“超材料前​沿研究”一周精选 [2018.6.18-6.24]

1、用于电磁波全空间控制的透/反射集成多功能编码超表面

作为一种全新的电磁超材料，数字编码超表面（Digital coding metasurface）利用二进制的数字状态表示反射波或透射波的幅度或相位，对超材料的电磁特性实现了数字化表征，其设计原理和方法较传统的模拟超材料都更为简单：通过将编码单元按照不同的数字序列排列在阵面上，便可以实现具有相应不同功能的数字编码超表面。由于其单元状态为有限的二进制数字状态，因此利用可编程控制加载在单元结构中有源器件，可实现对编码状态及整体功能的实时调控。因此，数字编码超材料日益受到广泛关注和深入研究。近日，来自东南大学的崔铁军教授课题组设计了一种多层各向异性编码超表面，通过改变微波（~15 GHz）的极化和入射方向就可以实现多个独立的功能。作为概念性验证，研究人员通过仅使用单个“透射-反射-集成”（transmission‐reflection‐integrated）的编码超表面，就实现了光束偏转（beam deflection）、漫散射（diffuse scattering）和涡旋光束产生（vortex beam generation）这三种不同的功能，并可通过编码方案同时控制共享孔径（shared aperture）上的透射和反射波前。数值计算和测量结果都验证了该超表面材料的出色性能，为拓展超材料的多元化功能提供了一种简单有效的实现方法。相关工作发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

数字计算机的功能实现依赖于“0”和“1”二进制代码，其所代表的信息以一种虚拟的、时间上的排列组合来表示；在这里，编码超材料采用实实在在的结构代表“0”和“1”状态，从空间上实现了信息的编码与调控。我们有理由相信，编码超材料将很有可能成为人类梦寐以求的智能材料！

文章链接：Lei Zhang Rui Yuan Wu Guo Dong Bai Hao Tian Wu Qian Ma Xiao Qing Chen Tie Jun Cui, Transmission‐Reflection‐Integrated Multifunctional Coding Metasurface for Full‐Space Controls of Electromagnetic Waves, First published: 22 June 2018 https://doi.org/10.1002/adfm.201802205.

2、三维高熵“合金-聚合物”复合纳米晶格：克服强度-可恢复性的权衡

具有三维微结构和纳米结构的力学超材料（mechanical metamaterial）具有独特的力学性能，如高比模量、比强度和能量吸收性能。然而，最近几乎所有报道的力学超材料，特别是构筑微/纳米晶格（architected micro/nanolattices），其强度和可恢复性（recoverability）之间存在冲突，限制了其在能量储存/吸收和机械致动（actuation）中的应用。最近，来自清华大学的李晓雁副教授、中科院沈阳金属研究所的李毅研究员、姚佳昊副研究员、美国布朗大学的高华健教授联合领衔的科研团队，向人们展示了一种克服“强度-可恢复性”权衡（trade-off）的复合纳米晶格三维力学超材料结构。该纳米晶格利用双光子光刻和磁控溅射沉积工艺，由高熵合金涂层（厚度为14.2-126.1nm）的聚合物支柱（特征尺寸约为260nm）组成。实验测量表明，这些复合纳米晶格表现出高达0.027 MPa/kg·m³的比强度，单位体积的超高能量吸收达到了为4.0 MJ/m³，并且在超过50％的应变压缩后几乎完全恢复，克服了传统材料中的“强度-可恢复性”权衡。在多次压缩循环过程中，复合纳米晶格在压缩应变超过50％时表现出高能量损失系数为0.5-0.6，超过了最近报道的所有微/纳米晶格的系数。实验还表明：对于给定的晶胞尺寸，涂覆有厚度在14-50 nm的高熵合金复合纳米晶格具有最优的比模量、比强度和单位体积能量吸收，这与主要形变机制从局部屈曲（local buckling）到脆性断裂（brittle fracture）的转变有关。相关研究工作发表在近期的《Nano Letters》上。

