超材料前沿研究一周精选2024年7月15日-2024年7月21日

通过与表面等离激元耦合，光可以被限制在纳米级尺度。由此产生的表面等离极化激元(SPP) 的“二维”性质为设计用于光通信和光计算的光子集成电路提供了极大的灵活性。然而，由于等离子体平台的互易性，无序、缺陷和结构缺陷会导致SPP背散射，从而限制其在光学系统中的应用。因此，开发能够实现单向SPP传播的非互易等离子体平台至关重要。这种单向 SPP 发生在由太赫兹区磁化半导体或可见区磁化金属制成的非互易等离子体平台中，具有由外部磁场引起的旋电各向异性，这些单向SPP几十年来被称为单向表面磁等离子体 (USMP)。研究表明，真正的 USMP 具有拓扑保护，因此对非局部效应具有鲁棒性。由于系统中不存在反向传播模式，这些 USMP 可以不受无序反向散射的影响。由于 USMP 的色散与结构细节密切相关，因此可以通过控制结构参数灵活地进行调整。对于固定频率的 USMP，相位常数可以在 [−k0, k0] 范围内调整（其中 k0 是自由空间波数）。基于这种无与伦比的相位可控性，研究 USMP 是否可以提供一种独特的机制来设计超表面是一个有趣的课题。

近日，浙江工业大学的沈林放教授团队，介绍了一种新型超表面的概念和设计，这种超表面由单向导波驱动，能够基于单向导波而非共振超原子的独特色散特性进行任意波前控制。在通过实验证明了该设计在微波领域的可行性后，研究人员通过设计几个微波超设备，使用金属-空气-旋磁单向表面磁等离子体，灵活地将单向导模转换为3D 贝塞尔光束、聚焦波和可控涡旋光束的波前。研究人员进一步在数值计算上演示了亚衍射聚焦，这超出了传统超表面的能力。该设计可能实现在深亚波长尺度上对电磁波的全宽带操控。本工作所开发的技术为构建多功能 USMP 驱动的超设备开辟了令人兴奋的可能性，有可能激发众多相关应用，包括通信、遥感和虚拟现实显示。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1038/s41467-024-50287-z

连续介质中的光学束缚态 (BIC) 最近因其迷人的基础物理和潜在应用而受到广泛关注。BIC 最初因其对光的限制能力而受到认可，这得益于其无限的品质 (Q) 因子，人们还发现 BIC 是动量空间中的拓扑缺陷，携带由周围偏振态的缠绕数决定的拓扑电荷。BIC 带来的极高 Q 因子和拓扑偏振性质推动了许多研究领域的进展：传感、激光、玻色-爱因斯坦凝聚和光的自旋轨道相互作用等。BIC 的广泛应用强调了有效操纵它们的必要性，这反过来又导致了新物理效应的揭示。研究人员已经开始了调节和发展 BIC 的旅程，主要是通过调整结构参数和破坏点群对称性。这导致了具有独特性质的光学模式的出现，例如手性准 BIC 或 BIC和单向引导共振。然而，还有一个有趣的方面有待彻底研究，那就是时间反演对称性破坏对 BIC 的影响，特别是在磁场条件下。在拓扑光子学中，已知破坏时间反演对称性会导致自旋相关的拓扑性质的出现，如自旋动量锁定边缘态和自旋轨道锁定发射。了解这种外部磁场下的时间对称性破缺如何影响光子晶体板的固有拓扑性质以及 BIC 如何响应这些变化至关重要。

近日，复旦大学的石磊教授、资剑教授团队，揭示并验证了一种新型自旋轨道锁定手性 BIC，它是由磁光材料声子晶体板中的磁诱导时间对称性破缺实现的。手性BIC表现出相反的赝自旋和角动量。BIC 周围的模式既处理超高 Q 因子，又处理手性远场辐射。该特性对于手性发射和传感等应用是可行的，也将促进各种自旋相关光子的潜在研究。这些手性 BIC 的轨道角动量可以为光学操控提供更多可能性。该工作为探索 BIC 中的新型自旋相关效应和应用以及拓宽具有时间对称性破缺条件的拓扑光子学和自旋光子学的新研究方向铺平了道路。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.036201

量子纠缠作为量子力学的核心，展示了不可分性和非局域性，已经在各种物理系统中被实验证实。然而，它容易受到环境的影响，经常出现退相干现象。如何进行鲁棒的纠缠操作对量子信息的应用至关重要。最近的研究表明，拓扑学与量子态的结合能为解决这一问题带来希望，包括拓扑量子光学界面，拓扑量子光源，拓扑保护双光子量子关联，纠缠光子的拓扑鲁棒传输等。问题在于，在经过这些已报道的拓扑保护操作之后，纠缠态的保真度变得非常低。虽然使用逆设计方法可以提高纠缠态的转换效率，但不同纠缠态之间的转换需要设计各种参数才能实现。此外，信号还会散射到非拓扑保护信道，导致纠缠态转换的重大损失。因此，如何实现高保真的鲁棒纠缠态操作仍是未能解决的问题。

