超材料前沿研究一周精选 2021年4月5日-2021年4月11日

探索存储在倏逝电磁波中的信息的能力迅速发展，彻底改变了显微镜领域。自1972年首次展示超分辨率显微镜以来，近场显微镜在材料科学、生物学和光-物质相互作用工程中变得至关重要。最先进的近场显微镜能够实现超越衍射极限的成像和光谱分析，空间分辨率高达几纳米，可分为两类：光学显微镜和电子显微镜。目前最流行的光学技术是扫描近场光学显微镜。虽然它的分辨率可达10纳米以下，但它需要省略实时检测的扫描过程，而结果可能会因表面探针的相互作用而受到干扰。另外，由于电子探针与近场相互作用的程度，基于电子的技术显示出高空间分辨率成像的巨大前景。如电子能量损失光谱学图谱、阴极发光光谱图、光发射电子显微镜和光诱导近场电子显微镜等，最近被用来以前所未有的空间和时间分辨率成像倏逝电磁波。这些方法，无论多么成功，仍然需要复杂、昂贵的设备，并且像扫描近场光学显微镜一样，不能即时产生用于实时应用的图像。相比之下，非线性光学在高度可调、非微扰和实时成像模式方面显示出巨大的前景，这些模式已经成功地用于生物医学目的。它们以前曾被用于提高近场散射的对比度或分辨率，以及进入等离子体材料中的倏逝模式，但是非线性光学对表面波成像的适用性还有待研究。

近日，来自以色列理工学院电子工程系的Kobi Frischwasser等人介绍了非线性近场光学显微镜(NNOM)，它能够通过非线性波混合实时倏逝波成像，同时仅使用标准光学分量。作为概念验证，他们提出了倏逝等离子体模式的非微扰单次映射，利用主体金属的非线性，实时监控外部控制的模式变化。他们还进一步展示了以偏振敏感、自旋选择性的方式提取全场信息(所有电场分量的振幅和相位)的能力。这种简单且高度可调的技术可以扩展到二维材料中偏振子的深亚波长成像或其他纳米光导向模式，用于快速光子器件表征和优化光-物质相互作用。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）

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Kobi Frischwasser et al. Real-time sub-wavelength imaging of surface waves with nonlinear near-field optical microscopy. Nature Photonics (2021)

https:/ / doi.org/10.1038/ s41566-021-00782-2

近年来，拓扑物理学已成为最引人入胜的研究领域之一。基于体-边界对应原理，传统的拓扑相始终以边界态为特征，边界态比相对应的体态低一个维度。 最近，已有研究者提出了具有更低维度边界态的一类新型的对称保护的高阶拓扑绝缘体，并已在包括固体材料，力学，声学，微波，光子和电路的许多系统中实现。传统的拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体的关键特性是其边界态对本体中的弱无序性的鲁棒性。但是，在强无序情况下，非平庸的拓扑带隙被封闭，系统进入与安德森局域化相关的平庸相。与这种传统观点相反，最近的理论结果表明，可以通过向拓扑平庸的绝缘体的主体中添加足够强的无序性来诱导，而非抑制受保护边界态的出现和量子化输运。这种无序诱导的拓扑相称为拓扑安德森绝缘体，已引起了理论上的广泛关注。 

到目前为止，对拓扑安德森绝缘体的研究都集中在一阶拓扑相，而对无序诱导的高阶拓扑绝缘体的深入研究仍缺乏。近日，来自北京理工大学大学的Houjun Sun和Xiangdong Zhang研究小组提出了一类新的对称保护的高阶拓扑绝缘体，并证明它们具有更低维度的边界态。研究者从理论上证明无序诱导的高阶拓扑角态和量化的分数拓扑荷可以出现在修改的Haldane模型中。在实验中，研究者使用电路构造了此类高阶拓扑安德森绝缘体的经典类比，并通过电压测量观察了无序诱导的角态。这项工作打破了传统的观点的束缚，即无序对高阶拓扑相是抑制作用，并提供了一个可行的平台来研究无序与高阶拓扑阶段之间的相互作用。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.146802