在材料学的研究中，权衡trade-off总是让我们十分头疼而又绕不过去的难题，例如无比坚硬但又极脆的金刚石、韧性十足但却强度不足的橡胶。力学超材料的横空出世在某种程度上打破了常规的材料设计思路，从跨尺度的结构设计出发改变其宏观力学特性，使得突破固有限制成为可能。

文章链接：Xuan Zhang, Jiahao Yao, Bin Liu, Jun Yan, Lei Lu, Yi Li, Huajian Gao, and Xiaoyan Li, Three-Dimensional High-Entropy Alloy–Polymer Composite Nanolattices That Overcome the Strength–Recoverability Trade-off, Nano Lett., Article ASAP DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01241.

3、基于Waterbomb折纸的管状力学超材料的扭曲

折纸（Origami）是一种古老的东方艺术，通过折叠二维的平面纸张来制作二维或三维复杂结构。最近，折纸相关的研究工作在各种工程领域得到了蓬勃的发展，其潜在的应用包括超材料、自动折叠机器人、可重构结构、防震装置和产品包装等。其中，受折纸启发的力学超材料（mechanical metamaterial）引起了越来越多的关注，主要是因为通过在薄壳结构中引入折纸图案，其力学性能得到了极大的提高。作为一种典型的折纸图案，waterbomb结构被广泛地应用于力学超材料设计，然而现有设计主要利用结构的径向扩张/收缩运动，限制了其全部的应用潜力。近日，来自天津大学的陈焱教授课题组、牛津大学的由衷教授基于waterbomb折纸的管状力学超材料，首次报道了该结构体系中的扭转运动（twist motion）。通过详细的运动学分析证明：如果结构中对应的行（row）在扭曲时完全受到线和面对称下的挤压（squeezed），则初始扭曲是刚性折纸运动（rigid-origami motion），而随后所有的扭转运动都需要材料发生变形。实验结果表明，随着连续扭转运动的发生，管的刚度也将逐渐增加。这个发现使得waterbomb结构在可编程和力学性能可调的折纸超材料设计中能够得以应用。相关工作发表在近期的《Scientific Reports》上。

折纸是一项游戏，也是一门艺术，是一种将二维系统构造出三维体系的神奇变幻，折纸的万千变化也赋予了这门艺术更多的科学与工程价值。如何将每一次变幻从复杂到简化、从具象到抽象，是分析其内在拓扑机制、提升应用价值的关键。

文章链接：Huijuan Feng, Jiayao Ma, Yan Chen & Zhong You, Twist of Tubular Mechanical Metamaterials Based on Waterbomb Origami, Scientific Reports 8, Article number: 9522 (2018).

4、高质量多层沟槽光栅中混合表面等离激元模式的微腔电动力学

利用表面等离激元（surface plasmon polariton）在亚波长尺度上调节光场和光-物质相互作用是纳米光子学的研究热点，其对能量的空间限制和局部电磁场的增强可应用于表面增强光谱学、太阳能电池、热载流子、超材料和高集成度光学器件。在一般的等离激元结构中，吸收（absorption）和辐射损耗（radiation losses）通常是相互限制的，这严重影响了器件的使用性能。近日，来自中科院长春光机所的高劲松研究员和杨海贵副研究员领衔的科研团队在多层光栅条纹（grating stripe）和多层浅沟槽（shallow trench）组成的复合结构中，系统研究了微腔中的法布里-珀罗共振（Fabry–Perot resonance）与腔模（cavity mode）相互耦合形成的混合模式，并通过综合考虑吸收和辐射损失，显著降低了系统的整体损耗。值得注意的是，由表面等离激元模式杂交实现的低损耗在以往研究中很少出现。此外，本文基于混合模式分析建立了探索不同共振模式的新方法，首次描述了总体与部分品质因子（quality factor）之间存在争议的关系。多层沟槽光栅表现出相对低的光学损耗而不会削弱能量的局域化，这在等离激元器件的设计中是具有重要的指导意义。相关论文发表在近期的《Light: Science & Applications》中。

