超材料前沿研究一周精选 2021年9月20日-2021年9月26日

将来自多个输入端口的电磁波耦合到单个输出端口是光学和微波工程中迫切需要的技术。它克服了传统光源的功率限制，实现高功率激光和远距离自由空间通信。最直接的波合并方法是在分束器或功率分配器的基础上实现的。然而，只有当光束之间具有特定的相位和振幅关系时，这些无源组件才允许相干光束的完全组合。这种约束源于系统的无源性。一般情况下，无源合成器的输入端口不匹配，当被入射波激发时，会出现寄生反射。只有当所有的输入端口同时相干地照射合成器，且每个输入波具有特定的相位时，反射波才会发生破坏性干扰，所有的输入功率才会被定向到输出端口。

近日，芬兰阿尔托大学电子及纳米工程系Xuchen Wang等人证明了相干平面波和非相干平面波的完全结合可以通过使用性质随时间和空间变化的超表面来实现。在超表面使用适当的行波调制，可以将任意数量的入射平面波重新定向到一个输出端口，效率接近100%。输出波的频率被超表面移位，确保了完美的非相干功率组合。该工作提出的功率组合概念是通用的，可以应用于从微波到光学领域的电磁波，以及其他物理性质的波。由于所设计的超表面功率合并器具有有限的带宽，因此可以将这一概念扩展到入射光脉冲的完全和相位无关的组合，只要它们的光谱在器件带宽内。完美的脉冲组合是获得高强度激光源的必要条件，在激光等离子体加速器、二次辐射产生、等方面有着重要的应用。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

文章链接：Xuchen Wang et al, Space−Time Metasurfaces for Power Combining of Waves,ACS Photonics(2021).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00981.

仿生神经网络计算具有广范的应用前景，可以处理海量信息，用于智能任务等，比如基于深度学习的图像、声音、生物识别，以及机器人应用的人工感知系统。然而，基于传统冯·诺依曼架构的人工神经网络技术在实现高效节能的智能计算系统时必然存在局限性，这主要是由于核心计算处理器与存储单元的物理分离，而且它的串行处理架构与人脑中大量的并行信号处理有根本的不同。为了克服这些障碍，人们正在积极研究能够实现神经和突触功能的神经形态芯片。特别是基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的仿生固态神经元已经被报道。同时，随着硅基半导体技术的规模缩小到纳米级，由于单个器件中带电载流子与电磁力之间的干扰或相互作用，摩尔定律的应用将达到极限。光电突触器件(OSDs)作为解决这一问题的一种可行办法，以光作为数据信号被认为是实现高密度集成、低功耗、高带宽、低串扰的下一代计算系统的有效途径。

近日，来自韩国成均馆大学Yong-Hoon Kim和韩国中央大学的Sung Kyu Park研究团队提出了一种基于金属硫系/金属氧化物异质结构光电晶体管和光电分压器的全光驱动可扩展光电神经形态电路。为了实现波长选择性神经运算和基于硬件的模式识别，采用多光谱光调制双向突触电路作为单个像素，实现高精度、大面积的神经形态计算系统。异质结构界面光产生电荷的波长选择性控制使双向突触调制行为包括兴奋性和抑制性调制。更重要的是，一个7 × 7的神经形态像素电路阵列证明了实现高精度基于硬件的模式训练的可行性。在像素训练和模式识别仿真中，具有双向突触调制的神经形态电路阵列训练误差小，识别率高(高达97.65%)。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（周玉宇）

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DOI: 10.1002/adma.202105017

弹性波波导由于其对缺陷的敏感性和低阻尼特性，在结构健康监测、无损检测和生物医学成像中具有广泛的应用，可以实现无耗散下长距离传输，并通过衍射光栅和超表面操纵入射波的方向。相控阵是多个波发射和接收元件的组合，以一维（线性）、二维（平面）或三维（半球）排列。传统相控阵可以通过不同阵元发射的波场之间的建设性和破坏性干扰，在所需方向上传输弹性波，而相控阵提供了一个多功能的平台，可服务于复杂多样的声学工程应用。传统的超声波相控阵只能在单个通道中工作，根本无法实现内部闭合裂纹的高分辨率3D成像，这是由于互易对称性，现有相控阵仅对入射波敏感，入射波的准确方向只能与其传输方向相同。为此人们引入非互易性的概念，在相控阵平台表现为不相同的辐射和接收波束形成模式，可以独立调谐。

近日，美国布法罗大学机械与航空工程系的M. Nouh和结构与环境工程系的M. Moghaddaszadeh研究团队提出了一类相控阵，它们在不同方向和频率通道内独立、同时工作，打破了传输-接收对称性，展现出优异的波导性能。该阵列由收发压电晶圆盘（PWD）阵列组成，可在静态相位梯度上进行动态相位调制，展现出优异的波导性能。与传统阵列相反，该系统在静态相位梯度的基础上加入了动态调制，实现了两个强大功能：（1）能够产生可独立控制的多个波束（即多个动量通道），（2）该系统调用多个频率通道，每个频率通道都可以单独调谐，这样所有需要的数据都可以通过一次测量得到，而不需要任何子谐波或超谐波后处理方案。最后，该团队展示了该阵列原位诱导的多样化非互易辐射和接收模式，并对整个阵列及其相关功能进行了实验演示，验证了理论的正确性，对后续工作有重要指导意义。相关研究发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.034033

