今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及无边带时空编码超表面天线，具有高效辐射通道的拓扑偏振奇点激光，微流控超声振动器等，敬请期待！
索引：
1.具有高效辐射通道的拓扑偏振奇点激光
2.用于成像超出衍射极限的磁性织构的洛伦兹电子照相技术
3.微流控超声振动器
4.声子诱导自旋退相干的第一性原理预测:凝聚态中的巨大自旋重整化
5.声学分形晶格中的高阶拓扑相
6.无边带时空编码超表面天线
7.切割工程：剪纸是如何实现独特的力学性能和功能的？
8.力学超构材料中隐式组合规则的机器学习
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具有高效辐射通道的拓扑偏振奇点激光
自Haldane和Raghu将能带拓扑理论引入到光子学领域起，具有量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应等不同拓扑相的各种光学系统已被深入研究。对光学来说，拓扑提供了强大的场调控能力并且具有鲁棒性的优点。并且光学系统中还可以引入非厄米相，产生更加独特的拓扑特性。此外，在自由空间中传播的结构光可以具有拓扑特征，例如相位奇点和偏振奇点。最近，连续域束缚态(BICs)和拓扑极化奇点联系在一起，这种泄漏的Bloch模式在其辐射场携带拓扑极化奇点时可以成为束缚态。作为一种实现鲁棒、高维、低阈值激光的新工具，BIC已被广泛应用于激光物理和器件设计领域。在光子晶体中，BIC可以以极高的面外品质因子来束缚光场，这种更高的品质因子可以用来制作单BIC模式激光。然而，由于材料的吸收和模式的泄露等的损耗导致已被报告的BIC激光器外部量子效率的低下。为了实现具有较高的外部量子效率的单模激光，这就需要一种能够精细调节辐射场的谐振控制机制。
近日，来自北京大学的马仁敏课题组提出了一种双辐射通道微腔调控机制，各辐射通道具有不同的拓扑偏振特性，并基于此机制实现了高外部量子效率的拓扑偏振奇点激光。拓扑偏振奇点激光的奇点通道，携带拓扑偏振奇点，不携带能量至光学远场；另一个为辐射通道，其辐射场不携带偏振奇点，为线性偏振。奇异通道的存在使得单模激光模式具有比其他模式更高的品质因子。同时，辐射通道的存在保证了具有高辐射效率的激光模式。拓扑偏振奇点在动量空间中的鲁棒性和可动性为精细调整质量因子提供了一种可控的方法，为实现各种规模的高性能激光器件提供了新的契机。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
文章链接：
Yun-Gang Sang et al. Topological polarization singular lasing with highly efficient radiation channel. Nature Communications (2022) 13:6485
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34307-4
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用于成像超出衍射极限的磁性织构的洛伦兹电子照相技术
具有交换阻挫磁系统中的纳米尺度拓扑自旋织构，如斯格明子(Skyrmions)和双半子(Bimerons)等自旋孤子表现出非平凡的拓扑和奇异动力学，引起研究学者们的极大兴趣。特别是磁斯格明子，作为自旋电子器件的高密度和节能信息载体，有望应用于下一代信息存储和逻辑技术器件中。常用的磁成像方法，如磁力显微镜(MFM)或X射线显微镜的极限分辨率约为10-20 nm，另外扫描隧道显微镜(STM)技术虽然可以提供亚纳米级的分辨率，但无法观测磁斯格明子的完整内部结构。基于洛伦兹电子显微镜的更高分辨率的方法，如洛伦兹透射电子显微镜(LTEM)或电子全息术，原则上可以达到10 nm以下的分辨率，并可以探测接近1 μm深度的块状结构。然而这些电子显微镜仍具有一定的局限性，例如由于LTEM中离焦照明的离域效应造成的分辨率。
