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Kagome金属ScV6Sn6中电荷密度波的应变调控增强，双轴各向异性光子时间晶体中的非均匀波动动量带隙，飞秒脉冲整形技术调控二维半导体中激子极化动力学等敬请期待！
索引：
光子时间晶体(PTC)是在均匀介质的材料特性在时间上周期性调制时出现的。当平面波在PTC内传播时，它们会经历时间反射和折射，同时保持动量守恒，导致反射波和折射波的干涉，从而产生以不同动量带和带隙为特征的能带结构。这些动量带隙是PTC固有的，通过从调制中提取能量，绕过相位匹配并展示出可调谐激光和转换光-物质相互作用的可能性，从而实现有趣的非共振光放大。PTC中的动量带隙是由波和时间调制材料平台之间的动态相互作用产生的。然而，目前对具有PTC能力的材料的研究集中在传播波上，很少考虑对PTC功能至关重要的波特性。目前，时间调制系统对非均匀平面波的影响，特别是PTC中这种波的动量带隙现象，仍然有待研究。
近日，南开大学的李华楠教授、许京军教授团队，通过将PTC扩展到双轴各向异性光子时间晶体来引入非均匀波的动量带隙，包括倏逝波和鬼波，双轴各向异性光子时间晶体随时间在均匀双轴各向异性和各向同性介质之间周期性地交替。研究人员发现，与倏逝波不同，鬼波只维持动量带隙，即使在最小的调制深度也能打开宽带隙。此外，研究人员证明了动量带隙对非均匀波的影响，这种影响可以被放大，或者通过衰减模式被选择性地衰减。在单向入射下，鬼波动量带隙独特地增强了反射波的折射，与传播波和倏逝波中看到的平衡放大形成鲜明对比。该方法通过整合波特性扩展了时变超材料，弥合了传统非线性光学和PTC动量带隙之间的差距，并为表面极化子的极端操纵提供了新的思路。
相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.063801
2 光在原子介质中的负折射
电磁波的负折射以反直觉现象为特征，例如波在介质中以与正常情况相反的方向弯曲，以及倏逝波在物体中放大。这些带来了变革性应用的可能性，包括隐形和超透镜，并且在其他波类型中也获得了相当大的关注，例如弹性波和声波。尽管人们对负折射感兴趣，但超材料中谐振器的固有非辐射阻尼和始终存在的制造缺陷导致光学频率处的显著损失。类似地，3D光子晶体中的负折射受到其组成电介质的折射率的限制，对缺陷敏感，并且由于波长尺度周期性的要求，在有限的亚波长分辨率的窄入射角范围内工作。因此，光的负折射的实际应用还有待证明。
近日，日本NTT基础研究实验室的L. Ruks和英国兰卡斯特大学的J. Ruostekoski发现了光的负折射可以在原子介质中获得，而不需要使用人工制造的谐振器。这是通过控制和利用由强光介导的高密度相互作用产生的协同、非局域原子响应而成为可能的。研究人员通过考虑具有单位填充的亚波长原子阵列来实现这种受控响应，这可以通过实验在高达几十个波长的系统尺寸中实现。研究人员通过微观的、原子对原子的模拟来证明光的负折射，这些模拟精确地结合了在低光强限制下静止原子之间的所有重复散射过程，并精确地描述了实验条件。研究人员通过将3D原子阵列建模为堆叠的无限2D平面层，当每层中的散射问题在动量空间中表示时，在激光频率、入射角和晶格常数的范围内，证明了高透射负折射对晶格缺陷具有弹性，例如遗漏原子和位置不确定性。该工作可以通过大规模模拟在几层场景中为有限大小的阵列所证实，揭示了这种折射与横向布洛赫带集体共振的简单现象一致。值得注意的是，负折射可以通过设计和激发这样的共振带来实现，这些共振带的面内群速度与激发准动量反平行——这在中等亚波长阵列中很常见。有趣的是，有效折射率可以通过与更多次辐射激发耦合而显著提高。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-56250-w
