今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及离散组装的力学超构材料，镜像对称声学超构屏幕中的完美吸收，原子尺度电磁波形的定量采样等敬请期待！
索引：
1. 二维材料拓扑特性的光波控制
2. 3D打印梯度折射率玻璃光学器件
3. 镜像对称声学超构屏幕中的完美吸收
4. 石墨烯超晶格腔中回旋加速器的反常运动
5. 离散组装的力学超构材料
6. 等离子纳米孔径无标记成像
7. 量子光学系统的电路模块化
8. 原子尺度电磁波形的定量采样
1.二维材料拓扑特性的光波控制
具有破缺反转对称性的二维（2D）类石墨烯系统，例如单层六角氮化硼或过渡金属二氯代物由于其较高的载流子迁移率，特别是其谷自由度，已经成为下一代量子材料的候选材料，在量子信息处理中有着潜在的应用。谷是晶体能带结构中的局部极小值，在二维六角形晶格中，它们位于布里渊区的K点和-K点。利用与材料直接带隙共振的弱圆极化场可以实现K或-K的选择性激发。光场耦合到K或-K取决于它的螺旋度（光谷选择规则）。此外，利用单周圆极化脉冲也可以进行谷的初始化。然而，由于谷寿命短（大约103-106飞秒），在期望的超快时间尺度上切换励磁的产生仍然是谷电子器件（valleytronic）实际应用的主要障碍之一。将强非共振场应用于体电介质和超薄金属二卤薄膜而不受材料损伤的可行性为谷电子器件带来了新的机遇。
最近，来自德国马克斯·玻恩研究所（Max-Born-Institute），西班牙马德里自治大学（Universidad Autónoma de Madrid）和柏林技术大学（Technische Universität Berlin）等单位的研究人员将拓扑Floquet系统的频域概念引入到飞秒时间域，提出了一种可以利用现有技术实现的理论方法，通过控制非共振驱动场的亚周期结构在几个飞秒时间尺度上实现控制二维材料的拓扑性质。本文可以得出以下结论：1.强、低频圆极化场表现出与弱场相反的谷极化；2.在几个飞秒的时间尺度上初始化和操纵谷赝自旋，使之在广泛的频率和场强范围内保持一致，并且与材料的特性无关；3.利用一个附加的线偏振探针脉冲，我们将谷赝自旋映射到其谐波的极化上，从而提供谷不对称的全光测量；4.一个非共振，光诱导拓扑相变发生在驱动双圆场的强度和波长的特定值。文章以“Lightwave control of topological properties in 2D materials for sub-cycle and non-resonant valley manipulation”发表在Nature Photonics上。（鲁强兵）
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00717-3
2.3D打印梯度折射率玻璃光学器件
光学系统的设计需要平衡系统成本和复杂性、尺寸和重量，以及满足性能和寿命要求。光学制造新方法的不断涌现，提供了更多的光学设计自由度。传统的镜片通常由均匀组成的基体材料制成，光的折射控制由镜片的厚度和表面曲率决定。球面、柱面、非球面和类似的透镜可以用成熟的加工方法制造，如圈抛光和基于CNC(计算机数控)的精加工。此外，还可以制造不含平移或旋转对称的自定义复杂曲率的自由光学，但由于对表面抛光精度的严格要求，其使用仍然受到限制。相对于传统光学产品，梯度折射率（GRIN）光学提供了另一种选择。GRIN光学在材料组成中包含空间梯度，反过来，提供了材料折射率的梯度，从而改变光通过介质的方式。
近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Rebecca Dylla-Spears等人设计了一种制造渐变折射率玻璃光学元件的增材制造方法。使用直接墨水书写与主动在线微混合器，研究人员打印出三维复合梯度的多材料体，主要包括二氧化硅纳米颗粒和不同浓度的二氧化钛作为指数修正的掺杂剂。然后，这些材料体被整合到玻璃中并抛光，形成具有折射率空间轮廓的光学器件。结果表明，这种方法可以用于实现无表面曲率的各种常规和非常规光学功能的平面玻璃组件。这种方法有望进一步拓展3D打印技术的能力，并制备出新的功能玻璃材料。在光学、传感、封装和微流体系统方面都有潜在的应用。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（丁雷）
文章链接：Rebecca Dylla-Spears et al, 3D printed gradient index glass optics. Sci.Adv.2020.
