超材料前沿一周精选2023年6月5日——2023年6月11日

索引：

1、具有热激活性双面神超表面的定向太赫兹全息术

2、铌酸锂薄膜集成量子光学相位传感器

3、非线性光子时间晶体中的超光速k-带隙孤子

4、用于正交偏振双波长近红外激光器的掺杂Nd³⁺的La₂CaB₈O₁₆晶体

5、非厄米声子板中的可重构局域效应用

6、基于多稳态超流体的能量收集与存储

7、离散约束圆柱形充气块编程3D曲线

在过去的几十年中，超表面因其前所未有的操纵电磁波的能力而受到广泛关注。波的传播方向是一个重要的属性，它的多路复用赋予了超表面在两个非对称通道中的丰富功能。在激光技术、天线罩、全双工通信等实际应用中广泛存在对非对称波操纵的要求。然而，大多数现有的多功能超表面并没有利用这种设计自由度。近期，具有非对称传输特性的双面神超表面为多功能超表面发展提供了新思路和新方法，它利用电磁波传播方向这一固有特性实现双向电磁波功能灵活调控与复用。但是，如何实现双面神超表面的动态调控仍然尚待解决。

近日，南京大学吴培亨院士、金飚兵教授、吴敬波教授、陈克副教授团队与湖北大学何云斌教授团队合作，在多层金属结构中引入二氧化钒相变材料作为太赫兹波调控单元，并通过特定的空间序构策略，构建了可重构双面神超表面。这种超表面显示出热控可重构性和入射方向依赖性，可以实现聚焦、全息图像等电磁功能的双向、动态、独立操控。这项工作为双向动态调控超表面提供了一种通用设计方法，提升了电磁超表面的集成度，可以应用在电磁信息加密、数据存储、无线通信和全息术等方面。相关工作发表在《Light: Science & Applications》上。（刘帅）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01177-4

光量子噪声归因于来自相干光源的光子的随机到达时间，这从根本上限制了光学相位传感器的发展和应用。压缩态的工程源可以抑制这种光量子噪声，并允许相位检测灵敏度超过量子噪声极限（QNL）。我们迫切需要一种在可部署的量子传感器中使用量子光的方法来实现在QNL之外的测量。

近日，斯坦福大学的Amir H. Safavi-Naein教授团队提出了一种满足这些要求的薄膜铌酸锂的光子集成电路。利用二阶非线性产生与泵浦光相同频率的压缩态，实现光电电路控制和传感。使用26.2毫瓦的光功率，作者测量了（2.7 ± 0.2）%的压缩，并应用它来提高相位测量的信噪比。作者预计，像这样以低功率运行的光子系统，并在单个芯片上集成所有所需的功能，将为量子光学传感提供新的机会。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38246-6

光子时间晶体是一种电介质，其介电常数随时间周期调制，导致时间反射波和时间折射波干涉，产生与动量带和带隙（也称为k-带隙）相关的Floquet模式。光子时间晶体类似于一维空间光子晶体，其色散由介电常数的周期性变化决定，并且布洛赫模具有复杂的动量，使它们可以局域于空间。然而，空间光子晶体和光子时间晶体在很多方面有所不同。首先，在介质空间光子晶体中传播的波与空间晶格交换动量，从而保存能量。相比之下，光子时间晶体并不保存能量（调制打破了时间平移对称性），而是保持了动量。第二，空间光子晶体的间隙模的振幅总是在空间中衰减，而光子时间晶体的k-带隙中的Floquet模随时间呈指数增长（或衰减）。光子时间晶体的k-带隙模式与调制交换能量。光子时间晶体中的动量带隙（k-带隙）存在带隙孤子，类似于空间光子晶体中的带隙孤子。带隙孤子可以存在于非线性周期系统，如光纤光栅和带隙中的波导阵列等。空间光子晶体的带隙孤子继承了线性系统中与能带边缘相关的布洛赫模的一些特征；并且它们在零群速度下始终是静止的。

