超材料前沿研究一周精选 2021年12月1日-2021年12月5日

近年来，光学相控阵(OPAs)作为一种固态光束转向解决方案引起了人们的兴趣。与微波雷达原理相似，OPAs通过调节不同波导之间的相位来实现波束转向。与传统的机械式光束转向方法相比，OPAs具有体积小、功耗低、成本低等特点。最吸引人的特点是，OPAs可以与CMOS电路集成，形成片上光电系统。它适用于需要控制光束转向的各种应用，特别是在光探测和测距(LIDAR)系统中。OPAs作为激光雷达系统的关键部件，有望在实现大转向范围、高分辨率、低功耗和快速调制的同时实现。

近日，吉林大学电子科学与工程学院宋俊峰教授团队为了解决上述问题，在多层SiN-on-SOI平台上设计了两个高性能的128通道OPAs器件。由于天线间距不均匀，仅使用128根波导来实现4毫米宽的孔径。此外，通过新颖的双级氮化硅(Si3N4)波导光栅天线，鱼骨天线OPA实现了100°× 19.4°的视场(FOV)，发散度为0.021°× 0.029°；此外，链式天线OPA实现了140°× 19.23°的视场(FOV)，发散度为0.021°× 0.1°。作者表示，据他们所知，140°是二维OPA中最宽的横向转向范围，0.029°是最小的纵向散度。最后，研究人员将OPA嵌入到一个调频连续波系统中，实现100米的距离测量。在输入功率为26 dBm的情况下，可以很好地检测到100米远的反射信号，这证明了OPA在激光雷达系统中是一种很有前途的光信号收发器。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。(丁雷)

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YINGZHI LI et al, Wide-steering-angle high-resolution optical phased array, Photonics Research(2021). https://doi.org/10.1364/PRJ.437846.

近几十年来，强度传感器的小型化使得今天的相机在许多应用领域中无处不在，包括医疗成像、商用智能手机、机器人和自动驾驶等。然而，更小一个数量级的成像仪可以在纳米机器人、体内成像、AR/VR和健康监测等领域实现许多新的应用。虽然亚微米像素的传感器确实存在，但由于传统光学的基本限制，进一步的小型化已被禁止。传统的成像系统是由一组层叠的折射元件组成的，用来校正像差，而这些笨重的透镜对相机占地面积有一个较低的限制。而进一步减少焦距又存在着较大阻碍，因为这会引起更大的色差。虽然超表面光学为这种超小成像仪提供了一条途径，但现有的方法所获得的图像质量远远低于笨重的折光替代方法，从根本上受限于大孔径和低f值的像差。

近日，来自普林斯顿大学计算机科学系的Ethan Tseng等人通过引入神经纳米光学成像仪来弥补这一性能差距。他们设计了一个完全可微的学习框架来学习一个超表面物理结构并结合基于神经特征的图像重建算法。实验结果表明，该方法的重建误差比现有方法低一个数量级。因此，他们提出了一种高质量的纳米光学成像仪，它结合了全彩色超表面操作的最宽视场，同时在f值为2的情况下实现了最大的演示孔径0.5 mm。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Ethan Tseng et al. Neural nano-optics for high-quality thin lens Imaging. Nature Communications (2021) 12:6493. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26443-0

斯格明子是连续场的拓扑结构。虽然它最初是在粒子理论中提出来解释强子的，但事实证明它可以在凝聚态物理中以各种形式实现。在磁铁中发现类似斯格明子磁性纹理的形态，它通常以稳定形式存在，即所谓的斯格明子晶体（SkX），它是一种旋转拓扑自旋纹理的周期阵列。磁性斯格明子晶体是旋转拓扑自旋纹理的周期阵列。它被认为是由多个螺旋自旋密度波构成的干涉图样，其磁纹理随组成波之间的相对相移而变化。该旋转磁纹理通过Berry相机制产生出一个出射磁场，并导致特殊的输运现象，如拓扑霍尔效应，因此引起了人们极大的关注。人们发现这种相位自由度不仅与磁性有关，还与输运性质有关，但其影响迄今尚未阐明。

近日，东京大学物理系的Satoru Hayami和Yukitoshi Motome研究团队从理论上揭示了斯格明子晶体中相移的影响，并提出了如何控制相自由度。基于三角形晶格上的流动电子模型，他们证明了SkX通过π/2的相移转变为四轴涡旋晶体（TVX）或meron-反离子晶体（MAX）。相移态具有与斯格明子晶体不同的性质：斯格明子晶体表现出导致拓扑霍尔效应的净标量手性，而TVX和MAX表现出不引起拓扑霍尔效应的交错态，但诱导不需要自旋轨道耦合的非互易输运现象。该团队发现这种相移可以由几种不同的机制引起，如局域自旋之间的交换相互作用、热涨落和长程手性相互作用。该结果进一步提供了拓扑自旋纹理的多样性，并通过相移工程打开了电磁学的新领域。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