二维半导体材料（如过渡金属二硫化物，TMDs）因其独特的光学和电子性质，成为超快光电子器件设计的重要材料。这些材料中的激子（电子-空穴对）在室温下表现出显著的光学响应，其相干极化动力学在非线性光学过程中起着关键作用。然而，如何通过直接调控激子的极化动力学来优化其非线性光学特性仍然是一个挑战。传统的超快光学手段虽然能够研究激子动力学，但难以实现对激子相干极化的精确控制。
近日，以色列特拉维夫大学Haim Suchowski教授团队利用超快脉冲整形技术，结合亚10飞秒的时间分辨率和纳米级空间分辨率，成功调控了单层WSe2中的激子极化动力学，并显著增强了四波混频（FWM）信号。研究团队利用基于空间光调制器（SLM）的脉冲整形装置，生成了亚10飞秒的超宽带脉冲，并将其聚焦到单层WSe2样品上。通过精确调控脉冲的光谱相位，团队实现了对激子相干极化的动态控制，并观察到FWM信号的最大增强达到2.6倍，相比传统的变换限制脉冲有显著提升。此外，实验还展示了对单层WSe2中A1s和A2s激子态的选择性激发能力，证明了通过脉冲整形可以精确控制不同激子态的非线性贡献。进一步地，团队通过理论模型验证了激子-激子相互作用在FWM信号生成中的主导地位，而非泡利阻塞效应。这一发现不仅为理解二维半导体中的激子动力学提供了新的视角，还为开发新型光电子器件（如超快光学传感器、宽带光源和高效频率转换器）提供了重要的理论和技术支持。相关内容发表于《Light: Science & Applications》上。（赵泓远）
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https://doi.org/10.1038/s41377-025-01748-7
4 超薄非晶NbP半金属的表面传导和电阻率的降低
在纳米尺度电子学领域，金属薄膜的电阻率问题一直是制约器件性能的关键难题。传统金属（例如铜）在薄膜状态下，由于电子与表面散射的增强，其电阻率通常会随着厚度减小而显著增加，导致能耗上升和信号传输延迟。然而，近年来在拓扑半金属领域出现了一个颠覆常规的现象：在超薄非晶态NbP半金属薄膜中，随着薄膜厚度降低至5nm以下，室温电阻率不仅没有增加，反而显著降低。例如，在仅1.5纳米厚的NbP薄膜中，其电阻率约为34µΩ·cm，这一数值比传统金属同等厚度下的电阻率低得多（通常在100µΩ·cm左右），甚至低于其本身的体块值。进一步分析表明，这种异常现象源自于表面导电机制的主导作用。具体来说，尽管NbP薄膜整体呈现非晶态，但局部却存在纳米晶体的短程有序结构，在这种结构中，表面状态能够有效传导载流子，并且伴随着高表面载流子密度和足够高的载流子迁移率，从而实现整体电阻率的降低。这样的发现不仅挑战了传统“薄即阻”的认识，也为开发新一代低阻抗、超薄电子互连材料提供了全新的设计思路，对未来高密度集成电路和纳米电子器件具有重要意义。
由美国斯坦福大学Eric Pop教授与亚洲大学Il-Kwon Oh教授合作成功实现了超薄非晶态NbP半金属薄膜的制备，并发现其随着厚度减小呈现出“反常”电阻率降低的现象。该团队采用低温（约400°C）溅射工艺在适配的Nb种子层上沉积NbP薄膜，通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、能谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）以及标准霍尔效应测量等多种先进表征技术，对薄膜的结构与电学性能进行了系统研究。研究结果显示，当NbP薄膜厚度从约80nm逐渐降低至1.5nm时，室温下的电阻率由约200µΩ·cm下降至34µΩ·cm，这一降低趋势与传统金属薄膜电阻率随厚度减小而上升的现象截然相反。分析表明，这种低阻效应主要源于表面导电通道的主导作用，即在超薄薄膜中，表面状态占据了主要的传导贡献，进而克服了体内无序散射引起的阻抗增加。值得注意的是，研究团队利用霍尔测量技术进一步估算出表面载流子密度高达1016 cm−2，同时表面载流子迁移率表现出较高的数值，使得整个薄膜的传导性能得到显著改善。该成果的取得为超薄低阻导线的制备提供了全新的思路，具有突破传统金属局限、实现下一代超密集纳米电子器件互连的潜力。这一发现不仅为理解表面传导在非晶态拓扑半金属中的机制提供了重要实验依据，也为未来低功耗、高效能电子器件的发展开辟了全新的技术路径。
