今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于超表面的具有三角函数拓扑荷的完美涡旋光束，一种用于振动驱动的多极磁致弹性体，通过磁可调双稳态单元的可编程机械器件等敬请期待！
索引：
1.无序对高阶拓扑绝缘体中Thouless泵浦的影响
2.基于超表面的具有三角函数拓扑荷的完美涡旋光束
3.一种用于振动驱动的多极磁致弹性体
4.通过磁可调双稳态单元的可编程机械器件
5.反铁磁绝缘体中由超快自旋声子相互作用引发的相干太赫兹磁子发射
6.基于折纸的集成机器人，可感知、决策和响应
1.无序对高阶拓扑绝缘体中Thouless泵浦的影响
Thouless电荷泵浦是由Thouless在1983年提出的，其最初是一维系统中的一种动态拓扑效应，是理解量子系统拓扑的最简单表现之一，其中量子化电荷输运揭示了体中的极化和边界处电荷之间的对应关系，即所谓的体-边对应关系。最近，随着高阶拓扑绝缘体(HOTIs)被提出，高阶Thouless电荷泵浦也被提出并研究，它可以用来揭示这种非常规的体-边对应。无序在真实材料中无处不在，其可以诱导安德森局域化和拓扑安德森绝缘体的非平凡相互作用，进而在量子输运中发挥着重要作用。近年来，许多人致力于理解传统Thouless泵浦中量子电荷输运对无序的鲁棒性，其中量子电荷输运的分解与离域-定域跃迁有关，后者与拓扑跃迁一致。目前，无序诱导的高阶拓扑泵浦已经得到了比较充分的探索，但是无序对高阶拓扑绝缘体中Thouless泵浦的影响方面的研究还比较匮乏。
近期，北京师范大学的章梅教授课题组和华南理工大学的刘涛教授课题组合作，研究了高阶拓扑绝缘体中Thouless泵浦对抗无序的拓扑相变和离域-定域特性。研究在周期驱动下的非相互作用费米子Benalcazar–Bernevig–Hughes (BBH)模型中引入随机无序，其中在一个拓扑驱动周期内通过每个角的量子化角-角电荷传输与四个高阶Zak相联系，并以高阶Zak相的缠绕(即陈数)为特征。结果表明，这种无序导致拓扑相变由Thouless泵浦向平凡泵浦转变，值得注意的是，高阶Thouless泵浦电荷输运在弱无序的局部瞬时本征态下仍然存在。通过分析逆参与比，研究还发现从量子化电荷输运到拓扑平凡泵浦的相变伴随着受无序诱导的Floquet态离域-定域跃迁。相关研究发表在《Physical Review B》上。（刘梦洋）
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2.基于超表面的具有三角函数拓扑荷的完美涡旋光束
类似于流体动力学涡旋，光学中也具有螺旋波阵面的光涡旋。光涡旋被证明可以携带轨道角动量，光涡旋的这个性质产生了光操纵、光通信以及量子信息处理等一系列应用。然而，典型的涡旋光束具有与拓扑荷高度相关的环形强度模式，这限制了它们在更多场合下的应用潜力。为了解决这个问题，人们提出了完美涡旋光束的概念，其具有独立于拓扑荷的强度模式。传统的产生完美涡旋光需要复杂的光学设备系统，而超表面为简化完美涡旋光的产生提供了可能。
近日，江南大学王继成副教授团队，设计了一种基于全电介质的几何超表面，通过将拓扑荷转换为方向角的三角函数来调整螺旋相位分布，以此产生具有正弦函数拓扑荷的完美涡旋光束。此外，该工作还计算了产生的涡旋光束的轨道角动量和光学梯度力，进一步证明了正弦函数拓扑荷涡旋光在粒子操纵中的潜力。另外，通过三角函数变换，还能产生更多具有其他拓扑荷的完美涡旋光，这扩展了对涡旋光调控的自由度，为基于涡旋光的粒子操纵以及高速光通信提供了可能。相关工作发表在《Optics Letters》上。（刘帅）
文章链接：
Bolun Zhang, Zhengda Hu, JingjingWu, Jicheng Wang, et al. Metasurface-based perfect vortex beams with trigonometric-function topological charge for OAM manipulation [J]. Optics Letters.