操纵弹性波在信息处理、无损检测和高灵敏度遥感等功能器件中具有重要意义。作为人工设计的周期结构，声子晶体(PCs)在调制弹性波方面有很大的前景。随着拓扑物理学的迅速发展，利用声子晶体对弹性波进行新的操作成为可能。与电子系统相比，弹性波由于对磁场的惰性，仍有一定的局限性。因此，声子晶体中的弹性波需要各种与磁场相关的现象，如朗道量子化。

为了解决这个问题，引入了合成伪磁场(PMFs)的思想。在石墨烯中，施加张力应变会导致电子狄拉克锥色散在动量空间中发生位移，从而产生与磁场相关的矢量势。与真正的磁场相比，张力应变诱导的PMF可以大得多。特别是，由于时间反演对称，PMF在不同的谷处会发生符号反转。与真正的磁场类似，PMFs也会导致离散的朗道能级(LLs)，以及拓扑边缘输运，即通过时间反演对称相关的一对模态的逆向传播。

近日，华南理工大学的李锋教授团队和武汉大学的刘正猷教授团队提出了在硅片上实现的伪磁场，并显示了弹性波的相关操作。在伪磁场下，实验演示了类似于量子霍尔效应的弹性朗道能级和拓扑边输运。更重要的是，首次直接通过测量的方式观察到“蛇态”（snake states）。片上PMF具有独特的优势，如低耗散、微尺寸和高工作频率(MHz)，未来可能促进功能性的声表面波器件进一步发展。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevLett.127.136401

自拓扑绝缘体的发现以来，量子系统的拓扑结构成为人们关注的热点。最近，Kane和Mele提出石墨烯应该是具有量子自旋霍尔相的Z₂拓扑绝缘体。这个相位是一个具有体带隙的时间反演不变态，具有支持无间隙边缘态中的自旋输运。类似于量子霍尔效应的Chern数（CN）分类，已有文献中提出了一种拓扑不变量，称为自旋Chern数(SCN)来解决量子自旋霍尔效应的稳定性。这引起了众多研究者的广泛关注，因为SCN可以表征螺旋边态，并能解释打破时间反演对称下量子自旋霍尔态的稳定性及其对无序的鲁棒性。然而，由于自旋轨道耦合太弱，无法在石墨烯中产生量子自旋霍尔效应。Bernevig、Hughes和 Zhang (BHZ)等人提出了一个实验可实现的模型，该模型成为拓扑绝缘体研究的著名模型之一。BHZ模型已经在真实的凝聚态系统中实现，在该系统中观察到了理论预测的量子化自旋霍尔电导和金属表面态。然而，相关的拓扑不变量，即具有时间反演对称性的拓扑绝缘体的特征，尚未实现测量。虽然拓扑不变量在拓扑物质中起着基本作用，但目前只测量到与量子霍尔效应相关的CNs。其他关键拓扑不变量，如Z₂拓扑不变量和SCN，还没有被实验检测到，因为它们都是基于人工构造的波函数定义的，在真实的凝聚态系统中很难实现。

近日，来自广东省量子工程与量子材料重点实验室、华南师范大学物理与通信工程学院的Qing-Xian Lv等人报告了他们著名的BHZ哈密顿量与冷原子气体的量子模拟和自旋贝里曲率以及SCN的测量。他们精心设计了一个四能级原子量子气体来模拟带有两个赝自旋的四带BHZ模型。利用这个控制良好的量子系统，他们可以独立地创建和操纵每个赝自旋的波函数，这是以前从未做过的，也是测量SCNs所必需的。为了提取SCNs，他们开发了一种方法，通过系统的非绝热响应来计算每个赝自旋的局部贝里曲率。当两个赝自旋之间没有中间耦合时，他们观察到每个自旋分量的CN都定义得很好，而SCN是两个赝自旋的CNs之间的差值。值得注意的是，在中间耦合存在的情况下，尽管由于赝自旋是非守恒的，每个自旋分量的CN都没有很好的定义，但当能量和自旋间隙都没有消失时，SCN本身是很好的定义。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（詹若男）

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Qing-Xian Lv et al. Measurement of Spin Chern Numbers in Quantum Simulated Topological Insulators. Physical Review Letters 127, 136802 (2021)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.136802

材料的能带拓扑分类已成功地应用于预测和解释物质奇异态的出现，如拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔(QSH)边缘态或拓扑超导性。这种分类依赖于对称对拓扑序的保护，当对称发生改变时，它可以经历拓扑相变。对称保护拓扑(SPT)相变在人工半导体系统中被观察到，例如二维量子阱的HgTe和一维有机聚合物。关键因素是存在两个间隙的SPT相，传统的(平凡的)绝缘带和非平凡的拓扑绝缘态，被一个金属态隔开。尽管石墨烯是一种半金属，但它可以通过在费米能级附近打开一个能隙，并赋予晶格额外的手性对称相互作用来建立SPT相。例如通过建模一维Su-Schrieffer-Heeger (SSH)链，在扶手椅GNR的带隙内设计了一维 SPT 相，边缘部分包含局域带隙状态。然而，在锯齿型GNRs (ZGNRs)中,零能量边缘带的存在阻止了缺口拓扑相的出现。正如Kane和Mele所言，自旋-轨道相互作用的存在可以在本体石墨烯中打开一个间隙，将零能模式转变为QSH边缘态。然而，自旋-轨道相互作用在石墨烯中诱导的预期间隙非常小，而且这种效应只能在非常低的温度下出现。

