超材料前沿研究一周精选 2020年4月7日-2020年4月12日

在过去的几十年里，柔性电子技术和纳米技术的突破使得可穿戴电子传感器能够通过电容、电阻、压电和摩擦效应对外界刺激做出反应。虽然微电子技术推动了可穿戴设备朝着更高的灵敏度、更快的响应速度、更好的鲁棒性和更密集的集成方向发展，但它最终也会达到低频电磁场的本质所施加的极限（如交流电流的影响)。在高密度电子电路中，寄生效应和串扰会限制响应时间。相反，利用光子而不是电子作为信号载体是规避这些限制的理想策略，光纤传感器已经证明了这一点。传统光纤直径约125μm,对制备可穿戴设备来说太厚和太硬。光学微/纳米纤维(MNFs)的直径约1μm, 具有高柔韧性并且可导光。由于其原子精确的几何均匀性，提供的波导损耗(通常<0.05dB/cm)远低于任何其他类似尺寸的光波导，此外，其机械强度(如抗拉强度>5 Gpa)高于蜘蛛丝(0.5-3.6 GPa)。

近日，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室童利民和张磊等人通过在聚二甲基硅氧烷(PDMS)的薄层中嵌入玻璃微/纳米纤维(MNFs)，演示了高度敏感的类皮肤样式的可穿戴光学传感器。在外界激励下，波导MNFs由引导模式向辐射模式转变，对于压力传感，皮肤型光学传感器表现出了超高的灵敏度（1870 kpa^-1），低探测极限（7 mpa）和快速响应（10 μs），大大超过了最先进的电子皮肤的性能指标，实现了对高频振动、腕部脉搏和人声的无电磁干扰检测。此外，研究者还设计了一个五传感器光学数据手套和一个2×2-MNF的触觉传感器。这些初步的研究结果为未来可穿戴光学设备的应用--从超灵敏的可穿戴传感器到光学皮肤，包括人机界面、健康监测和人工智能--铺平了道路。相关研究近期发表在《Opto‐Electron Adv》上。（丁雷）

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Zhang L, Pan J, Zhang Z, Wu H, Yao N et al. Ultrasensitive skin‐like wearable optical sensors based on glass micro/nanofibers.Opto‐Electron Adv 3, 190022 (2020).

DOI: 10.29026/oea.2020.190022.

在微流体领域，真正实现可重构的系统一直是工程师们的梦想。可重构通常被用来描述构建在可组装的模块单元中的智能系统，允许在实验之间快速重组通道网络。然而，对于大多数微流体系统，整个通道网络在微加工过程中是固定的，在实验过程中不能按需重新配置。在大多数情况下，用户唯一能做的就是改变泵送(将流体输送到设备内、外)、阀门(堵塞设备内不同的隔室)或使用外力(电、磁、光、声等)。虽然完全可重构的系统仍然不存在，但是微流控芯片中泵和阀门的集成扩展了流体驱动的可能性。目前，微设备中的流体控制主要是通过外部泵和阀门（它们既昂贵又笨重），或者通过集成在芯片中的阀门来实现。虽然已经提出了许多类型的内部阀门或驱动方法，但它们通常会在性能和制造复杂性之间难以折衷。

近日，法国国家科学研究院Bastien Venzac等人提出了一种基于刚性或半刚性壁的微流控设备驱动的新范式，其横向尺寸为数百微米，能够在微流控芯片内滑动，并通过手动驱动或基于平移的驱动与微通道相交。刚性或半刚性滑动壁的转换允许阀门、泵送、可逆性室间隔以及微流体网络的各种修改。该滑阀还可以集成其他功能，如微通道或装有凝胶或溶液的窗口，增加了该技术的潜力。有了这个可重构的微流体的新概念，实现了广泛应用的功能。实验中，研究人员演示几种流体操作，包括开/关或开关阀，其中通道被阻塞或根据滑动壁几何形状重新配置。这些阀门承受的压力可达30千帕。此外，还演示了大型微流控室的泵送和可逆性室间隔。同时展示了应用于胶原凝胶中树突细胞的4D迁移实验。最后，含有水凝胶基膜的滑动壁被开发出来，用于从一个通道到另一个通道的生物分子的浓缩、纯化和运输，这种功能涉及到复杂的流体运输模式，这在早期的微流体设备中是不可能实现的。这项新技术开辟了通往各种微流控应用的新道路，重点是用于资源有限的医疗点或生物实验室的简单、手动驱动设备。相关研究近日发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。（丁雷）

