时间持续时间超过30µs，具有1.5×106的超大TBWP。由于FDML激光器中MDR具有很强的可调谐性，因此生成的LCMW在带宽，时间持续时间，线性调频率和中心频率方面是完全可调谐的。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Jian Tang et al. Hybrid Fourier-domain mode-locked laser for ultra-wideband linearly chirped microwave waveform generation. Nature communications (2020) 11:3814.
Https://doi.org/10.1038/s41467-020-17264-8
硅已广泛用于微电子行业。但是，由于其基本的光学带隙（1.12 eV）的限制，其光子应用仅限于可见光和部分近红外光谱范围。随着应变工程的最新进展，包括光学带隙在内的材料性能可以得到很大的调整。开发低成本、柔性可弯曲的光电设备，例如生物仿生成像系统、光电探测器（PDs）和光伏电池，它们能够在室温下在近红外（NIR）波长下工作对于安全性，光跟踪，电信和能源应用而言都具有极大意义。尤其是对于可检测短波红外（SWIR）（1300至2000 nm）光谱范围的PDs的开发，对自动驾驶汽车中使用的激光雷达传感器提出了很高的要求。大面积硅最常用的应变工程方法是在晶格不匹配的衬底顶部沉积SiN或异质外延生长。但是，通过上述方法施加的应变被限制为小于1％。而且，这些方法具有包括高处理成本和界面缺陷的缺点。另一种技术是在应变SOI上对悬浮的硅桥进行构图以及在一维纳米线中基于微机电系统的拉伸载荷，然而这些技术只能提供单轴应变，并仅限于机械和电学性质的基础研究，并不适用于具有宽范围波长可调性的可拉伸光电器件的应用。
近日，来自韩国首尔延世大学电气与电子工程学院的Katiyar等人通过在Si晶格中施加双轴拉伸应变，报告了明显超出Si的光学带隙极限的显着光响应。由于双轴拉伸应变引起的带隙收缩使得可以克服Si的吸收极限。为了证明室温SWIR成像能力，他们在薄聚合物衬底上的超薄Si NMs（<10 nm）上制造了金属-半导体-金属（MSM）型PD阵列。通过将阵列设备安装在凸出部分上，以高度可控的方式在6×6阵列MSM设备的每个像素上施加双轴拉伸应变测试设置。在这项研究中，通过结合超薄硅的机械优势和应变工程技术在气动鼓胀诱导的具有半球形几何形状的可变形光电子的形成中获得了宽带可见的SWIR成像能力，这对于实现用于自动驾驶车辆和生物仿生成像系统的激光雷达传感器等新兴技术非常有希望。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（詹若男）
文章链接：
A. K. Katiyar, K. Y. Thai, W. S. Yun, J. Lee, J.-H. Ahn, Breaking the absorption limit of Si toward SWIR wavelength range via strain engineering. Sci. Adv. 6, eabb0576 (2020).
DOI: 10.1126/sciadv.abb0576
在过去的几十年里，使用波的无接触粒子操作对于物理、化学和生物学领域以及其他涉及小粒子的领域都非常重要。其中比较突出的例子包括光学镊子和声波镊子，可用于捕获和操纵胶体、分子、蛋白质、病毒、细菌和细胞。在捕获的情况下，粒子被限制在平衡位置附近。在推进的情况下，向前传播的前向波携带着线性动量，通常会对粒子施加正向轴向辐射力，推动或输送。在这种推动情况下的物理是直观的:动量从入射波到粒子的传递，引发了正向辐射力。然而，这种直观的理解并不能描述整个物理图景。
近日，深圳大学微纳光电子学研究院梁子贤等人详细讨论了二维到一维的系统。当照射单一的声平面波时，获得负力的必要条件是粒子必须足够活跃。一种通过调整邻近区域来达到最大的负或正力的标准术语“同相”或“异相”派生出来。因此，利用所需的散射系数，可以直接反演出与最大的推拉力相对应的有效密度和模量，对一维系统中主动超材料的设计具有指导作用。该研究可以将辐射力的理论要求与超材料的实际设计联系起来。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Yan Meng，et al, Acoustic Pulling with a Single Incident Plane Wave, Physical Review Applied(2020).DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.014089.
传统的成像模式依赖于空间结构的使用，无论是在探测器(像素阵列)还是在照明光束(图形光)。移除探测器或照明中的空间结构，即，如果仅使用单点传感器进行成像，则需要解决一个迄今为止尚未解决的病态反演问题。
近日，英国格拉斯哥大学计算机科学学院Alex Turpin等人演示了一种数据驱动的方法，在这种方法中，只需一个点就可以获得完整的三维信息，单光子雪崩二极管，记录从被照明的场景反射的光子到达时间。它抑制了所有空间感知的形式，只依赖于数据驱动图像检索算法处理从图像场景采集的单个时间序列数据。使用单点飞行时间数据的成像在成像速度、大小和功能方面开辟了新的路线。实验是在物体在静态背景前移动的场景中进行的。这使得该方法非常适合于设备在运行中需要放置在固定位置的应用，例如，有固定背景。在多种情况下，在固定的环境中操作是非常有现实意义的。例如监视、公共场所的保安等。在这些例子中，背景(例如，房间的墙壁，建筑物)完全没有变化，它们也是非常普遍的场景。作为一个例子，研究人员展示了基于光学飞行时间摄像机的训练如何使一个紧凑的射频脉冲无线电探测和测距收发器提供三维图像。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：
Alex Turpin et al, Spatial images from temporal data,Optica(2020).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.392465.
