今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及快速光控时间界面处微波的时间反射，光子晶体畴壁中的轴子拓扑结构，时空光学涡旋介导的脉冲自聚焦传播等,敬请期待！
索引：
1 快速光控时间界面处微波的时间反射
2 光子晶体畴壁中的轴子拓扑结构
3 时空光学涡旋介导的脉冲自聚焦传播
4 基于事件的图像处理超表面定制时空非局域性
5 薄膜金刚石中色心的高Q腔接口
6 具有阵列准刚性可折叠多面体的折纸变形曲面
7 高能量密度海浪能收集及自供电监控系统
8 自适应层级折纸超结构
当电磁波在性质随时间突然变化的介质中传播时，会经历折射和反射，称为时间折射和时间反射，两者都表现为介质突然变化导致的光谱平移。因果关系表明时间反射无法在时间上回到过去，只是会在空间中向后反射。时间折射波继续以相同的波矢传播，而时间反射波则以共轭相位向后传播。虽然时间折射通常是显著的，但观察到时间反射却是一个巨大的挑战——因为它要求介质在单个电磁波周期内产生非常剧烈的变化。如果介质变化不足够强或太慢，时间反射就会非常微弱。因此，时间反射波这种普遍现象最早在水波中被研究，并且仅在最近才在电磁波（约50MHz）中被观察到。
近日，美国普渡大学的Dimitrios Peroulis教授团队展示了迄今为止观测到的最高频率（0.59 GHz）微波脉冲的时间反射，以及时间反射波的相位共轭性质的实验证据。该实验是在带有光控皮秒可切换光电二极管的周期性负载微带线中进行，为在 GHz 频率下实验实现光子时间晶体铺平了道路。相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51171-6
2 光子晶体畴壁中的轴子拓扑结构
轴子绝缘体(AXI)是具有三维反演对称性的磁高阶拓扑绝缘体(HOTI)，可诱导各种拓扑磁电效应，例如量子化磁光法拉第和克尔旋转、镜像磁单极子效应和半量子化表面霍尔电导。AXI 的拓扑特性源于其电磁耦合项的量化，即所谓的拓扑θ角，在存在反演对称性（或其他θ奇数操作，如旋转反转和时间反转旋转）的情况下，该角被固定为π。AXI 之所以受到广泛关注，是因为它们可以充当 HOTI，支持以单向轴子通道形式传播的铰链局域手性模式。这些铰链态预计会出现在AXI晶体的1D面上，或者在AXI晶格中存在1D位错的情况下，此时θ角出现梯度，从而诱导轴子弦的形成。到目前为止，还没有提出基于轴子的光子晶体或轴子保护光传播的方案。此外，最近的研究表明，可以使用 AXI 材料来检测构成暗物质候选物的轴子类粒子。
近日，苏黎世联邦理工学院的Chiara Devescovi和多诺斯蒂亚国际物理中心的Antonio Morales-Pérez、Aitzol García-Etxarri和Maia G. Vergniory，提出了一种新颖的设计策略，以在回旋光子晶体中诱导轴子带拓扑，并展示了磁可调光子开关设备的潜在用途。这种方法提供了一个现实且物理上可访问的平台，用于生成和操纵 AXI 光子晶体的高阶拓扑，从而实现光轴子铰链不同配置之间的有效拓扑切换。除了其与光子轴子激发和暗物质轴子耦合可能性相关的基本理论意义外，AXI 光子晶体的实现还有可能开辟基于轴子的拓扑领域，实现更高效、更灵活地控制光子晶体中的光传播，从而推动光子通信和光学技术的发展。（刘帅）本文发表在《Nature Communications》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50766-3
3 时空光学涡旋介导的脉冲自聚焦传播
高强度激光脉冲传播过程中的自聚焦现象一直是关注的焦点。当激光脉冲在非线性介质中传播时，介质的折射率会随激光强度的增加而增加，这种变化导致激光束的光线向中心汇聚，使得激光脉冲的能量越来越集中。在自聚焦过程中，激光脉冲的非线性相位变化是决定其传播行为的核心因素。脉冲中心区域的非线性相位变化通常会比脉冲边缘更为剧烈，形成一种瞬态的“边界”，这种边界在空间-时间中将高相移区域与低相移区域区分开。这种相位剪切会在脉冲的侧面产生点状的相位缺陷，这些缺陷进一步演化为空间-时间光学涡旋（STOV）。STOV是一种特殊的光学涡旋结构，其涡旋轴嵌入在传播的脉冲中，并且可以与传播方向垂直。虽然STOVs 最初由空气中超短激光脉冲的非线性自聚焦自然产生的，但其作用机制在不同的物理环境下表现出普遍性。
