超材料前沿研究一周精选 2022年5月2日-2022年5月8日

超光学（meta-optics）是一种新型的平面光学，通过使用人工亚波长组件或“meta-atoms”重塑了电磁波工程。物理学领域的最新突破，以及大规模超光学制造的进步，激发了人们对未来广泛应用超光学的憧憬。最近的研究证明了基于超光学平台的尖端技术，如偏振/光场/深度成像摄像机、超表面驱动OLEDs、虚拟/增强现实系统、紧凑型光谱仪等。到目前为止，超光学的主流设计大多基于“正向”方法。正向设计成功地实现了简单的设备功能，如单波长波弯曲或聚焦；然而，它严重依赖于先验的直观知识，并限制了大规模复杂超光学系统的开发，该系统可以根据波长、偏振、自旋和入射光角度实现多种自定义功能。随着设计问题的复杂性、直径或限制的扩大，正向驱动方法搜索最优解的能力变得越来越弱。逆向设计旨在优化超光学设计，但目前受到昂贵的蛮力数值求解器的限制，仅限于小型设备，这也很难通过实验实现。

近日，来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的Zhaoyi Li等人提出了一个通用的三维非周期性的大规模（20k×20k λ²）复杂超光学逆设计框架，分别通过快速近似求解器和伴随方法降低了模拟和优化的计算成本。他们的框架通过代理模型自然地解释了制造限制。在实验中，他们展示了在可见光中工作的经像差校正的金属透镜，具有高数值孔径、多色聚焦和厘米级的大直径。这种大规模的超光学为应用打开了一个新的范例，他们通过使用超目镜和激光背光微液晶显示器展示了其在未来虚拟现实平台中的潜力。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Zhaoyi Li et al. Inverse design enables large-scalehigh-performance meta-optics reshaping virtual reality. Nature Communications (2022)13:2409

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29973-3

非厄米哈密顿量的研究可以被视为耗散过程的有效描述，可以追溯到阿尔法衰变的研究，其中复能的实部和虚部与实验观察到的能级和衰变率有关。当晶格系统与环境耦合并具有耗散时，例如具有辐射损耗的光子晶体和具有有限准粒子寿命的电子系统，非厄米能带理论成为概念上简单而有效的方法。趋肤效应是非厄米能带理论特有的现象，指的是本征态在边界处的局域化，其数量随系统的体积而变化。例如，在一维中，非厄米哈密顿量的所有本征态都可以局域化在链的末端。这表明布洛赫定理的失败，即表明本体中的本征态是调制平面波。由于布洛赫定理在凝聚态物理学的发展中起着基础性作用，趋肤效应的出现预示着一个新的、可能是革命性的方向。特别是，在一维经典系统中通过实验观察到了趋肤效应，这激发了对其更高维的进一步研究。然而，高维趋肤效应的一般理论尚未建立。

近日，来自北京凝聚态物理国家实验室和中国科学院物理研究所、中国科学院大学的Kai Zhang等人在二维及更高维中建立了趋肤效应存在的定理，当且仅当哈密顿量的周期边界谱覆盖复平面上的有限区域。这个定理建立了效应的普适性，因为上述条件在几乎所有一般的非厄米哈密顿量中都满足，并且与一维不同，它与所有的点群对称性兼容。他们提出了两种新的二维及更高维的趋肤效应：所有本征态都位于系统拐角处的角趋肤效应，以及几何相关的趋肤效应，即特定形状的系统的趋肤模式消失，但出现在通用多边形上。他们的定理的一个直接推论是，任何在二维（三维）空间中具有特殊点（线）的非厄米系统都会表现出趋肤效应，这使得光子晶体、Weyl半金属和Kondo绝缘体中的实验可以实现这种现象。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Kai Zhang et al. Universal non-Hermitian skineffect in two and higher dimensions. Nature Communications (2022) 13:2496

