超材料前沿研究一周精选 2021年12月6日-2021年12月12日

光声成像已显示出在临床应用的巨大前景。它能够对良性和恶性组织进行直接无创检查，比如，乳腺癌，转移淋巴结和克罗恩病。光声成像是建立在光声效应的基础上的。1880年，贝尔首次报道了光声效应，他证明了太阳光照射下的物体可以产生声波。然而由于缺乏合适的光源，光声效应直到20世纪70年代才被用于检测气体成分，上世纪90年代，它在生物学和医学上的应用才开始出现。光声学自19世纪末被发现以来已经取得了长足的进步，目前已有两种设备被批准用于临床。然而，目前尚无基于光纤的中红外光声系统的报道，而光纤具有微小的横截面，高灵敏度，并可用于各种成像和治疗技术。

近日，俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院Nikita Kaydanov等人开发了一种基于空心微结构光波导(HC-MOW)和混合纳米结构膜的探针。该膜由一个独立的单壁碳纳米管膜和一个布拉格反射器组成，可以用作超声源和探测器。用红外激光脉冲激发膜振动，并通过记录反射可见连续波激光的强度读出膜振动。研究人员解释了反射光强度调制的性质，并用薄膜振动本征频率和热分布的数值模拟来佐证他们的解释。此外，科研人员用光栅扫描光声介观系统观察了膜的振动。实验结果表明HC-MOW的透过率在400 nm ~ 6.5 μm之间，杂化膜的透过率在近红外范围内，使得生物分子的红外指纹区具有潜在的光声传感能力。这使得光声探针可用于医学内镜。作者表示进一步的工作将致力于优化混合膜的光学和热机械性能，将内窥光声探针与传统多模光纤融合，并在体内进行临床前测试。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

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Nikita Kaydanov,et al, Optoacoustic Effect in a Hybrid Multilayered Membrane Deposited on aHollow-Core Microstructured Optical Waveguide.

超表面是一种人工亚波长单元，可对波前进行裁剪，以实现对波方向、全息或掩蔽的简单操作。作为电磁学的前沿研究领域，超表面在声学和弹性中得到了积极的研究。通常，超表面可分为两种类型：反射型超表面和折射型超表面。反射型超表面用于反射波裁剪，通常附着在介质边缘。相反，折射型超表面用于透射波裁剪，通常位于均质介质内。折射型超表面受到了相当大的关注，因为，反射类型只需要满足从0到2π的各种相移的通用条件，而折射类型需要额外的全透射条件。尽管对折射型弹性超表面进行了积极的研究，但此前的研究主要集中在均匀介质情况下。但用于均匀情况的方法不能用于非均匀情况下的波前裁剪。在弹性力学中，这一问题变得更为关键，因为几乎所有的应用都涉及各种波介质，而在声学或电磁学中，几乎所有的应用都是在空气或水等中的均质情况。因此，在非均匀情况下实现波前裁剪的弹性超表面还没有研究。

近日，韩国蔚山国家科学技术学院机械工程系的Joo Hwan Oh和韩国标准与科学研究院的HongMin Seung研究团队提出了一种在两种不同介质之间实现波前裁剪的方法。首先，他们证明了以往的弹性超表面方法不适用于非均匀情况。为了克服这一限制，他们提出了由相位调制器和阻抗匹配器组成的双单元超表面。在这种配置中，相位调制器提供适当的相移来调整波前，而阻抗匹配器提供两种不同介质之间的完全传输。在等效质量弹簧系统的基础上，设计了适当分离的相位调制器和阻抗匹配器。数值和实验验证表明，所设计的双单元超表面可以有效地裁剪波前，使两种不同介质之间几乎完全透射。该团队提出的超表面将有可能应用在其他超声领域，如无损评估、振动裁剪、超声成像和换能器。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.16.064013

