超材料前沿研究一周精选 2020年1月3日-2021年1月10日

1. 形状记忆聚合物亚微米4D结构彩色隐形油墨

4D打印是将3D打印的设计灵活性与其组成材料的刺激响应特性结合起来，在众多领域都引起了研究人员的极大兴趣，例如软体机器人、药物输送、柔性电子和组织工程。传统的打印方法因其固有材料和光刻挑战限制了打印结构的最小特征尺寸为~10 μm。在一个数量级上，与光强烈相互作用的更小、亚微米尺度的特征尚未在4D打印中得到系统的探索。

近日，新加坡科技设计大学Hao Wang和Joel K. W. Yang教授团队报告了一种基于Vero Clear的新型形状记忆聚合物，它使用双光子聚合光刻技术（TPL）在约300 nm半间距的分辨率下实现了打印功能。由大小可调的多种颜色网格组成的印刷品，使形状记忆效应的研究能够通过纳米尺度结构变形实现大规模的视觉转移。随着纳米结构的变平，颜色和打印信息变得不可见。值得注意的是，形状记忆效应可在加热至高于其玻璃化转变温度的几秒钟内恢复纳米结构的原始表面形态及其结构色。高分辨率打印以及微观形貌和光学特性均具有出色的可逆性，这为温度敏感标签、防伪信息隐藏和可调光子设备提供了平台。这种结构特征和光学响应的可逆性证明了形状记忆聚合物在亚微米尺度增材制造中的重要前景。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）

文章链接：

Zhang, W., et al., Structural multi-colour invisible inks with submicron 4D printing of shape memory polymers. Nature Communications, 2021. 12(1).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20300-2

2. 一维光子晶体上转换增强建模框架的实验验证

光子上转换(UC)，即利用镧系掺杂材料将低能转化为高能光子，在过去的50年中，在材料化学和物理领域引起了迅速增长的兴趣。 已经做了广泛的研究，以了解UC工艺的理论和材料开发，主要是纳米晶体。到目前为止，UC已被广泛应用于生物成像，热学，安全，数据存储和数据分析到光伏。随着辐照度的增加，UC过程的概率呈非线性增长，因为两个光子需要在空间和时间的近邻吸收。对于UC在光电池中的应用，太阳相对较低的辐照度是一个挑战，因为它限制了UC的效率。在低辐照度下提高UC效率的一种方法是将上变频器嵌入到光子晶体中。 这个光子上变频器被放置在太阳能电池后面。

已经研究的用于UC增强的光子结构包括结合等离子体效应的规则和逆蛋白石光子晶体，以及二维光子晶体、波导结构、空腔和多层堆叠。报道的最高UC增强因子范围从<30的腔和蛋白石结构，到三到四个数量级的混合蛋白石光子结构结合等离子体共振和波导结构。这些结果证明了光子结构增强UC的高电位。然而，关于光子效应如何影响UC及其在仿真模型中的实现的理论理解大多缺乏。没有这一理解，就不可能进行适当的光子结构设计优化，也不可能充分挖掘光子结构的实际潜力。 此外，更复杂的结构对结构缺陷更敏感。考虑到给定的生产精度，同样的UC增强可以达到较不复杂的结构，这对于工业应用特别相关。此外,已知的最大增强因子主要是测量在一个非常不同的参数设置(即激发波长和辐照度、发病率或检测角等),因此，不包括统计数据或UC增强的光谱宽度，这是一些目标应用的非常决定性的参数，包括光伏。此外，目前尚不清楚所报道的UC增强是主要来源于光子增强，还是仅仅是由于散射等原因吸收激发光的增强部分。

近日，来自德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的Clarissa L. M. Hofmann等人为了填补这些空白，建立了一个全面的理论模型，描述了光子效应、光态局部能量密度和修正局部密度(LDOS)对宿主晶体六方NaYF₄中Er³⁺内部UC动力学的影响。此外，该模型还考虑了实验生产误差的影响。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20305-x

