今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及具有边界零点的莫特绝缘体，用于高效机械记忆存储的磁极驱动剪纸超结构，通过生成模型统一设计空间并优化线性和非线性桁架超材料等,敬请期待！
索引：
1 具有边界零点的莫特绝缘体
物理系统中拓扑序的理论描述沿着能带理论和量子场论双线发展。前者基于单粒子哈密顿量，为拓扑不变量的起源提供了清晰的解释，但仅限于弱相互作用微扰理论领域。后者利用格林函数的形式涵盖了更广泛的相，例如拓扑莫特绝缘体，但代价是更高的理论复杂性和更大的计算量。拓扑场论为由强电子-电子相互作用驱动的物质非平凡相的表征打开了大门。莫特绝缘体的特点是通过相互作用驱动能隙打开，而不会破坏底层对称性或长程有序性。尽管一些重要的拓扑莫特绝缘体的示例已被构建，但底层非相互作用的能带拓扑与莫特相物理之间的关联仍然未被探索。
近日，维尔茨堡大学的G. Sangiovanni教授团队发现了格林函数零点的动量结构可以为单粒子电子色散相关的莫特相提供拓扑表征。对零点的考虑导致了一些新现象的预测：具有体零点反转能隙的拓扑莫特绝缘体必须在边界处具有无能隙的零点，其行为类似于一种“拓扑反物质”，湮灭传统的边界态。将能带和莫特拓扑绝缘体联系起来会在界面上产生独特的可观测特征，揭示了在光谱上难以捉摸的格林函数零点。相关工作发表于期刊《Nature Communications》上。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42773-7
2 具有超低矫顽力场的铁电Hf(Zr)1+xO2电容器中的稳定菱面体相
基于氧化铪的铁电材料是下一代纳米级器件的有希望的候选者，因为它们能够集成到硅电子器件中。然而，萤石结构氧化物铁电器件固有的高矫顽力场导致其工作电压不相容，其耐久性能受到限制。研究团队发现了一种富含铪锆[Hf(Zr)]的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容菱面体铁电Hf(Zr)1+xO2材料。x射线衍射结合扫描透射电镜显示，多余的Hf(Zr)原子嵌入在空心位点内。研究团队发现插入原子扩展了晶格，增加了面内和面外应力，从而稳定了菱形相(r相)及其铁电性质。铁电器件基于r相Hf(Zr)1+xO2，具有超低的矫顽力场(~0.65兆伏特/厘米)。此外，研究团队还实现了在饱和极化下超过1012次的高续航时间。这一材料的发现可能有助于实现低成本和长寿命的存储芯片。
近期，中国科学院微电子所刘明院士、罗庆研究员研究团队和中国科学院物理研究所杜世萱研究员研究团队合作，报道了一种r相铁电Hf(Zr)1+xO2薄膜。所提出的基态r相铁电Hf(Zr)1+xO2薄膜解决了o相铁电HfO2固有的高Ec问题。此外，这些r相Hf(Zr)1+xO2铁电薄膜是cmos兼容的。过量的Hf(Zr)原子使Hf(Zr)1+xO2晶格膨胀，产生更大的面内和面外应力，更有利于稳定铁电性能。由于Hf包埋在HfO2中，得到了一个超低矫顽力场，降低了r相开关势垒和偶极子诱导的宽畴壁的扩散。该铁电Hf(Zr)1+xO2电容器具有良好的耐久性。因此，r相Hf(Zr)1+xO2铁电薄膜的发现可能有助于实现低成本和长寿命的存储芯片。相关研究成果以“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field”为题发表在《Science》上。(郑佳慧)
文章链接：
DOI: 10.1126/science.adf6137
3 用于高效机械记忆存储的磁极驱动剪纸超结构
力学超构材料结合了机械智能（突弹跳变的不稳定性、双/多稳定性、拓扑可编程性等）和/或材料智能（与热/电/磁等驱动材料相结合，包括液晶弹性体、形状记忆合金/聚合物、铁磁材料、水凝胶、介电材料）。实现了可调和（再）可编程的机械特性、变形目标形状、模仿电路、执行逻辑运算、加密/处理简单信息、感知/截获外部环境条件，充当多功能机器人结构平台。鉴于双稳态结构中“0”和“1”存储位与第一和第二稳定变形状态之间的等价性，力学超结构最近已被构建为机械记忆存储器件。与传统的电子存储器件相比，基于力学超结构的存储器件可以很好地避免外部物理/化学干扰造成的损坏，更重要的是可以防止破坏性电磁入侵造成的故障。然而，现有的力学超结构存储器要么存储能力有限（存储位数较少），要么容易被中断，无法保持存储信息足够的机械稳定性（即阻力较小，无法抵抗剧烈振动、摇晃、拉伸或压缩等外部干扰）。
近日，太原理工大学辛立彪、李志强教授联合美国北卡罗来纳州立大学Yanbin Li教授构建了具有梯度结构参数的简单、可3D打印多层圆柱形剪纸模块来解决结构智能问题，并提出了一种高效机械存储器件，它能稳健地存储比以往设计指数级增加的信息比特。所提出的机械存储器件有望增强信息存储能力，这主要依赖于两个机制：1）梯度结构参数使剪纸模块的变形序列得以实现，这带来了额外的自由度，打破了传统机械存储器件只有平面形式的局限，使信息比特具有空间组合可编程性；2）所构建的机械存储器件中圆柱形剪纸单元阵列之间的变形独立性组合。特别是，通过在单元中添加引入磁性“N-S”极，在机械存储器件中实现了结构稳定性和所需的结构鲁棒性，从而保护存储的信息免受机械挤压、冲击和/或振动等干扰。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
L. Xin, Y. Li, B. Wang, et al. Magnetic Poles Enabled Kirigami Meta‐Structure for High‐Efficiency Mechanical Memory Storage[J]. Advanced Functional Materials, 2023.
