超材料前沿研究一周精选 2021年8月9日-2021年8月15日

混合超导/半导体纳米线是一种很有前景的材料平台，它们可以形成由一对Majorana模式束缚的一维拓扑超导体。由于它们的非阿贝尔交换统计，这些局域Majorana束缚态(MBS)是容错拓扑量子计算的基本组成部分。单个量子位由至少4个MBS组成，这些MBS位于若干具有硬诱导超导间隙的互连纳米线段中。间隙内的残余费米态会破坏Majorana模的拓扑保护。因此，在拓扑量子位的发展中一个根本性的挑战是设计具有硬超导间隙和干净均匀界面的复杂、相互连接的混合器件。

近日，来自荷兰代尔夫特理工大学的Sebastian Heedt 等人介绍了一种基于影壁光刻的片上制造范式来解决这些挑战。该范式在器件质量和再现性方面提供了实质性的进展。它允许实现混合量子器件和最终拓扑量子位，同时消除了半导体制造中的光刻和蚀刻步骤，这对于保持脆弱的混合接口的完整性和均匀性至关重要。该方法简化了具有硬诱导超导间隙和弹道正常/超导体连结器件的可重复制造。相关工作发表在《Nature Communications》上。(郑江坡)

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-25100-w

太赫兹技术在高速通信、生物医学成像、全息成像、光谱学、雷达和安全等方面具有潜在的变革性应用。特别是，随着对无线带宽需求的增加，使用太赫兹波作为载波的无线通信系统将提供超高的数据速率，超过目前新兴的5G通信系统。对太赫兹系统的需求极大地推动了高性能集成太赫兹器件的发展。因此，如何对太赫兹波的相位和振幅进行有效的动态操纵已成为国内外研究人员深入研究的课题。一种有价值的策略依赖于由超材料和活性材料组成的动态超材料，目前基于这一策略在太赫兹振幅和相位的动态操纵方面产生了显著的结果。根据所采用的结构类型，研究了不同的共振模式，如LC共振、偶极子共振和Fano共振。自2006年首次利用超材料和掺杂半导体来操纵太赫兹波相位的工作以来，出现了各种用于太赫兹相位操纵的动态或可调谐超材料的研究成果。制造操纵太赫兹波相位的有源器件的策略依赖于掺杂硅、氧化钒、石墨烯、高电子迁移率晶体管(HEMTs)、液晶和其他动态材料。然而，由于这种调制策略通常依赖于共振相互作用，它同时纠缠振幅和相位，很难只调制其中一个而不改变另一个。并且目前已知的研究成果仅能显示出有限的线性范围和有限的精度，使它们不适合需要高精度相位调制的应用。不仅如此，几乎早期的器件都是设计在自由空间准光学太赫兹光束上运行，而不是导波，因此限制了整体效率和规模。

近日，来自电子科技大学电子科学与工程学院的张雅鑫教授团队与河北省半导体研究所应用专用集成电路国家重点实验室 Shixiong Liang等人提出了一种利用二维电子气体(2DEG)扰动微结构单元耦合到传输线来实现高精度数字太赫兹相位操作的新方法。它将数字控制的二维电子气体扰动微结构单元(2DEG-PMU)与芯片上传输线相结合，与更常用的动态超材料方法相比，2DEG-PMU并不是在自由空间中直接与整个太赫兹波耦合，而是与部分太赫兹引导波耦合。这种耦合形成了一个局部共振，扰动了被引导的太赫兹波。相关工作发表在《Nature Photonics》上。(郑江坡)

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https://doi.org/10.1038/s41566-021-00851-6

Laguerre-Gaussian (LG)模式是Helmholtz方程在柱坐标下的一种解，其特征是径向指数p，方位指数l，由于具有编码信息的能力，最近引起了研究人员的极大关注。方位角指数，即轨道角动量(OAM)，在物体探测、光通信、全息成像等方面都有应用，这主要依赖于传播过程中的动量守恒。同时，LG模式作为一个完全正交基，已经被证明可以提高通信速度，例如，在多个正交OAM信道中复用和解复用。然而，由于在许多光学设备中使用的单模光纤不支持径向折射率，因此在很大程度上还没有得到业界的充分研究。然而，在自由空间中这不是一个问题。由于径向索引是一个有效的量子数，并且可以通过渐变光纤或在自由空间传输，因此它有可能进一步将通信系统的容量增加一个维度。然而，许多研究主要集中在LG模式的产生或观察上。