铌酸锂(LN)在声光(AO)器件的发展中起着核心作用。在AO可调谐滤波器最初报道之后的几十年里，通过钛钝化和质子交换LN光学和表面声波(SAW)波导的发展，以及通过高效SAW换能器的发展，这些器件的电功率消耗从瓦降低到毫瓦。然而，这些波导只能微弱地限制光场和力学场。因此，更大的交互强度是不断提高效率和减小这些器件尺寸的有效方法。近年来，出现了一种新的LN波导技术，可以极大地改善电光、AO和非线性光学器件性能。随着蚀刻技术的发展，低损耗、波长尺度的光波导可以在高质量的LN单晶薄膜中使用。由于它们的高约束，这些波导推动了紧凑型阵列的发展，高效非线性器件和调制器已在经典和量子系统中得到应用。同时，LN薄膜也被用来实现低损耗、强耦合的压电器件。

近日，斯坦福大学应用物理系Christopher J. Sarabalis 等人设计了一种采用高约束的，波长尺度波导铌酸锂悬浮膜中的共线声光调制器，通过对光波和机械波的强烈限制，该调制器在声光和机电效率方面提高了一个数量级。研究人员表示该研究结果标志着声光技术的重大进步，有望成为一种新型的紧凑型低功率移频器、可调谐滤波器、非磁性隔离器和光束偏转器等光学器件。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

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Christopher J. Sarabalis et al, Acousto-optic modulation of a wavelength-scale waveguide,Optica(2021).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.413401

近几十年来，超材料作为一种可以任意控制电磁波传输路径的人工材料引起广泛关注，基于超材料的应用也越来越多，如负折射，超透镜，隐形斗篷等。然而，传统超材料体积庞大，制造复杂，损耗高和分散性强。随后，超表面应运而生，它可以通过将亚波长散射体设计成2D模式来将其视为平面超材料。相对于传统超材料，超表面具有低轮廓，损耗低，且易于制造的优点，并兼具电磁波调控能力。在微波频带，超表面已被广泛用于操纵偏振状态，产生涡旋光束，实现高指向性天线并增强吸收。通常，超表面可以分为两种类型：透射和反射。通常，超表面可以分为两种类型：透射和反射，且一种类型的超表面仅具有单一功能。最近，研究人员在微波和光学波段中都提出了一些多功能的超表面，它们对于不同的偏振波具有不同的功能。但是，一旦完成设计，这些超表面的功能将无法更改。

近日，东南大学信息科学与工程学院、毫米波国家重点实验室的马慧锋和崔铁军教授团队提出了一种可重构的多功能超颖表面，它可以自由地、连续地从全透射切换为全反射，然后实时进行完美吸收，并且其反射波可以通过可编程方式进行进一步处理。该超表面是两层结构，其中一层用于控制反射波和透射波的振幅，称为R-T控制层（RTCL），另一层用于控制反射波的振幅和相位。RTCL装有一系列PIN二极管，可通过偏置电压改变PIN二极管的工作状态，可以动态重新配置超表面的功能，实现从全透射到全反射的电磁波的连续操纵，然后达到完美吸收。当超表面处于全反射状态时，可以通过更改反射相位的编码顺序来进一步实时操纵反射波。此外，他们还提出并演示了可重构多功能超表面在隐形天线罩中的潜在应用。相关研究成果发表在《Advanced Functional Materials》上（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1002/adfm.202100275

