超材料前沿研究一周精选2023年10月16日-2023年10月22日

外尔半金属和它们的经典类似物在三维动量空间中具有二重线性能带交叉，称为外尔点，类似于二维动量空间中的狄拉克点。这些外尔点作为贝里通量的单极子，携带由陈数定义的拓扑手性电荷。高阶外尔半金属是最近预测的拓扑相家族，同时展示了从外尔点导出的非常规性质，如手性异常和源自高阶拓扑的多维拓扑现象。高阶外尔半金属相及其由量子化偶极或四极体极化产生的高阶拓扑结构已在声子和电路中得到证明。然而，由于对大多数光子系统，特别是三维光子系统进行离散建模的固有挑战，光子学中的高阶外尔半金属相在理论和实验上仍然是未知的领域。                   

近日，北京理工大学余智明教授与浙江大学陈红胜教授和杨怡豪百人计划研究员团队，成功实现了理想的实高阶外尔光子晶体，它同时表现出一维铰链费米弧、二维表面费米弧和二维浮动表面态，分别源自非平凡的广义实陈数、陈数和Zak相。边界态的不同拓扑起源为在单个可集成的三维光子晶体中稳健地操纵光的流动和创建包括二维表面和一维铰链在内的多个维度的光子器件铺平了道路。此外，我们的工作还为charge-2的三维狄拉克点和具有消失手性电荷的二维节点表面提供了实验证据，这两种情况以前都没有在光子学中实现。最后，该发现拓宽了我们对高阶外尔半金属和Stiefel-Whitney类拓扑相的理解，并建立了一个理想的光子平台来探索奇异的物理现象，例如手性异常，赝规范场和分数电荷。（刘帅）相关工作发表在《Nature Communications》上。

磁子是自旋波的量子，来自于有序磁体的集体激发。最近基于磁子的自旋电子学由于其独特的优势，引起了极大的兴趣。磁子携带自旋角动量，因此它们可以从自旋织构（比如反铁磁体）中感受到有效的洛伦兹力，从而产生拓扑磁子霍尔效应，其来源于将非共线磁织构转变为共线态时的规范场。非线性霍尔效应也引起了人们的广泛关注。其具体来说，是在时间逆不变系统中，动量空间拓扑(如贝利曲率偶极子)诱导的霍尔电流对外部刺激具有二阶(或高阶)响应。然而，与之对应的由实空间拓扑引起的非线性响应目前还没有报道。另外值得注意的是，在三波混频过程中，绝热几何相位的积累不仅会发生在入射波上，还可能发生在非线性波上。因此，人们预计在自旋织构非线性三磁子过程中产生的磁子也可能在常规规范场的作用下经历拓扑霍尔效应。

近期，电子科技大学的严鹏教授课题组从理论上研究了反铁磁体中极化磁子与磁斯格明子之间的非线性相互作用，揭示了隐藏在非线性磁子输运中的期待已久的规范场。通过研究传播磁子和呼吸斯格明子之间的三波混频，研究发现磁振子频率梳的每条非线性谱线都出现了巨大的霍尔角，并进一步发现通过改变入射磁子的手性，霍尔角的符号将被反转，称之为非线性拓扑磁子自旋霍尔效应。该课题与磁子的粒子数不守恒密切相关，因此适用于没有低能费米子对应物的一般玻色子，大大促进了对非线性霍尔效应的认识，并为利用频率梳探测规范场铺平了道路。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（刘梦洋）

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能带结构中的简并通常具备有趣的拓扑性质。例如，在三维（3D）厄米系统中点简并（例如：Dirac、Weyl或三重简并点）是Berry通量的单极子。简并可以形成连续的几何形状，例如，具有环、链节和链条等复杂结构的节点线。节点表面也已被证明携带拓扑电荷。最近发现的非厄米特性进一步丰富了能带拓扑的多样性。这在一定程度上是由于非厄米能带占据了复平面，使得能量本身可以表现出拓扑缠绕行为，导致在波函数拓扑下面有一层额外的“能谱拓扑”，从而产生趋肤效应和能谱扭结。被称为奇异点（EP）的非厄米简并具有拓扑性质，可通过能谱缠绕组数来表征。大多数研究集中于由两个合并状态形成的 EP，其中一个是有缺陷的，即有缺陷的 2 阶 EP。类似于厄米简并性，它们也可以形成节点结构，例如环、线、链节和链条以及表面。当三个或更多状态合并时形成高阶 EP，其中两个或更多状态有缺陷。尽管它们的实现在多个实验中都有报道，但它们的稳定存在需要参数空间中更大的自由度或更高水平的对称性。

