超材料前沿研究一周精选2024年6月24日-2024年6月30日

超快时间尺度上调制介质的电磁特性诱导时间界面会导致时间反射和时间折射，并可产生多种现象，从超强耦合的快速切换和光子时间晶体（PTC）中的自由电子的增强发射等。PTC是一种光子结构，其电磁特性在时间上具有周期性变化。当介质均匀时，由于动量守恒，时间折射和时间反射都表现出时间光谱中的频移。时间折射波继续以相同的波矢量传播，而时间反射波则以共轭相位向后传播（由于频率的符号变化）。虽然时间折射总是很明显的，但要测量时间反射，折射率变化在很短的时间尺度内完成变化，否则时间反射非常弱，不能实现PTC 。折射率发生强烈而突然变化的严格要求导致从未在光学频率下观察到光的时间反射。到目前为止，虽然在水波、冷原子和合成维度中观察到了时间反射，但对于电磁波，只在微波频率下观察到了时间反射。虽然有实验表明，确实存在一种机制，能够再光频率下实现时间反射和PTC。然而，时间反射却由于太弱而无法测量。最近的实验结果表明需要新的方法在光频率下实现时间反射。

近日，以色列理工学院Mordechai Segev教授团队研究了入射到介质属性突然变化的时间界面上的波经历时间反射和时间折射。由于介电常数突然变化，单色波转化为脉冲，并且在全内反射的临界角附近增强了时间反射。研究人员发现在这种机制下倏逝场通过介电常数的突然变化转化为传播脉冲。对于临界角以上的入射，穿过时变介质的倏逝波会被转换为时间折射和时间反射传播（非倏逝）脉冲。这些效应显示了临界角附近时间反射的增强和高灵敏度，为光学频率下的时间反射和PTC实验铺平了道路。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.263802  

折射是两种介质界面处的光束弯曲效应。虽然传统研究侧重于静止边界，但移动边界或势垒可以实现新的折射定律。基于移动势垒产生的时变介质，已经在原子和光学系统中被考虑用于实现拓扑 Thouless 泵浦和超冷原子系统中的量子时间反射和折射。虽然当前主要研究的是连续介质中的时间折射，但是时间折射也可以发生在两个离散晶格之间的界面上，并且其波动力学可以被离散薛定谔方程有效描述。同时，由于离散波力学中的伽利略不变性的破坏，介质的离散化在折射中起着重要作用，使折射高度依赖于移动速度。由于在晶格上实现和控制移动势垒的技术困难，通过移动界面或势垒进行离散折射的实验演示仍然难以实现。

近日，华中科技大学陆培祥教授和王兵教授团队与意大利米兰理工大学Stefano Longhi教授联合团队在光纤环电路的合成时间晶格中，通过移动规范势垒观察到了离散时间折射。揭示了潜在的移动速度选择规则，它只能取整数 v = 1 或小数 v =1/q（奇数 q）值来保证明确定义的折射。观察到速度 v =1和v = 1/3时的无反射/反射折射、折射/反射消失的透明势、动态运动势垒的折射和相对论 Zitterbewegung 效应的折射。研究建立并证明了量子化移动势垒离散折射的基本定律，有望在延迟块设计、精确测量和信号处理中得到应用。相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）

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https://doi.org/10.1038/s41467-024-49747-3

双曲波出现在光学各向异性极强的材料中，对于正交方向的电场，其介电常数实部的符号相反。无论是天然的还是人工制造的，体双曲波都会受到耗散的影响，而且它们的光与物质相互作用会因材料损耗或超材料粒度而受到阻碍。相比之下，双曲超表面的特点是高度定向的平面共振与亚波长厚度相结合，支持表面波的有效剩余射线带，从而减少材料损失的影响并更容易进入场，因为这些模式存在于与空气的界面上。这些超表面已在广泛的频率范围内实现，具有增强表面波操控和与靠近表面的局部发射器进行宽带相互作用的激动人心的前景。最近，在单斜极性晶体中发现了一种新的体和表面双曲声子极化子家族，称为双曲剪切声子极化子。非正交晶格与非正交的方向失谐共振有关。在剩余射线带内，双曲模式也可以出现在这种倾斜晶格中，但与传统的双曲极化子相比，这些模式具有光轴随频率的特殊旋转（轴向色散）和双曲等频轮廓（IFC）不同分支中损耗的不对称分布，这是由微观剪切现象驱动的。这些特征使双曲剪切极化子具有比传统双曲波更强的方向性和场限制性。反过来，剪切声子极化子仅在晶体对称性较低的有限天然材料中存在。因此，到目前为止，它们的观察仅限于可能的晶格对称性和声子响应的非最佳子集。