电磁（EM）超表面是利用周期性或准周期性的宏观基本单元来模拟传统材料科学微观尺度上的原子或分子。这些宏观基本单元通过共振效应与外电场相互作用，表现出独特的EM特性，从而设计成斗篷、聚光器、错觉光学器件、特殊透镜、漫反射等各种新型功能器件。最近，一系列被称为编码、数字和可编程超表面的特殊电磁超表面由于其独特的处理电磁波的方法而获得了更多的关注。智能编码超表面是一种能同时对电磁波进行操纵和对数字信息进行智能关联的信息载体。其广泛的应用之一是开发先进的动态全息成像方案。目前，超表面的控制编码序列通常采用迭代方法设计，包括Gerchberg Saxton (GS)算法和随机优化算法，这给智能编码超表面在许多对效率和性能要求很高的实际场景中的部署带来了很大的障碍。

近日，东南大学电磁空间研究所崔铁军院士团队提出了一种在无监督条件生成对抗网络(cGANs)环境下设计智能编码超表面全息图的高效非迭代算法，即物理驱动变分自编码器(VAE) cGAN (VAE-cGAN)。与传统cGAN对大量人工标记训练数据的苛刻要求截然不同，该团队提出的VAE-cGAN以物理驱动的方式运行，从而从根本上消除了传统cGAN所遇到的困难。具体来说，引入电场分布与超表面之间的物理运行机制，对所开发的VAE-cGAN的VAE解码模块进行建模。仿真和实验结果证明了VAE-cGAN的先进性、可靠性和高效性。研究人员期待着智能全息图可以通过在神经网络芯片上部署VAE-cGAN来开发，在通信、显微镜等方面找到更有价值的应用。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

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CHE LIU et al, Intelligent coding metasurface holograms by physics-assisted unsupervised generative adversarial network, Photonics Research(2021).

https://doi.org/10.1364/PRJ.416287.

一个世纪前，Stern和Gerlach的实验可以说导致了物理学最重要、令人兴奋、意料想不到的发现之一。当他们试图测量与电子轨道角动量相关的原子的磁矩时，无意中发现了电子的固有磁矩——即电子“自旋”这一性质，狄拉克后来证明这是薛定谔物质波方程相对论公式的直接结果。受Stern和Gerlach的突破启发，操纵电子自旋在“自旋电子学”技术、磁共振成像和量子信息科学中早已司空见惯；它甚至用于高能物理学研究自旋依赖散射过程。但电子的自旋对于看似完全不同的过程的操作原理也是至关重要的:例如，在有机发光二极管(OLED)中，电子和空穴以自旋相关的方式重新组合以产生光。由于重组单态和三态分子激发态物种是非简并的，重组产物的自旋排列对称性的统计分布决定了器件的整体功率效率。由光诱导电子转移引起的光化学反应的核心也出现了类似的现象。例如，有人提出，某些鸟类的视网膜色素-蛋白质复合物支持空间分离的自旋相关载体对的形成，单重态-三重态的复合产额会受到小到地磁场强度大小的自旋进动变化的影响。这些过程取决于自旋对的排列对称性，而不是Stern-Gerlach型自旋极化。

由于自旋轨道耦合(SOC)效应在这些材料中普遍较弱，因此oled为研究自旋极化现象提供了一个潜在的半导体基础。近日，来自德国雷根斯堡雷根斯堡大学的Tobias Scharff等人在荧光OLED材料中展示了强磁场在低温下对磁电的完全抑制。磁电的荧光抑制程度不仅与温度有关，还与电流有关，随着温度和电流的升高，自旋极化的影响逐渐消失。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-22191-3

在过去的十年，导电水凝胶(TCHs)因具有优异的导电性、机械性能和富含水的特性，引起了人们对它的极大兴趣。TCHs具有对比鲜明的多网络，这赋予了它们高机械强度和通过不同耗散机制有效耗散机械能的能力，从而承受应变以保持完整性。这种水凝胶在电子、组织工程、致动器和能量储存装置中具有广泛的应用。典型的导电聚合物如聚苯胺(PANI)、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)和聚吡咯(PPy)是TCHs的关键成分。这些聚合物通常通过直接浸泡或将其与其他前体混合以及水凝胶中单体的原位化学氧化或电化学聚合而引入水凝胶。最近，已经报道了诸如打印商业导电产品、选择性聚合和金属离子交联剂的电化学释放的策略，用于制造TCH图案和3D结构，用于例如体内单个单元记录、应变传感器和将电刺激系统转移到包封的细胞以增强分化等。这些开创性的研究极大地拓宽了水凝胶在柔软、可穿戴设备和生物电子学中的应用。然而，设计用于一锅制备大块TCHs和高分辨率图案(~100 μm)的简单而快速的策略，特别是利用已报道的用于制造复杂3D结构的打印技术，仍然是一个挑战。