外尔半金属（WSM）由于其非常规的能带结构和拓扑特征，最近引起了巨大的研究兴趣。在WSM的布里渊区中，价带和导带在称为外尔点（WP）的一组点处相互接触。这些点是动量空间中Berry曲率的源极和漏极，因此可以与拓扑荷相关联。外尔点的拓扑性质可保护它们免受小扰动的湮灭，并导致多种有趣的物理现象，例如超导，手性异常和拓扑负折射。据费米表面的几何形状，经典系统中的外尔半金属及其类似物已分为两种类型。在I型外尔半金属（WSM）中，外尔点处的锥状光谱不倾斜，从而导致点状封闭费米表面。相反，在II型WSM中，外尔点周围的能谱会强烈倾斜，以使费米面从一个点转变为一个开放表面。
近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究小组在理论和实验上论证了一种新型的（经典）外尔半金属，其费米面既不是点也不是表面，而是一条平坦的线。这种半金属的独特费米表面被称为III型或零折射率外尔半金属，具有独特的物理性能：半金属的一种边缘模式在特定某方向上的折射率为零，与该类型形成鲜明对比。 I和II型外尔半金属的折射率始终为非零。研究者表明，此类拓扑阶段的零折射率响应可实现令人兴奋的应用，例如非凡的波传输。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.125.054301
非衍射艾里束由于其独特的性能而引起了相当大的研究兴趣。除无衍射和自愈特性外，与贝塞尔束相比，艾里束具有在没有任何外部势能的自加速特性，1979年，在量子力学的背景下，Berry和Balazs从理论上证明了描述自由粒子的Schrödinger方程的解是以非衍射的艾里(Airy)波包的形式出现的。由于其无衍射的特性，艾里束具有无限的能量，不可能通过实验证明。因此引入了一个指数衰减因子来截断艾里束的物理实现，Siviloglou等人在2007年观察到并报道了无衍射加速的艾里束。从那时起，艾里束因其独特的性能在光学显微操作，激光显微机械加工，显微镜方面的潜在应用进行了深入研究。尽管对艾里束的大多数研究都是在光学波长下进行的，但探索此类束在微波状态下的无线通信中的潜在应用可能是有用的。特别地，将艾里束引入无线电波范围，以设计来自天线阵列的突然自动聚焦（AAF）射束。这种束具有在目标之前聚焦其功率的能力，同时沿着传播的传播路径保持恒定且较低的最大强度。以及通过向圆形艾里束施加方位螺旋相位分量，利用艾里束来携带轨道角动量（OAM）模式。此外，通过利用艾里束的非衍射特征，在数值上验证了无线电力传输效率的提高。
近日，来自西安电子科技大学，西安交通大学，哈尔滨工业大学的研究小组合作利用电子控制的反射编码超表面来产生并动态地操纵微波状态下宽频带上的艾里束。通过有意地施加到可编程超表面的外部直流偏置电压，两个不同的控制状态“ 0”和“ 1”被设计为分别用于-π/ 2和+π/ 2相位响应的数字代码。可编程的二进制相位编码超构面能够对Airy束的产生和主动整形进行数值模拟和实验验证。此外，超构表面可以克服无源对应的带宽限制，并能够在9至12 GHz的宽频率范围内调制电磁波，以实现无衍射的艾里束。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.014081
时空调制系统因其对波的操控能力近来受到广泛关注，是一种本构参数随时间和空间变化的动态结构。当时间作为一个额外的自由度时，可以观察到与传统材料完全不同的性能。近来，由于新的调制技术的发展，时空调制被引入现代电磁学和声学。在电磁学中，利用时空调制形成了各种微波和光学元件，比如隔离器、混频器、单项分束器、超表面等。尽管声波与电磁波的基本物理有很多相似之处，但时空调制在声学上的应用并不多。这主要是由于缺乏有效的调制技术，几乎所有已报道的声学时空调制系统都是基于含有时空调制空腔的共振器。弹性薄膜作为声学超材料和超表面的重要一类，在时空调制方面有待探索。有研究表明基于压电薄膜的时空调制系统与亥姆霍兹共振腔相比，具有插入损耗小、在不改变几何结构的情况下工作频率可调、调制元件产生的噪声可忽略等优势。
近日，哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室和杜克大学电子与计算机工程系的研究团队提出了一种基于时空调制薄膜的可调单向声学放大器，由一个波导和两个表面张力临时调制的薄膜构成。采用传递矩阵法设计了该系统，并对调制参数进行了优化，在略高于未调制薄膜共振频率上，实现了声波的单向放大。由于膜的共振频率主要取决于膜的静态表面张力，该研究团队通过调节这一参数，从理论和数值上证明了该系统对声波在2260-2520Hz之间的有效单向放大，且系统尺寸小于工作波长的三分之一。在整个工作波段，正方向的放大系数从3.0到5.8平稳增加，而负方向的透射波能量变化不明显。放大系数的增加可以归因于随着表面张力的增加，系统质量系数的提高。该研究为传感、成像、通信等应用提供了一个设计平台。相关成果发表在近日的《Physical ReviewB》上。（赵涵）
文章链接：
X.Z. Zhu et al, Tunable unidirectional compact acoustic amplifier via space-time modulated membranes. Phys. Rev. B 102, 024309(2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.024309
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