盘绕空间结构是声学超材料的一个分支，它利用亚波长迷宫结构来实现奇异声学现象。与依赖于局域共振亚波长结构不同，具有盘绕空间的声学超材料利用迷宫结构展现出高折射率。由于声波是一个标量场，迷宫结构内的声波将沿迷宫状路径传播，其折射率可通过卷曲程度灵活调控。由于这些特点，盘绕空间结构在超材料和超表面方面取得了各种进展，例如实现了接近零的密度，奇异声聚焦、声传输、声吸收和极慢波效应。尽管如此，但它们仅限于声学情况。在声学中，如前所述，波由标量场控制，因此波可以在迷宫式结构内自由传播。然而，如果波不受标量场控制，迷宫结构中的波就不能像在自由空间中那样自由传播。由于弹性波的张量性质，迄今为止，还没有研究或实现弹性盘绕空间结构。

近日，韩国蔚山国立科学技术学院机械工程系的Geun Ju Jeon和JooHwan Oh研究团队展示了一种实现弹性盘绕空间结构的方法。由于弹性的张量性质，弹性盘绕空间通常是难以实现的。然而，从理论方法来看，该团队表明在两个特定条件下，弹性盘绕空间存在实现的可能，即类流体连接条件和等曲率路径条件。基于这些特定条件，他们设计了一种弹性超材料，具有弹性盘绕空间结构。该结构的数值和实验研究表明，在特定条件下确实可以弹性盘绕空间。它具有从近零频率开始宽带弹性波调控的显著。此外，其内部的波长非常小，可用作小微型器件结构。这在低频应用中尤其重要，例如振动吸收或地震阻断，有望解决超材料应用中最具挑战性的问题之一。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.16.064016

近年来，高维晶格中引入的高阶拓扑相扩展了对拓扑非平凡材料的传统理解，其中d维晶格不仅具有一阶(d−1)维边界态还具备n阶(d−n)维边界态。自2019年以来，声子晶体、环谐振器、波导阵列、腔和电子系统中的二维(2D)晶格中的二阶角态得到了广泛的研究。近期，三维晶格中的高阶拓扑态也有报道。这些高阶拓扑相的理论和实验研究促进了拓扑光子学的发展。

目前寻求高阶拓扑态的原则主要是基于分析空间或(和)非空间对称性。在空间对称(如反转或旋转对称)系统中，高阶拓扑态可能源于量子化偶极极化或多极矩。在非空间对称(如手性对称)系统中，非平凡的边界绕数可能导致角态的产生。结合非空间对称性和空间对称性，对二阶拓扑绝缘体和超导体也进行了部分分类。现有的方案要求精细设计整体对称，作为一种从上到下的方法，不能提供深入了解低阶和高阶拓扑态之间的联系。

由于低阶边界态是众所周知的，人们可以使用低阶拓扑态作为组装成高阶拓扑态的构建块。可以粘合低维对称保护的拓扑态来构造高维拓扑晶体绝缘体(TCIs)。一方面，高阶拓扑态可以平滑地连接到传统的低阶拓扑态上，而不需要体隙闭合或对称破缺。另一方面，二维高阶拓扑相是拓扑泵浦的产物，是四维量子霍尔效应的一种动力学表现。然而，现有的模型要么过于复杂，要么在实验上不友好。这些限制促使作者们寻求一种简单和实验友好的方案来构造拓扑角态。

近日，上海交通大学的金贤敏教授团队从理论上提出并通过实验证明了一种以拓扑边界态作为构建块的自下而上的方法来构造拓扑角态。通过在每个方向上引入调制，拓扑边界态可以通过拓扑泵浦通道从一条边界转移到另一条边界，这可以由一个非平凡的体拓扑不变量Chern数来保证。因此，作者构造的角态是一个非平凡向量Chern数的结果，它是在不同方向上的Chern数的组合。最后必须强调，这种角态不需要任何空间或非空间对称。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW B》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevB.104.224303