3. 二阶非线性的室温光子逻辑量子比特

任何建立相干量子硬件的尝试都会遇到环境的有害影响。为了解决这个问题，今天所有新生的量子计算机都必须冷却到低温。超导量子电路需要稀释冰箱来消除热噪声，离子陷阱处理器被冷却到10k以减少与杂散气体分子的碰撞。这种对冷却的需求给量子信息处理的许多潜在应用带来了问题;它极大地降低了便携式设备的前景，并极大地影响了大规模部署通信网络中继和路由器的成本和实用性。即使是使用单点缺陷(例如，色心或稀土杂质)的光学电路也需要低温来减少热线的增宽。采用检测器作为其唯一非线性元素的线性光学方案也同样如此(在这种情况下，是为了避免低效检测所带来的开销)。

目前，似乎只有少数几个平台具有在室温和常压下进行量子处理的潜力。采用块体非线性光学元件作为非线性元件是一种非常有前途的方法。体非线性单元不仅不受热激发的影响，而且由于尺寸的关系，它们受热展宽的影响较小。直到最近，由于这些非线性的弱点和波包失真的问题，实现具有整体非线性的量子器件的可能性似乎还很遥远。在材料非线性的有效强度方面取得了很大的进展，超快化腔的引入，以及波包畸变的相对简单的解决方案改变了这种观点。

实现非线性光子量子电路的物理技术并不是实现室温量子逻辑的唯一挑战。为了实用起见，必须使用最强的可用非线性、前导阶χ⁽²⁾非线性磁化率来实现这种逻辑，为了有效的室温操作，逻辑和纠错电路应该避免测量或前馈控制。 用光子处理信息的两种基本方法是可能的。第一种是使用单轨或双轨编码，其中每个模式包含不超过一个光子。虽然这样做的好处是所有来自成熟的量子比特模型的电路结构都可以被使用，但这导致了复杂的电路，即使是为了纠正单个光子的损失。用于此目的的最小代码使用五种模式(双轨编码为十种)。虽然在校正五位码的最小电路上几乎没有工作，但从七位Steane代码的电路中，我们估计它至少需要九个附加模式，并超过30个CNOT门。另一种选择是使用玻色子码，每模使用多个光子，但在这种情况下，需要哪些门和电路来实现纠错还远不明显，更不用说如何通过χ⁽²⁾相互作用来实现这些门了。虽然玻色子代码的显式错误纠正程序已经被阐明，但它们都涉及非拆卸或光子数分辨测量。目前还不知道如何构造用χ⁽²⁾非线性来代替这种测量所需的统一多光子运算，或者这样做的复杂性。迄今为止，唯一被明确构建用来修正玻色子代码的单一电路是使用理想的χ⁽³⁾介质的40层神经网络。

近日，来自美国麻省理工学院电气工程和计算机科学系的Stefan Krastanov等人提出了一种只使用固定χ⁽²⁾非线性在多模多光子态上实现全统一，从而实现室温量子逻辑的方法。这种模式作为其基本模块，使用具有时间依赖驱动的单个三重共振腔，大大降低了一般实现多光子量子逻辑所需的物理电路的复杂性，特别是纠错。该模块对三种模式进行的联合操作由时间相关驱动控制。这样，该模块能够执行广泛的三模多光子门。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-20417-4

4. 用于多模光子卷积神经网络的波导上的可编程相变超表面

神经形态光子学最近已成为非常有前途的硬件加速器，与用于机器学习算法（例如各种类型的神经网络）的数字电子产品相比，它具有潜在的速度和能量优势。集成光子网络在执行矩阵矢量乘法（MVM）的模拟计算时特别强大，因为它们为数据传输提供了无与伦比的速度和带宽密度。将非易失性相变材料整合到集成的光子器件中，可为片上光学计算提供必不可少的编程和内存计算功能。

近日，来自美国华盛顿大学电气与计算机工程系的Changming Wu等人演示了一个多模光子计算核心，该核心由一系列基于相变材料制成的波导超表面的可编程模式转换器组成。可编程转换器在相变过程中利用相变材料Ge₂Sb₂Te₅的折射率变化来控制波导空间模式，模态对比度的精度高达64级。这种对比常用于表示具有6位分辨率以及正值和负值的矩阵元素，从而在神经网络算法中执行MVM计算。他们演示了原型光学卷积神经网络，该网络可以执行高精度的图像处理和识别任务。凭借广泛的工作带宽和紧凑的设备占地面积，已证明的多模光子核将有望用于具有超高计算吞吐量的大规模光子神经网络。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(詹若男)

