今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及实时可调负刚度力学超构材料、无序光子晶体中的拓扑安德森绝缘体、拓扑绝缘体声学应用中的反常热声效应的实现等敬请期待！
索引：
1.非欧几里得折纸结构
2.硬质拉胀超构材料
3.实时可调负刚度力学超构材料
4.均匀光泵浦驱动的非互易光拓扑序
5.无序光子晶体中的拓扑安德森绝缘体
6.利用可调超表面最大限度地减少室内声能
7.通过低损耗的超表面实现逼真的全彩纳米涂层
8.拓扑绝缘体声学应用中的反常热声效应
9.具有周期压电微结构的可调声超材料的设计
10.具有等离激元超表面的非偏振型表面等离激元波前操纵
11.混合模式成像和引导上采样助力高速三维传感
非欧几里得折纸结构
折纸为设计新颖的力学超材料和折叠装置提供了广阔的空间。这些系统的奇异几何，变形和力学功能最终源于折纸构造块的非线性折叠运动。这些构建块是n个顶点，即n个笔直折线连接到的单元n个刚性板在一个点相遇。最受关注的是欧几里得顶点因为它们具有单一的自由度。但是，欧几里得4顶点的折叠运动是有限和简并的。这种简并性来自于折叠-反转对称性：如果由折叠角指定的顶点的折叠状态构成有效构型，则反转的折叠角也是如此。因此，欧几里得4顶点的展开状态是自对称且非通用的。反过来，这种简并性使得欧几里得折痕样式易于错折。
近日，来自荷兰莱顿大学的研究小组展示了非欧几里得顶点如何增强基于折纸的设备和材料结构的功能。首先，研究者系统地评估非欧几里得4顶点的折叠运动，以准确显示分支分裂的发生方式，并发现非欧几里得4顶点具有两种不同类型的非单调折叠运动，这与欧几里得4顶点的运动折叠的单调性形成了鲜明对比。然后，考虑不存在错误折叠如何导致更稳定的非线性机制，并以此为基础设计折纸逆变器。最后展示了分支分裂如何导致可调节的能垒，可以利用该能垒来控制稳定性的特点并在物理上实现三稳态的顶点。总之，该工作证明了非欧几里得折纸是先进力学超材料的基础。相关研究发表在杂志《Physical Review E》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.031001
硬质拉胀超构材料
与常规材料相反，拉胀材料在受到纵向压缩时横向收缩而不是膨胀，其价值在于具有独特的性能，如强的硬度和振动吸收。通过控制弹性屈曲不稳定性，拉胀结构可以被设计到软材料中，从而产生柔性的力学超构材料。拉胀效应是由于体积的小规模拓扑变化（即引入空隙）而产生的。实际上，拉胀超构材料的原型是一种弹性板，上面开有密集排列的圆形孔。在受到压缩时，孔间韧带的弹性屈曲使圆形孔转变成相互正交的椭圆，导致薄板的横向收缩。这些柔性、带孔的薄板已经在声学和光学中得到了应用，如波导管和彩色显示器。然而，其工业应用受到本体材料特性的限制，尤其是基本弹性体的低强度、低熔点和低耐化学腐蚀性。
近日，英国曼彻斯特大学Finn Box团队通过引入规则的孔阵列来使常见的金属和塑料成为拉胀超构材料。当其受到压缩时，这些坚硬的多孔材料绕过了局部的破坏模式（如剪切带），而不是在弹性体结构中通过全局模式转换而变形。尽管内部结构发生了显著的变化，但金属和塑料中的拉胀行为模式转换仍然由构成微结构的细长支杆的屈曲控制。此外，与弹性体结构相比，由硬材料制成的多孔板表现出显著的负屈曲刚度。这表明，除了与拓扑优化相关的几何非线性外，在塑性变形过程中出现的材料非线性还为改变材料构件性能提供了进一步的可能性。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
文章链接：
Box, F., C.G. Johnson, and D. Pihler-Puzović, Hard auxetic metamaterials. Extreme Mechanics Letters, 2020. 40.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100980
实时可调负刚度力学超构材料