近日，香港大学电气与电子工程系KENNETH K. Y. WONG等人设计并实现了一个超转换器，将平面波光束在不同的衍射角度转换成多个不同阶次的拉盖尔-高斯(LG)模式。在硅衬底上，利用不同长度和取向角的金纳米天线来调制散射波的相位和振幅，制备了超表面。该研究结果的误差分析表明，所设计的超表面在400 nm波长范围内是稳健的。这项工作提出了通过控制径向和方位角指令来操纵LG光束，这为通信信道扩展一个维度(即径向指令)和不同模式的解复用铺平了道路。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。(丁雷)

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HUADE MAO et al, Broadband meta-converters for multiple Laguerre-Gaussian modes, Photonics Research(2021).

人工设计结构以控制波传播对于减振降噪至关重要。周期性结构会形成声波传播带隙，然而仅依靠具有布拉格散射的周期性声子晶体在控制低频振动方面远不实用，因为长波长需要较大的结构尺寸。弹性超材料在控制声波和弹性波方面具有独特的优势，因为它们能够在远大于其周期的波长处定制带隙。这些超材料通常是通过在周期性支架的核心插入重质量来构建的，这会引起局部共振现象。通过调整质量夹杂物的晶格几何形状和刚度，可以生成和调整一系列低频和宽带隙。 然而，这种直观的设计理念是以显着增加质量为代价的，这使得它们在扩大工程应用时变得不切实际。基于板上柱子和孔阵列的周期性排列来实现低频带隙，但这些设计只适用于二维情况下的板波。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学声学研究所 和北卡罗莱纳州立大学机械与航空航天系的 研究小组介绍了一类超低密度弹性超材料，它表现出三维蹦床共振效应，可以在低频下实现宽带全向减振。该团队所设计的微晶格的高孔隙率（超过 95% 的空隙空间）使质量密度低至 0.034 g/cm³，其特点是在悬垂微单元阵列中能形成低刚度节点结构网络，这有助于在相对较低的频率下形成一对不同的基于局部共振的带隙。他们通过理论集总模型分析了所提出的超材料，并对其动态特性进行了数值研究，以验证3D 蹦床效应产生的带隙，该带隙与负体积模量和接近零但在宽频率范围内的正有效密度相关。在这些超低密度超材料中观察到的低频带隙解耦了先前弹性超材料的质量密度和特征尺寸权衡，并提供了对基于微晶格的超材料的动态行为的见解，未来可用于航空航天、汽车的振动控制和能量收集和民用基础设施系统。相关研究成果发表在杂志《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.024015

组织工程的进展被用来推进其他几个界面生物医学领域和应用。典型的例子是体外三维组织和疾病的发展与2D细胞单层培养物或甚至与动物模型相比，模型具有模拟天然组织/器官行为的改进潜力，产生与人体组织更相似的药物反应。特别是器官/组织芯片(OoC)技术，人们对开发具有更高预测能力的体外-体内推断的微物理学系统越来越感兴趣。然而，用于构建这些系统的平台在实现、自动化和成本效益方面存在局限性。此外，它们典型的塑料外壳材料是天然组织细胞外基质和屏障的不良再现。

近日，来自欧洲组织工程和再生医学卓越研究所总部、生物材料生物可降解材料和仿生学研究所3B研究小组I3Bs的Syeda M. Bakht等人发展了一项策略——植物来源的纤维素纳米晶体的受控自组装(CNC)与悬浮浴中的3D生物打印概念相结合，用于嵌入模拟细胞外基质的原纤维支持材料中的微物理系统的直接生物制造。开发的支持数控流体凝胶允许具有任意几何形状和生物链接选择的低限制的3D构造的极高分辨率生物打印。CNC与生物相容性钙离子自组装的进一步诱导产生了透明的仿生纳米尺度原纤维基质，其允许容纳不同的分隔细胞类型和可灌注通道，具有用于生物大分子扩散和细胞串扰的定制渗透性，并保持结构稳定性以支持长期体外细胞成熟。总之，这种不含异种的纳米级CNC原纤维基质允许生物制造分级的活体构建体，不仅为开发生理相关的3D体外模型，而且为再生医学的广泛应用开辟了新的机会。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（詹若男）

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Syeda M. Bakht et al. 3D Bioprinting of Miniaturized Tissues Embedded in Self-Assembled Nanoparticle-Based Fibrillar Platforms. Adv. Funct. Mater. 2021, 2104245

