今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及从拓扑表面态产生高谐波,用于Talbot声放大的编码超表面,机械联锁三维多材料微机系统等敬请期待！
索引：
1.从拓扑表面态产生高谐波
2.仿蛾翅声学超构材料
3.可调模拟热学超材料
4.用于Talbot声放大的编码超表面
5.柔性力学超构材料中畴壁的表征、稳定性及其应用
6.机械联锁三维多材料微机系统
7.声超透镜对组织近似物进行亚波长横向成像
8.具有极高Q因子的片上谐振器的通用导光几何
1.从拓扑表面态产生高谐波
利用固体器件中的电场操纵自旋极化和自旋电流是自旋电子学的中心目标。三维拓扑绝缘体是这种应用的一个很有前途的候选。拓扑绝缘体是自旋电流的有效来源，可以产生较大的电流诱导自旋转移转矩；它们还受益于高的电荷到自旋电流转换效率。在强激光场中，电荷可以在光波的矢量电位下传输到电子带中的高度非平衡态；因此，光波在拓扑绝缘体中提供了相干自旋传输的新机制。最近报道了拓扑表面态(TSSs)中的光波驱动动力学，并导致了对无惯性狄拉克电流的观测。然而，伴随的自旋电流仍未被发现。
由固体和强激光场（强场相互作用）之间的相互作用产生的HHG是一个有效的探针，用于检查晶体固体的电子性质，如动态Bloch振荡、量子干涉和由Berry曲率产生的带内电流。最近，理论研究预测，在低维拓扑系统中，HHG对拓扑非平庸相很敏感，因此，高谐波谱可以用来表征物质凝聚相中的拓扑不变量。这些发现激励了基于拓扑的HHG的实验观察。
近日，来自中国科学院上海光学和精细力学研究所(SIOM)的Ya Bai等人展示了由线性极化的中红外场驱动的四芳基拓扑绝缘子材料BiSbTeSe2(BSTS)的高谐波。从BSTS中观察到高达九阶的高谐波谱，而偶数阶谐波主要是从晶体表面态产生的，因为块体中的断裂对称性只有很小的贡献。此外，他们还发现，BSTS的偶数阶谐波主要产生于原始切割表面的TSS。相关工作发表在《Nature physics》上。(郑江坡)
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-020-01052-8
2.仿蛾翅声学超构材料
蝙蝠和飞蛾卷入了一场进化军备竞赛，蝙蝠利用超声波生物传感器，可以探测到昆虫猎物，反过来昆虫又会采取不同的策略来避免被捕食。飞蛾面临来自蝙蝠回声定位的巨大进化压力，进化出了一系列躲避策略，包括超声波灵敏的听觉来探测并逃脱觅食的蝙蝠，以及产生超声波滴答声来迷惑或警告攻击的蝙蝠。然而，许多蛾类没有对超声波敏感的耳朵，而是依靠其他防御机制。其中一种防御方法是声学伪装，通过超声波后向散射的进化，可以降低其可探测性。
近日，英国布里斯托大学Thomas R. Neil展示了一些蛾类物种进化出覆盖着鳞片的翅膀，以减少超声波的回声。揭示了飞蛾翅膀上复杂的鳞片层形成了超构材料超声波吸收器，比最长吸收波长薄111倍。单个的鳞片充当共振单元细胞，通过共享的翼膜连接起来形成这种超构材料，它们共同产生难以达到的宽频亚波长吸收。这种吸声器为飞蛾的翅膀提供了对抗蝙蝠回声定位的声学伪装。结合了蝙蝠所使用的所有频率的宽带吸收与轻型和超薄结构，满足翅膀重量和厚度的空气动力学约束。在这种进化的声学超构材料中看到的形态实现揭示了设计高性能降噪设备的方法。这项工作丰富了人们对鳞翅目昆虫翅膀结构和功能复杂性的理解，并揭示了利用生物灵感的超构材料特性、高性能隔声板和降噪装置设计的新方法。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。（徐锐）
文章链接：
Neil, T.R., et al., Moth wings are acoustic metamaterials. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020.
