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3D光力学超构材料，用于光场动态控制的超表面光流体技术，平方根高阶Weyl半金属，基于模式失配的超高动态范围近场辐射换热调制等，敬请期待！
索引：
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用于光场动态控制的超表面光流体技术
微流体技术促进了微小体积液体的高度自动化指导、混合和操作，并促进了从培养细胞和生物高通量诊断到合成化学微反应器等各种技术的发展。集成光学和流体学在单个芯片上产生的巨大协同作用进一步扩大了液体可以用来控制局部光学特性的可能性，相反，光也可以用来监测液体内部的化学和生物过程。研究人员已经尝试将这种集成扩展到千兆赫和太赫兹的超表面平面光学，然而至今为止取得的研究成果并不理想。
近日，美国斯坦福大学的Mark L. Brongersmai教授课题组展示了光流体和超表面光学的融合如何可以成为光场的动态控制并带来概念上的新平台。作者首先演示了超表面构件，它们的散射特性对介电环境表现出极端的敏感性。然后，这些构件被用于在微流控通道内创建基于超表面的平面光学，其中具有不同折射率的液体可以被引导来操纵它们的光学行为。作者演示了超表面颜色像素的强度和光谱调整，以及按需光学元件。最后，作者演示了在一个集成的元光流控平台上的自动控制，以打开新的显示功能。相关工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（郑江坡)
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01197-y
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3D光力学超构材料
超构材料的有效性能主要来源于其设计的微观结构，而不是其组成材料。因此，如果能够通过施加外部刺激显著改变微观结构，就能够改变有效的超构材料特性。例如，超构材料可以在阳光照射下改变其力学性能，以自动调整照明条件，改变其外观，或控制室温。刺激反应性超构材料可以作为生物细胞的可调节拉伸台。另一个例子是，弹性波的传播和偏振可以由光局部控制，甚至在时空超构材料的意义上也是如此。以前的实验是沿着这些思路进行的，使用温度、压力、溶剂、电压、静态磁场或光作为刺激。然而，这些实验仅限于宏观模型、有效的2D结构，或材料参数调节范围有限，尤其不包括光翻转材料参数符号的极端可能性。
近日，卡尔斯鲁厄理工学院Alexander Münchinger和Martin Wegener团队介绍了由液晶弹性体组成的力学超构材料，其指向矢在3D激光打印过程中按设计的复杂3D图形排列。该工作大大超越了之前的工作，考虑了可以被光刺激的经典弹性内和外的力学超构材料，打开了3D光力学超构材料的领域。从液晶弹性体出发，构造了两种不同指向矢的构造梁。定向液晶弹性体表现出各向异性是至关重要的，这是由于单体的介晶性质引起的聚合物网络的各向异性。因此，对梁的两个液晶弹性体部分施加相等的刺激，会导致这种双材料单元发生明显的弯曲。接下来，基于这些弯曲元素构建了一个超构材料机制。第一种情况属于经典弹性，基于四方超构材料晶体中的蝴蝶结单元。蝴蝶结是紫红色超构材料中的一个典型图案，已被广泛研究。蝴蝶结单元的形状变化导致从非紫外到紫外的行为转变，即泊松比从正值翻转到负值。第二种情况超越了经典弹性，进入了手性微极弹性领域，基于四方超构材料单元内连接立方体表面上的手性单元。刺激引起的手性单元利手性的变化导致每种应变的扭转符号翻转。对于这两种情况，通过沿一个晶体学方向施加位移，并通过光学显微镜数字图像分析在亚单位细胞尺度上量化行为，直接测量有效的超构材料行为。相关研究发表在《Materials Today》上。（徐锐）
文章链接：
A. Münchinger, L.-Y. Hsu, F. Fürniß, et al. 3D optomechanical metamaterials[J]. Materials Today, 2022. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.08.020
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平方根高阶Weyl半金属