近日，来自西班牙CIC nanoGUNE-BRTA、MPC材料物理中心、中山大学物理学院的Jingcheng Li等人表明半金属手性石墨烯纳米带(chGNRs)缩小到纳米宽度经历了拓扑相转变。利用预先设计的分子前驱体进行表面合成，他们制备了具有不同手性和尺寸的chGNRs。结合扫描隧道显微镜(STM)测量和理论模拟，他们跟踪了chGNRs的拓扑性质和体积带隙随宽度、长度和手性的变化。他们的发现为产生拓扑保护自旋态提供了一个新的平台，并展示了用能带工程连接手性边缘和缺陷结构的潜力。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Jingcheng Li et al. Topological phase transition in chiral graphene nanoribbons: from edge bands to end states. Nature Communications (2021) 12:5538

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25688-z

太赫兹科学与技术在过去十年中经历了前所未有的快速发展，因此已经发展成为一门具有颠覆性的交叉学科，在基础科学、无线通信、成像和传感领域具有引人注目的前景。虽然太赫兹频率的最新进展既带来了机遇和挑战，但缺乏高效太赫兹源、高灵敏度探测器和功能器件仍然是阻碍太赫兹技术进步的主要阻碍因素。其中，非互易太赫兹器件具有打破时间反演对称性的可能性，从而实现不可逆的太赫兹传播。由于非互易性，这些器件可以构成太赫兹隔离器(类似于二极管)和循环器，这在保护太赫兹源、减轻多径干扰和抑制不希望的信号路由方面具有重要意义。

近日，华中科技大学的张新亮教授团队和北京航空航天大学的吴晓君教授团队报告了一种基于非互易谐振腔磁光效应的集成太赫兹隔离器。通过优化磁光特性和谐振器的损耗，实验观察到在~0.47THz时，超高隔离比高达52dB，插入损耗约为7.5dB。通过热调谐方法和周期性谐振，隔离器可以在0.405–0.495太赫兹范围内的不同中心频率下工作。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-25881-0

过去几十年见证了以电子皮肤、软体机器人和人机界面为代表的柔性电子产品的快速发展，有可能彻底改变医疗保健、物联网和日常电子产品。柔性电子器件所需的关键功能包括感知机械刺激、通过电子输出响应局部变形以及对刺激进行形状变形。这些功能的成功实现受到材料的严重影响和制约。由于固体和液体成分的整合，导电水凝胶同时具有导电性和拉伸性。尽管这些研究已经取得了重大进展，但出现了明显的缺点，阻碍了水凝胶离子电子器件的实际应用。一个主要障碍是，由于明显的尺寸偏差，手动制备的水凝胶装置的结构和性能通常无法完全重复和优化，更不用说放大或进入市场了。此外，目前的凝胶化方法需要大量的液态前驱体进行原位固化，造成资源和能源的严重浪费；同时，它也导致不均匀的凝胶化和不良的控制性能。更重要的是，具有高分辨率的复杂微纳米结构很难通过使用带有凹槽的模具的传统方法进行图案化。因此，通过精心的结构设计来提高可拉伸电子器件的整体性能的机会很小。生物制造使用水凝胶3D打印方法引起了以研究基于水凝胶的可拉伸离子电子器件研究人员的关注。这些器件可以极大地受益于3D打印在三维空间中的出色的图案绘制能力，以及自由的设计复杂性和易于升级的潜力。相对于先进的3D生物打印技术，水凝胶离子电子器件的3D打印还处于起步阶段，难以平衡打印性、离子电导率、形状保真度、可拉伸性等功能。

近日，南京信息工程大学张一洲教授、阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授和南京工业大学董晓晨教授团队从材料的角度提供了关于如何利用3D打印的力量构建基于水凝胶的高性能可拉伸离子电子器件的指南，强调了平衡可打印性、打印质量和性能的系统方法。首先系统地介绍了适用于水凝胶的各种3D打印方法（基于光和墨水的制造），然后讨论了墨水设计原则，考虑了以下问题：打印质量（即可打印性、分辨率和形状保真度）、弹性导电性和自愈能力。然后介绍了基于水凝胶3D打印的柔性电子器件（即柔性传感器、形状变形执行器、软体机器人、电致发光器件和电化学生物传感器）的最新技术。最后，提出了对这个令人兴奋的领域未来方向的看法和展望。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。(徐锐)

文章链接：

G. Ge, Q. Wang, Y. Z. Zhang, et al. 3D Printing of Hydrogels for Stretchable Ionotronic Devices[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202107437

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