近日，以色列理工大学的Mordechai Segev教授团队提出了位于非线性光子时间晶体的动量带隙（k-带隙）中的超光速孤子。这些带隙孤子在空间中为平面波，而在时间上周期性地自构造波包。孤子产生于具有无限群速度的模态，引起超光速演化，这与位于零群速度的能隙处的类似布拉格带隙孤子边缘的平稳性质相反。通过引入一个截断的输入光束作为信号速度先驱的前兆，探索了这些k-隙孤子的快光脉冲传播，并发现k-隙孤子的超光速传播并不与爱因斯坦的狭义相对论相矛盾。时间调制和克尔非线性之间的相互作用导致了时间上的指数增长，直到达到一定的峰值，随后是一个衰减的强度分布，导致一个k-带隙孤子的形状，它在其时间宽度上总是有限的，虽然不稳定但最终了导致一列孤子。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.233801

基于Nd³⁺的激光晶体是全固态激光技术的关键增益介质之一。在此，通过研究结构和光学特性之间的关系，研究团队发现一种含La的硼酸盐，La₂CaB₈O₁₆，其稀土离子距离长于4.27埃，允许高的掺杂浓度，并表现出弱的荧光淬灭效应。首次采用顶部播种溶液生长法，生长出不同浓度的Nd³⁺掺杂的La₂CaB₈O₁₆晶体，具有大尺寸和高光学质量。测量了其光谱特征，表明在800 nm处有一个强吸收带，在1055 nm处有一个荧光带。此外，还实现了二极管泵浦正交极化双波长激光器在1052和1055纳米的工作，斜率效率为16.3%，输出功率为859毫瓦。这些结果表明，Nd³⁺掺杂的La₂CaB₈O₁₆晶体是一种有前途的激光增益介质，可用于1 μm激光器和可能产生的太赫兹辐射。

固体激光器已被广泛应用于科学研究、工业加工、通信、医疗、军事、天文学和其他领域，其中各种掺有稀土（RE）或过渡金属离子的晶体被用作关键增益介质。Nd³⁺离子是最广泛使用的活性离子，因为它具有各种能级转换。自20世纪60年代以来，大量优秀的Nd基激光晶体被研究和应用。近期，中国科学院理化技术研究所张国春研究员研究团队采用顶部籽晶法首次生长出不同 Nd³⁺ 掺杂浓度的 La₂CaB₈O₁₆ 晶体，实现了 1052 nm 和 1055 nm 的双波长正交偏振激光输出，相关研究成果以 “Nd³⁺-doped La₂CaB₈O₁₆crystals for orthogonally polarized dual-wavelength near-infrared lasers”为题发表在《Chemistry of Materials》上。（郑佳慧）

文章链接：

DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03533

非厄米结构是一种非保守系统，在扩展到光学、声学或力学等经典波动系统之前，首先在量子力学中进行了研究。它们表现出了一些有趣的现象，比如单向隐身、相干完美吸收等。最令人兴奋的发现之一是打破了传统的体-边界对应关系。趋肤效应是非厄米系统中最有意思的现象之一，它显示了在一维或高维结构的开放边界处的体模态，这种特殊的现象已经在不同的平台上得到了理论和实验的证明，比如光学、电路、声学系统。然而，只有少数研究探讨了弹性波系统中的非厄米趋肤效应。

近日，同济大学的金亚斌研究员团队演示了弹性波在含有压电元件的非厄米声子板中传播的趋肤效应。后者利用正压电效应和逆压电效应作为传感器和执行器。该演示是基于对复杂的非互易色散曲线的计算及其对二维空间中波矢量的任意方向的分析。因此，展示了有限方形结构不同边界和角的局域现象。此外，通过在方形结构的不同部位施加不同程度的非厄米性，表明局域特征可以出现在不同的位置和不同的形状。这些局域现象可以通过作用于非厄米参数来重新配置。该研究结果为在二维弹性系统中引入非厄米趋肤效应提供了一种反馈控制策略，在振动控制、能量收集和传感等领域具有潜在应用。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0152606