负刚度是指在变形时力与位移变化方向相反的行为，负刚度已被应用于工业领域，例如微机电系统和隔振领域。负刚度力学超构材料属于负材料，包括负压缩性和负泊松比的超构材料。通常，负刚度力学超构材料可以分为单稳态和多稳态，根据变形模式的不同，也可以将其分为压缩型、剪切型、扭转型和旋转型负刚度力学超构材料。可以用多种负刚度单元来构建负刚度力学超构材料，如弯曲梁单元、磁体系统和壳单元。由于其特殊的力学性能，负刚度力学超构材料已被证明在能量吸收、隔振、可展开结构等方面具有广阔的前景。实时可调力学超构材料是一个新兴的领域，引起了研究人员们的极大关注，具有广泛的力学性能，但由于其复杂性而难以设计和制造。
近日，哈尔滨工业大学特种环境先进复合材料科学与技术重点实验室王兵教授团队提出了一种具有实时可调性的气动负刚度力学超构材料。对该超构材料进行数值模拟和实验研究，结果表明，通过气动驱动可以实现多级模式转换。分别采用单轴压缩和振动实验测试内部气压对超构材料基本力学性能和隔振性能的影响。此外，对于所提出的超构材料，可以实现真正的负刚度行为和高能量吸收效率。该研究为可调力学超构材料相关研究提供参考，为设计实时可调负刚度力学超构材料提供新的思路。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
文章链接：
Tan, X., et al., Real-time tunable negative stiffness mechanical metamaterial. Extreme Mechanics Letters, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100990
均匀光泵浦驱动的非互易光拓扑序
光子拓扑绝缘体（PTIs）近年来受到广泛关注，特别是他们可以维持稳健的边界态免受无序性干扰，这类似于电子拓扑绝缘体表面态不受杂质缺陷影响。从这一概念的引入和首次实验演示以来，进行基于光子晶体，耦合谐振器阵列，调制波导阵列等的各种类别的PTIS得到广泛研究。但是这些系统中边界态免受无序性影响程度却是不同的。如果PTI满足时间反演对称性，那么他的边界态仅仅免疫满足一定对称性的缺陷，类似于量子霍尔自旋效应。即使这些系统用丰富的物理特性和广泛的应用，但是他们无法解决背散射和无序性带来的影响。为了避免背散射和实现类量子霍尔拓扑保护，破环互易性是必要的。一些系统通过引入额外的空间维度来模拟时间维度，但是这并不能提供真正的非互易性保护。还有一些传统的方法例如利用静态磁场偏置，但是在光学的频率下，磁光响应很弱。后来证明时间调制可以提供一个有效办法。但是调制较为复杂。为此提出了一种可能的方法，利用均匀泵浦场优化驱动的非线性系统。
近日，来自德克萨斯大学奥斯汀分校电气和计算机工程系的Robert Duggan等人报道了一种方法，基于χ（3）非线性完全均匀的泵浦场，无需磁偏置并且在低损耗介电环境下能与常规集成光子系统兼容，实现了非互易拓扑保护，极大的简化了在硅兼容的平台类霍尔效应的拓扑保护的实现。相关工作发表在《Physical Review B》上。（成程）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.100303
无序光子晶体中的拓扑安德森绝缘体
光子拓扑绝缘体是一种由于其本身光子能带结构的拓扑性质而具有体带隙和鲁棒性边界态的光子晶体结构。它们最先由Haldane和Raghu等人提出，并由Wang等人在微波段用旋磁PhC实现——一种陈绝缘体的类比光学系统。之后拓扑光子学的一系列进展说明了许多其他的光子系统可以用来实现PTIs，包括耦合环形波导，以及波导阵列。另一方面，拓扑光子学的出现引起了人们对于光子晶体系统中无序的关注，光子晶体中的无序可以追溯到John关于光学结构中局域化的研究。在拓扑光子学的研究领域中，PTI中的拓扑边界态对于弱局部无序引起的局域化是免疫的，但是只要整体的无序足够大，就会引起模式的局域。更有趣的是，伴随着破缺的时间反演对称性，将无序引入系统，会引起拓扑平庸到非平庸的转变。这样一个无序引发的拓扑绝缘体，即拓扑安德森绝缘体（TAI），在体带隙中具有受拓扑保护的边界态，类似于陈绝缘体，但是无序消失后，它转变成平庸的绝缘体。这种现象已经在激光直写波导以及冷原子晶格中实现。