量子力学中几乎遇到的所有算符都是线性（或反线性）算符，如旋转、平移、宇称、时间反演等，这使得我们可以构建基于线性代数的量子力学数学基础。平方根运算符是少数的例外之一。从历史上看，Paul Dirac通过对Klein-Gordon (KG)方程的平方根运算导出了Dirac方程，以描述继承KG方程的洛伦兹协方差的所有自旋二分之一的质量粒子。该方法启发了Arkinstall等人提出平方根拓扑绝缘体(TI)的概念，其方法是采用周期性晶格中紧束缚(TB)哈密顿量的非平凡平方根。平方根拓扑绝缘体最吸引人的特点是它从其哈密顿量公式继承了布洛赫波函数的非平凡性质。最近，平方根运算已应用于高阶拓扑绝缘体(HOTI)，它允许余维大于1的拓扑鲁棒边缘态传输。除了Dirac点是至关重要的简并点，Weyl点也是具有独特特性的，对于传统的Weyl半金属来说，三维(3D)拓扑支持二维的表面状并且连接Weyl点在表面上表面态形成费米弧。不仅如此最近有研究报道了支持二维表面态和一维棱态传输的高阶Weyl半金属的存在。因此平方根运算是否可以应用于半金属或更高阶的半金属，尤其是如何在实验中实现这些奇异状态，仍值得探究。
近日，来自中国电子科技大学电子科学与工程学院、电子薄膜与集成器件国家重点实验室的Lingling Song等人提出了平方根高阶Weyl半金属(SHOWS)的紧束缚模型，该模型通过以双螺旋方式将具有层间耦合的平方根HOTI垂直堆叠。并发现了SHOWS包含2D表面弧状态和1D铰链状态，其拓扑特征完全由量化的体极化或边界不变量来表征。他们通过堆叠蜂窝-kagome混合电感电容器(LC)电路网络中构建了此紧束缚模型。通过对阻抗和电压测量，直接观察Weyl点、“费米弧”表面态和棱态。结果表明，表面态和棱态分别理想地连接了Weyl点在侧面和棱上的投影，与理论计算一致。他们的结果为在3D固态平台中实现平方根拓扑打开了大门。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
文章链接：Lingling Song et al. Square-root higher-order Weyl semimetals. Nature Communications (2022) 13:5601
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33306-9
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具有强关联金属夹层的外延单晶氧化物Rashba界面的巨大自旋-电荷转换
随着自旋电子学的发展，信息存储与传输技术迈入了崭新的阶段，其中材料界面电荷与自旋电流的相互转换现象在下一代自旋轨道器件的磁化高效控制中具有潜在的应用价值。这种界面上的自旋-电荷转换即所谓的逆Edelstein效应(IEE)，主要源于界面空间反转对称性破坏所引起的Rashba自旋-轨道相互作用(RSOI)，在材料界面，RSOI解决了电子带的自旋简并性，将电子带分成上自旋和下自旋带。当注入自旋电流后，自旋向上的电子化学势会增加，相反自旋向下的电子的化学势将减小，因此大费米面和小费米面会向相反的方向移动，造成了电子的整体偏移，造成了自旋到电荷的电流转换现象。由于Rashba自旋-轨道相互作用(RSOI)的存在，由SrTiO3(STO)与其他氧化物绝缘层之间的界面形成的二维电子气(2DEG)，有望用于更高效的自旋电荷转换，然而自旋电流在这些绝缘层中的流动输运机制仍未被探索。
近日，东京大学Shingo Kaneta-Takada与合作者们通过在STO衬底上外延生长强关联材料LaTiO3+δ (LTO)中间层，在LTO/STO异质结的界面形成2DEG，利用自旋泵浦铁磁共振电压测量，发现了自旋到电荷电流的超高转换效率，逆IEE尺寸高达190 nm，是目前包括自旋霍尔系统在内的所有材料体系中最高的。结果表明，LTO中较强的原位库仑斥力以及LTO/STO界面处巨大的RSOI可能是抑制自旋翻转散射的有效自旋-电荷转换的关键。该工作突出证明了氧化物界面在自旋轨道电子应用中的内在可能性，相关工作发表在《Nature Communication》上。（袁铭谦）
文章链接：S. Kaneta-Takada, M. Kitamura, S. Arai, et al. Giant spin-to-charge conversion at an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba interface with a strongly correlated metal interlayer. Nat. Commun. 13, 5631 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33350-5
5
使用扫描隧道显微镜检测魔角石墨烯中的对称性破缺