相关内容发表于《Science》上。（张琰炯）
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq7096
5 Kagome金属ScV6Sn6中电荷密度波的应变调控增强
笼目（Kagome）晶格作为一种具有丰富物理现象的几何阻挫结构，近年来在凝聚态物理领域引起了广泛关注。其中，ScV6Sn6作为一种典型的Kagome金属，展现出非常规的电荷密度波（CDW）特性，其电子序表现出主导晶格不稳定性不同的周期性，包含更复杂的电声耦合机制。ScV6Sn6的CDW由一个平坦声子带的软化引起，该软化源自Sc和Sn原子的面外振动。与传统的CDW相变不同，这种平坦声子带的软化是一个二阶效应。这种独特的CDW特性使得ScV6Sn6成为研究电子与声子相互作用的理想平台，对于理解Kagome金属中的多体（many body）现象具有重要意义。
近日，意大利的里雅斯特大学Manuel Tuniz教授团队联合德国维尔茨堡大学等多家机构，通过单轴应变调控技术，结合时间分辨光谱和第一性原理计算，深入研究了ScV6Sn6中CDW受应变的影响。研究团队利用单轴压缩装置对ScV6Sn6样品施加应变，并通过时间分辨光谱学技术测量了CDW振幅模式（Amplitude Mode）的频率变化。实验结果显示，在低温下，应变对声子频率的影响较小，但在接近CDW相变温度时，声子频率显著增加。从无应变到最大应变，CDW振幅模式的频率从约1.34 THz增加到1.39 THz。这一结果表明，应变可以显著增强ScV6Sn6中的CDW特性。同时，研究团队通过高分辨率X射线衍射（HR-XRD）测量发现，应变导致ScV6Sn6的c轴晶格参数扩展了约0.61%到0.65%。团队进一步用第一性原理计算揭示了应变对CDW相的影响机制，表明应变可以通过改变声子模式的能量来调控CDW的强度。该研究不仅直观地表征了Kagome金属中电子-声子的耦合机制，还为通过应变调控手段增强非常规CDW特性提供了实验和理论依据。这一成果为设计和优化新型量子材料以及高性能光电子器件提供了重要的理论指导。相关内容发表于《Physical Review Letters》上。（赵泓远）
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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.066501
6 Eshelby扭曲范德瓦尔斯纳米线中的反常热传输
近年来，随着纳米尺度器件向超高集成度、低功耗发展的趋势不断加速，如何实现高效热管理成为制约微电子、热电和光电应用的重要瓶颈。传统金属薄膜在纳米尺度下，由于电子与表面散射效应，其电阻率和热导率均会显著恶化，从而导致器件能耗增加和信号延迟加剧。然而，在低维范德瓦耳斯材料中，结构缺陷和位错等微观缺陷往往不完全遵循传统的散射规律，反而可能通过调控局部应变和振动模式，改善热传输性能。以Eshelby扭曲效应为代表的结构扭曲现象在范德瓦耳斯纳米线中尤为引人注目，这种现象主要源自单一螺位错引发的晶体层间滑移和局部应变分布，能够改变传统晶体结构，使材料呈现出独特的单斜结构。理论计算和初步实验均表明，在这种扭曲结构下，随着纳米线直径减小，热导率不仅不会像常规情形那样降低，反而会出现异常增强的趋势。这种反常行为为利用位错和应变工程来调控纳米级热传输开辟了全新途径，也为实现高性能热电转换、热管理及纳米电子器件提供了新的设计理念和理论支撑。