3.镜像对称声学超构屏幕中的完美吸收
亚波长材料的完美吸收是一项科学技术挑战，近年来，它在波物理学的多个分支中引起了越来越多的兴趣。为了应对这一挑战，必须解决一个双重问题：吸收波的波长与系统尺寸之比必须达到远大于1的值，同时系统的阻抗必须与之周围的介质匹配。已经证明，由开放损耗的谐振器制成的声学超材料是满足这两个条件的很好的候选材料。它们具备了以可控制方式调整其固有损耗的特性，并且已经利用其亚波长特性在反射问题和透射问题上设计出完美的吸收体，使用系统散射矩阵可以分析完美吸收的特点。通常，在散射矩阵的特征值为零的频率下以及当系统由相应的特征向量激励时，可以获得理想的吸收。从物理的角度来看，当满足临界耦合条件时，即当系统的能量泄漏通过其固有损耗得到完美平衡时，散射矩阵的本征值为零。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054055
4.石墨烯超晶格腔中回旋加速器的反常运动
超晶格电势能够调节材料固有的电子能带结构，从而观察到各种物理现象，例如Wannier-Stark阶梯或Weiss和Bloch振荡。在石墨烯中，随着超奇点和新的有效狄拉克费米子的出现，人们预测叠加的远距离周期性电势会改变电子色散。此外，由于人工二维范德华（vdW）异质结构的迅速发展，研究人员开始在石墨烯中研究超晶格效应。例如，当将石墨烯片置于六角氮化硼（hBN）微晶上时，由于约1.8%的小晶格常数失配而产生的干涉会产生莫尔图案，其上层结构晶格参数与晶格层间的旋转失准成反比。虽然次级狄拉克点出现在调制的电子带结构中，但通过观测布朗-扎克振荡测量到的磁迁移量显示出霍夫施塔特蝴蝶(HB一种量子分形)以及磁Bloch状态。后者强调在相对较高的磁场下，即在每个超晶格晶胞面积的磁通量与磁通量量子相当的情况下，准粒子具有直线轨迹的特殊金属行为。然而，研究和区分由于超晶格微带引起的电荷载流子的传输行为与在没有磁场的情况下由正常狄拉克谱产生的电荷输运行为以及与中间场的交叉是十分困难的。
近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所和物理研究所的Rainer Kraft团队研究了hBN /石墨烯/ hBN异质结构中超晶格狄拉克费米子通过由局部顶栅（TG）和整个背栅（BG）形成的静电定义腔的传输。两个栅极的组合允许分别控制器件内部和外部区域的电荷载流子密度。由于双极性结构中的半透明边界（即在内部和外部区域之间的电荷中性点上的跃迁），形成了法布里-珀罗（FP）腔，其中部分反射和透射的弹道载流子轨迹的干扰引起电导振荡。在莫尔超晶格的情况下，跨越次级狄拉克点的过渡会形成额外的腔体。他们通过研究异常腔的性质并通过磁传输测量以及量子传输模拟来探测产生的干扰，进而研究与非常规狄拉克准粒子动力学相关的莫尔条纹微带传导。相关研究成果发表在《Physical Review Letters》上。（钟雨豪）
5.离散组装的力学超构材料
力学超构材料是基于对几何单元的控制及其在整体结构中的配置，以提供奇异的特性。数字制造（特别是增材制造，即3D打印）的进步使这些复杂结构的设计得以实现，如坚硬的超轻晶格材料，使得力学超构材料在多尺度下具有出色的刚度和强度。尽管这些结构可以由3D打印来制造，且能达到高分辨率和大批量生产，但仍然受到工艺和机器的制约。建造大型力学超构材料的机器非常昂贵，并且由于机器性能、尺寸和成本的内在联系，要实现高质量和低成本的大型力学超构材料面临重大挑战。
近日，美国麻省理工学院比特与原子中心Benjamin Jenett教授提出了一种基于有限组零件的离散组装的力学超构材料的构建系统，该系统可以在空间上构成一系列特性，例如刚度、柔性、手性和拉胀行为。该系统通过零件的设计来实现所需的连续体特性，这样全局行为就由局部机制来控制。该文章描述了超构材料行为的设计方法、生产过程、数值模拟和实验表征。这种方法得益于增量装配，这种装配消除了尺寸限制，实现了可靠、低成本零件生产的最佳实践制造，以及通过跨零件类型的一致装配过程实现了互换性。相关研究发表在《Science Advances》。(徐锐）
6.等离子纳米孔径无标记成像（PANORAMA）
纳米物体的无标记光学成像面临着根本性的挑战。基于传播的表面等离子体激元共振（SPR）和局部表面等离子体激元共振（LSPR）的技术对纳米物体的无标记光学成像已显示出希望。然而，在SPR成像中实现衍射极限分辨率和更好的表面定位仍然面临着挑战。用暗场显微镜对金属纳米结构进行LSPR成像仍然面临着光通量低和成像能力不足等问题。