https://doi.org/10.1073/pnas.2014531117
3.可调模拟热学超材料
各种超材料的出现满足了人们对场调控日益增长的需求。以往的热学超材料主要由天然材料设计，其固有电导率仅采用一些离散的数值。对于某些特殊应用，可以通过基于转换方法或混合自然材料来有效地实现一些新的数字电导率和特定的不均匀性散射消除方法。然而根据传统的设计原理，这些新的模拟材料仍然具有不可调节的导热率和固定的各向异性，这给热操纵的调节和功能切换带来了巨大挑战。对宏观热敏二极管编码和重组是开关电导率的解决方案，但复杂的制造过程和Maxwell-Garnett混合法则所限制的可调范围窄是最大缺陷。最近，有人提出了一类具有有效无限电导率的导热材料（κ-near-infinity，KNI）。KNI通过引入极端对流打破了传统材料的导电限制，然而其实际作用区域有限。此外，极端对流将抑制有效热导率分布不均匀的可能性，从而消除了对具有不均匀热导率的热流进行的高级控制。人们会好奇是否可以在单一功能材料中串接整个电导率范围，以填补导电组件中连续可调性的空白，就像模拟电路中的模拟信号一样。
近日，来自新加坡国立大学电气与计算机工程系的仇成伟教授团队在本研究工作中建议在一个系统内旋转介质，自旋组件能够极大地改变物理场的行为，通过将未固化的PDMS纺成双层结构来提出可调模拟热材料。当机械转速适中时，PDMS的果冻状介质可以牢固地保持起对流作用的流体，从而显着避免流量不均。我们提供了集成纺丝液与该系统的局部有效电导率/场偏转之间的理论关系。可以肯定地确认了在各种导电要求下的主动热控制，包括增强的透明度，场扭曲，场反向分布和敏感的隐蔽性，显示出连续可调性，范围从接近零到接近无穷大，并且具有常规静态热力缺乏的高便利性元材料。这是热力学中反奇偶时对称热传递的成功证明，这些发现填补了仅通过操纵均质材料层即可实现有源可调电导率/各向异性和功能切换的空白。相关工作发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：Xu, G., Dong, K., Li, Y. et al. Tunable analog thermal material. Nat Commun 11, 6028 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19909-0.
4.用于Talbot声放大的编码超表面
无源增强声的场和波型可以增强声信号并加强波物质相互作用，而无需引入复杂的有源声源，有益于声学传感，声音检测和生物医学成像等领域的众多应用。声学超材料的最新发展激发了针对不同增强效果的几种创新方法。在共振下运行的空间折叠结构能够将声能约束在深亚波长范围内，但带宽较窄。为了消除这种限制，提出了所谓的“rainbow trapping”设计，其中宽带声波被减速和压缩以产生声能的空间谱集中。但是，基于共振的构造块本质上是高度色散的，而且对传热和粘性损失保持敏感。另一种方法是利用高阻抗的微流体和阻抗匹配的层来提出一种在频谱上提高声压的可行方法。但是上述策略仅适用于增强声场被限制在超材料内的近场，因此限制了其应用潜力。如何通过非谐振结构以被动方式实现远程声场和波型的增强，这在应用中将是极其有价值的，但仍然是一个尚未解决的挑战。
Talbot效应，也称为自成像，能够被动地重复入射波型。它是在经典波衍射物理学的背景下发现和解释的。近日，来自香港理工大学大学的研究小组利用二维Talbot效应，理论上提出并通过实验证明了2位编码的声学超表面透镜。 它能够调控远场波的能量分布，从而在远离源的位置调整波型的无源增益。通过简单地调整两种不同类型的嵌入式螺旋单元及其在超表面透镜中的布局以更改编码序列，可以在同一成像平面内同时操纵增益强度因子和自身图像的周期。提出的基于Talbot效应的镜头可实现灵活的远场声音重新分配和增强。由于其非谐振特性，它可能为诸如声学通信，超声检查和信号处理之类的应用打开可能性。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054067