由于人们在魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)中发现了超导性和相关绝缘体，因此研究者们一直在积极尝试确定整数填充处基态的性质。虽然人们普遍认为这种性质是自旋和谷空间中的自发对称性破缺引起的，但理论工作已经确定了大量能量接近的候选状态，例如U(4)×U(4)manifold中的绝缘体，一种向列半金属（NSM），以及不相称的凯库勒螺旋（IKS）。然而，基态顺序的明确实验识别已被证明是困难的。测量局部状态密度(LDOS)的扫描隧道显微镜(STM)是区分这些相的有前途的工具。到目前为止，MATBG中的STM测量主要集中在莫尔尺度的LDOS中的调制。STM已经发现了假定的对称破坏转换的“级联”证据，但尚未检测到相关的顺序参数。以Kramers-intervalley相干(KIVC)状态和NSM为例，它们被认为在电荷中性点(CNP)竞争。虽然两个相的DOS之间存在数量差异（它们分别是间隙和半金属），但在有限的能量分辨率下，它们的DOS在实践中非常相似，难以辨别。此外，LDOS的莫尔尺度空间调制主要由AA区域的三角形晶格处的峰控制。这是所有相共有的平坦带的特征，因此不足以识别基态。需要一种能够直接测量对称破缺的有序参数的探针。
近日，来自普林斯顿大学物理系的Jung Pyo Hong等人表明原子分辨的STM测量是区分这些竞争状态的理想方法。他们展示了如何将原子分辨扫描隧道显微镜用作对称破坏顺序的fingerprint。通过分析小磁场中的亚晶格极化模式和“Kekule´”畸变，可以确定每个最具竞争力的对称破缺状态的有序参数。特别是，他们展示了“Kramers区间相干态”，理论工作预测它是偶数填充的基态，显示出仅在磁场中出现的“Kekule´”畸变。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（张晓萌）
文章链接：Jung Pyo Hong et al. Detecting Symmetry Breaking in Magic Angle Graphene Using Scanning Tunneling Microscopy. Physical Review Letters 129, 147001 (2022)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.147001
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一种用于人机语音交互的波形限制声学超球面波束成型传感器
配备了有效和自然的人机交互（HMI）技术的智能机器和机器人对社会通信、企业合作和探索至关重要。对话是与人交流最常见和最轻松的方式，，基于声音的HMI具有强大的语音感知、语音识别和情感感知，也被认为是与机器直接交互的一个方向。这一技术需要具有超高信噪比（SNR）和灵敏度的声学传感器来识别噪声环境中所需的声波，并具有三维（3D）波束形成能力来定位和过滤声源。
目前，大多数商业和类似原则的新型声学传感器仍然依赖于驻极体或微机电系统（MEMS）麦克风，它们通常与低灵敏度、高功耗或繁琐的信号处理系统有关，无法解决声波在空间内快速耗散的根本问题。因此，与现有的听觉系统，如智能扬声器和会议室麦克风阵列进行交互，通常是一种不令人满意的体验。与此同时，柔性材料的高灵敏度可穿戴和皮肤附着的声学传感器因其与人体的生物接口而引起了大量的研究关注，也有研究工作实现了宽带低频柔性传感器，覆盖了人的声音的频率范围。然而，这些具有代表性的薄膜传感器并不同时表现出较高的信噪比和灵敏度，它们只在其特定位置的局部压力下有效地转导声波，而不限制或放大空间上低密度的声能。声学超材料的发展为调制和操纵声波提供了无限可能性，已被证明能用于声音的放大和分离。然而，它们难以实现人声范围内的编码和解码，从未同时展现高信噪比和灵敏度，且往往需要繁琐的算法来定位声源，导致其工程可靠性和实际应用场景受到严重限制。
近日，上海交通大学机械与动力工程学院张文明教授课题组和密西根学院邵磊助理教授课题组报道了一种基于声学超材料的球壳，其表面均匀分布的缺陷腔阵列用于声压和振动能量限制，其中压电声传感集成在每个腔内。这种一体球壳结构，称为声学超球面波束形成传感器（MBAS），强烈地抑制了声压在每个腔内，形成了一个用于源定位和定向信号接收的全向波束形成阵列。在没有任何信号处理的情况下，它同时获得了出色的信噪比和超高灵敏度。同时，MBAS显示出较高的线性度、合适的宽带语音频率和全向声波束形成能力。相关工作发表在《SCIENCE ADVANCES》上。（郑江坡）
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9230