近日，康奈尔大学David A. Muller研究团队提出了一种基于洛伦兹电镜的显微成像方案，通过计算相位检索方法，从4D电子衍射测量中获得相移，很好地校正光学畸变引起的图像畸变，提高了定量磁场测量的信噪比、分辨率和精度。该工作以FeGe单晶为研究对象，通过调整光学探针阻尼效应，实现了更精确的空间分辨率和灵敏度测量。可以直接观测单晶FeGe中靠近磁斯格明子中心区域、边界和位错附近的磁斯格明子内部结构。该研究工作建立了一种定量的、高分辨率的磁性显微镜技术，实现纳米尺度的自旋结构的直接观测，尤其是纳米磁体中的不连续磁化区域以及拓扑缺陷等。该工作提出的实空间磁成像技术为研究许多磁性材料和自旋电子器件中不同自旋织构的拓扑、动力学和奇点提供了独特的工具。相关工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（袁铭谦）
文章链接：
Z. Chen, E. Turgut, Y. Jiang, et al. Lorentz electron ptychography for imaging magnetic textures beyond the diffraction limit. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01224-y
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微流控超声振动器
利用共振超声场对粒子进行非接触操纵是一个快速发展的研究领域，在物理学、生物学、医学和化学领域受到越来越多的关注。当在声流装置中建立共振超声场时，悬浮在流体介质中的粒子的运动由两个主要的声力决定，即声辐射力（ARF）和声流（AS）引起的阻力。在许多情况下，ARF是粒子操纵的主要机制，而AS效应被视为一种干扰，因为它通常对ARF可以操纵的粒子大小设置了一个下限。ARF支持的多种粒子操纵，包括图案化、聚焦、分离和传输均已被证实。在建立共振超声场的超声粒子操纵装置中，粒子被驱动到辐射力势最小的位置。当空腔通过以刚好偏离共振的频率激励而失谐时，被捕获的粒子可以在其平衡位置附近执行自发振荡。与稳定悬浮相反，振荡运动被称为振荡不稳定性，这在半空中单轴声悬浮器中经常被观察到。目前人们广泛研究了微米粒子在空中声悬浮器中的声悬浮及其动力学，但对微尺度物体在微流体通道中的超声振荡的研究还很少。
近日，广东工业大学精密电子制造技术与装备国家重点实验室雷君君副教授团队报道了一种波驱动的微流体超声振荡器，它可以在微通道中稳定地捕获和振荡水中的微粒。微流体超声振动系统主要由一个微流体芯片和两个正交激励的压电换能器组成：一个用于创建辐射力势阱，用于三维捕获微粒，另一个用于产生失稳声场，以振动捕获的微粒。结果表明，两个频率不同但相近的驻波提供了一个振动力，可以反复扰动捕获的微粒并使其执行自发振荡。研究人员发现由两个声波驱动的微粒振荡的动力学行为等同于文献中广泛描述的受迫谐振子（即弹簧上的质量）。具体而言，在各种超声激励下的实验表明，稳定捕获的微粒的振荡频率由两个声波之间的频率差决定，振动幅度与频率差成反比，并受两个声波的压力幅度的影响。该微流体超声振荡器为在微尺度声流体系统中动态操纵单个微粒或簇打开了应用前景。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Junjun Lei et al. Microfluidic Ultrasonic Shaker.Physical Review Applied(2022).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.054013.