近日，来自新加坡南洋理工大学的张柏乐课题组报道了在以二维晶格形式排布的旋磁介质柱以及介电体的微波尺寸PhC上实现的TAI。在这个体系中，无序是通过在每个元胞中随机旋转介质柱的角度来得到。研究人员利用投射能谱方法来确定体带隙的宽度以及手性拓扑边界态的出现与否，以此来确定与无序强度的依赖关系是否与理论相符。利用场强度映射，研究人员展示了拓扑边界态可以越过不同形状和尺寸的拐角和缺陷。最后研究了缺陷引发的拓扑异质结，手性拓扑态沿着不同无序强度的域组成的边界传输。上述研究证明了拓扑边界态可以通过调制晶格中的无序量来引导。相关研究成果发表在《Physics Review Letters》上。（华金国）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.133603
利用可调超表面最大限度地减少室内声能
室内声学是利用声反射、散射和吸收来操纵室内听觉体验的科学。散射主要由墙体的形状及倾斜角控制，反射和吸收是房间表面复阻抗的函数。当我们不考虑声波通过墙体的传播时，声反射和吸收符合能量守恒定律，并且房间表面的声阻抗是影响室内声学的重要因素。宽频带和可调谐的声学超材料易于制成平面几何形状，为室内声学的发展提供了广泛的可能。尤其是能对表面声阻抗进行微调，以优化特定房间的声学目标。
近日，香港科技大学沈平课题组利用任意边界阻抗的模型探索降低全局能量密度级(
)和局部
的潜力，也就是在有噪声源的室内获得一个局部安静区域。研究结果表明，通过可调超材料在封闭房间内同时降低全局
和局部
是可行的，全局
最大能有20-25dB的降低。超材料的阻抗只要略大于
就能显著降低全局
并在宽频带有不错的效果。这一特殊值可以作为今后超材料在室内声学中应用的重要参考。同时，在房间表面部分覆盖超材料也是同样有效的，并且可以节省实际应用中的成本。通过利用房间中低频波的空间能量不均匀性，通过优化不同墙体位置的离散阻抗值，可以为目标频率创建一个局部安静区。相关研究发表在近日的《physical Review Applied》上。（赵涵）
文章链接：
Sichao Qu and Ping Sheng, Minimizing Indoor Sound Energy with Tunable Metamaterial Surfaces. Physical Review Applied 14, 034060(2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.034060
通过低损耗的超表面实现逼真的全彩纳米涂层
色彩起源于光物质的相互作用，是人类视觉感知的主要属性之一，承载着对成像和显示技术至关重要的信息。近年来，由于纳米制造技术的显著发展，亚波长结构着色的研究领域得到了广泛发展。例如，由一组深亚波长纳米结构组成的光学超表面提供了调整入射光光谱的机会，并通过简单地改变纳米结构的尺寸来产生生动的结构颜色。该领域的初步研究利用金属纳米结构支持的局域等离子体共振来实现结构颜色，因为它们对纳米结构的几何形状有很强的依赖性。最近，基于介电纳米结构的超表面也证明了产生鲜艳颜色的能力，这是通过利用单个介电纳米结构支持的电和磁三重共振实现的。通常，使用超表面的结构色彩工程的目标是获得高色域和饱和度，因此期望通过超表面透射或反射后，入射光的振幅(波长)能被很好地保存。因此，虽然这种超表面具有很高的透射或反射效率，但所产生的颜色的亮度是固定的。请注意，除了色域和饱和度之外，亮度也是颜色的基本属性之一，并能表示图像的明暗对比。通过调整颜色的亮度，生成的阴影渲染效果可以使图像呈现出更强的空间感和立体感。虽然超表面与液晶和电致变色聚合物结合可以控制产生的颜色的振幅，但复杂的电子器件结构和不完全的全色光谱响应明显阻碍了它们的实际应用。因此，在整个可见光谱范围内有效平稳地控制结构颜色的亮度是包括高精度纳米喷涂在内的各种应用所需要的一项重要功能。
近日，来自南京大学现代工程与应用科学学院Pengcheng Huo等人设计并实验演示了一款低损耗介电超表面光亮度可调的全彩纳米涂层，并重现了著名的艺术作品《戴珍珠耳环的女孩》，模仿了一幅油画生动的视觉冲击和质感。在他们的设计中，超表面由具有空间变化尺寸和方向的周期性排列的二氧化钛(TiO2)纳米粒子组成，它们分别决定输出颜色的色调和亮度。这个特性是非常有利的，因为它允许多个自由度升级印象的全彩纳米涂层。相关研究成果发表在《Optica》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.403092