https://doi.org/10.1002/adfm.202310969
4 面向实际应用的工程剪纸框架
剪纸是一种富有创意的艺术，可追溯到几千年前纸张首次发明的时候，现已发展成为创造超构材料的强大平台。其基本原则是通过合理的穿孔切口将功能嵌入到平坦的薄片中。在薄片材料中引入一系列设计的切口从根本上改变了其拓扑结构，与原始薄片相比，导致变形机制发生显着变化。剪纸结构的变形机制可能会因多种因素而显着变化，包括切割图案的几何形状、所涉及材料的尺寸以及所应用的边界条件。基于这些设计参数定制机械性能的能力使得剪纸成为一种高度通用且有前途的工具，可以设计具有所需特性和应用的材料。人们付出了大量努力来研究和优化剪纸设计，旨在充分发挥其在软体机器人、柔性电子、医疗器件和能源存储等不同领域的潜力。尽管近些年来也进行了这些富有洞察力的研究，但在剪纸原理的实际应用以满足现实世界挑战的需求方面仍然存在差距。除了实现所需的功能（如增强的拉伸性、目标形状转换和定制的表面形貌）之外，还必须考虑一系列现实因素，包括不受控制甚至恶劣环境下的稳健性、制造过程中的可扩展性和可重复性，以及追求现实世界应用的通用设计方法。
近日，美国宾夕法尼亚大学杨澍教授团队发表综述文章，重点关注如何有效地应用剪纸原则来应对现实世界的挑战。在剪纸的基本机制与其独特特性之间建立联系，激发创新剪纸启发的超构材料的发现，并强调实际部署，激励研究界应对现实世界问题带来的挑战。剪纸结构的变形可能很复杂，然而，它们主要依赖于三种基本机制：屈曲引起的变形、旋转单元机制以及切割和折叠的协同作用。总的来说，这些机制赋予剪纸独特的特性。在这篇综述中，首先介绍了各种剪纸设计固有的基本变形机制，并解释了剪纸不断改进的特性背后的基本物理原理。然后，概述了剪纸源于合理设计的剪裁的独特属性，说明了如何利用每种属性来促进不同领域的进步。最后，文章提供了对推进剪纸启发的超构材料以应对现实世界挑战的挑战和前景的见解。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
L. Jin, S. Yang. Engineering Kirigami Frameworks Toward Real-World Applications[J]. Adv Mater, 2023: e2308560.
https://doi.org/10.1002/adma.202308560
5 通过生成模型统一设计空间并优化线性和非线性桁架超材料
机器学习的兴起推动了新材料的发现，尤其是超材料——桁架晶格是其中最突出的一类。虽然研究人员对它们的可定制特性进行了广泛探索，但由于巨大、离散的设计空间和缺乏全面的参数化，基于桁架的超材料的设计仍然受到高度限制，并且常常是启发式的。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院的Kochmann团队和荷兰代尔夫特理工大学的Kumar团队合作，提出了一个基于图的深度学习生成框架，它结合了变分自动编码器和属性预测器，以构建覆盖大量桁架的简化的连续潜在表示。这种统一的潜在空间允许通过简单的操作（例如，遍历潜在空间或在结构之间进行插值）快速生成新设计。研究人员进一步展示了桁架逆向设计的优化框架，在线性和非线性状态下具有定制的机械性能，包括表现出异常刚性、拉胀、类五模态和定制非线性行为的设计。该生成模型可以预测具有超出训练领域的极端目标属性的可制造（且违反直觉）设计。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42068-x
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