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声子诱导自旋退相干的第一性原理预测:凝聚态中的巨大自旋重整化
声子的自旋退相干效应是量子技术中需要解决的重要问题，不仅影响自旋输运，还极大地限制了量子器件种对信号可靠操纵。已有研究表明存在自旋轨道耦合(SOC)的声子诱导自旋退相干效应主要与电声子散射引起的自旋方向转变和自旋进动有关，分别被称为Elliott-Yafet (EY) 机制和Dyakonov-Perel (DP)机制。研究学者们通过分析系统中的准粒子展宽或者自旋系结的实时演化等方法，尝试提出一种同时涵盖以上两种机制的理论模型，以达到对实际材料中自旋退相干进行定量计算分析的目的。由于第一性原理计算是求解晶体中电-声子相互作用以及输运现象的成熟手段，因此利用多体方法结合密度泛函理论或相关第一性原理计算有望解决这一问题。
近日，北京理工大学Marco Bernardi研究团队采用自旋弛豫的多体理论，并基于第一性原理计算方法提出了一种可以统一EY机制以及DP机制的声子诱导自旋退相干计算模型。该模型能够准确预测半导体中的自旋弛豫时间和自旋进动，计算了自旋磁化率的电-声子顶点修正，还准确地计算出SOC和电-声子相互作用，类似于量子电动力学中反常电子磁矩的计算。结果显示声子诱导的重整化对固体中电子自旋存在显著的影响，远高于真空中光子的修正效应。该工作揭示了EY和DP自旋退相干机制之间的相互作用，解释了固体中长自旋相干时间是由于电-声子相互作用产生的巨大顶点修正所致，对基于自旋的量子技术和推进自旋动力学的微观理解具有重要意义。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：
J. Park, J. J. Zhou, Y. Luo, and M. Bernardi. Predicting Phonon-Induced Spin Decoherence from First Principles: Colossal Spin Renormalization in Condensed Matter. Phys. Rev. Lett. 129, 197201(2022)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.197201
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声学分形晶格中的高阶拓扑相
高阶拓扑绝缘体(HOTIs)是一种新发展的拓扑相，它具有“边界的边界”的高共维拓扑态和低维拓扑态。产生高阶拓扑相的方法多种多样。一个典型的例子是基于Benalcazar、Bernevig和Hughes (BBH)模型的四极子绝缘体，该模型具有消失的偶极极化，但有一个量子化的四极矩。由于扩展的高阶体-边界对应原理，二维(2D)四极子绝缘体支持0D角态和1D边界态。另一种规范方法是直接将一维SSH模型推广到更高维度。通过改变二维系统中胞间和胞内的相对强度，可以推导出一个拓扑不变量是偶极极化，而不是四极矩的二阶拓扑相。在过去的十年中，这些方法丰富了对HOTIs和传统拓扑绝缘子的研究，到目前为止，HOTIs已经在经典波系统中得到了广泛的研究，如在光子、声学和电路中。
另一方面，以自相似和分数维为特征的分形拓扑态的实现也取得了一系列有趣的进展。直观地说，分形晶格会由于缺乏定义良好的体以及随后的体-边对应关系而“关闭”拓扑保护。然而，最近的一项研究表明，Floquet拓扑分形绝缘体可以在由螺旋光波导组成的Sierpinski衬垫的光子晶格中实现。此外，也有工作认为在具有外角模和内角模的量子分形中可以发现高阶拓扑相，弥补了分形与HOTIs之间的差距。然而，到目前为止，实验性的实现尚未完成。
近日，浙江大学的杨兆举研究院团队提出了一个声学分形晶格中HOTI的实验实现。首先，基于实空间多体多极算子计算了相图，揭示了分形对四极相位非平庸区域的挤压系数为0.35。在拓扑相位区域内，作为内部耦合函数的特征值呈分形“蝴蝶”的形式，并且在外角和内角处包含丰富的角态。在实验中，作者利用声波谐振器设计了上述晶格模型，并测量了系统的局部响应。通过跨越所有晶格点，在实验上观察到外角和内角的丰富拓扑角态，其维数分别为0和1.89。相关工作发表在《Science Bulletin》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.09.024
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无边带时空编码超表面天线
超表面——超材料的二维(2D)对应物——比超材料具有明显的优势，如低插入损耗、易于制造和一致性等。超表面可以操纵电磁波，包括它们的振幅、相位和偏振量，并可以通过整合功能材料来动态控制电磁波。近年来，具有空间调制的时变超表面，即时空调制超表面(STMMs)得到了发展。STMMs具有一个或多个时空变化的参数，如反射/透射相位、振幅、表面阻抗和本构材料的电导率。时空调制的超表面可以控制电磁波，但这种系统通常仅限于自由空间和波导平台。时间调制的引入往往伴随着许多不希望的谐波频率（即边带）产生，这些边带不但会分走一部分电磁能量，还会干扰相邻电磁频道，造成转换效率低和频谱污染等问题。这些问题成为目前阻碍空时编码超表面和时间调制阵列天线广泛应用的瓶颈，是业界亟待解决的关键问题。