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30161-6

对称性在物质态的拓扑分类中起着重要的作用。对于存在离散空间平移对称(即晶体)的非相互作用费米系统，拓扑相的特征是能带结构拓扑，这受到其他共存对称性，包括on-site对称性以及可能来自晶体空间群的其他晶体对称性的约束。

即使晶体脱离平衡状态，这种基于对称性的拓扑分类方案仍然存在，这为利用外部旋钮获得理想的工程拓扑特性提供了可能性。作为一个范例，Floquet工程，即由时间周期的外部场控制量子系统，被证明是非常强大的。例如，在圆极化辐射或交变塞曼场作用下，可以在普通二维绝缘体的边界处形成稳健的电子传导通道。更一般地说，如果考虑到更多的晶体对称性，分类可以进一步丰富。

近日，美国加州州立大学Yang Peng引入了一类新的非平衡非相互作用拓扑相:拓扑时空晶体。这些是依赖时间的量子系统，它们没有离散的空间平移对称性，但在离散的时空平移下是不变的。与Floquet-Bloch系统类似，时空晶体可以用频域放大的哈密顿量来描述，用于对拓扑不同的时空晶体进行分类。他证明，这些时空晶体可以由传统晶体改造而成，只需附加一个与时间相关的驱动器，驱动器的行为就像在晶体上移动的行波。有趣的是，能够基于只包含一个轨道的紧束缚模型构建一维和二维拓扑时空晶体，这与之前发现的具有晶体结构的静态或Floquet拓扑相的双轨道最小模型形成了对比。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.128.186802

光子拓扑绝缘体(PTIs)是一种具有拓扑边界态的系统，这种拓扑边界态可以防止体中的杂质，为实现光的鲁棒转向提供了很大的机会。迄今为止，遵循体-边对应原理，已经实现了基于量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的PTIs。这些PTIs的特征是无间隙边界态比体积低一维(1D)。同时，针对多波段应用，提出了一种支持双频谷边界态的PTI。

近年来，一类支持低维拓扑边界态的高阶PTI也被证实，它超越了传统的体-边界对应关系。在二维(2D)系统中，所谓的二阶PTI(SPTI)具有一维间隙边界态和零维间隙角态。晶体对称性是SPTI工程的关键。迄今为止，基于不同的对称晶格已经实现了几种版本的SPTIs，如C_6v-和C₃-对称六角晶格、C_3v-对称kagome晶格和C_4v-对称正方形晶格。由于能量局域在角落，SPTIs可以增强光-物质的相互作用，从而在线性和非线性集成光学中具有广阔的应用前景。迄今为止，基于SPTI的高品质因子的拓扑纳米腔、拓扑绝缘体激光器和拓扑增强的非线性变频已被证实。然而，大多数以前的SPTIs只支持一个带隙内的角态，限制了多带应用，如多带激光器、多带谐振器、多带滤波器等。最近，在横向磁性(TM)模式的二维SPTI中，已经证明了多波段谷带和二阶角态。然而，所提出的SPTI是由孤立的柱组成的，很难在纳米尺度上制造，也不方便集成到片上光子电路中。

为了克服这一挑战，湖南大学的Yafeng Chen等人借助逆向设计技术，设计了一种由全连接介电材料制成的多波段SPTI，在四个宽频带隙内观察到四个拓扑角态。进一步证明了这些角态对缺陷的鲁棒性。设计的SPTI可以很容易地通过电子束光刻技术制作并集成到光子电路中，在线性和非线性片上光子器件中有潜在的应用。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）