许多当代凝聚态物理学的研究主要集中在对鲁棒边界现象的理论和实验研究上。它们最初是在异常的背景下制定的，它们以拓扑绝缘体和半金属的形式彻底改变了凝聚态物理领域。最近，它们作为非厄米趋肤状态再次引起了人们的注意：它证明了不平衡的非厄米增益/损失是如何挑战体积-边界对应原则的。虽然趋肤和拓扑效应本身在概念上就已经很深了，在bulk boundary对应上有不同的含义，但它们同时发生的非平凡的相互作用特别有趣。它们的非平凡性和丰富性在应用环境中也很明显:这种趋肤效应和高阶拓扑的同时相互作用被提出用作拓扑开关。在这些进展中，理论总是先于实验。原因是大多数被提出的紧束缚模型在传统材料或超材料中都是人工实现的。虽然高阶拓扑现象和非厄米趋肤效应已在几个实验中分别实现，但由于伴随的高维性、人工亚晶格结构和非厄米不稳定性的挑战，它们的结合相互作用迄今仍是一个理论幻想。

近日，来自北京理工大学物理学院、先进光电子量子结构与测量教育部重点实验室、纳米光子学与超精细光电系统北京市重点实验室的Deyuan Zou等人报道了混合高阶趋肤拓扑效应的实验实现，其中趋肤效应选择性地只作用于拓扑边界模式，而不是体模式。他们的实验是在特别设计的非互易二维和三维拓扑电路晶格上进行的，展示了非互易泵浦和拓扑定位是如何动态相互作用形成各种状态的，如二维趋肤拓扑、三维趋肤拓扑-拓扑混合态、以及2D和3D更高阶非厄米趋肤状态。通过他们高度通用和可扩展的电路平台实现，这些状态没有Hermitian或低维模拟，并通过趋肤和拓扑边界定位的同时非平凡相互作用，为在拓扑切换和传感领域的应用铺平了道路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Deyuan Zou et al. Observation of hybridhigher-order skin-topological effect in non-Hermitian topolectrical circuits. NatureCommunications (2021) 12:7201

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26414-5

螺旋状的磁性超构材料可以应用于磁共振成像（MRI），通过放大射频磁场强度来提高MRI的信噪比。为了实现最佳性能，必须确保超构材料和MRI系统之间的频率匹配条件。然而，由于超构材料易受测试对象成分差异的影响，当接近不同体成分的测试对象时，其共振频率可能会发生意想不到的升高或降低。到目前为止，许多传统超构材料在提高MRI系统信噪比方面的另一个显著局限性是其平面分布的单胞，这限制了成像弯曲表面，如大脑、乳房或肌肉骨骼系统（膝盖、脚踝等）。由于超构材料的信噪比增益随着距离超构材料表面的距离而减小，确保超构材料与目标表面之间的共形近似是优化性能的关键。拉胀是指在膨胀和收缩过程中保持整体形状的2D或3D材料和结构。它们的几何结构在单轴压缩（拉伸）和横向收缩（膨胀）下表现出反直观的变形，即负泊松比。由于拉胀效应是由其特定的内部单元结构产生的，从2D到3D的任意几何结构可以通过使用可变的单元几何和定义良好的拓扑进一步裁剪。此外，拉胀调优方案的一个优势是可伸缩性和适应性，这些特性支持这些技术的日益普遍使用。

近日，波士顿大学Stephan W. Anderson教授和Xin Zhang教授团队介绍了由金属螺旋阵列组成的2D平面和3D半球形可调谐磁性超构材料的设计、制作和表征，用于增强射频磁场并提高其在磁共振成像（MRI）中的信噪比。通过适当设计的2D和3D拉胀结构改变元原子的密度来调谐共振模式频率的概念，通过耦合模式理论、模拟和实验分析来解决观测到的共振位移。推导了超构材料的共振模式对其射频场增强效果的影响。最后，使用平面和3D类型的发育异常材料进行了两个临床相关场景的MRI验证。由于其固有的设计灵活性，受到拉胀结构概念的启发，存在大量可调谐超构材料的可能实现。此外，除了在MRI上的应用，生长发育行为在理论上是独立于尺度的，在宏观、微观和纳米水平上运行的变形机制是相同的。因此，这种调谐机制为未来在指定频率范围内工作的面向应用的电磁器件的发展提供了一个有前途的途径。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