美国北卡罗来纳州立大学Yin Liu助理教授，加州大学伯克利分校Junqiao Wu & Jie Yao团队Lei Jin等，通过合成Eshelby扭曲的范德瓦耳斯 GeS 纳米线，系统探索了位错引发的扭曲对热传输的影响。研究团队利用物理气相沉积和化学气相传输法生长出具有单一螺位错的扭曲 GeS 纳米线，并借助透射电子显微镜（TEM）及四维 STEM 技术对其微观结构和局部应变场进行了精细表征。结果显示，扭曲纳米线呈现出由单斜结构主导的层间滑移现象，其SAD（选区衍射）图样中可见额外衍射斑点，证明了传统正交结构向单斜结构的转变。热传导测量结果表明，在大直径（约190 nm）的扭曲纳米线中，室温下热导率较非扭曲纳米线下降约70%，而当直径减小至低于110 nm时，扭曲纳米线的热导率反而随着直径减小而增加，这一现象与常规因界面散射导致热导率降低的趋势截然相反。团队通过密度泛函理论（DFT）计算及基于核心—壳模型的模拟，证明了这种异常热传输主要源自于纳米线核心区域因压缩应变而形成的高热导通道。该研究不仅揭示了位错、应变与热传输之间复杂的相互作用机制，还为利用缺陷工程和结构扭曲实现热传输调控提供了全新的实验和理论依据，对设计下一代低耗散、高效能的纳米级热界面材料具有重要意义。
相关内容发表于《Nature Materials》上。（张琰炯）
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https://doi.org/10.1038/s41563-024-02108-3
7 用于无电子自主机器人的柔软多功能双稳态织物机构
气动软体机器人因其安全性、适应性、结构简单、实用性强及成本低等优势备受关注。这些特性使其在仿生机器人、软体夹持器和可穿戴设备等领域展现出广阔前景。然而，气动软体机器人通常需依赖刚性电子阀和控制模块进行压力调节，限制了全软体部件的集成。此外，在水下或高辐射等电子元件易失效的环境中，其应用可能受阻。为实现气动软体机器人的无电子自主化，研究者主要致力于整合多种软体驱动器与控制模块，但现有系统通常需分立驱动与控制组件，导致制造复杂且集成困难。针对这一挑战，将驱动与控制功能融合于统一设计是可行策略。尽管成果显著，但如何将驱动与控制功能高效集成于简单软体模块仍具挑战。另一方面，突跳双稳态特性已被广泛用于开发高性能软双稳态驱动器或阀门，但尚未实现两者集成。现有方案多将气动驱动器与双稳态结构分离设计，或将导管扭结与双稳态膜变形耦合。直接组合现有双稳态结构、气动驱动器及导管虽可行，但结构复杂。因此，关键在于设计简单的软双稳态结构与驱动器，使其变形能与气动组件本征耦合以实现控制。
近日，上海交通大学谷国迎教授和朱向阳教授团队提出了一种双稳态织物机构（BFMs），其将软双稳态驱动器和阀门集成，可用于无电子器件的自主机器人。该双稳态织物机构由两个粘合织物腔室及嵌入导管构成，其中一腔室的伸直迫使另一腔室屈曲，从而实现结构双稳态及导管扭结切换。该双稳态织物机构可实现快速弯曲驱动（超过1166° s⁻¹）、开/关及连续压力调节、气动逻辑计算和自主振荡驱动（高达4.6 Hz）。我们进一步展示了双稳态织物机构在单一恒压气源驱动下的多样化机器人应用能力：用于动态抓取的软体夹持器和自主跳跃的软体爬行器。双稳态织物机构的研发为推进全软体、无电子器件的自主机器人提供了独特性能与巨大潜力。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）
文章链接：
YANG D, FENG M, SUN J, WEI Y, ZOU J, ZHU X, GU G. Soft multifunctional bistable fabric mechanism for electronics-free autonomous robots[J]. Science Advances, 2025, 11(5): eads8734.
https://doi.org/10.1126/sciadv.ads8734
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