近日，纽约城市大学的Alu教授团队，介绍了双曲剪切超表面，它支持双曲表面波的有效剪切现象，这是通过调整失谐定向共振之间的角度引起的。通过这些效应，可以调整方向性，并在可调带宽上提高双曲表面波的寿命和珀塞尔因子，实现对其传播和耗散特征的极端控制。这个工作建立了一个范式，利用破缺对称性来实现低损耗、超受限和高度定向的表面波传播。所展示的现象可以应用于广泛的频率范围。这些超表面可以在射频中使用失谐谐振器的扭曲双层实现，也可以在光学中使用不对称 V 形谐振器超单元实现。通过旋转自由度实现的合理控制意味着，通过定制的光泵和非线性，可以动态调整双曲超表面中的有效剪切，从而实现实时的大可调性。这些工具可能应用在导致时间相关的轴向色散和损耗重新分布，以及脉冲整形和复用等方面。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.263803

片上光学系统的微型化和高集成度对器件的适应性、多功能性和数据存储容量提出了更高的要求。超表面是一种超薄平面光学元件，在以往的研究中，它作为一种控制光的先进方案出现了，并实现了广泛的光学应用。携带幅度、相位、频率和偏振调制信息的光驱动可重构超表面由于其非接触式、简洁的结构和超快响应能力而受到广泛关注和研究。超快调制行为显著受益于活性材料的光生载流子弛豫动力学，特别是本征外延硅和非晶锗，其制备成本较低，弛豫时间在纳秒和皮秒量级。这些材料在超快太赫兹超器件的制备中具有优势。尽管如此，与人们更关注的电子编码太赫兹调制相比，光学编码过程的研究相对较少。虽然一些研究尝试使用空间光调制器作为编码掩模，激发高阻硅晶片用于太赫兹成像，但它们大多侧重于单通道调制，编码速度较慢。集成化、微型化的光编码元器件在可编程超快太赫兹开关方面的研究亟待开展。

近日，国防科大江天研究员团队，提出了一种结合光子晶体和太赫兹超表面的全光可控2-bit太赫兹编码的新方法。太赫兹超表面支持的三模耦合允许双通道谐振光谱并提供主动损耗敏感调制。此外，策略性放置的分布式布拉格反射器创建特定的空间光分布，分别滤除400nm和800nm泵浦波长以进行彩色泵浦太赫兹切换。通过实验测试，能够展示纳秒级编码切换的超快行为，这与模拟的预期效果非常吻合。此外，时域耦合模式理论模型为编码原理提供了适当的解释，该原理源于对耗散耦合模式非辐射损耗的定制。该策略为光学编码太赫兹调制提供了一种新的发展途径，并进一步启发了基于超表面的光学编程太赫兹设备的探索。该编码方法可以扩展到多位信息处理，并可应用于光控太赫兹成像领域。相关工作发表在《Light: Science & Applications》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1038/s41377-024-01495-1

多年来，寻找本征拓扑超导体一直是凝聚态界的一个活跃研究领域。在弱相互作用系统中，本征拓扑相变(TPTs)的基本要素是出现在费米面附近的弱吸引电子-电子相互作用，这导致了包括拓扑超导带隙在内的特殊体块属性。而由于粒子-空穴对称的存在，体-边对应关系允许受能带拓扑保护的马约拉纳边界态的出现。有限能量库珀配对是一种特殊类型的配对，可以发生在远离费米面的地方，它源于超导体中的多带效应。而在基于NbSe₂在拓扑绝缘体BiSbTe_1.25Se_1.75和Bi₂Se₃中的超导邻近效应的杂化结构中被发现的有限能量下态密度的下降，是这种配对的一个特殊光谱特征。

近日，德国维尔茨堡大学的Björn Trauzettel教授课题组证明了TPTs可以由时间反演对称奇宇称多带超导体中出现的有限能量库珀配对完全诱导。自旋-轨道耦合和电子-声子相互作用的相互影响允许拓扑非平凡的非常规有限能量库珀对的形成。由于奇宇称超导电性的存在，在有限能量的动量空间中，体带交叉部分出现间隙，这导致了被有限激发能下的螺旋拓扑狄拉克表面态所证明的TPT。这种表面态由具有不同磁量子数的电子和空穴组成，它们与传统的马约拉纳边界态不同，这是由于远离费米能的粒子-空穴对称性被打破。此外，为了捕捉潜在的物理，该课题还发展了具有四值局部自由度的一般超导多带系统的理论。具体地说，文中使用了一个描述在费米能附近具有有效角动量j=3/2的电子能带结构的模型哈密顿量。当然，这种形式并不局限于角动量量子数的这种特殊选择。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘梦洋）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.266201

金刚石在所有已知的下一代电子器件半导体中具有最高的优点，远远超过传统半导体硅的性能。为了实现金刚石集成电路，金刚石互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的发展需要n沟道和p沟道导电性，正如半导体硅所建立的那样。然而，由于n型沟道MOS场效应晶体管(mosfet)的挑战，金刚石CMOS从未实现。本文基于阶梯流成核模式制备了具有原子平面的电子级掺磷n型金刚石薄膜。因此，展示了n沟道金刚石mosfet。在573 K时，n型金刚石mosfet的场效应迁移率约为150 cm² V⁻¹s⁻¹，是所有基于宽带隙半导体的n沟道mosfet中最高的。这项工作促进了开发节能和高可靠性的CMOS集成电路，用于大功率电子，集成自旋电子学和恶劣环境下的极端传感器。

