今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及宇称-时间对称光子拓扑绝缘体，基于矩阵超表面的高精度二维位移测量，具有高弹性和机械滞后的3D平铺拉胀超构材料等,敬请期待！
索引：
1 宇称-时间对称光子拓扑绝缘体
2 基于矩阵超表面的高精度二维位移测量
3 通过机器学习发现二维磁性拓扑绝缘体
4 磁驱动软双稳态执行器
5 具有高弹性和机械滞后的3D平铺拉胀超构材料
1 宇称-时间对称光子拓扑绝缘体
拓扑绝缘体是一个最初起源于凝聚态物理的概念，主要特点是沿其边界的拓扑保护传输对缺陷和无序具有鲁棒性，相比之下，其体内通常保持绝缘。近年来，拓扑绝缘体已在各种不同的物理平台上进行了实验实现和研究。然而，所有这些实现都具有一个共同点，即本质上假设拓扑绝缘体是封闭系统。然而，由于与环境的相互作用，非厄米性在现实物理系统中无处不在。
近日，罗斯托克大学物理研究所的Alexander Szameit团队从理论上提出并通过实验证明了一种具有完全实能谱的非厄米拓扑绝缘体。与在空间上安排增益和损耗的PT对称性的传统静态实现相比，他们构建了一个周期性驱动的Floquet 模型，该模型在空间和时间上动态分布非厄米分量。特别是，他们在选择性耦合光波导的网状排列中采用Z2拓扑绝缘体的广义PT对称，并实现其反常Floquet 驱动协议的组成步骤，这种方法能够实现具有新型拓扑边界态的系统。值得注意的是，在这种动态非厄米排列中，系统的体态和边界态都受到保护，免受系统与环境耦合产生的影响。这项工作使得开放系统中拓扑物质的动力学特性研究成为可能，而不会出现复能谱引起的不稳定性。进一步可能会激发按需利用拓扑特征的紧凑型有源器件的开发。相关内容发表于《Nature Materials》上。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01773-0
2 基于矩阵超表面的高精度二维位移测量
光学位移测量作为一种快速、非接触式方法，在许多领域发挥着重要作用，例如超分辨率显微镜和半导体制造。为了不断扩展光学位移计量的前沿，人们付出了巨大的努力。一个值得注意的例子是光栅干涉仪，它具有易于应用于多自由度测量的优点。现在，光刻对叠层精度提出了严格的要求，在先进集成电路制造中，随着其扩展到7纳米及以下工艺节点，对准精度达到亚纳米级。满足精确测量要求需要使用由大量光学元件组成的复杂光学系统。因此，光栅干涉仪不仅结构庞大，而且系统复杂。总的来说，人们非常需要一种精度高、量程大、可用性好的计量方法以及直接读数的方案。开发不同的光学结构来满足不断增长的科学和工业需求是亟需解决的问题。
近日，中国科学技术大学的鲁拥华副教授和王沛教授团队展示了一种基于矩阵超表面的高精度二维位移测量方法。将专门设计的矩阵超表面与4f光学结构相结合，测量超表面在二维平面内的运动，精度误差不超过1 Å，可重复位移精度优于±0.3 nm。由于RCP和LCP发生的PB相位不同，避免了余弦测量曲线的死区，大大扩展了测量范围。实验证明了可以在不小于 200 μm × 200 μm 的大范围内以 3 nm 步长测量任意二维运动轨迹，这比之前的工作大了大约三个数量级。由于位移信息是从输出光功率中检索的，因此这种方法可以实现紧凑且高速的测量，从而在半导体制造设备、超分辨率显微镜等方面具有潜在的应用。（刘帅）相关工作发表在《Science Advances》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adk2265
3 通过机器学习发现二维磁性拓扑绝缘体
自拓扑材料诞生以来，第一性原理计算与拓扑能带理论一直被用于识别和编目候选拓扑材料。而最近的拓扑量子化学和对称性指标理论，更是可以仅用波函数的对称数据就可以有效地判断拓扑材料。然而，某些能带拓扑和低对称性系统对于对称性指标是不可见的。此外，材料复杂的磁性结构也阻碍了磁拓扑量子化学的判断，因此制定广泛适用的规则来确定给定的电子材料是否具有拓扑性是非常有必要的。最近，机器学习已经成为预测拓扑材料和拓扑不变量的一种全新有效工具，目前已经有学者提出了一种电子拓扑判断的启发式化学规则。虽然该规则不依赖晶体对称性，但他们的工作只涉及非磁性材料，并没有包括许多构成磁性材料的过渡金属元素。从第一性原理计算的角度来看，磁性材料的拓扑结构可能依赖于Hubbard U参数，这种依赖并不能用它们的化学规则来描述。同时，目前已确认的磁性拓扑材料数量不足10种，这促使我们开发一种机器学习化学规则，用于有效的电子拓扑判断以及对磁性材料的搜索。
近日，复旦大学王靖教授课题组使用卷积神经网络，通过加入Hubbard U值来搜索拓扑电子结构的化学规律。通过获得元素周期表中每个元素的训练参数(称为拓扑度)，该课题发现了如果元素拓扑度的加权平均值为正(负)，则给定材料被判断为拓扑非平凡(平凡)的启发式规则，并具有较高准确率(平均83.9%)。其中给定材料的元素权重由元素的分数和Hubbard U参数决定。卷积层正确地捕获了U值对训练集中的磁性材料拓扑特性的影响，并进一步地与密度泛函理论计算相结合，在2DMatPedia搜索磁性拓扑绝缘体的过程中，发现T相RuO2、 OsO2、GdBr和TbX家族是具有全带隙的全新陈绝缘体。虽然该课题的最终模型不能保证真实材料具有拓扑特征（这必须通过密度泛函理论计算进行验证），但它仍然提供了一种对给定材料的拓扑性质分类的快速有效工具。更进一步地，该工作对新型磁性拓扑材料的搜索和逆设计以及对拓扑分类的底层理论探索都具有一定意义。相关研究发表在《Physical Review B》。(刘梦洋)