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Hayami, S., Okubo, T. & Motome, Y. Phase shift in skyrmion crystals. Nat Commun 12, 6927 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27083-0 

柔性光电子是发展最快的知识密集型产业之一，且满足物联网发展的需求。一些最新的应用包括健康监测的可穿戴设备、软机器人和电子皮肤等都需要光电探测器能够灵活地工作。金属卤化物钙钛矿由于其良好的光学和电子特性，近年来在柔性光电探测器方面取得了巨大的进展。然而，除了产生电荷的材料外，高性能器件还需要合理选择电极以实现高效的载流子管理。例如，广泛使用的金和银电极在十分昂贵的同时往往导致钙钛矿器件降解。

近日，来自俄罗斯ITMO大学物理与工程学院的Alexandr A. Marunchenko等人采用低成本、化学惰性的单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜作为电极，以三溴化铯铅(CsPbBr3)微晶体为基础，创建高响应性和柔性的光电探测器。钙钛矿在SWCNT上的直接生长形成了组件之间的良好接触，从而在5 v和505 nm波长下的1mw cm⁻²光照强度下，实现了柔性钙钛矿光电探测器1321 AW⁻¹的最先进的响应性。在柔性基板上实现的 SWCNT 薄膜的先进特性允许在 10⁴ 次器件弯曲循环中稳健运行，并且在环境条件下所有参数稳定性至少维持 1.5 个月。该设计揭示了SWCNT薄膜电极用于高性能钙钛矿柔性器件的潜力。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（詹若男）

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Alexandr A. Marunchenko et al. Single-Walled Carbon Nanotube Thin Film for Flexible and Highly Responsive Perovskite Photodetector. Adv. Funct. Mater. 2021, 2109834

DOI: 10.1002/adfm.202109834

近年来，人们在对声学超材料进行了深入研究，同时也对非互易系统的开发做了大量工作。最早提出的系统之一是基于声子晶体与非线性介质的结合。在过去的十年中也涌现出许多其他系统，其中大多数依赖于使用非线性效应来打破声学系统的固有相互作用。虽然研究人员在开发具有众多潜在应用的非互易声学系统方面做出了巨大努力，但要实现高效的非对称传输且具备简单、小型化（亚波长）和宽带等特点仍然具有挑战性。声学传感器或声学介质的主动控制和调谐是实现非互易传播的另一种可能方式。目前由有源反馈或电分流器控制的动圈扬声器制成的系统已经用于声学超材料的设计，如时空对称系统、可重构声学谐振器或通过无序实现完美传输的系统。

近日，法国勒芒大学声学实验室的G. Penelet和Y. Aurégan研究团队展示了一个声学系统，它能够在较宽的频率范围内实现不对称传输。该系统的基本元件是一个沿管道轴线放置的动圈扬声器，以及一个嵌装在扬声器前侧的麦克风。扬声器既是一个质量弹簧振荡器，可以通过它反射和传输入射波，又是一个由麦克风通过反馈回路控制的声音再发射器。结果表明，由此产生的两个端口的互易性被破坏，并可用于设计宽带非对称波发射机。实验结果表明，存在一个从300 -1500 Hz的频带，实现了在正向上几乎完美的传输，而在反向上实现微弱（即约10%）的传输。由于这种高效紧凑的非互易散射体的宽带特性，它对入射脉冲的响应也展现出作为声阱的强大应用能力。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.064012

自从1962年Landau因为在液氦方面的开创性理论工作被授予诺贝尔物理学奖以来，旋转子（Roton）色散关系受到了广泛关注。在2020和2021年发表的两篇论文通过理论计算表明，在巧妙设计的晶体或周期性超材料中也可能发生类似于Roton的色散关系。这个时候，量子效应和量子关联将不起作用，甚至通常需要的低温环境也不再需要。第一篇论文以微极连续弹性理论（micropolar continuum elasticity theory）为基础，基于中心对称破缺的手性结构是耦合产生微旋转，从而获得旋转子的必要条件。另一篇论文提出了非手性和手性结构交错的三维周期性结构。在这里，除了通常的最近邻相互作用之外，Roton的产生还要基于定制的第三最近邻相互作用（third-nearest-neighbor interactions）。如果要产生明显的旋转子行为，两种相互作用的有效强度必须具有可比性。