DOI: 10.1002/adfm.202104245 

人工伪装是对自然伪装的功能性模仿，可以在各种各样的物种中观察到。特别是，自19世纪以来，有许多关于军事目的伪装技术的有趣研究，这些研究提高了匿名物体的生存能力，并将其识别为属于特定军事力量。随着先前对伪装技术和自然伪装的研究，人工伪装正在成为最近发展的技术的一个重要课题，例如先进的软机器人、电子皮肤。背景匹配和破坏性着色通常被认为是伪装的基本原则，涵盖了许多详细的子原则，这些原则不仅需要简单的着色，还需要根据背景选择性地表达各种破坏性图案。虽然自然界中发现的主动伪装主要依赖于肌肉细胞的机械作用，但人工伪装无法与变色动物的实际解剖结构相匹配，因此包含了更多样的策略，但在可见光区(400–700纳米波长)，尤其是RGB域，实用人工伪装的主导技术迄今尚未完全确立。尤其是在通过高分辨率伪装图案实现更高级和自然的伪装特征的目标下，在完整的设备水平上开发人工伪装仍然是一项极具挑战性的任务。

近日，来自韩国国立大学机械工程系、应用纳米与热科学实验室的Hyeonseok Kim等人发展了一项策略，该策略是将热致变色液晶层与垂直堆叠的图案化银纳米线加热器集成在多层结构中，通过叠加加热器引起的温度分布来克服传统横向像素化方案的局限性。同时，利用银纳米线网络的温度相关电阻作为主动控制系统的过程变量，解决了热致变色伪装方案的不足。结合主动控制系统和传感单元，完整的设备变色龙模型成功地恢复了局部背景颜色，并将其表面颜色与自然过渡特征瞬间匹配，成为下一代人工伪装的合格选择。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Hyeonseok Kim et al. Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin. Nature Communications (2021) 12:4658

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24916-w

将仿生几何学，如蜂窝、蝶翅的回转体和开尔文泡沫，融入到微纳超结构的设计和制造中，已经创造了各种类型的具有特殊性能的低密度超构材料，如超轻、超刚度和光子/声子现象，包括圆二色性和光学活动。这些低密度的超构材料，无论是软的还是硬的，在工程应用中都非常有价值，包括隔热、减震或减振、催化剂支撑等，也成为发现传统超构材料以及拓扑光子学中的非常规准粒子的肥沃土壤。设计低密度超构材料的传统方法基于“最小表面”的概念，特别是仿生最小表面。已经创建和研究了各种类型的低密度超构材料，例如开尔文泡沫晶格、八面体桁架、回转体晶格和壳体。自然界中最小的基于表面的解决方案盛行背后的共同驱动力是这样一个原理，即自然结构被“编程”以最小的能量消耗来填充和稳定体积。特别是，这些结构具有某些晶体组的对称性，可以推导出新的特性。回转体不仅作为一种力学超构材料被研究，而且发现在引入对称破环时具有韦尔点和拓扑圆二色性。然而，通过最小化表面积来创建超结构来填充空间并不是唯一的自然要求，其他模仿自然解决方案的机会还有待开发。

近日，上海理工大学顾敏教授团队模拟生物神经网络（BNNs）的结构特征，以创建通过最短连接距离互连体积的3D低密度超构材料：这是所谓的斯坦纳树问题的生物解决方案。由此产生的3D斯坦纳树网络（STN）可以通过使用双光子纳米光刻（TPN）技术制造为具有纳米特征尺寸的超构材料，该技术表现出由扭曲自由度触发的显着力学和拓扑特性。3D斯坦纳树网络中的90°扭曲导致顶层和底层之间的应变能沿T-STN晶胞中的Z方向更均匀地重新分布，从而提高了杨氏模量和不同质量密度尺度下的屈服强度。有趣的是，由于垂直于Z方向的不同光子带中的本征模之间的强耦合，斯坦纳树网络中的这种扭曲几何变化也引起了拓扑转变，其中狄拉克式圆锥在布里渊区的中心形成色散，带−2拓扑电荷，其出现可能与最近在扭曲电子学中发现的“扭曲魔角”现象有关，例如双层石墨烯和2D范德华材料。基于这种斯坦纳树路径优化方法的3D斯坦纳树网络为新型3D低密度超构材料的实现开辟了新的空间，并为3D拓扑光子学研究提供了新的平台。这些进展可以应用于机械坚固的光接口，如零折射率的3D介电材料，也可能为具有更高连通性的光子神经网络提供一个新的平台。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

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