https://doi.org/10.1364/OL.488701
3.一种用于振动驱动的多极磁致弹性体
混合磁性材料，如铁磁流体、磁流变流体和磁弹性体，因为其流变和机械特性受到磁场的影响而变化备受科学界的关注。其中磁致活性弹性体（MAE）由嵌入的磁性颗粒和弹性载体基质组成。通过磁场的作用，这些材料的机械和流变性质可以被有效地控制和调节，因此MAE在软体机器人、致动器、传感器、振动减震器等领域具有广泛的应用前景。
近日，伊尔默瑙工业大学Marius Reiche团队研发了一种磁致弹性体驱动器，它将弹性和磁性相结合，可以对磁场变化做出明显的响应。该弹性体具有三个磁极，相关实验表明多极弹性体在均匀磁场中准静态弯曲。理论模型利用磁力矩来描述磁场诱导弹性体弯曲的形状。使用交变磁场源的磁驱动方式，实现了两个弹性毛刷机器人原型的单向运动，其运动原理是基于弹性体磁场诱导的弯曲振动所引起的非对称摩擦力和惯性力的循环相互作用，运动过程中驱动器的推进速度对磁驱动的频率有很强的共振依赖性。这类智能材料和仿生运动系统的研究将为实现更加高效、柔性和智能化的机器人和机械设备提供新的途径。相关成果以‘A Multipole Magnetoactive Elastomer for Vibration-Driven Locomotion’发表在《Soft Robotics》上。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1089/soro.2022.0106
4.通过磁可调双稳态单元的可编程机械器件
双稳态结构在经历机械不稳定性后达到第二个稳定状态的性质，作为改善软器件和软体机器人中的行为和增加功能的一种方法，近年来受到了广泛的关注。双稳态结构被用作构件的另一条应用途径是利用过渡波在软弹性介质中传播机械信号。过渡波是两个不同阶段的区域之间的界面传播，因为组成单元依次从一个稳定状态“过渡”到另一个稳定状态。也被称为拓扑孤子的传播，过渡波可以被认为是以结构单元的拓扑变化形式的孤子脉冲的运动。在柔性超构材料中看到的各种类型的孤子（弹性矢量孤子、稀疏孤子）中，过渡波由于其输入不变的传播特性所产生的高鲁棒性而备受青睐。然而，过渡波的特性，以及其组成的双稳态单元的特性，是很难编程或动态调谐的。虽然双稳态机构通过其材料和设计变量的变化表现出了较高的可调性，但在运行过程中缺乏动态修改其属性的选择。
近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院和土耳其科奇大学Metin Sitti教授团队通过将磁性活性微粒分散在双稳态单元结构中，并使用外部磁场来调节它们的响应。通过实验演示和数值验证了不同类型的双稳态单元在变化磁场下响应的可预测和确定性控制。此外，还展示了这种方法如何被用来诱导内在单稳态结构中的双稳态，只需将它们放在一个受控的磁场中。文中展示了这一策略在精确控制过渡波的特征（如速度和方向）方面的应用，这些过渡波在一个由单个双稳态单元级联而成的多稳态网格中传播。并且这种策略还可以实现有源单元，如晶体管（由磁场控制的门）或磁可重构的功能单元，如二进制逻辑门，用于处理机械信号。该策略旨在提供所需的编程和调优功能，以便更广泛地利用具有潜在功能的软系统中的机械不稳定性，如软体机器人运动、传感和触发单元、机械计算和可重构器件。相关研究发表在《Proc Natl Acad Sci U S A》上。（徐锐）
文章链接：
A. Pal, M. Sitti. Programmable mechanical devices through magnetically tunable bistable elements[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2023, 120: e2212489120.