最近，来自法国勃艮第大学（Université de Bourgogne Franche-Comté）和德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的研究人员遵循第二种方法的特定非手性结构蓝图，通过3D打印制造相应的三维聚合物基超材料。在常温常压环境下，对两种不同三维超材料中类似于Roton的色散关系进行了直接实验观察。一个是在超声频率下微尺度超材料中进行的；另一个在可听声频段，使用宏观通道超材料中的纵向空气压力波来进行实验。通过测量三维聚合物微结构的纳米位移矢量和宏观空气声的标量气压等参数，再结合傅里叶变换得到了反常声子色散关系。实验结果与计算的Roton能带结构和数值模拟结果吻合得很好。该项研究证明了：1. Roton极小值可以从解析的高阶梯度有效介质理论得到的广义波动方程中求解到；2. 表明超材料中设计的相互作用超越了最近邻，为定制化设计最低色散能带结构提供了前所未有的实验机会。相关研究工作以“Experimental observation of roton-like dispersion relations in metamaterials”为题发表在《Science Advances》上。（鲁强兵）

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm2189 

双光子吸收在多光子光学显微术和多光子光刻中是至关重要的，这两种技术已在商业上使用多年。多光子光刻技术已成为制备纳米到微尺度三维结构的成熟方法。在3D光学光刻(也称为激光直写或3D激光纳米打印)中，双光子吸收导致光引发剂转变速率的缩放，因此暴露剂量正比于光强的平方I²。关键的是，这种二次非线性抑制了不可避免的衍射限制激光聚焦的横向和轴向尾部，从而保证了激发的关键浓度和随后沿所有三个空间方向的化学反应。需要注意的是，如果没有额外的非线性，单光子吸收无法从根本上提供这种浓度来制造任意的三维结构。

近日，德国卡尔斯鲁厄理工大学的Vincent Hahn教授团队本文介绍了两步吸收取代双光子吸收作为主要的光激发过程。在适当的条件下，两步吸收具有与双光子吸收相同的二次光学非线性。作者提出了一种基于支持两步吸收的光致引发剂、清除剂和成熟的三丙烯酸酯的光刻胶体系，并且表明，该系统可以打印目前最先进的3D纳米结构。在这些实验中，作者使用了~100μW的光功率，从一个廉价的，紧凑的连续波半导体激光二极管发射在405nm波长。该工作为三维激光纳米打印机的急剧小型化和低成本化打开了大门。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-021-00906-8

古老的折纸和剪纸艺术在构建力学超构材料方面变得流行，并提供了设计指南。通过折叠和切割，简单的2D薄膜材料可以转变为复杂的3D结构，具有独特的力学性能，如变形、柔性、可调泊松比、可调刚度和多稳态。折纸/剪纸结构不仅由纸制成，还可以由金属、聚合物、水凝胶和石墨烯等制成，尺寸从宏观尺度到微米尺度再到纳米尺度。这已应用于诸多领域，包括柔性电子、医疗器件和机器人。就力学性能而言，折纸和剪纸是相似的，因为折叠和切割都是将薄膜材料分成柔性区域（即折纸中的折痕和剪纸中的连接）和刚性区域（即折纸和剪纸中的薄板）的力学方法。因此，折纸或剪纸结构的力学行为在很大程度上取决于折纸或剪纸图案赋予的柔性和刚性之间的平衡。然而，折纸和剪纸提供了不同和独特的行为。折纸结构从初始平面状态折叠成压缩体积，而剪纸结构从初始状态拉伸成扩展结构。此外，折纸-剪纸混合设计正在出现，将这两个概念结合起来，以充分利用两者的优势。在设计力学超构材料时，最重要的概念之一是机械能量景貌，它描述了在变形的超构材料结构空间中，应变能随几何/变形量的变化而变化。机械能量景貌几乎影响力学超构材料的所有特性，例如其可展开性、稳定性和刚度。

近日，西湖大学姜汉卿教授团队回顾了基于折纸和剪纸力学超构材料，将基于薄膜材料的折叠或切割、基于折纸/剪纸的力学超构材料分为三类：(i)基于折纸的（仅折叠）、(ii)基于剪纸的（仅切割）和(iii)折纸-剪纸混合（折叠和切割）。根据弹性能量景貌将每组细分为刚性（存储的能量增加或仅连接）和可变形（存储在折痕或连接和面板中的能量）。对于每一类折纸和剪纸，从力学角度回顾了其变形机制、设计原理、功能和应用。最后，讨论了基于折纸和剪纸的力学超构材料的未来方向和挑战。相关研究发表在《Applied Physics Reviews》上。（徐锐）

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Z. Zhai, L. Wu, H. Jiang. Mechanical metamaterials based on origami and kirigami. Applied Physics Reviews, 2021, 8(4).

https://doi.org/10.1063/5.0051088

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