文章链接：

10.1103/PhysRevApplied.17.054003

超表面是一类二维超材料，由于其具有超薄厚度、低损耗、易于制造和共形设计等特点，在信息通信、安全和传感以及能源利用方面受到广泛关注。它们通常由周期或准周期元原子排列，其电磁（EM）特性可以通过设计谐振器的几何结构或方向来进行操纵。根据广义斯奈尔定律，通过在界面处适当引入突变相移，超表面具有任意控制透射或反射电磁波前的能力。近年来人们将其用于波束整形器、聚焦透镜和反射阵列天线等。由于目标隐身和雷达伪装等应用需求，电磁波的任意散射控制一直是研究人员的目标。在超表面的众多应用中，有一种扩散超表面利用散射抵消来降低雷达探测器的回波功率强度，从而实现目标伪装。扩散超表面通常由具有离散反射相位的反射超原子构成，利用随机分布的反射相位来模拟平面阵列上的粗糙表面，从而干扰出射电磁波前，以减小其雷达散射截面（RCS）。然而，这些扩散超表面仅由空间相位再分配构造，而时间维度尚未被利用。这意味着，一旦设计完成，编码序列和超表面性能是固定的

时间调制机制为实现背向散射控制提供了一个优异的替代方案，但仍然缺乏在微波频率下实现雷达截面减小的实验证明。近日，南京大学电子科学与工程学院的陈克和冯一军研究团队提出了一种用于任意散射控制的宽带时空超表面设计方法，并提供了同时在空间域和频谱域重塑散射图案的实验证明。超表面由宽带高效超原子组成，其中包含电性P-I-N二极管，可确保在3.4至7.7GHz倍频程工作频带内，在外部电压控制下随时间进行独立和动态的相位响应调制。他们的测量结果表明，超表面可以将入射方向重定向到不同的空间方向和谐波频率，实现背向散射的宽带空间和频谱控制。该调制策略与时空编码序列相结合，引入了一个额外的调制因子来控制目标的散射功率，允许将目标特征转换为任意形式，这在雷达探测和宽带隐身方面将有广阔的应用前景。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.054001

随着电子工业的加速发展，电磁波干扰和电磁波辐射带来的环境问题日益严重，电磁吸波材料迅速受到人们的关注。具有介电常数可调、耐高温、显著的化学耐久性和优异的抗氧化性的无机陶瓷是电磁吸波材料的潜在候选材料。然而，低反射系数(RC)和宽带有效吸收的设计和优化仍然是一个巨大的挑战。材料的组成、微/纳米结构和超材料结构为调控和实现陶瓷优异的电磁波吸收性能提供了可能。特别是大约20年前出现的超材料，通过调节介电常数和磁导率的有效值，为电磁吸波材料打开了一扇新的大门，在宽频率上表现出显著的吸收性能。然而，传统的陶瓷加工，如粉末烧结，难以加工复杂的陶瓷构件超材料结构。因此，开发一种多功能、集成化的新型陶瓷超材料吸波材料是十分必要的。

近日，西北工业大学化学与化工学院孔杰教授团队提出了一种用于数字光处理(DLP)3D打印的新型紫外光固化聚硅氧烷前驱体的方法，以制造具有复杂几何形状、无裂纹和具有线性收缩功能的陶瓷零件。在阻抗匹配、衰减和有效介质理论的指导下，研究人员设计了一种基于前驱体衍生陶瓷复介电常数的跨轴阵列超材料模型。通过DLP打印及后续的热解工艺可以成功制备相应的陶瓷超材料，在x波段即使在高温下也具有较低的反射系数和较宽的有效吸收带宽。这是一种可以推广到其他波段的通用方法，只需调整超材料的结构单元即可实现。这一策略为实现目标-设计-制造陶瓷超材料提供了一条新颖有效的途径，揭示了具有巨大应用潜力的高效宽带电磁波吸波材料的下游应用。相关研究工作发表在《Nano-Micro Letters》上。（丁雷）

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Rui Zhou, et al,Digital Light Processing 3D‑PrintedCeramic Metamaterials for Electromagnetic Wave Absorption.Nano-Micro Lett(2020).