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Changming Wu et al. Programmable phase-change metasurfaces on waveguides for multimode photonic convolutional neural network. Nature Communications (2021) 12:96 https://doi.org/10.1038/s41467-020-20365-z

5. 通过二聚体链中的拓扑模式进行无线功率传输

具有薄膜几何形状的亚波长光子晶格结构，例如超构表面和平板光子晶体，由于其具有强大的操纵电磁波的能力，近年来受到了广泛的关注。与通常由菲涅耳方程和斯涅尔定律控制的薄且各向同性的介电层不同，光子晶体可以通过横向Bloch模式通过共振捕获入射光，并以预先设计的电磁响应重新发射。通过适当地设计结构中的各个成分，即使是单层膜，也可以以极其紧凑的形式实现一些常规电介质材料无法实现的物理效果和应用。最近对一维（1D）和2D平板光子晶体结构中具有特别高的辐射Q因子的连续体（BIC）中的束缚态进行了广泛的研究。原则上，具有无限Q因子的BIC可以被视为不寻常的电磁本征态，即使可以与输出波的连续谱共存，它们仍可以很好地定位在开放光子系统中。BIC与各种令人着迷的物理现象相关，例如尖锐的Fano共振，增强的非线性效应和拓扑性质。人们已经在通用平面光子晶体中研究了不同类型的BIC。然而，迄今为止，引入的高Q BIC对晶格中Bloch模的波矢非常敏感，入射角的微小变化会大大降低频谱响应中的共振Q因子。

近日，来自韩国光州科学技术院的Chul-Sik Kee研究小组介绍了在周期性调制的晶格参数中不具有第一傅里叶谐波分量的傅里叶分量工程（FCE）超表面的概念，并证明了该类超表面可以在宽范围的波矢中支持高Q束缚态的连续体 而不是特定的离散波向量。1D或2D的傅里叶分量工程超表面中的波导模式表现出显著增加的辐射Q因子，这是因为由于周期性调制第一傅立叶谐波分量而产生面外辐射。介绍并分析了两种分别利用空间工程介电函数和厚度分布的FCE超表面。研究者证明了这些超表面支持第二个阻带附近的连续高Q束缚态。傅里叶分量工程超表面的概念提供了一种在人工周期中操纵电磁波的新方法，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.126.013601

6. 连续体中的束缚态超构表面：通过消除傅里叶谐波分量

利用拓扑结构控制光子的运动具有重要的科学意义。这项独特的研究已发展成为拓扑光子学这一课题。光子拓扑边缘模式（TEM）可以克服由结构缺陷和无序所引起的散射损失，这种特性已被提出用于众多受拓扑保护的光子设备，例如单向波导，鲁棒延迟线和单模激光器。光子二聚体链是从凝聚态物理的基本拓扑Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型映射而来的。在超材料的早期研究中已有人描述了开口环谐振器之间的耦合过程，还报道了磁共振耦合强度随距离的变化。特别地，已经在由开环谐振器组成的平台中通过实验观察了拓扑相变，拓扑序以及拓扑二聚体链中的相关的TEM。近年来，关于二聚体链优势的研究已扩展到非线性系统和有源系统，此外，已经有研究者对非厄米二聚体链的拓扑性质进行了理论分析和实验证明，将非厄米特殊点（EP）与拓扑模式结合，提出了一种特殊传感器，该传感器对内部制造缺陷不敏感，但对外部环境的变化高度敏感。

近日，来自同济大学的Yunhui Li研究小组基于由深度亚波长谐振器组成的光子二聚体链，通过实验验证了等效的二阶时空（PT）系统中的拓扑边缘模式不受内部扰动的影响，可用于实现较长的高传输效率的远程无线功率传输（WPT）。为了直观地显示TEM可以用于WPT，研究者使用电源信号源来激发TEM，可以清楚地看到，在两个结构末端的0.5 W发光二极管（LED）灯借助TEM点亮。另外，为了解决待机功耗和频率跟踪的特殊技术问题，研究者进一步提出可以使用一个拓扑接口模式和两个TEM构建具有有效三阶PT对称性的WPT系统。受到这项工作中带有TEM的远程WPT的启发，使用更复杂的拓扑结构可以实现具有更多功能的能量传输，例如可以在准周期或三重拓扑链中灵活选择方向的WPT设备。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。(刘乐)