文章链接：

Bastien Venzac et al, Sliding walls: a new paradigm for fluidic actuation and protocol implementation in microfluidics. Microsystems & Nanoengineering (2020) 6:18.

doi.org/10.1038/s41378-019-0125-7.

亚微米尺度上的自动机器人未来将在医疗、国防、制造和可编程物质等领域得到广泛应用。这些机器的一个关键特性是，它们能够在受到刺激时变形为预先编程的配置。机器人的两个主要特性是驱动和控制。传统机器人使用机电驱动元件; 由于制造的限制，随机力学的存在，材料的约束，或生物相容性的需要，导致在小尺度上是具有挑战性的。实现微观尺度驱动的一种方法是利用胶体科学的物理化学原理。在这种方法中, “胶体电机”尺寸从几百纳米到几个微米不等，也被称为活性粒子，将他们所处环境中能量,如光、化学燃料,热,声音,和电场和磁场,转化为推进力。活性粒子可以由各种各样的材料,包括金属、聚苯乙烯、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和水凝胶组成,形成许多不同的形状,例如球体、杆和齿轮。而使用传统方法实现这种行为是具有挑战性的，因为这些尺度的可用材料不像它们的宏观对应物那样是可编程的。

近日，密歇根大学化学工程学院Mayank Agrawala 和 Sharon C. Glotzer提出了一个设计策略，使机器人机器是可编程的，并与胶体尺度物理特性兼容。该策略是使用活跃的胶体粒子形式的马达，不断向前推进。研究人员将这些马达端对端的排列成一个闭合链，形成一个二维的环，在机械约束下可以折叠。通过调节六个设计参数来编码目标环路的形状和运动，每个设计参数在胶体尺度上是尺度大小不变的并且是可实现的。研究人员使用称为kilobots的厘米级机器人来展示该设计策略的合理性。此外，使用布朗动力学模拟来探索更大的设计空间，并提出一个分析理论来辅助设计过程。多个环也可以融合在一起，以实现几个复杂的形状和机器人的行为，通过折叠一个字母形状M，一个动态“夹具”，和一个动态“吃豆人”（游戏名）来演示。设计具有无标度和可编程的特性，能够在胶体尺度和宏观尺度上构建各种可重构和自主的机器人。相关研究工作发表在《PNAS》上。（丁雷）

文章链接：

Mayank Agrawala and Sharon C. Glotzer，Scale-free, programmable design of morphable chain loops of kilobots and colloidal motors, PNAS(2020).

doi/10.1073/pnas.1922635117.

从相位，幅度和极化方面控制电磁波波阵面是从成像和传感设备到雷达和通信系统的几种广泛使用的技术的基础。传统的波前操作方法依赖于体积大得多的设备，该设备的波长沿光路逐渐发生变化。这是普通镜头背后的核心设计原理，导致带有输入和输出接口的结构需要精确设计。尽管这些结构可以有效地聚焦和成像，但是它们的大小对于某些应用是一个重要的限制因素。在微波频率上，这个问题变得更加严峻，因为微波频率的大小随波长而变化，从而导致用于聚焦和光束控制的设备非常庞大。