5.柔性力学超构材料中畴壁的表征、稳定性及其应用
在许多有序固态材料中，包括铁电体、铁磁体、铁磁弹性体、形状记忆合金和液晶中，两相或更多相的共存起着核心作用。尽管本质上有所不同，但这些材料都出现了畴壁，即一种将不同相区分开的拓扑缺陷。这样的界面对于控制许多材料特性至关重要，也已被用于实现逻辑操作、存储器和用于读取光学存储器的线扫描仪。受到原子尺度上畴壁控制策略的最新进展的启发，研究人员设计了各种非线性机械结构来支持这些界面。以结构规模设计的畴壁促进了弹性脉冲的控制、信息的加密以及可展开结构以及相变超构材料的实现。然而，由于力学超构材料的结构复杂性，尚未提出能够完全描述此类畴壁的物理性质的分析解决方案。这限制了它们在智能结构和设备设计中的系统应用，并阻碍了其他功能的发现。
近日，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院Bolei Deng和勒芒大学声学实验室Vincent Tournat结合实验、数值和理论工具，研究基于旋转平方机制的力学超构材料中单轴压缩时出现的畴壁。首先证明了这些界面可以通过精心安排一些相位诱导缺陷来生成和控制。建立了一个分析模型来捕获畴壁随所施加变形的变化。然后，以该模型为指导来实现复杂形状的界面。最后证明了设计的畴壁可以改变超构材料的整体响应，并且可以有效地调整其刚度和引导弹性波的传播。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。（徐锐）
文章链接：
Deng, B., et al., Characterization, stability, and application of domain walls in flexible mechanical metamaterials. Proc Natl Acad Sci U S A, 2020.
https://doi.org/10.1073/pnas.2015847117
6.机械联锁三维多材料微机系统
联锁在许多机械结构中被用来在不同的部件之间建立相互的物理依赖关系。这在宏观机械中很常见，也被化学家广泛采用来发展分子机器。机械连锁分子如连环烷、轮烷和伪轮烷已被用于复杂的机械纳米系统，如分子梭、开关和相关器件装置。这些系统能够在纳米尺度上运送货物，控制化学过程，作为生物传感器，作为机器人末端执行器，甚至作为“纳米工厂”的组成部分。虽然机械连锁分子系统已经在一定程度上得到应用，但是机械连锁分子系统局限于纳米尺度，阻碍了它们在更大的系统，如MEMS和机器人上的开发应用。最近正在研究的一种方法是将这些分子机器组装起来，以实现更大规模的任务。尽管具有潜在的应用前景，但制造机械互锁纳米器件的方法依赖于复杂的有机合成，这限制了它们与金属等其它材料的结合。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院机器人和智能系统研究所C. C. J. Alcântara等人研究发现混合微结构可以通过结合3D光刻，模具铸造，和电沉积联锁在一起，该方法可以实现具有空前分辨率和拓扑复杂性的复杂多材料微器件。研究结果表明，金属成分可以与不同种类的聚合物组成的结构相结合。金属和聚合物的特性可以并行利用，从而能够制备出具有高磁响应性、高载药量的结构，按需提供形状变换和弹性行为。此外，研究人员通过展示新的微机器人运动模式和群体的控制聚集来展示该方法的优势。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）
文章链接：
C. C. J. Alcântara et al, Mechanically interlocked 3D multi-material micromachines, Nature Communications(2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19725-6.