自从表面等离激元SPP研究的兴起，有效地降低损耗就一直是这个领域试图突破的难点，这里的复合结构模式分析也许能为解决这一问题提供一些研究思路。

文章链接：Xiaoyi Liu, Jinbo Gao, Jinsong Gao, Haigui Yang, Xiaoyi Wang, Tongtong Wang, Zhenfeng Shen, Zhen Liu, Hai Liu, Jian Zhang, Zizheng Li, Yanchao Wang & Qiang Li, Microcavity electrodynamics of hybrid surface plasmon polariton modes in high-quality multilayer trench gratings, Light: Science & Applications 7, Article number: 14 (2018).

5、实现宽光谱、高响应度、超快光学探测的石墨烯金纳米条带结构

在超宽光谱成像和传感器的应用中，石墨烯是制备宽带光电探测器非常有前景的新型功能材料。然而，石墨烯光电探测器的实际应用往往需要折衷考虑其自身的光电响应度（responsivity）、带宽和运行速度等因素，限制了器件性能的全面优化。近日，来自加州大学洛杉矶分校的Mona Jarrahi教授课题组利用石墨烯光电探测器上的金纳米条带（nano-stripe）结构，在实现高响应度光电探测的同时，保持了从可见光到红外光的宽光谱和超快光探测特性。金纳米条带结构能够确保在超快光载流子复合之前，将宽带光吸收、超快光载流子输运和载流子倍增（carrier multiplication）的优势相结合，从而通过这种方法实现高响应度的光电探测，无需借助对带宽和响应速度有所限制的量子点、缺陷态或隧穿势垒。实验结果表明：该石墨烯光电探测器实现了从可见光到红外光的高响应度光电探测（0.8微米时为0.6 A/W，20微米时为11.5 A/W），响应速度超过50 GHz；并且与基于量子点和隧穿势垒的光电探测器相比，响应时间提高了7个数量级以上，其带宽增加了1个数量级。相关研究发表在近期的《Light: Science & Applications》上。

在石墨烯的光电应用中，金属纳米结构一直是增强光-物质相互作用、提升光电转换效率的利器；这里的研究综合考虑了纳米结构空间尺寸与载流子时间尺度上的关系，从而兼顾了器件的灵敏度和高速响应特性。

文章链接：Semih Cakmakyapan, Ping Keng Lu, Aryan Navabi & Mona Jarrahi, Gold-patched graphene nano-stripes for high-responsivity and ultrafast photodetection from the visible to infrared regime, Light: Science & Applications 7, Article number: 20 (2018).

6、声学散射体中Willis耦合的最大化

声学材料中的Willis耦合定义了应变和声速之间的交叉耦合（cross-coupling），类似于电磁学中的双向各向异性（bianisotropic）现象。虽然近年来这些现象引起了人们的高度关注，但迄今为止它们对系统的影响一直被认为是微扰。近日，来自德州大学奥斯丁分校的Andrea Alù教授课题组推导了声散射体Willis响应的一般性界限，表明这些界限可以通过适当设计的散射体达到，并为实现最大化的双各向异性声学散射体提供了一个系统的研究平台。在此基础上，研究人员借助声学超表面（acoustic metasurface）完成了对声音在归一化效率下的弯曲和空间导向，实现了对声音的高效操纵。这一发现有助于将电动力学中基于双各向异性的新颖物理效应转移到声学领域。相关研究发表在近期的《Physical Review Letters》上。

在绝大多数常规材料中，电磁波的电学响应与磁学响应基本上是相互独立、耦合作用极其微弱的；而超材料的双各向异性使得电与磁的关联耦合作用能够被人为地调控。在这里，Andrea Alù又提出在声学中实现应变与声速耦合的双各向异性超材料，是否能从中挖掘出更多有意思的声学现象呢？

文章链接：Li Quan, Younes Ra’di, Dimitrios L. Sounas, and Andrea Alù, Maximum Willis Coupling in Acoustic Scatterers, Phys. Rev. Lett. 120, 254301 – Published 20 June 2018.