近来，密集定位可极化粒子的电薄阵列的梯度超构表面已被用于执行不同的波前变换，包括聚焦。与大容量镜头相比，这些设计提供了超薄的几何形状，但它们在整体效率和可实现的数值孔径方面受到基本限制。基于超构材料的光栅是大角度有效光束转向的一种解决方案，但是在小角度范围内使用它们却是一个挑战。来自德克萨斯州大学奥斯汀分校的研究小组在这里介绍了一种杂化超构透镜的设计，与最先进的超构表面相比，它结合了基于超构材料的光栅和传统的梯度趋近方法，可显着提高镜头性能。实验原型使微波能够以高效率（η= 0.479）和接近一的数值孔径（NA = 0.98）聚焦，从而在远场的衍射极限处产生清晰的焦点（FWHM =0.332λ）。这样一种在效率和数值孔径方面具有卓越性能的杂化超构透镜设计，为高通量光刻，高密度数据记录，焦平面阵列，雷达和通信系统提供了机会。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.13.044016

与海水中的光波和电磁波的高衰减相比，声波可以轻松传播数千公里。在水下通信，导航和成像应用中，对用于操纵声波的新材料的需求正在增长。具有特定材料功能设计的声学超构材料会产生令人着迷的现象，其有希望的应用包括目标检测中的声学隐蔽，非对称声音传输中的声学二极管以及通信中的螺旋声复用技术。被视为超构材料的低维对应的超构表面可能提供了有希望的解决方案。超构表面的薄结构由按特定空间分布排列的微结构组成，以产生设计需求的反射或透射。在水下条件下，超构表面具有薄层的显著优势，并为薄结构声束转向，可调透镜和声学斗篷中的应用提供了有希望的途径。

通过超构材料打开和关闭声波传播在噪声消除，水下检测和通信方面具有潜力。但是，当设备的厚度小于波长时，传统的声学设计在处理水下声波方面具有挑战性。来自厦门大学的研究小组在这里报告了一个基于水下超构表面的声学切换器的替代设计，以实现此目标。通过将光栅的声衍射与双层PMMA板的模式转换结合起来，揭示了开关机制。调整该设备以通过更改光栅角度来控制波的传输。此外，研究人员实验性地制造了超构表面声切换器。实现宽带交换性能以控制水下目标检测并产生声波的二进制数字编码。拟议的超构表面声波切换器具有宽带性能和薄型结构的优点，这为设计用于水下声波检测和通信的下一代宽带切换设备提供了机会。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.13.044019

超导现象一直是物理学研究的一大热点。金刚石是一种典型的宽带半导体，但已有报道其在3%硼元素掺杂状态下成为临界温度4K的超导体。对超导现象的起因和认知的不足驱使人们对其进行更深入的探索。近期，来自吉林大学的Yanming Ma团队与内华达拉斯维加斯大学的Changfeng Chen团队合作，发现了压缩剪切应变下无掺杂金刚石中出现的超导现象。这一现象是由于压缩剪切应变下材料的金属化程度加剧，晶格软化导致的。当库仑赝势选择在0.15-0.05范围内，超导转变的临界温度实现了从2.4K到12.4K的变化。这一发现揭示了应变调控这一全新的实现超导的途径，对人们理解超导现象的成因提供了启示，同时也为实验工作的展开提供了可靠的思路。相关成果发表于近期出版的《Physical Review Letters》杂志上。（狄琛）

压缩剪切应变下金刚石电输运特性、超导临界温度、对数化的平均声子频率、费米能级电子态密度、电声子耦合系数的演变规律

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.147001

带电点缺陷与畴壁的电磁-机械相互作用对体块与薄膜铁电材料的功能具有决定性的影响。虽然人们已经在宏观尺度上研究了钙钛矿体系中的畴壁钉扎与缺陷序，对这一机制的微观认识依然存在不足。近日，来自斯洛文尼亚Jozef Stefan Institute的Andreja Bencan等人通过原子级与纳米尺度的分析，提出了一种与BiFeO₃中导电畴壁相关的钉扎机制。他们认为，导电畴壁产生的根源是外加电场作用下，在含有位错的畴壁区域聚集的p型缺陷的动态耦合。在此基础上，由于畴壁处的缺陷序对畴壁的导电性存在影响，通过调控退火过程中的冷却速率，为研究缺陷序对畴壁处原子结构的影响提供了可能。这一结果对体块与微纳电子学中畴壁结构与动力学的设计提供了启示。相关成果发表在近期出版的《Nature Communications》杂志上。（狄琛）