近期，日本国立材料科学研究所 Meiyong Liao 和 Satoshi Koizumi 研究团队制造了具有原子级平坦表面的电子级磷掺杂 n 型金刚石外延层，并实现了高迁移率的 n 沟道金刚石MOSFET。该n-MOSFET在573 K时表现出高迁移率约为150 cm² V⁻¹s⁻¹，这是其他宽禁带半导体在高温下的显著特征。优异的高温性能为开发高功率电子器件、集成自旋电子学和恶劣环境下的极端传感器的金刚石CMOS电路提供了途径。相关研究成果以 “High‐temperature and high-electron mobility metal-oxide-semiconductor field-effect transistors based on n‐type diamond”为题发表在《Advanced Science》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1002/advs.202306013

冲击波带来的巨大机械能会对仪器的精度、运行寿命和安全性构成重大风险。因此，要防止不可逆转的损坏，需要采取措施来降低这些冲击带来的影响。幸运的是，耗能材料/结构可以将冲击能量降至安全阈值以下，适用于关键机械器件、交通运输和航空航天领域。然而，现有的能量消散策略大多集中在塑性变形上，这种方法通常只适用于一次性使用。此外，粘滞效应受负载率依赖性的限制，无法承受低速冲击，而摩擦机制通常需要外力才能在冲击下自我恢复。具有能量耗散特性的力学超构材料可在工程领域提供冲击缓解功能。然而，目前的能量耗散超构材料经常面临能量耗散性能和承载能力之间的权衡，严重限制了其在高强度冲击场景中的实用性。因此，必须采用新颖的能量耗散机制来平衡当前力学超构材料在承载能力和能量耗散之间的权衡。

近日，清华大学周济院士、孙竞博教授团队提出了一种由几何阻挫引起的突弹跳变屈曲机制，并构建了一种突弹跳变超构材料（STM）来解决这一问题。通过分析分岔屈曲现象改进了STM，使其具有更高的能量耗散效率。实验证明，STM以可重复使用、可自我恢复和与速率无关的方式，自适应地耗散能量并减轻冲击，最多可减少33%，从而实现综合性能。采用预加载策略可根据需要进一步增强其缓解冲击能力。值得注意的是，STM的承载能力比以前的设计高出55倍。所提出的STM设计策略为开发基于相互作用的超构材料铺平了道路，使其能够应用于高级阻尼器、机械波导、软体机器人和低频能量收集器。相关研究发表在《Materials Today》上。（徐锐）

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S. Yan, W. Liu, X. Tan, et al. Bio-inspired mechanical metamaterial with ultrahigh load-bearing capacity for energy dissipation[J]. Materials Today, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.06.003

受自然中生物体形态计算的启发，结构的弹性变形来感知和处理信息开辟了一种新的计算模式。这里的形态计算被认为是连续物理体的几何形状和材料弹性变形的结合。与基于链接的机械计算不同，在机械计算中使用形状变形软材料和柔性结构已成为创建分布式、低功耗传感器和执行器的一种潜在方法。在机械系统中，信息可以通过多稳态结构的可逆形变进行写入和擦除。与编码存储器相比，二进制逻辑运算是布尔计算的基础。通过集成多个逻辑门，可以进行二进制计算。通过布尔计算进行的机械二进制逻辑和计算利用了弹性结构的双稳态性。两种稳定状态之间的切换通常是通过突弹跳变不稳定性实现的，可以由各种外部刺激触发。然而需要为这些逻辑运算设计特定的结构构型，这可能会限制其微型化和集成到更复杂的电路和计算系统中的潜力。为了克服这些障碍，有人提出了可重新编程逻辑运算和内存机械计算的方案。然而，要将这些技术集成到更复杂的电路中，并为潜在的软体机器人应用实现可扩展性，仍然存在挑战。

近日，美国波士顿大学Douglas P. Holmes教授团队介绍的是一种非常规的设计策略，它利用单一的剪纸结构来执行和切换多种基本逻辑运算，包括NOT、XNOR和通用逻辑门NAND。文章还研究了作为预拉伸函数的透射突弹跳变不稳定性。通过获得两个压痕位置之间的间距参数，以实现通用逻辑运算。此外，以剪纸结构为基本单元，演示了机械信号传输，并进行了半加法器计算。预计这种设计策略可应用于多种材料和结构，并降低开发具有智能的材料系统的复杂性。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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Y. Yang, J. Feng, D. P. Holmes. Mechanical Computing with Transmissive Snapping of Kirigami Shells[J]. Advanced Functional Materials, 2024.

https://doi.org/10.1002/adfm.202403622

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