近日，香港城市大学陈志豪教授团队与东南大学崔铁军院士和程强教授团队报道了一种1位时空编码超表面天线，它可以在空间和频域提取并将导波塑造为任何所需的自由空间波。波导集成超表面天线还提供了自滤波现象，克服了传统时空调制超表面存在的边带污染问题。为了说明该方法的性能，作者使用超表面天线进行高效率的频率转换，基频连续波束扫描和多个谐波的独立控制。相关工作发表在《Nature Electronics》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-022-00857-0
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切割工程：剪纸是如何实现独特的力学性能和功能的？
剪纸是一门古老的艺术，通过对纸张简单地切割和操纵就可以创造出精美的装饰品。剪纸技术可以开发出几乎无限可能的2D或3D图形，这启发了现代生活中的无数应用（如艺术品、书籍、建筑等）。科学界和工程界对剪纸的兴趣日益浓厚，他们正在将这种艺术转化为功能化的各种工程系统框架，如柔性电子、超构材料、变形结构和软体机器人。由于剪纸与折纸具有相似性，它们经常被联系到一起。事实上，可以认为剪纸是折纸的变体，除了折叠之外还允许切割。然而，切割的引入使得剪纸的工作原理与折纸有根本上的不同。虽然有大量关于折纸启发的文献综述，但很少有文献综述只关注基于剪纸的研究。特别是，迫切需要对剪纸切割产生的不同力学性能及其广泛的应用吸引力进行调研。
近日，美国弗吉尼亚理工大学Suyi Li团队调研了由剪纸切割而产生的不同力学性能及其广泛的应用。文章旨在填补这一空白，为这一充满活力的领域提供广泛的进展回顾和未来展望。首先回顾了由剪纸切割引起的独特力学特性及其基础力学，包括可编程运动和运动学、拉胀性、超拉伸性、屈曲、多重稳定性和动力学。然后，调研了受剪纸启发的概念在超构材料、多功能结构、电子学和软机器人中的广泛应用。最后，讨论了当前的挑战和未来展望。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
J. Tao, H. Khosravi, V. Deshpande, et al. Engineering by Cuts: How Kirigami Principle Enables Unique Mechanical Properties and Functionalities[J]. Advanced Science, 2022.
https://doi.org/10.1002/advs.202204733
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力学超构材料中隐式组合规则的机器学习
从蛋白质、磁铁到超构材料，具有突现性质的系统都是由相互作用的构件组成的。对这样的系统进行分类——它们是否会折叠、是否被磁化、是否具有目标属性——通常需要从它们的结构中计算出这些性质。这在原则上很简单，但在实践中计算量很大，例如，需要对大矩阵进行对角化。机器学习算法如神经网络（NNs），通过“学习”结构的分类而放弃了这种计算的需要。大部分例子中，有关的性质通常变化平稳的，而且在构型空间中没有明显的分类界限。神经网络被认为是成功的，因为它们插值了这些模糊的边界，即使在构型空间采样严重不足的情况下。相比之下，组合问题，即那些构建块必须像拼图一样拼在一起的问题，在兼容和不兼容构型之间有一个明显的边界。这些问题出现在自组装、折叠、拼贴问题和组合力学超构材料。后者是通过平铺不同的单元格而产生的，并受到运动学相容性的限制。兼容构型设计的空间可以被描绘成大海捞针，关键是由一组隐式组合规则决定。除非知道这些规则，否则这些问题通常是难以计算的。
近日，荷兰阿姆斯特丹大学Ryan van Mastrigt团队展示了卷积神经网络可以学习识别这些边界的组合力学超构材料。卷积神经网络能够准确地执行组合力学超构材料的三个不同的分类，并推广到从未见过的构型。重要的是，发现了训练的CNNs能够捕获兼容构型边界的精细结构，尽管它是在稀疏的数据集上训练的。这些结果表明，神经网络隐含地学习组合问题的潜在的基于规则的结构。这为在组合规则未知的情况下，利用神经网络进行设计空间的有效探索和逆设计提供了可能性。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（徐锐）
文章链接：
R. vanMastrigt, M. Dijkstra, M. van Hecke, et al. Machine Learning of Implicit Combinatorial Rules in Mechanical Metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2022, 129(19).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.198003
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