流体的热力学特性在许多工程应用中发挥着关键作用，特别是在能源方面。稳态胶囊悬浮的概念来自于多稳态力学超构材料。由一系列双稳态单元组成的多稳态超构材料是一类很有前途的力学超构材料。研究表明，与这些材料相关的高度非凸的能量景观提供了不寻常的行为，包括超弹性、机械存储、大的可逆变形和高效的耗散，这些在诸如软体机器人、减振、吸能、相变智能材料等工程应用中非常有用。为了在能量循环中使用多稳态超构材料，人们必须使其能够传输。这导致了多稳态超流体的概念，即人工悬浮液，包括标准流体和建筑学多稳态胶囊的混合物，以产生超出自然可用流体的特殊热力学性质。一般来说，不同的液体材料包括水、液晶和液态金属都可以用来实现超流超构材料。液体背景的大量选择（性质）与超构材料颗粒提供的可调性相结合，有望实现广泛的应用，从材料传感和生物检测到能量收集和成像。

近日，以色列理工学院Ofek Peretz团队提出构建一类新的流体，即具有多稳态热力学性质的人工流体。这种“超流体”的动力学被研究为包含在多稳态弹性胶囊中的可压缩气体在充满流体的管中流动的构型。通过分析和实验来研究多稳态可压缩超流体的速度场、压力场和温度场，重点研究不同平衡之间的转换。首先研究单个胶囊的动力学，由于流体力的作用，它可能移动或改变平衡态。然后研究了充液管道内多个胶囊的相互作用和运动。该研究证明了这样的系统可以在时间或空间上从外部温度变化中收集能量。因此，流体多稳态允许特定数量的能量在标准大气条件下被无限期地捕获和存储，并作为流体通过管道传输，而不需要热隔离。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

PERETZ O, ABU E B, ZIGELMAN A, et al. Multistable Metafluid Based Energy Harvesting and Storage[J]. Adv Mater, 2023: e2301483.

https://doi.org/10.1002/adma.202301483

充气系统具有假设复杂形状并与其环境自适应交互的潜力，使其成为下一代软体机器人、可展开结构和医疗器件的前沿。因此，对充气展开系统和其他形状变形系统的逆向设计，并求解实现这种变形所需的设计参数产生了极大的兴趣。很多高弹性模量的逆向设计充气模型降低了建模难度但限制了可实现的变形范围。由超弹性材料组成的充气材料可以容纳较大的应变，使其能够应用于需要剧烈形状变化或较大力的应用。超弹性充气系统通常在其表面安装刚性材料应变限制器以引导变形。这些模型假设整个系统的变形是均匀的，由充气的单个应变限制器引起的变形通常很小（<40%），平面和轴对称变形。类似地，曲率规格说明模型仅能对平面曲线进行编程，并且已经用单向扩展圆柱进行了演示。可膨胀成非均匀3D形态的可变形系统打开了更广阔的应用空间。有限元（FE）分析已被证明可以可靠地预测安装在离散应变限制器中的3D充气连续体的行为。有限元模拟最近被用于使用神经网络进行逆向设计，以产生膨胀到编程3D形貌的表面。尽管最近取得了一些进展，但仍缺乏3D离散约束充气展开的逆向设计模型，这成为在关键应用空间采用多功能软系统的瓶颈。

近日，美国耶鲁大学Robert Baines、Rebecca Kramer-Bottiglio和哈佛大学Katia Bertoldi团队提出了一种在充气条件下求解大量3D中心线曲线编程逆向问题的方法。该方法包括两个步骤：首先，一个降阶模型生成一个概念性解，给出未变形柱面充气上应变限制器的位置进行粗略的指示。这种低保真度的解决方案然后在优化循环内嵌套一个有限元模拟来进一步调整应变限制器参数。利用这个框架通过柱形充气器的先验程序化变形来实现功能，包括3D曲线匹配、自绑定打结和操纵。研究结果对新兴的充气系统的计算设计具有广泛的意义。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

BAINES R, PATIBALLA S K, GORISSEN B, et al. Programming 3D Curves with Discretely Constrained Cylindrical Inflatables[J]. Adv Mater, 2023: e2300535.

https://doi.org/10.1002/adma.202300535

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。