多机器人空中系统作为未来技术的象征，引起了人们的兴趣。其中，蜂群的导航和协调能力吸引并启发了众多研究人员。随着最近在计算、传感和通信方面的发展，空中机器人以非凡的多功能性进入人类生活。在单无人机导航方面，敏捷多直升机控制系统已经成熟。此外，基于视觉惯性里程计的精确定位技术已经成熟，建立了可靠、高效的概率映射感知系统。尽管单无人机自主导航在工业和学术实践中都得到了积极的发展，但很少有航空群系统能达到类似的性能。空中机器人被广泛部署，但高度混乱的环境，如茂密的森林仍然是无人机无法进入的，更不用说成群的无人机了。在这些场景中，先前未知的环境和狭窄的走廊结合群体协调的要求可能会带来挑战。自然界的生物启发了机器人的研究，如昆虫执行短期反应，而鸟类喜欢相对长期的平稳动作。

近日，浙江大学许超教授和高飞博士团队开发了微型但完全自主的无人机，其轨迹规划器可以根据机载传感器提供的有限信息及时准确地运行。该规划问题满足飞行效率、避障、机器人间避碰、动力学可行性、群协调等多种任务要求，从而实现可扩展的规划。此外，该规划器还基于时空联合优化实现轨迹形状的变形和时间分配的同步调整。因此，即使在最受限的环境中，也可以在短短几毫秒内充分利用解空间，获得高质量的轨迹。最后将规划器集成到开发的手掌大小的群平台中，实现板载感知、定位和控制。通过基准测试，验证了该规划器在轨迹质量和计算时间方面的优越性能。各种实际现场实验证明了该系统的可扩展性。文章提供的方法从三个方面发展了航空机器人：混乱环境导航能力，对不同任务需求的可扩展性，以及在没有外部设施的情况下的群体协调能力。相关研究发表在《Science Robotics》上（封面文章）。（徐锐）

机械柔性、适形材料和集成器件已在个性化医疗保健中找到了多种应用，如诊断和治疗、组织工程和再生医学结构、手术工具等。为了赋予这些材料最佳的力学性能，已经探索了从复合材料到结构工程的各种策略。受到剪纸（Kirigami）启发的几何切割，为通过材料去除赋予精确的力学性能提供了创新的机会。基于剪纸的方法已被用于软生物电子学和储能等领域的设备设计。剪纸涉及切割（kiri-）纸（-gami），从单张纸开始制造2D和3D对象。已被用于在艺术和科学中创建各种材料的复杂对象。基于剪纸的设计已经引起了很多关注，因为它能够传递大应变、平面外变形、可变形结构以及通过工程去除材料来提高顺应性。力学性能受到可能增强变形能力的切口的影响，同时允许创建精细复杂的形状。除了在艺术和建筑中的使用之外，基于剪纸的设计已经找到了它的应用方式，例如可展开和可折叠的太阳能电池阵列、微/纳米机电系统（MEMS/NEMS）、能量存储和光子学。高顺应性和可拉伸性使材料与软生物组织相容，因此为医疗保健应用创造了有吸引力的机会。剪纸设计概念可以在多个长度尺度上实现精确定制的几何形状和功能，从而使复合材料和设备能够更好地与人体交互。

近日，美国弗吉尼亚联邦大学Vamsi K Yadavalli团队讨论了纸启发的工程原理，介绍了剪纸设计在生物医学领域已展示和预期的应用。涵盖了与其设计相关的因素，包括切割几何形状、材料和制造，以及这些参数对其属性和结构的影响。介绍了医疗保健中的剪纸设计示例，例如各种形式的传感器（在皮肤上、可穿戴）、可植入设备、疗法、外科手术和用于再生医学的细胞支架。探索了包括细胞超构材料、药物输送容器和支架、软致动器和仿生机器人在内的新想法。目标是让人们了解这种创造性技术的多功能性和范围，以设计用于生物医学应用的材料。最后，讨论了这些生物设计概念成功转化为更广泛应用的挑战和未来的范围。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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