7、自由曲面上的可降解柔性双曲超材料

Transient technology字面意思是瞬态技术，主要是指一类材料或器件植入生物体内发挥疗效后，可以快速地在生物体内的进行自我消除（溶解）而不会对生物体造成危害，因此可称之为生物可降解技术。该技术所利用的材料能够在特定时间内发挥功效、随后完全溶解，被认为是具有重大应用价值的功能材料。同时，具有负折射性质（negative refraction）和极高光子态密度的双曲超材料（Hyperbolic metamaterials）可以极大地提高量子转换效率，是新兴光电子器件的代表之一；然而，双曲超材料尚未在可降解技术中进行探索。近日，来自国立台湾大学的陳永芳教授（Yang-Fang Chen）领导的研究小组首次向我们展示了双曲超材料与生物可降解技术的有机融合，制备出由水溶性和生物相容性的聚合物与金属组成的多层双曲超材料。实验证明，这一新型超材料同样拥有高k模式（负折射）和高光子态密度，在发光效率方面有着显著的增强效果。与此同时，这些超材料器件在浸入水5分钟后发生溶解、失去了对应的功能；并且，将其与柔性衬底结合时，该器件在超过3000次弯曲循环中表现出优异的机械稳定性。该研究中的柔性可降解超材料可以在固态照明、光通信和可穿戴光电器件等多个方面发挥潜在的应用价值。相关研究工作发表在最近的《Scientific Reports》上。

双曲超材料可以实现超越衍射极限的光学聚焦与成像，在人体就有可能作为细胞高分辨成像、癌症定向光热治疗、生物荧光标识、光声成像等应用，因此在预定时间内的生物可降解性就显得尤为重要了。

文章链接：Hung-I Lin, Kun-Ching Shen, Shih-Yao Lin, Golam Haider, Yao-Hsuan Li, Shu-Wei Chang & Yang-Fang Chen, Transient and Flexible Hyperbolic Metamaterials on Freeform Surfaces, Scientific Reports 8, Article number: 9469 (2018).

8、具有偏振无关的几何超表面光学分束器

分束器是一种可以将一束入射光分成若干束的常见光学元件，通常情况下通过结合两个三角棱镜来制作立方体分光镜，并通过改变界面的属性来控制其分光功率和偏振属性。然而，在光子集成应用中，分光器件的尺寸需要减小至纳米尺度，而超薄的超表面材料（Metasurface）则是实现这一目标的可行方案。最近，来自韩国浦项科技大学和国立首尔大学的研究人员基于傅立叶全息技术，制备了一种可实现等功率分光的几何超表面（geometric metasurface）光学分束器，其光束分光性能与偏振无关，从而打破了超表面材料在分光应用中的偏振依赖性。在该研究中，由编码图像的对称性引起的完美重叠使得几何超表面的偏振无关分光操作成为可能。研究人员利用氢化非晶硅设计并制备了超表面分束器，在实验上证实无论入射光的偏振方向和波长如何，该分束器都能实现相似的功能。该器件可用于量子光学中生成纠缠光子对的等强度光束，并为进一步开发适用于现代光学器件的超薄、宽带、偏振无关的光学组件提供了一种新思路。该工作发表在近期的《Scientific Reports》上。

无论是在集成光子学还是量子光学领域，分束器都是一个非常重要的光学元器件，而超薄的超表面材料组成的光学分束器将为器件的集成化、小型化做出贡献。

文章链接：Gwanho Yoon, Dasol Lee, Ki Tae Nam & Junsuk Rho, Geometric metasurface enabling polarization independent beam splitting, Scientific Reports 8, Article number: 9468 (2018).

作者：颜学俊

编辑: Jane C