今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及任意涡旋场经声学超表面的非对称转换，kagome晶格中的非厄米拓扑相和趋肤效应，二维倒易晶格中几何依赖趋肤效应的实验实现等敬请期待！
索引：
1 任意涡旋场经声学超表面的非对称转换
近年来，超材料和超表面的快速发展为光学、声学、电磁学等领域的非对称传输与操纵相关研究提供了前所未有的可能。非对称传输的概念源于电子二极管的单向传播特性，通过打破时间反演对称性的声学二极管相关研究迅速推广到声学乃至各个领域，并引起了广泛的研究。如今，拓扑绝缘体、光子晶体、非线性材料和超表面都已成为研究波的非对称功能性的常见手段。然而，在这些非对称现象的研究中，大多数工作集中在自由度较低的平面波场。关于携带轨道角动量(OAM)的二维涡旋波的非对称现象的研究报道则很少，这限制了非对称效应在各种复杂波场的适用性。
近日，来自新加坡国立大学仇成伟教授团队与厦门大学陈焕阳教授团队合作，设计并展示了一种平面声学超表面(AM)，通过将相同的涡流源放置在超表面上下表面的不同焦点上，可以实现具有任意轨道角动量(OAM)的涡流场向不同平面波的非对称转换。这种非对称效应是由涡旋波的空间不对称性造成的，AM通过相位的方向补偿实现了两种波的转换。研究团队通过数值模拟和声学实验手段对这一非对称现象进行了验证，并定性定量地确定了平面波转换的偏转角。这项工作提供并验证了产生较大OAM的二维声涡旋波的一般方法，丰富了声波物理的研究体系，在粒子操纵、水声通信和基于OAM的器件研究中具有潜在的应用前景。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。(李治含)
文章链接：
Zhanlei Hao, Haojie Chen, Yuhang Yin, Chengwei Qiu, Shan Zhu, Huanyang Chen; Asymmetric conversion of arbitrary vortex fields via acoustic metasurface. Appl. Phys. Lett. 13 November 2023; 123 (20): 201702. https://doi.org/10.1063/5.0171813
2 kagome晶格中的非厄米拓扑相和趋肤效应
最近关于拓扑相扩展到非厄米、非线性、非欧几里得和量子光学系统的研究产生了超越传统拓扑物理学的有趣发现。在非厄米系统中，复能谱和非正交本征态等非常规特性丰富了能带和布洛赫态，同时对非厄米系统的表征提出了挑战。非厄米趋肤效应(NHSE) 的存在从根本上改变了非厄米系统中的体边界响应。这些机制和挑战使非厄米拓扑成为一个令人着迷的研究前沿。
近日，苏州大学的蒋建华教授团队研究了非厄米kagome模型中出现的具有非互易和纯虚数次近邻耦合的陈绝缘体相。在存在或不存在C₃ 旋转对称性的情况下，通过识别两个带隙内不同能量区域的角趋肤模式来探索混合拓扑趋肤效应。通过采用动力学分析，从与手性边界态相关的非厄米趋肤效应揭示了潜在的物理机制，从而确定了不同的非厄米体边界响应。这些kagome模型的简单性及其丰富的拓扑现象表明它们是研究非厄米拓扑相的有吸引力的候选者。本文还进一步讨论了这些模型在非厄米超材料中的可能实现形式。（刘帅）
相关工作发表在《Physical Review B》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.195126
3 二维倒易晶格中几何依赖趋肤效应的实验实现
非厄米自由度拓宽了哈密顿量的范围，与仅适用于封闭系统的厄米哈密顿量不同，非厄米哈密顿量可以用来描述开放系统。一个显著的区别是非厄米能谱位于复平面上，会产生谱环、点带隙以及有缺陷的能谱简并。这些奇异特征揭示了许多独特的现象，其中最突出的现象之一是非厄米趋肤效应（NHSE），它是指体模式向系统的开放边界塌缩。NHSE是通过研究一维非互易晶格发现的，其中布洛赫哈密顿量具有非互易能谱，即ω(k)≠ω(−k)，它已被一维和二维系统中的各种实验所证实。
最近的研究进一步表明，NHSE可以通过考虑对称性来丰富。例如，在一维晶格中，反常的时间反演对称性会导致Z2趋肤效应，其在周期性边界条件下的能谱是互易的，即ω(k)=ω(−k)。这种现象表明非互易或单向耦合对于NHSE并不总是必要的。扩展到二维系统，NHSE可以普遍出现在非互易和互易系统中。与非互易系统中的NHSE不同，晶格对称性和能谱互易性的组合导致趋肤模式局域于一般边界处，但在与晶胞线对称性匹配的边界处消失，即趋肤效应取决于晶格开边界的几何形状。这种几何依赖趋肤效应（GDSE）在大于一维的维度上扩展了NHSE的类别。它还强调了晶格对称性和宏观几何的关键作用，而这些在非互易NHSE中很大程度上被忽视。然而，迄今为止，该GDSE仍缺乏实验证实。
近日，复旦大学物理系、应用表面物理国家重点实验室、微纳光子结构教育部重点实验室的丁鲲教授与香港浸会大学物理系马冠聪教授团队合作，研究了一个遵循洛伦兹互易性并具有互易复能谱的二维模型，其非厄米性的唯一来源是原位增益和损耗。通过建立开放边界的几何形状和周期性能谱的缠绕行为之间的联系，他们发现这种系统中的趋肤效应仅发生在不平行于晶格原始向量的边界处。这种趋肤效应和几何依赖特性是使用有源机械晶格来实验实现的。此工作强调了互易性、对称性和宏观几何对维度大于1的 NHSE的重要作用，并为使用非厄米效应的波结构开辟了新途径。相关内容发表于《Physical Review Letters》上。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.207201
