今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及非均匀声子晶体中的三维平坦朗道能级，界面几何变换对谷光子晶体边缘态的影响，智能超材料中的波操纵等,敬请期待！
索引：
1、非均匀声子晶体中的三维平坦朗道能级
2、界面几何变换对谷光子晶体边缘态的影响
3、非厄米趋肤效应引起的手性边界态的局域化
4、双曲网络中的反常拓扑波和陈拓扑波
5、智能超材料中的波操纵
6、由导波驱动的复振幅可编程多功能超表面平台
二维（2D）系统中运动的电子受到均匀强磁场的作用时，会形成被称为朗道能级（LL）的平带。随后发现这种2D LL由于其非平庸的能带拓扑而表现出量子化霍尔电导（整数量子霍尔效应）。除了使用真实磁场之外，朗道能级还可以由晶格形变引起的赝磁场 (PMF) 产生，并且不会破坏时间反演对称性。在电子材料中，PMF可以通过应变工程或层间扭曲来实现; 在光子或声学晶体等合成超构材料中，可以通过结构设计来实现。 PMF 具有高度可调性，可以达到比真实磁场更强的有效场强。在 3D 中，无论是通过LL还是其他机制，实现平带都具有挑战性。例如，只要层之间存在非零耦合，堆叠 2D 量子霍尔系统会将朗道能级转变为沿堆叠方向非平坦的 3D 带。同样，如果将 2D Dirac点推广到 3D 中的Weyl点，则应用均匀磁场会产生可以沿场方向自由传播的手性LL。
近日，新加坡南洋理工大学张柏乐和Yidong Chong、江苏大学的孙宏祥以及香港中文大学的薛浩然团队在声子晶体中实验实现了平坦的3D LL。声子晶体原胞在没有形变的情况下，能带结构包含一个节点环。原胞中引入形变会导致能带结构中的节点环收缩。通过设计非均匀的结构形变在整体样品中成功引入赝磁场，导致节点环分裂成 3D LL（平带），其方式类似于从Dirac点形成 2D LL。这种3D平带可用于增强非线性效应，并产生有趣的3D现象，例如逆安德森局域化。声子晶体的设计还可能有助于开发承载 3D 朗道能级的固态材料，该材料可以访问低维平带系统中未发现的相关电子相。
相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46517-z
转换界面几何形状对拓扑边缘态（TESs）的影响取决于拓扑光子晶体（TPCs）的类型。对于非互易TPCs，如旋磁光子晶体，由于TESs的存在是由体拓扑序保证的，界面结构对TESs的影响很小。对于C6对称的TPCs，TESs拓扑保护的前提是赝自旋守恒。如果一个界面混合了不同的赝自旋，它将不利于TESs的无间隙色散和鲁棒性。类似的论点也适用于谷光子晶体（VPCs），其中谷自由度起着赝自旋的作用。VPCs的某些界面可以耦合不同的谷，不能支持TES。相反，只要两个拓扑上不同的VPCs的界面满足谷守恒，就支持TES。这表明VPCs的边缘态对界面几何形状的扰动具有鲁棒性。然而，最近的研究表明，修改VPCs的界面可以显著影响边缘态的性质。这一发现促使我们重新评估这些边缘状态对界面扰动的鲁棒性。
近日，代尔夫特理工大学的L. Kuipers团队研究了逐渐改变VPC界面几何形状对谷光子晶体边缘态的影响，特别关注从zigzag界面到滑平面的转变。实验证明即使这种变换保持了谷守恒，但是边缘态也经历了从无间隙到无间隙的转变。同时，在实验中观察到从无间隙到间隙边缘状态的过渡，伴随着布里渊区内慢光的出现，而不是在其边缘。通过一个特殊设计的谷守恒缺陷，测量了修正边缘态的透射率。对后向散射的鲁棒性逐渐降低，表明谷依赖输运的破坏。演示了界面几何形状对VPC中无间隙边缘态的意义。
相关内容发表于《Physical Review Letters》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.116901
量子霍尔系统具有沿着任何二维样品的一维边界延伸的手性边界态。在固态材料中，边界态可以充当完美鲁棒的传输通道，并产生量子化的霍尔电导；由于手性边界态受到体能带结构的陈数的拓扑保护，它们不会因为缺陷或无序在空间中局域化。此外，非厄米系统最近受到极大关注，其具有厄米系统中不存在的独特形式的能带拓扑。例如，非厄米能谱可能会表现出“点带隙”，由复平面中被任何能带频率（能量）包围但不重叠的点定义。点带隙可以与整数缠绕数相关联，非零缠绕数与非厄米趋肤效应相关联，由此大量的体态被局域化到边界。据知，非厄米趋肤效应对手性边界态的影响涉及到点带隙拓扑和陈数拓扑之间的相互作用，该情况从未在任何实验中进行过研究。
近日，南洋理工大学张柏乐教授、Yidong Chong教授与浙江大学杨怡豪教授团队合作通过实验证明在有损量子霍尔系统中，手性边界态可以被局域化。在呈现量子霍尔拓扑相的旋磁光子晶体中，适当结构的损耗配置可以产生具有点带隙的复能谱。相应的非厄米拓扑不变量与陈数不变量不同，其能诱导模态局域化，即非厄米趋肤效应。点带隙缠绕和陈数这两种拓扑现象之间的相互作用产生了陈型体边对应原理的非厄米式推广。与之前实现的非厄米趋肤效应相比，该系统中的趋肤模式对局部缺陷和紊乱具有优异的鲁棒性。