原子尺度上观测外加电场下畴壁处点缺陷的重新分布

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-15595-0

基于量子力学定律的信息处理技术如量子计算、量子增强精密传感、量子隐形传态等技术发展迅速，量子计算机和专用量子信息处理器能够解决经典计算机无法解决的问题。经过几十年的理论和实验研究，量子信息处理领域正进入一个新的阶段。光子具有低噪声、良好的模态控制和长距离传输等优点，这些特性使得全光量子技术成为可能。通过利用光子集成电路（PICs）在经典光通信方面的进展，集成量子光学实现了对光的量子态的芯片级操作，与体光学方法相比，在器件密度、损耗和相位稳定性方面具有数量级的改进，因而光子集成系统是一种很有前途的量子信息处理系统。集成量子光学的目标是在一个相位稳定和高效的平台上，将非经典光的产生、操纵和检测的组件结合起来。近年来，作为单光子源的固体量子发射器取得了一系列进步，具有优异的性能。同时，光子集成电路已经发展到可以在一个芯片上集成数千个元件，并且具有高效率和高稳定性。因此，研究人员现在开始将这些领先的量子发射器和光子集成电路平台结合起来，从而能够结合每种技术的优势，获得最佳性能。

近日，来自韩国蔚山国家科学技术研究院、美国马里兰大学、美国麻省理工学院的研究人员撰写综述文章，综述了基于混合集成系统的集成量子光学的最新进展。尽管混合集成解决了单个平台的许多局限性，但它也带来了不同材料接口所导致的新挑战。本文回顾了固态量子发射器和光子集成电路中的各种问题、能够连接这两个系统的混合集成技术以及基于芯片的光子和发射器操作方法。最后，研究人员讨论了集成量子发射器的片上量子光学所面临的挑战和未来的展望。（朱学艺）

文章链接：

Je-Hyung Kim, Shahriar Aghaeimeibodi, Jacques Carolan, Dirk Englund, and Edo Waks, "Hybrid integration methods for on-chip quantum photonics," Optica 7, 291-308 (2020)

利用各种形式的光力进行光学操作已广泛应用于生物学、原子物理学、量子物理学和纳米技术等多个学科。近年来，光学拉力（OPF）引起了人们广泛的关注。OPF可以在很长的距离内将物体拉到光源处而不是将其推开。这就提供了一种新的光学操纵方式。根据线动量守恒原理，要想实现OPF，需要在入射光被物体散射时增加其前向动量。这是OPF产生机制中所要面临的难点和挑战。想要获得OPF，不仅需要设计特殊的光学背景结构如手征介质、PT对称、共振、负折射率结构等，还需要各种具有特殊结构的光束，包括非傍轴贝塞尔光束、手征光束、多光束的干涉场、波导或界面附近的本征模等。这些光束的共同特征是它们的入射动量偏离轴向方向（相对于平均Poynting矢量）。当光束被物体散射时，离轴动量可能部分甚至全部转化至入射方向。在这种情况下，由于等频轮廓的凸形，在+x方向上的光动量投影明显增加，并且根据线性动量守恒生成OPF。

近日，来自哈尔滨工业大学、大连理工大学、新加坡南洋理工大学的研究团队提出了一种新的机制，通过设计背景结构中光动量的拓扑结构，利用单一平面波获得了具有鲁棒性的光拉力。在精心设计的光子晶体结构中，光动量产生了从通常的凸形到星状凹形的拓扑转变。该研究成果为光力技术提供了有意义的概念，并为新的先进的光操作技术铺平了道路，在药物传递和细胞分选等方面具有潜在的应用前景。（朱学艺）

文章链接：

Li Hang, Cao Yongyin, Shi Bojian, Zhu Tongtong, Geng Yong, Feng Rui, Wang Lin, Sun Fangkui, Shi Yuzhi, Miri Mohammad Ali, Nieto-Vesperinas Manuel, Qiu Cheng-Wei, Ding Weiqiang, Physical Review Letters 124(14) 143901 (2020) DOI：10.1103/PhysRevLett.124.143901

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