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.035122
4 磁驱动软双稳态执行器
具有两个势能井的软双稳态变形系统（如捕蝇草）可以在没有外部刺激的情况下保持两种可能构型中的一种，并在这两种构型之间切换。因此，双稳态变形系统吸引了相当多的研究关注，研究人员试图确定其非线性机制，并将其应用于软执行器、软体机器人、能量吸收器、机械计算机等领域。然而，目前双稳态变形结构的应用受到以下两方面的限制：双稳态执行器的无系和重复操纵仍有待实现。双稳态软执行器可在压力、温度、溶剂、湿度、光、电和磁场等各种刺激下在不同构型之间切换。因此，热量和湿度可以实现无束缚和有效的跳变。此外，可切换方向的磁性操作可以快速、可逆地翻转磁驱动双稳态执行器。将双稳态执行器混合（包括平面内和平面外）集成到一个更大的框架中的方法尚未设计出来，尽管有一些双稳态执行器已经在平面内或平面外进行了图案化，以获得具有多种稳定状态的可重构结构。
近日，香港城市大学吕坚教授团队开发了一种磁驱动软双稳态执行器（MSBA）单元，它可以轻松地在平面内、平面外或以混合方式组装，因此具有多种多稳态构型，可应用于一些新的领域。具体来说，调整嵌入软聚合物中的钕铁硼（NdFeB）微粒子的方向，生成了一种可编程、反应灵敏的磁活性膜，能够进行无系和重复驱动。此外，还将一个圆形薄片与一个软环整合在一起，使薄片能够跳变成一个独立、可逆切换的双稳态圆顶形单元。在该驱动策略中，通过切换外加磁场方向，可以可靠地实现无系和可逆驱动。双稳态单元可以独立驱动，并集成到平面内、平面外或混合构型中。在仿生物捕蝇器、可重构天线和动态生物反应器应用中演示了这种驱动策略的可行性，从而证实了它在可重构电子器件和机械生物器件中的强大性能和应用潜力。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。(徐锐)
文章链接：
Z. Chen, S. Kong, Y. He, et al. A Magnet‐Driven Soft Bistable Actuator[J]. Advanced Functional Materials, 2024.
https://doi.org/10.1002/adfm.202311498
5 具有高弹性和机械滞后的3D平铺拉胀超构材料
力学超构材料具有非同寻常的物理特性包括负泊松比、手性、压缩-扭曲、负刚度、负热膨胀系数和负折射等。然而，这些所需的材料特性往往相互冲突。例如，强度和韧性、回弹性和滞后性、拉胀性和各向同性以及拉胀性和扭曲往往是相互排斥的。回弹性定义了在可恢复变形下吸收的最大能量，而大量能量耗散主要通过塑性变形发生。因此，工程材料通常具有较高的回弹性，但能量耗散能力较低，反之亦然。例如，超弹性弹性体通常具有高回弹性，但机械滞后性为零；与此相反，韧性金属能够通过塑性变形耗散大量能量，但除了极小的变形外无法恢复到原来的形状。粘弹性材料作为块状材料可以实现这两种特性，但在结构层面却无法实现。因此，设计一种同时具有高回弹性和高能量耗散能力的力学超构材料是一项挑战。此外，目前流行的力学超构材料以蜂窝/多孔设计为主。然而，大多数现有的蜂窝/多孔2D和3D力学超构材料都无法实现理想的机械各向同性。极少数超构材料打破了这一趋势，但只能在非常小的变形情况下实现。瓶颈在于，在大变形情况下，韧带或壁的变形将打破初始结构对称性，从而打破潜在的机械各向同性。
近日，美国东北大学Yaning Li教授团队提出了一系列新的3D平铺拉胀超构材料，包括各向同性设计、各向异性设计和扭曲设计，并对其进行了表征。新型超构材料在大变形条件下表现出显著的弹性，在循环压缩加载条件下表现出明显的滞后性，具有很强的可调性，在3D空间的所有方向上都具有理想的各向同性，并且在单轴压缩条件下具有现有力学超构材料中罕见的耦合扭曲和拉胀性。文章采用综合实验、分析和数值方法来量化新设计的有效机械特性。进行了系统的有限元（FE）模拟和分析。预测结果通过3D打印试样的机械实验得到验证。新型力学超构材料可广泛应用于致动器和阻尼器、软体机器人、生物医学材料以及用于能量耗散的工程材料/系统。相关研究发表在《Advanced Materials》上。(徐锐)
文章链接：
T. Li, Y. Li. 3D Tiled Auxetic Metamaterial: A New Family of Mechanical Metamaterial with High Resilience and Mechanical Hysteresis[J]. Adv Mater, 2024: e2309604.
https://doi.org/10.1002/adma.202309604
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