相关内容发表于《Physical Review Letters》上。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.113802
非欧几里得几何的引入是19世纪初对宇宙理解的重大转折点，其中双曲几何学在广义相对论中尤为重要，用于描述时空的几何曲率和黑洞的事件视界。尽管双曲几何学在理论物理中有着重要地位，但在实验物理中的应用仍然具有挑战性。双曲晶格在欧几里得图像中的可视化以及双曲空间中非平凡物理的探索，激发了对这一领域的兴趣，作为一种新型合成材料的概念，它们基于非欧几里得空间中的规则镶嵌，具有恒定的负曲率。其支持的布洛赫波与欧几里得晶格中的布洛赫波不同，它们属于非交换的双曲平移群，这导致了双曲动量空间中独特的光谱和带拓扑。这种材料在理论上已经被广泛研究，尤其是在拓扑介质方面，但实验研究主要局限于由耦合离散共振组成的时间反演不变系统，尚未涉及到鲁棒的单向边界波传输这一更有趣的情况。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院的Romain Fleury教授课题组与浙江大学陈红胜教授课题组合作，通过实验证明非互易散射网络是探索双曲晶格中拓扑波物理的理想平台，为探索非欧几里得几何在波传输和控制中实质性物理影响和潜在应用提供了可能性。利用非互易性的优势，该课题将陈相和异常相的概念扩展到双曲世界中，展示了双曲手性传输。这些不同的相可以用来重新配置两个不同镶嵌的双曲网络之间的域壁，并在不翻转磁场的情况下重新定向双曲能量流，其中异常双曲传输可能为非欧几里得空间中的鲁棒点对点能量传输奠定基础。该课题将Laughlin的泵浦理论泛化到双曲几何中，无论是在欧几里得还是非欧几里得晶格中，这种实用的方法都能适用。这为探索其他类型的双曲空间中的体-边对应关系奠定了基础，并通过在具有合成非欧几里得行为的材料中允许进行反向散射免疫传输扩展了拓扑波物理学的范围。
相关研究发表在《Nature Communications》上。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46551-x
超材料（MMs）包括声子晶体（PCs）作为一种特殊类型的材料，通过人工设计拓扑或晶格形式的单胞显示出异常的波传播特性。超材料的最新进展标志着一种上升的研究趋势，为前所未有的波传播特性提供了有希望的设计思想和方法。波传播的按需实时主动控制的必要性强调了声波/弹性波可调操纵的重要性，促进了可调超材料的设计和开发。此外，智能材料的多功能性及其持续发展和创新极大地促进了各种智能材料的出现。
近日，哈尔滨工业大学周伟建教授与浙江大学陈伟球教授撰写综述，全面回顾了在电/磁-机械耦合超材料中传播的声波/弹性波的智能操控的最新进展。这些智能超材料由压电/压磁材料或软介电/磁流变弹性体组成。该综述总结并论证了如何利用电/磁机耦合效应设计智能超表面、智能拓扑超材料、智能非厄米PT对称超材料、智能奇弹性超材料和时空调制超材料的策略。每个主题都从基本定义开始，然后深入讨论分析方法、计算技术和实验实施。有选择地提出了一些代表性的例子，并解释和讨论了潜在的物理机制。可以得出的结论是，通过设计和利用智能超材料，可以实现对新颖奇特的声/弹性波特性的主动甚至智能操控，这是增强和扩展超材料实际应用的必然趋势。
相关工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202316745
通过控制超表面的参数，可以操纵电磁波的振幅、相位、偏振和频率。目前已经实现了例如波束扫描、多波束生成、偏振转换、雷达截面缩减、艾里波束生成、图像处理和聚焦等应用。然而，大多数超表面需要外部空间馈源，从而增加其剖面。尽管折叠反射、折叠透射、和法布里-珀罗型超表面已被提出用于减小馈源和超表面之间的距离，但超表面和馈源之间的空气间隙仍然阻碍了它们在现实世界中的集成应用。为了进一步提高集成度，辐射型超曲面和导波驱动超曲面受到了广泛关注。
近日，哈尔滨工业大学的孟繁义教授团队等人提出了一种由导波驱动的厚度为
的薄型可编程超表面，以同时实现幅度和相位的动态控制。超表面由在基板集成波导中传播的导波馈电，避免了外部空间源和复杂的功率分配器网络。通过操纵嵌入在每个超原子中的p-i-n二极管的状态，所提出的超表面能够在辐射和非辐射状态之间进行1比特幅度切换，以及在 0° 和 180° 之间进行1比特相位切换。作为概念验证，两种先进功能，即低旁瓣级光束扫描和艾里光束生成，通过分别在远场和近场运行的单个平台进行了实验演示。这种复杂幅度、可编程且薄型的超表面可以克服传统超表面的集成限制，并为在前所未有的自由度内进行更准确和更先进的电磁波控制开辟新途径。
相关工作发表在《Advanced Science》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202309873
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