4 用于复合系统和机器人的视觉控制喷射技术
创造能像自然生物一样高适应的运作系统是一项长期的研究挑战。要在现实世界中部署这种刚性系统，必须在关键设计位置使用柔性单元。自然生物启发我们拓宽设计空间，在整个系统结构中引入软材料。最近开发的软硬混合系统已经可以在某些非结构化环境中超越刚性系统，适应未知情况并以安全的方式与生物体互动。此外，在系统中加入通道和空腔，以传输信号、电力或材料等。这些功能非常重要，但却难以复制。传统的工程系统由金属或硬质复合材料精密加工而成，由手工组装并经过繁琐的校准。尽管直接墨水书写（DIW）方法（弹性模量0.02-1600 MPa，分辨率>50 μm）支持一系列树脂粘度，但其尺寸与喷嘴数量成正比，且无法在体素级别上快速改变不同材料。传统的3D喷墨打印使用数千个可单独寻址的喷嘴来沉积低粘度树脂，然后进行机械平面化和UV光固化。在分辨率相当的情况下，喷墨沉积的逐层打印速度比其他逐行打印方法（如DIW或熔融长丝制造）快几个数量级。由于流量和喷嘴串扰的变化，喷墨沉积的墨量也会不同。因此，每个打印层都需要机械平面化，这就限制了可使用的柔软度和材料化学类型。
近日，美国麻省理工学院Wojciech Matusik教授和瑞士苏黎世联邦理工学院Robert K. Katzschmann教授提出了一种名为“视觉控制喷射”的喷墨沉积工艺，可以制造复杂的系统和机器人。通过这种方法，扫描系统可以捕捉3D打印几何图形，实现数字反馈回路，从而无需使用机械平面器。这种非接触式工艺使得能够使用连续固化的化学物质，从而打印出更多弹性模量材料。通过将这种打印材料与最先进的材料进行比较的标准化测试，可以看出材料性能的进步。直接制造了各种复杂的高分辨率复合材料系统和机器人：肌腱驱动手、气动行走机械手、模拟心脏泵和超构材料。这种方法为制造高分辨率、功能性多材料系统提供了一种自动化、可扩展、高通量的工艺。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）
文章链接：
T. J. K. Buchner, S. Rogler, S. Weirich, et al. Vision-controlled jetting for composite systems and robots[J]. Nature, 2023, 623(7987): 522-530.
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06684-3
5 可检测握力强度特性的人机交互超构材料计算多传感器
握力是一种重要的生物标志物，它与虚弱、衰老、心血管疾病发病率和死亡率等都有关系。除最大握力外，握力速度、握力冲量和由握力-时间曲线得出的疲劳率也是整体健康的重要指标。这些握力参数相辅相成，可以更全面地评估握力状况。目前，市售的弹簧式和液压式握力测量设备主要能够记录最大握力，而且通常不具备数据存储功能。相比之下，基于传感器技术的握力测量设备，无论是否在市场上销售，在与计算机集成后，都能采集实时握力值，并具有数据存储功能。然而，目前大多数商业或非商业握力测量设备主要评估等距握力，因此直接反映握力速度的能力有限。因此，需要对最大握力、握力速度和握力脉冲进行多重传感，以全面评估握力。生物医学测量设备结合了人机交互游戏，具有获取目标的触觉和视觉反馈功能，可提高用户的兴趣和积极性，并提高用户的依从性。在互动游戏的辅助下进行握力测量，有可能改善神经退行性疾病患者的认知能力。要监测和改善健康人和患者的手部握力特性，需要开发一种可靠、轻便、免维护、交互式和多传感的设备。
近日，上海交通大学谭婷教授团队揭示了软屈曲超构材料变形与内置压电信号之间的关系，从而实现对最大握力、握持速度、握持冲量和耐力指标的多重传感。超构材料计算传感器的设计由支配机械特征的超弹性模型、计算传感的机器学习模型和提供视觉提示的图形用户界面组成。对七名校园老年工作者的左右手进行了示范性握力测量。通过将握力状态指标作为输入参数，将人机互动游戏纳入计算传感器，以提高用户对测量协议的依从性。两名老年女性精神分裂症患者参与了实时交互式护理点握力评估和训练，以进行潜在的肌肉疏松症筛查。这种先进的智能超构材料计算传感系统的诱人特性对于建立护理点生物力学平台和推进人机交互医疗保健至关重要，最终将为全球健康生态系统做出贡献。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Chen, T. Li, Z. Wang, et al. A Metamaterial Computational Multi-Sensor of Grip-Strength Properties with Point-of-Care Human-Computer Interaction[J]. Adv Sci (Weinh), 2023: e2304091.
https://doi.org/10.1002/advs.202304091
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