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014009

7. 二维声学黑洞中耗散振动能量的热成像

声学黑洞（ABH）效应是减少梁或板弯曲振动的一种被动而有效的方法。1首先由Mironov 引入，结构剖面厚度的减小服从幂律分布。理想情况下，薄板厚度应减小到零：入射波同时经历速度的逐渐减小和幅度的增大，并最终完美地陷在锥形边缘中。 实际上，ABH轮廓必会截断并且边缘处的剩余厚度不会减小到零，实际入射波在自由边缘处被反射。为了解决这个问题，一般在ABH区域上粘了一层粘弹性层，它明显降低了反射系数的大小。为了提高低频ABH的效率，还可以在ABH边缘的末端添加厚度均匀的薄平台，甚至可以将其卷成螺旋状。还可以在ABH边缘涂上约束粘弹性层（CVL），由于添加了明显更坚硬的约束层（CL），可最大程度地提高由于粘弹性层（VL）中的剪切效应造成的耗散。为了提高其适用性和效率，全面了解ABHs的阻尼特性是一个关键问题。

这项工作提供了一种基于红外(IR)成像来定位阻尼的方法，使用振动和热成像技术相结合对振动结构进行深入探测。其结果基于非均质阻尼涂层的2D ABH板进行分析，并进一步推进了有关1D ABH梁的结论。耗散的机械功率会产生局部热量释放，因此会通过高速红外摄像头记录局部温度升高。在静止状态下，局部温度升高是ABH效率的标志。在瞬态、特征时间之前，可以定位阻尼机制起作用且振动能量消散的区域。实验证明了粘弹性材料约束层在ABH效率中的关键作用，可以在早期的瞬态阶段恢复约束层的图案。这显示出有关被动约束粘弹性层引起的损耗的关系，代表了表征阻尼空间分布的重要一步。相关研究发表在《Applied Physics Letters》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1063/5.0030983

8. DNA的拉胀二维纳米结构

与普通材料相比，结构材料表现出负泊松比和增强的力学性能。负泊松比结构也叫拉胀结构，显示出良好的抗压痕性、更大的剪切模量和增强的断裂韧性。这些特性已被用于冲击吸收机制和自适应可重配置材料，包括防弹衣和鞋子、皮肤上的可穿戴传感器、食道支架和卫星天线。无论使用什么材料，其拉胀行为都是从周期性多孔结构中产生的。此类超构材料是通过自上而下的方法构建的，且都是宏观的，具有微米级或更大的单胞。存在一些分子拉胀结构，包括不可设计的天然晶体。使得从几纳米到几微米的研究是空白的，这可以被生物分子的自组装所填补，但是，这样小尺度的纳米结构，研究其拉胀行为和力学性能，迄今为止是非常难的。

近日，美国普渡大学的纳米技术工程师Jong Hyun Choi团队演示了使用DNA折纸的二维拉胀纳米结构，并阐明了相关的机理。DNA折纸是一种广泛使用的自组装方法，用于创建具有出色的可编程性和结构可预测性的任意纳米结构。结构重组通过两步DNA反应进行，并通过使用分子动力学模拟的机械变形研究进行补充。他们发现，拉力行为主要由几何设计定义，但是材料的属性也起着重要作用。从弹性力学理论出发，还介绍了拉胀DNA超构材料的设计原理，提出了一个模型，该模型考虑了边缘的刚度和接头的柔韧性，并提供了一组有关拉胀DNA超构材料的指导原则。相关研究发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。(徐锐)

文章链接：

Li, R., H. Chen, and J.H. Choi, Auxetic Two‐Dimensional Nanostructures from DNA. Angewandte Chemie International Edition, 2021.

https://doi.org/10.1002/anie.202014729

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