近日，来自美国休斯敦大学电气与计算机工程系的Nareg Ohannesian和 Ibrahim Misbah等人显示了超近场指数调制的等离子纳米孔径无标记成像（PANORAMA），它单独依靠未散射的光来检测100 nm以下的介电纳米颗粒。PANORAMA可提供衍射极限分辨率、更高的表面灵敏度以及具有密集空间采样的宽视场成像。它的系统与带灯和照相机的标准明场显微镜相同-无需激光或干涉仪。PANORAMA以并行的方式可以检测、计数和调整25 nm以上的单个电介质纳米粒子的大小，并在毫秒级的时间范围内动态监控其与等离子体表面的距离。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(詹若男)
7.量子光学系统的电路模块化
当我们在光物质相互作用中利用深亚波长结构时，这种相互作用的量子光学处理变得更加重要。涉及具有所需的功能材料平台的光学系统量子工程越来越受到关注。电路量子电动力学（cQED）处理量子比特以及与这些位相互作用的电信号（电压和电流）的量化。cQED在微波状态下运行是实现量子计算的有效途径之一。由于涉及高频率，大带宽和小体积，考虑到光域并使用光子衬底是特别有吸引力的。纳米制造技术的进步和纳米光子平台的复杂性促进了用于量子信息处理和量子计算的系统的构建，其中量子发射器通过具有预定所需功能的网络相互连接。
量子光学和纳米光子学是未来通信和计算技术的基础。因此，对适用于大型，复杂和多元素系统的分析和设计工具的需求日益增长。但是，对系统进行全量子分析需要编写全量子哈密顿量，这通常仅在简单的情况下才可行，这些简单情况易于分析，但是当系统包含色散和耗散元素时尤其困难。近日，来自宾夕法尼亚大学的研究小组使用电路理论对量子哈密顿量的建模进行模块化，从而对整个量子系统进行模块化。研究者使用光学超材料的概念（用于纳米光子结构的电路模拟）将光子系统建模为电子电路，并展示如何使用经典的等效电路来写哈密顿量中的每个耦合项。因此，可以使用庞大的电路工程工具库来分析，设计和优化任意两个元素之间的量子相互作用项，而它们的本质使设计复杂的多元素现实系统成为可能。这项工作概括了量化纳米光子系统的当前理论处理，为大规模系统的系统化，模块化建模铺平了道路。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）
8.原子尺度电磁波形的定量采样
绘制出光载波的时间形状的能力，就像光的示波器，促进了一个活跃的研究领域，探索比光的周期更快的光与物质的相互作用。电光采样和条纹技术通过用超短栅脉冲进行频闪扫描使光波可视化。当这个想法与扫描近场光学显微镜相结合时，从尖端限制近场散射的辐射可以被电光探测到，以10 nm的空间和子周期时间分辨率监测光波。与此同时，包括纳米天线、纳米颗粒、纳米间隙和尖端在内的复杂纳米结构，使得近场限制的体积甚至小于金属的表皮深度。这种量身定制的近场技术已经提高了(生物)化学传感、光采集、光波电子、纳米成像和光谱技术，甚至达到了亚分子分辨率。重要的是，原子光物质相互作用关键取决于绝对场强和近场振荡载流子的精确时间演化，这两者都可能受到量子力学效应(如隧穿效应)的强烈影响。然而，在原子长度尺度上测量电磁瞬变仍然是一个很大的挑战，在这种尺度上，新的非经典动力学已经被预测可以塑造局部场。
尖头的光诱导电子发射被用来揭示电子轨迹的干扰。电子动能的分布编码了复杂的动力学，包括颤振运动和干涉后散射。虽然该方法在广泛的设置条件下解决了尖端受限瞬变问题，但场发射电子与测试波形之间的相互作用并不是严格地局限在空间中，因此完全重建局部近场具有挑战性。相反地，在光波驱动的扫描隧道显微镜(STM)中，太赫兹脉冲通过子周期时间分辨率控制局部电子隧道。假设载流子弛豫极快，且稳态电导对飞秒脉冲隧穿电流同样适用，则利用半导体样品的光门控来提取近场波形。然而，用原子分辨率探测近场波形仍然是一个公开的挑战，更不用说测量校准过的绝对场了。超快单分子STM中的状态选择隧穿确实结合了亚埃定位和光谱轨道灵敏度，表明单个分子可以作为定量原子近场传感器。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-020-00720-8
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