拓扑绝缘体声学应用中的反常热声效应
拓扑绝缘子由于其独特的性质而受到广泛关注，它们在内部充当绝缘子，而其表面却是导电态。因此，电子只能沿着表面导电态运动。以前，大多数拓扑绝缘体的研究都集中在其基本物理特性上，例如量子自旋霍尔效应，量子异常霍尔效应，以及通过角分辨光发射光谱（ARPES）测量观察到的能带结构。如今，有关拓扑绝缘体的实际应用主要用于光学领域，而对于声场的实际应用仍然难以捉摸。热声效应利用焦耳热来产生声音，并且可以用于构建片上集成声源的纳米热喇叭。交流（AC）信号通过导体表面上的两个电极穿过发声材料。周期性焦耳热会导致空气在导体表面附近振荡，从而产生声音。诸如铝（Al），石墨烯，碳纳米管（CNT），和铟锡氧化物（ITO）等导电材料已被用作发声材料。拓扑绝缘体（其表面的导体和内部的绝缘体）会产生异常的热声效应，但之前从未有学者对此进行过研究。
近日，清华大学信息科学与技术国家重点实验室、清华大学微电子研究所的田禾团队将拓扑绝缘体的应用扩展到声学领域，他们发现，拓扑绝缘体可作为大面积Bi2Se3的声源应用。在室温下间距1cm处，输入功率为85 mW时，声压级（SPL）可以达到30 dB。更有趣的是，Bi2Se3拓扑绝缘体在21.5 kHz处出现一个声压级（SPL）下降9dB的异常谷，这在单层石墨烯中没有观察到。这种异常现象与Bi2Se3的独特表面和整体状态有关。该团队还建立了拓扑绝缘体的理论等效电路模型，并与石墨烯进行了比较，基于等效电路模型并结合热声产生理论，可以模拟SPL谷在21.5 kHz附近的这种异常热声效应。他们的工作表明，拓扑绝缘体具有作为强大的声源（如耳机和扬声器）的潜力，并且独特的表面状态非常有助于频率选择的声音发射。相关研究成果发表在《Applied Physics Letters》。（钟雨豪）
文章链接：Tian, H.et al., Anomalous thermoacoustic effect in topological insulator for sound applications. Applied Physics Letters, 2020. 117(12): p. 123502.
https://doi.org/10.1063/5.0017878.
具有周期压电微结构的可调声超材料的设计
超材料是经过工程改造的复合材料，经过专门定制以表现出优秀的本构特性，远高于传统材料所能达到的那些。最初在光学中引入，后来逐步拓展至在弹性力学和声学领域，其应用范围很广，从滤波器到波导管、自准直、机械波传播、波极化直至带隙控制（即更简单地控制振动波的色散特性）。此外，还有基于有源相的复杂技术，该有源相利用了多场耦合，例如电或磁-机械耦合，以实现波传播控制。这些方法在不改变系统质量的情况下拥有极高的设计自由度。特别是，Forward的开创性工作证明了压电元件连接到振动控制电路的高效率。
近日，意大利热那亚大学DICCA学院的Andrea Bacigalupo等人设计了一种新型可调周期性超材料，以用于制备高性能的声学滤波器。该超材料由耦合到局域共鸣器的声子晶体组成。这种局域共鸣器由封装在压电环中的团块组成，这些团块被耗散或非耗散电路分流。他们通过调节这种电路的阻抗/导纳，可以完全调节并联压电材料的本构特性。由于可以修改周期性超材料的声学特性，从而为控制通带和阻带开辟了新的道路。此外，他们通过利用Floquet-Bloch推广理论，改变一定的调谐参数，研究了可调谐超材料面内自由波的传播，以证明所提出的并联压电系统作为波传播控制装置的高效率。最后，还针对实时变化的性能要求提供了可调声滤波器的广泛设计方向。相关研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（钟雨豪）
文章链接：Andrea Bacigalupo, et al. Design of tunable acoustic metamaterials with periodic piezoelectric microstructure. Extreme Mechanics Letters, 2020. 40.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100977.