https://doi.org/10.1073/pnas.2212489120
5.反铁磁绝缘体中由超快自旋声子相互作用引发的相干太赫兹磁子发射
反铁磁材料（AFM）因对外部磁场不敏感、没有杂散场、且磁子模态频率能达到太赫兹(THz)量级，其与铁磁材料相比，是超快自旋电子器件的主要候选材料，反铁磁自旋电子学也因此成为了近年来一个重要的研究领域。目前已经有工作利用皮秒光激发编写AFM的铁磁记忆态，以及在AFM中使用自旋泵浦实现窄带亚太赫兹探测。除了直接光学激励外，自旋电子学的另一个应用是基于自旋电子的宽带太赫兹发射。在这方面，最近的一项工作观察到AFM薄膜中由非谐振光学扭矩触发的宽带太赫兹发射，证明了利用AFM材料开发太赫兹自旋电子发射器的可能。因此，为了使自旋电子太赫兹发射完全功能化，如何相干地操纵AFM的自旋动力学成为当下研究的热点。目前已有的研究表明，反铁磁体的自旋轨道扭矩常与主要的热磁弹性过程存在竞争关系，且热驱动应变梯度可以用来重新定向反铁磁畴。因此，动态应变可作为一种控制AFM反铁磁态的开关，利用超快应变梯度生成太赫兹磁振子，以实现交换相互作用的时间依赖性调制。
近日，巴黎文理研究大学Romain Lebrun课题组在NiO/Pt双分子层中发现了以1THz为中心的窄带相干太赫兹磁子和宽带非相干太赫兹磁子的联合产生。该工作通过飞秒近红外激光加热金属层产生超快应变脉冲，实验证明了NiO/Pt中自旋动力学的两个激发过程:在(111)取向薄膜中产生的非共振瞬态光自旋相互作用，以及在(001)取向薄膜中由超快Pt激发产生的应变波诱导的太赫兹发射，即声子-自旋相互作用。这两种过程都导致AFM材料在相邻的重金属层中通过逆自旋霍尔效应发射太赫兹信号。该工作还指出了两个激发过程的特征时间分别为50 fs和 300 fs，为基于反铁磁材料在快速光自旋电子器件上的应用提供了有力的实验和理论支持。相关工作发表在《NatureCommunications》上。（侯玥盈）
文章链接：
Rongione, E., et al. "Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin–phonon interactions." Nature Communications 14.1 (2023): 1818.
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37509-6
6.基于折纸的集成机器人，可感知、决策和响应
折纸机器人是通过基于折叠的过程创建的自主机器，这种折叠策略赋予了折纸机器人相对于传统刚性和笨重机器人的优势，如快速成型、高比强度、柔顺性等。然而，几乎所有的折纸机器人仍然依赖于基于刚性半导体的电子器件和辅助传感器进行传感、控制和驱动，以实现与环境的自主交互。这种对刚性半导体电子的依赖往往限制了折纸机器人的潜力。装备外部基于半导体的电子器件需要系统集成，从而增加了机器人的复杂性和重量。这些缺点主要来自于机电界面中不期望的信息传输。在研究将智能材料集成到折纸结构和机制中以实现所需功能的可行性方面，人们做出了越来越多的努力，包括传感、计算、通信和驱动。然而，构建集成的自主折纸机器人系统仍然非常具有挑战性，主要原因是缺乏合适的计算元素，可以与可用的传感和驱动部件进行接口。建筑构件的高电阻或能量损失以及当前计算架构的复杂制造也是造成这一挑战的部分原因。
近日，美国加州大学洛杉矶分校Wenzhong Yan团队介绍了一种集成的基于折纸的过程，通过在柔顺的导电材料中嵌入传感、计算和驱动来创建自主机器人。通过结合柔性双稳态机构和导电热人工肌肉，实现了折纸多路复用开关，并将其构建为生成数字逻辑门、存储器位，从而集成自主折纸机器人。文章展示了一个捕获“活猎物”的仿捕蝇草机器人，一个避开障碍物的无约束爬行器，以及一个以可重新编程的轨迹移动的轮式车辆。该方法为系统复杂度低、成本低、重量轻、对不利环境因素鲁棒性强的自主折纸机（例如磁场、射频信号、静电放电、机械形变等）开辟了新的设计空间。这项工作是实现高度集成和健壮的无约束折纸机器人以及智能机器的重要一步。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
W. Yan, S. Li, M. Deguchi, et al. Origami-based integration of robots that sense, decide, and respond[J]. Nature Communications, 2023, 14(1).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37158-9
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