超材料以其非凡的性能、高度的设计自由度、丰富的物理内涵和新兴的功能，已经渗透到几乎所有的学科，改变了我们设计人工结构材料、操纵物理场、探索未知边界的方式。随着转换光学和散射消除等设计范式的流行，许多在不同物理领域的新的超材料也被提出，如电磁学、声学、直流电场、弹性力学和热学等。热超材料作为一种扩散材料，在操纵、控制和处理热流方面显示了巨大的潜力，并使许多有前途的热超材料器件成为可能，如热隐身衣、热集中器、旋转器、伪装器和幻觉器等。然而，三个长期存在的挑战仍然令人生畏，即，转换光学诱导的各向异性材料参数，实验热元器件的有限形状适应性，以及背景温度和热功能的先验知识。

近日，来自华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的Wei Sha等人提出了稳健可打印的自由形式热超材料来解决这些长期存在的困难。该配方以局部热导率张量为输入，对拓扑功能单元(TFC)的自由形式设计进行拓扑优化，然后直接组装和打印它们。三种自由形式热元器件（集中器、旋转器和斗篷）是专门设计和3D打印的，并通过数值和实验证明了它们的全向聚光、旋转和隐形功能。他们的研究为先进热超材料的复杂形状、全方位功能、背景温度无关性和快速原型能力奠定了强大而灵活的设计范式。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Wei Sha et al. Robustly printable freeform thermal metamaterials.NatureCommunications (2021) 12:7228

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27543-7

可穿戴柔性电子器件作为一种休闲娱乐，健康监测和通信交流的多功能集成化的设备已经越来越多地渗透到我们的日常生活当中，这些智能装置离不开电路的支撑。相较于传统电子元器件，柔性电子的器件具有轻便、薄、柔软、可弯曲等特点，可以使电子系统能够在变形过程中实现高性能集成电路的操作和工作。因此，柔性电子器件技术正成为当代医疗卫生、电子信息产业发展的新兴领域，也是智能材料与传感器件研究的最前沿方向。

对于柔性电子器件来说，基底材料的选择尤为重要。研究人员一直在寻找一种不干扰人们日常活动的情况下实现对生物信号的长期和远程监测的基底材料。同时，柔性电子器件在服役过程中往往要与任意不可展曲面(如人体表面)动态贴合。然而，人们日常活动中难免会引起皮肤发生拉伸、弯曲、扭转和褶皱，从而导致柔性电子器件极易在这种复杂循环应力状态和极端变形状态下损坏。因此，如何保证柔性电子器件在不损伤的情况下还能适应极端的变形工况已成为柔性电子器件的研究一个重大挑战和难点。

近日，哈尔滨工业大学王长国教授提出了一种基于剪纸结构引入不同的褶皱，从而适应拉压变形的高柔韧性的超高弹性变形的柔性器件设计策略。该设计策略既适用于离散的柔性系统，也适用于分布式柔性系统，使其能够在不损伤的情况下适应极端的变形，犹如橡胶带一样可以发生拉伸、压缩和扭转变形。并通过系统全面的力学理论研究揭示了如何利用不同的无量纲几何参数来调节系统的屈曲响应，如整体屈曲和局部褶皱。同时，为揭示非线性力学响应与微观结构几何形态和材料性能之间的内在联系提供了理论基础。该研究从可伸缩性导体和压电能量收集两个方面，提出了一条研制高性能柔性装置的新途径。相关工作发表在《International Journal of Solids and Structures》上。（何玉龙）

文章链接：

Wang, Y., Wang, C., Mechanics of Strain-limiting WrinkledKirigami for Flexible Devices: High Flexibility, Stretchability andCompressibility, [J]International Journal of Solids and Structures,（2021）238：11328

https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2021.111382

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