具有等离激元超表面的非偏振型表面等离激元波前操纵
随着倏逝波在金属/介电介质界面的束缚，表面等离子体激元(SPs)可以将光场压缩到深度亚波长范围内，为光子研究提供了广泛的新机会。研究能有效地将空间光波与金属表面上的光波耦合，并能独立地调节产生的光波的振幅和相位的元器件，是光波实际应用的一个有意义的步骤。由于SPs固有的电磁特性，其激发受到入射偏振态的限制。广泛应用于SPs激发的金属光栅要求外部光源沿光栅周期偏振光。正交方向的光对SP激发不起作用，本质上造成了实际应用中极大的不便和低激发效率。此外，由于产生复杂SP场的需求日益增加，不可避免地需要对SPs的相位和振幅进行独立调制。
超表面最近提供了一个强大的方法来控制自由空间光或SPs，通过适当的空间安排精心设计的等离子体超表面，亚波长金属孔径作为等离子体超表面的常见构件，已被广泛研究用于SP激发和波前操纵。各种关于表面等离子体波前处理效果和应用已经证明,包括定向发射,艾里光束,近场聚焦,cosine-Gauss梁,涡旋光束。然而，由于它们只能在特定的入射偏振状态下将空间光波转换成SPs，因此大多数的结构都是偏振敏感的。少数设计策略可以在任意偏振状态下工作，但只有相位调制。柔性振幅调制的缺乏限制了产生更复杂的SP场分布的能力，如艾里光束，其中振幅和相位调制都需要调制。
近日，来自华中科技大学的Lin Chen等人设计了一种双列金属纳米晶体可以克服上述的限制，在任意偏振状态下，通过适当的布置旋转角度和纳米线的位置，可以独立地控制SPs的振幅和相位。此外，人们可以很容易地通过增加纳米发光柱的数量来提高SPs的场强。相关工作发表在《Advanced Optical Materials》上。（郑江坡）
文章链接：
DOI: 10.1002/adom.202000868
混合模式成像和引导上采样助力高速三维传感
3D深度感知在越来越多的场景和中得到应用，包括自动驾驶车辆、工业机器视觉、人机界面手势识别，以及增强和虚拟现实。在许多捕捉深度的方法中，飞行时间(ToF)，它用调制或脉冲光源照亮场景并测量背向散射光的返回时间，该方法越来越多的受到人们的关注。其优势包括在几米到几公里的距离上具有超过厘米级的深度分辨率。与其他技术相比，如立体镜，其计算成本很低，而且不依赖于场景的变化。此外，ToF使用简单的照明结构光，而不是经过复杂设计的光路结构。虽然通常ToF的帧速率为每秒10~60帧(FPS)，但是如果捕获速率更快，延迟更小，这对于一些场景中的应用是非常有必要的，例如，在自动驾驶汽车中，快速的环境3D视图的捕捉将有助于确保及时检测到障碍。近年来，具有皮秒计时能力的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列成为驱动这些系统向前发展的关键技术。
近日，英国爱丁堡大学集成微纳米系统研究所Istvan Gyongy等人报道了一个由最先进SPAD传感器架构的高速的三维成像系统，用于混合成像模式，可执行多事件记录。这种混合成像模式在光子计数和定时帧之间交替，速率超过每秒1000帧，能够引导深度数据从原生分辨率64×32提升到256×128。硬件和信号处理系统的相结合使得研究人员能够在室外条件和低延迟下进行高速ToF 3D成像。结果表明，在一系列的潜在应用中，其中实时，高吞吐量数据是必要的。其中一个例子就是在自主系统和机器人技术中提高态势感知的准确性和速度。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：
Istvan Gyongy,et al, High-speed 3D sensing via hybrid-mode imaging and guided upsampling.Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.390099.
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿作者文责自负，两江仅致力于搭建优异的分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