近日，美国马里兰大学的H. M. Milchberg教授团队表明高强度激光脉冲在非线性介质中自聚焦传播的动力学可以根据时空光学涡旋的形成和演化所施加的拓扑约束来理解。STOV 限制电磁能量的脉冲内流动，控制非线性脉冲传播固有的聚焦-散焦周期和脉冲分裂。并用两种广泛研究但截然不同的机制来说明这一点，即等离子体中的相对论自聚焦和气体中的非相对论自聚焦，证明 STOV 介导非线性传播，而与详细的物理原理无关。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.053803
4 基于事件的图像处理超表面定制时空非局域性
近日，纽约城市大学的Alù教授团队，将非局域工程的概念扩展到时空域，展示了一种被动非局域超表面，它可以对输入图像执行模拟混合时空微分。此功能可用于执行基于事件的边缘检测，即仅当图像强度随时间变化时，输入图像的边缘才会增强。这种基于事件的模拟处理需要混合时空微分，而这无法通过其他形式的时空设备实现。这种非平凡的功能（可能取代笨重的基于电路的神经形态相机）是通过亚波长硅超表面实现的，其设计与传统制造方法兼容。作者已经证明，这种超表面可用于检测强度随时间变化的图像的边缘，或增强移动物体的边缘。在后一种情况下，滤波图像的强度取决于物体速度，这为传感和振动监测领域开辟了有趣的应用。此外，作者还阐明了如何定制超表面设计，以最大程度地增强以所需速度移动的物体。超表面设计可以轻松扩展到 2D 图像处理，为基于光学模拟事件的视觉铺平了道路，从而在完全被动、低能耗和超快光学计算领域实现广泛的应用。（刘帅）本文发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.063801
5 薄膜金刚石中色心的高Q腔接口
金刚石是一种原子级缺陷的宿主，具有光学可访问的长寿命自旋量子比特，已成为量子传感和通信领域应用的引人注目的平台。在金刚石色心当中，氮空位 (NV)、硅空位 (SiV) 和锡空位 (SnV) 尤其有前景，并已实现许多最先进的量子通信演示。从根本上讲，实用的量子通信需要在自旋和光子之间快速、低损耗地传输量子信息，这转化为带宽和保真度等品质因数。因此，实现高效的自旋-光子接口对于广泛的应用至关重要。在所有结构中，光子晶体 (PhC) 腔是最有效的自旋光子接口之一，因为它们支持具有高品质因子 (Q) 和小模式体积 (V) 的光学模式，这大大增强了光物质相互作用，并允许有效控制和读出发射器自旋状态。因此，PhC 腔已用于各种量子比特平台，包括量子点、Si 或 SiC中的缺陷以及宿主材料中的稀土离子。
近日，哈佛大学的Marko Loncar团队，展示了在薄膜金刚石中制造的一维和二维光子晶体腔，其品质因数 (Q) 分别为 1.8 × 10^5 和 1.6 × 10^5，这是在任何材料中实现的可见光子晶体腔的最高 Q。重要的是，该制造工艺简单且产量高，基于传统的平面制造技术，而之前则采用复杂的底切工艺。作者还展示了具有高光子提取效率的光纤耦合一维光子晶体腔，以及在 4 K 下单个 SiV 中心和这种腔之间的光耦合，实现了 18 的 Purcell 因子。该平台和基于薄膜金刚石的制造方法可应用于金刚石集成光子应用中重要的各种其他微/纳米结构，例如非线性光子学和金刚石声子学。此外，直接键合的灵活性使这种方法很容易应用于 Si/SiO2以外的其他基板，这使得包含色心的金刚石平台能够异质集成到现有和新兴的量子网络集成光子电路中，包括薄膜铌酸锂、氮化铝和 CMOS 兼容平台。（刘帅）本文发表在《Nature Communications》上。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-50667-5
6 具有阵列准刚性可折叠多面体的折纸变形曲面
在自然界中，动物和植物通常使用组织变形的策略与环境互动。通过模仿这种现象，许多人造表面结构在机器人操纵、可穿戴电子器件、生物医学器件等任务中有良好的应用前景。其中许多表面都是基于简单成型的阵列单元，与刚性阵列相比，结构紧凑、无电机和无齿轮的软阵列因其结构适应性和直接驱动而越来越受欢迎。然而，这些软材料的低剪切刚度通常会限制其应用范围。受折纸启发的轻质骨架可折叠多面体具有结构紧凑、剪切刚度高的特点，最近已被提出来解决某些问题。同时，为了适应更复杂的表面，预计可折叠圆柱体将是刚性可折叠的。对于刚性可折叠圆柱体，在连续折叠过程中，弯曲仅限于褶皱处，而面则保持静止。这意味着刚性可折叠圆柱体具有最低的理论法向刚度，并且可以很容易地进行建模和分析控制。然而，刚性可折叠圆柱体缺乏零泊松比特性，而这也是变形表面所要求的。不具备零泊松比特性的单元在折叠过程中会导致两端的形状和面积发生变化，从而在变形表面上造成碰撞或缝隙。