7.声超透镜对组织近似物进行亚波长横向成像
超声成像的质量取决于多种因素，例如换能器的频率、带宽、数值孔径。此外超声成像系统在轴向和横向上的分辨率并不相同，轴向分辨率受频率和带宽的限制，横向分辨率的限制是由换能器单元的横向宽度和频率共同决定。虽然轴向和横向分辨率对成像都很重要，但一般横向分辨率更受关注。目前大部分的超声成像系统利用相控阵结合波束形成来提高成像的分辨率。声子晶体是由两种或两种以上物理性质不同的材料组成的周期性结构，其中至少有一种材料（称为散射体）会引起入射声波或振动的散射。基于散射体的大小、形状和排列方式，出现了类似于电子晶体和光子晶体的能带结构。多孔结构、耦合束缚模和负折射率平板透镜都被认为是实现超分辨率的渠道。然而，这种超分辨力通常局限于器件的近场或在表面的几个波长内，使得这种结构在许多应用中不实用。
利用超材料透镜（ML）来对材料进行成像，特别是对生物材料，从来没有被报道过。最近，来自美国Echonovus公司，北德克萨斯大学（University of North Texas），墨西哥州自治大学（Autonomous University of the State of Mexico）等单位的研究人员展示了一种声学超材料透镜在倏逝区和菲涅耳区以外探测生物组织仿体中的横向亚波长物体特征。超材料透镜产生的准直声束比波束形成聚焦的声束小8倍，获得了超过菲涅耳区极限3.6倍的横向分辨率。在菲涅耳区极限附近的明胶组织仿体中检查了硬物和组织近似肿块。硬物体的横向尺寸和分散尺度分辨率达到0.50个波长，组织近似肿块略高于0.73个波长。本工作展示了超材料在空间成像方面的应用，以及在超过菲涅耳区极限的生物系统中的亚波长成像。文章以“Sub-wavelength lateral detection of tissue-approximating masses using an ultrasonic metamaterial lens”发表在Nature Communications上。（鲁强兵）
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19591-2
8.具有极高Q因子的片上谐振器的通用导光几何
高Q光学谐振器长期以来被用于腔量子电动力学和光力学等现象的科学研究，已成为具有巨大实际影响的片上光子学的一种有价值的工具。由于过去十年的努力，已经可以制造出极高Q因子的片上谐振器。它们的几何形状可以精确地设计和成形，以控制自由光谱范围(FSR)和色散等特性，以满足高效非线性过程的要求。这些进步使得片上光子学可以利用非线性光学现象，同时保持其自身的小型化、大规模生产力和与其他有源和无源元件集成的优点。光学频率梳，这一革命性的超快科学和计量，现在可以实现在芯片上使用Kerr非线性。类似地，超窄线宽激光器和高灵敏度光学陀螺仪等核心特性已通过采用受激布里渊散射(SBS)的芯片级器件得到证实。
到目前为止，这些演示几乎完全依赖三种材料Si、SiO2和Si3N4来创建包含非线性高Q谐振器的光子芯片。有相当大的动机探索替代材料，如那些具有更好的非线性，将导致泵功率下降到与便携式设备兼容的水平。 具有扩展传输窗口的材料也会导致可以在中红外（中红外)工作的设备）。因此，从其他有前途的材料中开发片上高Q谐振器受到了广泛的关注。对于片上高Q谐振器，最关键的问题是开发特定材料定制的制造工艺，该材料能够产生非常光滑的表面，因为Q因子往往受到表面散射损耗的限制。在二氧化硅的情况下，这些工艺已经改进了十多年，不幸的是，可能需要类似的努力来理解和克服在用每种新材料制造过程中引入的限制，这阻碍了技术的进一步发展。
近日，来自韩国高级科学和技术研究所物理系的Dae-Gon Kim等人提出了一种通用的方法，通过这种方法，高Q谐振器或更一般地说，具有极低损耗的导光结构，可以从广泛的材料中在芯片上定义，而不需要为该材料开发特定的蚀刻工艺。这种方法是在变换光学概念的启发下，通过实现Q因子为1.44×107的片上As2S3谐振器来证明的，它近似于硫族化合物纤维的性能。此外，还证实了增强Q因子使受激布里渊过程激光的阈值功率为0.54mW，比以前的记录低100倍。此外，为了有效地访问任何材料制成的谐振器的模式，开发了一种耦合理想为0.92的新型倒装芯片耦合方案。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19799-2
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