近日，来自西北大学化学与材料科学学院、教育部合成与天然功能分子化学重点实验室的Hongqiu Wei等人报道了一种正交光化学辅助打印(OPAP)策略，通过合理的可见光化学设计和可靠的挤压打印技术的结合，在一个锅中制造三维TCHs。这种正交化学快速、可控，同时实现了EDOT光聚合和苯酚偶联反应，导致在短时间内(t_gel~30 s)构建出坚韧的水凝胶。由此制备的TCHs具有韧性、导电性、可拉伸性和抗冻性。这种无模板3D打印可以在制造过程中加工成任意的结构。为了进一步证明这种简单的OPAP策略和TCHs的优点，3D打印的TCHs水凝胶阵列和螺旋线，用于组装高性能压力传感器和温度响应致动器。预计这种一锅快速、可控的OPAP策略将为制造坚韧的水凝胶打开新的视野。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Hongqiu Wei et al. Orthogonal photochemistry-assisted printing of 3D tough and stretchable conductive hydrogels. Nature Communications (2021) 12:2082 https://doi.org/10.1038/s41467-021-21869-y

由液体材料构成的结构普遍存在于自然界中，实现了仅由固体材料无法实现的功能。借助于间质液体和组织的协同作用，简单的生物体能够自发地或对环境刺激作出反应地移动、跳跃、抓取等，这为科学研究和开发提供了许多生物灵感应用的启示。近年来，基于液体的自适应结构材料（LASMs）进入了应用领域，并因其在满足各种应用需求方面的灵活性而受到越来越多的关注，这些应用包括智能响应装置、液滴控制和操作、自清洁、防雾、自愈合涂层、提高电动动能转换效率、智能门控膜等。LASMs是一种由动态液相和稳定固相组成的结构材料。通过合理的界面设计，LASMs利用了固液两相的动态和静态协同作用，表现出动态适应性和稳定的机械结构。能够适应各种环境的结构材料的发展，为智能建筑带来了希望，从而为人们提供更高质量的节能生活。由于液相材料具有自发和动态的特性，其应用日益广泛是目前研究的趋势之一。基于液体的自适应结构材料（LASMs）作为动态液相材料和传统固体材料之间的桥梁，已被证明具有前所未有的动态、稳定性、自适应性和刺激响应性等特性，在许多应用中如3D打印、软体机器人、疏水表面、微流体、多相分离等。

近日，厦门大学侯旭教授团队综述了近年来基于液体的自适应结构材料（LASMs）的研究进展，包括带颗粒的液体、带表面的液体以及带膜的液体。展示了在许多领域中开发用于实际用途的LASMs的有希望的优势，在早期阶段，专门针对已构造的LASMs的特性和功能，功能性液体和固体基质的选择进行的总结对于这一新兴领域的发展至关重要，这是这项工作的主要目标。研究分为五个部分。第一部分简要介绍了LASMs。中间三个部分阐述了有关主题的更多细节和最新进展，包括带有颗粒、带有表面和带有膜的液体。它们相应的结构-功能关系也作为本研究新闻的重点予以强调。最后一部分提供了对LASMs发展中未来挑战和机遇的总体看法。作者希望这一研究能够吸引更多研究人员的注意力，以将LASMs转变为更多实际应用。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

J. Zhang, B. Chen, X. Chen, et al. Liquid‐Based Adaptive Structural Materials[J]. Advanced Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adma.202005664

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