超材料前沿研究一周精选2024年5月27日-2024年5月31日

光子拓扑绝缘体具有鲁棒的定向传播和对边缘/表面缺陷扰动的免疫性。激子极化子，即半导体微腔中激子和光子的混合准粒子，已被提议作为模拟拓扑现象的可调非线性平台。然而，由于激子材料的限制，目前的实验观察还无法进入非线性凝聚态或仅在一维上显示局部凝聚。

近日，美国伦斯勒理工学院的Wei Bao助理教授与加州大学伯克利分校的张翔教授团队合作展示了在室温且没有任何外部磁场的情况下具有极化子凝聚的拓扑边界态。他们通过使用具有谷霍尔晶格设计的激子CsPbCl3卤化物钙钛矿克服了材料限制。该极化子晶格具有18.8 meV的大带隙，并表现出强烈的非线性极化子凝聚，在临界泵浦密度上具有清晰的长程空间相干性。该非线性多体光子系统的几何参数和材料成分原则上可以进行定制以研究其他准粒子间相互作用的拓扑现象。相关研究成果发表于期刊《Nature Nanotechnology》。（张甜）

基于超构表面的全息图或超构全息图具有独特的优势，包括增强的成像质量、扩大的视场、紧凑的系统尺寸和宽阔的操作带宽。多通道超构全息图能够根据照明光的特性（例如偏振状态和入射角）在多个投影图像之间切换，已成为实现可切换和动态全息显示器的有前途的解决方案。然而，现有设计通常面临着诸如有限的多路复用通道和不必要的串扰等挑战，这严重限制了它们的实际使用。

近日，华中科技大学张诚教授团队提出了一种新型的基于波导的多通道超构全息图，它支持六个独立且完全无串扰的全息显示通道，同时由玻璃波导内引导入射光的自旋和角度进行多路复用。研究者采用了一种 k 空间平移策略，当超构全息图受到具有特定自旋和方位角的引导光照射时，该策略允许六个不同的目标图像中的每一个从倏逝波区域选择性地平移到传播波区域的中心并投射到自由空间而不会产生串扰。此外，通过定制编码目标图像，实现了三通道偏振无关超构全息图和双通道全色 (RGB) 超构全息图。此外，通过扩展 k 空间的中心周期区域或将 k 空间平移策略与其他复用技术（如轨道角动量复用）相结合，可以进一步增加复用通道的数量。该工作为实现具有大量信息容量的高性能紧凑型全息光学元件提供了一种新方法，为 AR/VR 显示器、图像加密和信息存储中的应用开辟了道路。相关工作发表在《eLight》上。（刘帅）

声学超表面在自由操纵透射或反射声波的相位和振幅方面具有巨大的潜力。声学超表面实现了许多创新的应用，包括声学隐身、声学吸收、声学全息术和拓扑声学等。虽然这些超表面在操纵声波方面提供了无与伦比的潜力，但它们的结构和功能通常是固定的，这大大限制了其在增强多功能性和灵活性方面的应用。因此，可调谐声学超表面引起了广泛的关注。通过几何调谐、折纸和切纸以及集成主动组件等方法，人们探索了实现声学超表面调谐控制的多种途径。然而，这些方法在几何调谐的形式方面仍然相当有限。此外，它们通常需要较大的体积或直接接触进行调整。最近，磁控活性材料作为声学超材料的可调组件，被探索为一种使用磁场进行非接触控制的有效方法。磁悬浮是主动磁控制最具吸引力的应用之一。由于能够使磁铁在自由空间中漂浮，从而大大减少固体之间的摩擦，这项技术已被应用于实现高速列车。然而，目前为止，磁悬浮还没有被用于超材料的设计。

近日，南京大学赖耘教授团队采用磁悬浮技术设计了一种能够实时控制声波反射的动态声学超表面。超表面的原胞由一个带有浮动磁体的声腔组成。通过改变位于腔底部的线圈中电流大小，可以动态地调整磁铁的位置，有效地改变声腔的高度。因此，反射相位可以实时连续调制，实现多功能间的切换。并通过两个例子数值和实验实现了连续异常反射和声涡波束。这种控制方法将磁悬浮引入到声学超材料领域，从而消除了接触调整和复杂结构的需求。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（金梦成）

变形结构一直受到科学家和工程师的关注。这些结构的一个基本特征是其形状变化能力和随之而来的机械性能变化。较新的结构可以根据需求进行编程，有些甚至可以适应其操作环境。目前存在一系列受折纸启发的变形结构，因为这些简单的物体通常具有其他结构无法比拟的丰富几何特征。折纸变形结构已在机器人技术、机械超材料和航空航天可展开结构等领域得到广泛发展。为了实现变形，一些折纸结构依靠折痕的山谷分配切换来改变折叠运动，而另一些折纸结构则利用材料的灵活性来获得多稳态变形结构。目前，大多数此类结构采用特定的变形机制或设计，几乎所有功能都源于此。换言之，一旦确定了结构设计，它很少能获得与原始设计无关的新配置，因此也很少能获得新功能，明显缺乏可重构性。

近日，牛津大学Zhong You教授团队、哈尔滨工业大学邓宗全院士团队以及天津大学陈焱教授团队合作，提出了一种由模块化双稳态单元组成的折纸变形结构，每个单元都是刚性折纸。折纸折痕内的弹性以及山折线和谷折线的切换使其具有双稳态性。由此产生的变形结构具有多稳态，使其能够在具有可编程配置文件的多种配置之间切换。这一概念已通过势能分析和实验得到验证。利用这一概念，研究者开发了一种机器人肢体，它能够通过配置变化来举起和抓握。此外，研究者使用折纸单元构建了一种超材料，其属性可以随着配置的变化而变化。这些示例展示了该概念的非凡多功能性和在许多应用中的潜力。相关工作发表在《Science Advances》上。（刘帅）

超构材料在各种器件中的应用已经彻底改变了光学、力学、生物医学、声学和电学等领域的应用方式。这些领域的进步需要新颖或卓越的超构材料，能够对物质的电磁、力学和热学特性进行有针对性的控制。传统的设计系统和方法通常需要人工操作，既耗时又耗费资源。将人工智能（AI）整合到超构材料设计优化中，可用于探索各种学科，解决设计中的瓶颈问题。基于人工智能的超构材料设计还可以通过优化传统方法无法实现的设计参数来开发新型超构材料。人工智能的应用可加快对庞大数据集的分析速度，并通过生成模型更好地利用有限的数据集。

近日，土耳其科奇大学Savas Tasoglu教授团队发表综述文章，文章涵盖了人工智能和基于人工智能的超构材料设计对光学、声学、生物医学和电学系统的变革性影响。文中介绍了人工智能（AI）与超构材料的融合提供新的设计可能性。基于人工智能的程序利用机器学习（ML）算法来自动化和加速设计过程，从而促进发现性能更强的新型超构材料结构。用于设计超构材料的人工智能模型可分为监督模型、非监督模型或混合模型。一般可分为生成模型和优化算法。在超构材料设计方面，生成模型和优化算法脱颖而出。此外，文中还讨论了声学、生物医学、光学、电学等领域当前面临的挑战、新兴领域、未来方向和挑战。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接：

E. Tezsezen, D. Yigci, A. Ahmadpour, et al. AI-Based Metamaterial Design[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024.

https://doi.org/10.1021/acsami.4c04486