近日，清华大学李曙光、徐静教授团队提出了一种准刚性可折叠率多面体结构。准刚性可折叠率（QRF）是用于量化可折叠结构的刚性可折叠性，并通过实验进行了验证。该结构采用了具有零泊松比特性的单元，并力求最大限度地接近刚性可折叠结构。这种QRF多面体不仅具有显著的各向异性，类似于刚性可折叠圆柱体，而且还具有零泊松比特性，因此适合排列成无碰撞或无间隙的变形表面。QRF多面体可以承受其原始高度70%的压缩应变，在超过200次负载循环中不会发生失效。这种表面的应用领域非常广泛，包括调制电磁波、抓取易碎物体以及用作攀爬机器人的脚掌。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
J. Li, J. Bao, C. Ho, et al. Origami Morphing Surfaces with Arrayed Quasi‐Rigid‐Foldable Polyhedrons[J]. Advanced Science, 2024.
https://doi.org/10.1002/advs.202402128
7 高能量密度海浪能收集及自供电监控系统
地球表面高达 70% 的面积被海洋覆盖，各国都在建设海洋物联网 (OIoT)，以监测各种海洋参数。然而，建设 OIoT 的一个关键挑战是如何长期有效地为这些分布广泛的传感器供电。这些传感器数量众多，分布广泛，有些传感器布置在极端环境中，更换电池或通过电缆供电具有挑战性。因此，为了确保 OIoT 中传感器设备的持续供电，利用能量收集技术转换海洋蓝色能源为长期分布式监测提供了一种可自我维持的解决方案。环境能量，如振动、摩擦、太阳能、风和海浪，都可以通过能量收集技术收集并转化为电能。对于在海洋中运行的监测设备和传感网络，海浪能收集具有多种优势，包括（1）所有可再生能源中能量密度最高，（2）对海洋环境无化学污染，（3）平均可用时间更长。与风能和太阳能（通常为 20-30%）相比，波浪能的可用时间可高达 90%。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50926-5
8 自适应层级折纸超结构
多功能形状变形能力对于实现生物和人工系统的多功能性至关重要，使它们能够适应不同的环境和应用。在人工系统领域，已经提出了一系列创建形状变形结构的策略，包括连续形式的梁、板和壳，杆连接网络或运动机构，基于折纸/剪纸结构，以及由组装的磁性或关节模块组成的可重构机器人结构。这些结构被广泛应用于可变形建筑、可重构机器人、生物医学设备、柔性航天器、多功能建筑材料、可重新编程的变形物质和可展开结构。然而，尽管有这些进步，人工形状变形结构在可实现的体积形状的多样性方面，以及通过简单的驱动和控制实现这种多用途形状变形的效率和自主性方面，仍无法与生物结构相媲美。传统的基于刚性机构的折纸结构，受其折叠互连的限制，由于一个单自由度，只能在原始状态和紧致状态之间变形。这种限制简化了驱动和部署，但牺牲了实现各种形状的潜力。
近日，美国北卡罗来纳州立大学的尹杰、苏浩、李艳滨和Antonio Di Lallo团队从厚折纸和自然界的层级结构中汲取灵感，提出了一种基于多面体的层级构造方法，以创建一个庞大的紧凑型折纸超结构库。研究表明，单个层级折纸结构可以自主适应超过103种多功能构型，只需利用不到3个驱动自由度和简单的过渡运动学即可实现。通过理论模型揭示了这些形状转换的基本原理。此外，文章还展示了这些可变换层级结构的广泛潜在应用。这些应用包括将其用作能够进行各种步态变换和多向运动的无系留自主机器人变压器，以及可快速自我展开和自重构的架构，并展示了其高达米级的可扩展性。最后，文章介绍了多任务可重构和可展开空间机器人和栖息地的概念，展示了这些新结构的适应性和多功能性。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
Li, Y., Di Lallo, A., Zhu, J. et al. Adaptive hierarchical origami-based metastructures. Nat Commun 15, 6247 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50497-5
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