近日，复旦大学的丁鲲研究员和香港浸会大学的马冠聪教授联合团队报道了在三维周期合成动量空间中完全嵌入2阶异常表面（ES2）的3阶异常线（EL3）的实验实现。EL3和伴随的ES2，以及内部空间的拓扑，无法通过主流的拓扑表征方法来评估它们在特征值流形中的拓扑。使用一个与哈密顿量的结果相关的缠绕组数。该合成缠绕组数可以选择为仅检测EL3，而忽略ES2，从而能够判断EL3携带的拓扑电流，这能够预测其在扰动下的演变。进一步揭示了结果的交集多重性和结果场在EP周围缠绕之间的联系，并推广了检测和拓扑表征高阶EP的方法。该工作举例说明了高阶异常几何的前所未有的拓扑，并可能启发新的非厄米拓扑应用。相关工作发表在《Nature Communications》上。（金梦成）

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-42414-z

硫属化合物是探索中远红外非线性光学(NLO)材料的有希望的候选者。然而，尽管碲化物在上述光谱区域具有更大的优势，但关于碲化NLO材料的报道远远少于关于硫化物和硒化物的报道。在这项工作中，发现了一种新的四元nlo活性碲化物KCd₄Ga₅Te₁₂，并成功地合成了它的Rb和Cs类似物。它们在三角形R3空间群中结晶，结构特征是由沿c轴堆叠的顶点共享的不对称MTe4四面体(以无序Cd和Ga为中心)构建的3D类金刚石框架。此外，还对其红外NLO性能、光致发光性能和结构特征进行了全面的研究。在粒径为20 ~ 50 (125 ~ 150)μm的范围内，这些化合物具有较大的粉末二次谐波产生(SHG)强度，约为AgGaSe2的2.1(2.7,4.4)倍，透射范围宽(~ 25μm)。shg -密度分析表明，KCd₄Ga₅Te₁₂的最大成分χ333(2)来源于晶体结构中的三种Te。更重要的是，文献中很少证明使用超软赝势和范数守恒赝势计算的线性和NLO性质的一致性。此外，标题化合物在298 K下也表现出420 nm和470 nm左右的强发光。本研究表明，标题化合物在红外光谱NLO中具有广阔的应用前景。  

在技术进步需求不断增加和现代激光设备进步的激励下，非线性光学(NLO)材料通过变频技术可以产生所需的相干光，被广泛应用于遥感、电子医疗、大气探测、激光通信等领域。近期，中国科学院理化技术研究所姚吉勇研究员研究团队和台湾淡江大学 Ming-Hsien Lee 研究团队合作，通过高正电性的碱金属取代 AgGaTe₂ 结构中的Ag⁺ 来扩展带隙，并将具有灵活配位和热致变色能力的 Cd²⁺ 引入其中来调节性能，成功发现一个新的具有四元类金刚石结构的碲酸盐化合物 KCd₄Ga₅Te₁₂。相关研究成果以“ACd₄Ga₅Te₁₂ (A = K, Rb, Cs): tellurides with a strong nonlinear optical response and purple emission”为题发表在《Chemistry of Materials》上。（郑佳慧）

可重构、多功能的可编程软材料已成为制造智能自适应器件、软体机器人和软机器的理想候选材料。目前，实现可编程系统的一种可行方法是使用力学超构材料，它们已显示出强大的能力，可实现各种奇特的物理特性，如可编程变形、负泊松比和交变泊松比、可调应力应变曲线和可调冲击能量吸收。然而，这些表现出来的特性往往是在设计阶段专门编程的，无法在制造后重新编程以适应一系列任务。另外，还有其他方法整合了形状记忆聚合物（SMPs）、液晶弹性体（LCEs）、磁流变（MR）流体和相变材料等刺激响应型智能材料，以提供具有更多样化现场可编程功能的超构材料。这些可重构的力学超构材料可以在外部刺激下改变其物理特性，如形状、曲率和刚度。然而，由于智能材料固有的稳定物理状态有限，它们在不同情况下的力学性能通常仍然有限，需要对功能进行战略性的及时调整。因此，在实践中，如何实时、定性和定量地实现软性可编程材料的各种物理特性仍然是一项挑战。

近日，韩国蔚山科学技术院Jiyun Kim教授团队介绍了一种可编码的数字力学超构材料，它能在单个超构材料系统中就地提供各种力学性能的梯度可调性，如变形和记忆、应力应变响应以及压缩载荷下的泊松比。受二进制语言系统的启发，利用可就地编码为“0”（硬）和“1”（软）的刚度可调像素，将（i×j）像素的数字化刚度模式信息转化为（2i×j）可能的机械信息。为了进一步实现如此广泛的可编程性，开发了数字力学超构材料复合材料，将弹性体内骨骼的弹性不稳定行为与椭圆孔的周期性阵列和嵌入低熔点合金（LMPA）像素的相变协同结合起来。这些LMPA像素具有两种截然不同的硬度状态（液态或固态），可赋予像素的每种数字状态以独特的效果。最后，通过在每个像素中集成加热器来主动控制LMPA的相变，实现可逆性。对不同的刚度模式进行编码，该超构材料可以以可编程和连贯的方式实现多种多样且逐渐可调的力学性能。以及局部刚度调整可用于全局力学特性和作为一种可调节、可重复使用的能量吸收材料。这种数字力学超构材料能为创造软体机器人和机器铺平道路，这些机器人和机器能动态适应周围环境，并在非结构化环境中有效运行。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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