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基于模式失配的超高动态范围近场辐射换热调制
热辐射是一种常见的热量传递方式，当两个物体间距在宏观尺度时，远场辐射热流可以由普朗克定律计算得到。但随着两物体不断靠近，间距小于辐射特征波长时，波动电动力学已经证明，由于介质表面产生的表面等离激元(SPP)或表面声子极化激元的相互作用，近场辐射换热(NFRHT)的热流可以被提升多个数量级，与一般的远场宽带辐射光谱相比，NFRHT主要由两个靠近物体之间的共振耦合模式主导。基于NFRHT的巨大热流产生的奇特物理现象，光谱和能量传递的主动控制在热磁记录、热逻辑器件、热光伏电池等技术当中具有重大意义。
近日，浙江大学何赛灵教授研究团队通过实验研究了两个石墨烯/SU-8异质结间的NFRHT，通过改变发射端与接收端石墨烯的费米能级，在间距80nm下实现了高达32.2%的热流调制比。通过调控石墨烯费米能级可以实现SPP模式的耦合或解耦，并打破共振模式的对称性，获得了比其他已知方法更高的NFRHT调控效果。另外还发现随着间距的减小，NFRHT的调制效应越强，与利用波动电动力学方法计算得到的结果相一致，这与石墨烯SPP的近场效应有关。该工作主要是通过模式错配方法对NFRHT进行动态调制，对于从根本上理解纳米尺度下光-物质相互作用和热传递的可调谐集体光电现象具有重要意义。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：K. Z. Shi, Z. Y. Chen, Y. X. Xing, et al. Nano Letters, Article ASAP (2022).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01286
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用于数字和模拟控制的可编程软阀
随着软体机器人领域的发展，器件变得越来越复杂。柔性和半柔性气动机器人现在可以执行具有挑战性的动作（如打电子游戏，弹钢琴等）。软器件的进步带来了更有效的医疗护理（如手部康复，微创内窥镜手术等），另外，其他的发展包括越来越普遍的物体操作能力，以及人类和机器人之间更紧密的联系。然而，许多软器件控制系统仍然依赖于硬阀门和电气控制组件。将控制系统集成到软器件中是实现复杂器件和复杂驱动序列的必要步骤，同时保持软材料提供的优势。早期的流体逻辑，主要是通过微流体芯片实现的。然而，对于软体机器人的大多数应用，缓慢的流速限制了执行器的小尺度力。此外，虽然修改基本系统架构可能使高效逻辑类似于互补金属氧化物半导体（CMOS）类型的系统，但大多数微流体系统在稳态时由于下拉电阻而损失能量，类似于早期的晶体管-晶体管电子逻辑系统。近些年来，开发的多种软阀试图解决微流体的规模和流量限制。此外，研究人员还试图利用多材料3D打印技术来克服微流体振动阀和宏观弹性软阀的局限性，但早期流体逻辑系统的许多局限性仍然存在。
近日，美国莱斯大学Daniel J. Preston和哈佛大学George M. Whitesides团队设计了一种软气动阀。利用了由软材料组成的结构固有的非线性力学，通过利用膜反转和管扭结，开发了两个模块化软部件：活塞致动器和双稳态气动开关。这两个组件结合在一起，创造了能够模拟压力调节、简化数字逻辑、可控振荡、非易失性内存存储、线性驱动的阀门，并以数字和模拟格式与人类用户交互。三个演示展示了由这些阀门构建的系统的能力：1）可穿戴手套，能够基于人类用户手指的输入模拟控制柔软的人工机械手；2）用于医疗护理的人类控制缓冲矩阵：3）无系留的机器人，它在操作时移动动态编程的距离以检索物体。这项工作说明了使用统一阀门设计的软体机器人的数字和模拟互补控制的途径。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。（徐锐）
文章链接：
C. J. Decker, H. J. Jiang, M. P. Nemitz, et al. Programmable soft valves for digital and analog control[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119: e2205922119.
https://doi.org/10.1073/pnas.2205922119
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