另一方面，奇异点作为非厄米系统中的简并点，其研究已引起越来越多的关注。这是因为奇异点周围或附近相变的突变性已被证明会导致许多有趣的现象，如拓扑模式和能量转移、激光模式选择、奇异点增强模式分裂、损耗诱导透明度、单向隐形等。这些现象不仅在经典系统中进行了观察，而且在量子体系中也得到了研究。能否或如何利用奇异点的特性实现纠缠态的鲁棒性操作呢？

近日，北京理工大学物理学院张向东教授课题组通过设计四重简并奇异点，提供了实现量子纠缠态高保真稳定运行的有效方案。由于所设计的具有简并性奇异点的黎曼能面与纠缠态具有相同的特征态，因此可以通过环绕奇异点来实现纠缠态之间的非对称转换，即纠缠态的手性开关。由于黎曼曲面结构具有拓扑特性，这种对纠缠态的操纵是受拓扑保护的。此外，这些现象已经在量子行走平台上得到了实验验证。该工作为非厄米物理学在量子信息领域的应用开辟了一条新途径。相关成果以“Topologically Protected Entanglement Switching Around Exceptional Points”为题发表在Light: Science & Applications期刊（张甜）

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https://doi.org/10.1038/s41377-024-01514-1

非线性光学晶体(NLO)具有扩大激光输出光谱范围的特性，其光电应用备受关注。从发现新的单晶结构到实现最终器件应用的研究过程涉及许多关键步骤，非常耗时和具有挑战性。因此，探索有效的设计策略，缩短研究周期，加速新型NLO材料的合理设计，已成为解决先进材料迫切需求的必要条件。最近转向探索新的NLO晶体涉及从广泛的“试错”方法到战略方法的重大进展。本文提出了利用有利模板进行非线性光学晶体合理结构设计的概念。进一步讨论了它们的光学特性，作为二阶NLO材料的应用前景，以及它们的结构与性能之间的关系，并强调了未来NLO晶体领域需要解决的紧迫问题。

众所周知，生长大晶体是比较困难和有挑战性的，大多数新发现的NLO材料缺乏大晶体，无法进一步系统表征和制造实用的NLO器件。迫切需要开发新的晶体生长技术，定制高精度晶体生长炉，以及可靠的晶体生长过程的计算模拟。近期，中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员、张敏研究员研究团队提出了利用有利模板进行非线性光学晶体合理结构设计的概念，研究团队的合理结构设计导致了一系列极具前景的NLO晶体候选材料的出现。在未来新型NLO材料的开发过程中，基于有利模板的进一步努力将加速从“试错”到精确设计和合成的过渡，为下一代NLO材料领域取得新的成就提供思路和动力。相关研究成果以“Recent advances in rational structure design for nonlinear optical crystals: leveraging advantageous templates”为题发表在《Chemical Society Reviews》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1039/D3CS01136D

在过去的十年中，人们在理解物质量子相的对称性和拓扑之间的相互作用方面取得了巨大的进展。一个特别受关注的点是拓扑晶体相(TCP)，它是受空间对称性保护的拓扑态。许多实验已经揭示了它们在自然界中的存在，并且在短短几年的时间里，已经取得了重大的理论进展。有人认为，只要TCP的表面态平均对称，它对无序的存在就具有鲁棒性。即使是在预期具有中等程度无序的晶体，例如Pb_xSn_1−xTe中，TCP的实验结果也与这一观点相一致。大量研究还认为，只要保持平均空间对称性，统计意义上的拓扑绝缘体就具有边界保护模式。但是，目前TCP对杂质的鲁棒性背后的机制仍然缺乏系统的研究与理论，特别是在平均对称性概念尚未明确定义的情况下。

近日，美国耶鲁大学的Ian Mondragon-Shem和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Taylor L. Hughes教授合作，发现了一大类受点群对称性保护的TCP可以用拓扑不变量网格来表征，这一网络即使在存在杂质的情况下也可以鲁棒量化。为了证明这一点，该课题构造了由点群对称性保护的基无关型拓扑不变量，并证明它们相关的位置空间拓扑标记在空间上定位于空间对称的不动点。通过考虑在晶格的每个对称中心上定义的不变量来构造这样的不变量网格，提供的证据表明，这种网格可以在存在杂质的情况下保持鲁棒性，并且可以为TCP提供一定的刚性。这一结果为进一步探索其他类型的TCP的实空间结构提供了一个起点，此外该课题还提出了用格林函数代替单粒子投影来研究具有相互作用的无序系统的途径，最后这一研究结果指出了通过局部探针实验研究TCP的可能性。相关文章发表在《Physical Review B》。（刘梦洋）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.035146

X射线闪烁体在辐射探测、治疗和成像方面具有实用价值。各种材料，如卤化物钙钛矿，有机照明，和金属簇，已经开发取代传统的闪烁体，因为它们易于制造，且有着更优良的性能，和适应性。然而，它们有自吸收、化学不稳定性和微弱的X射线抑制能力。为了解决这些限制，研究团队采用碱金属掺杂将非发光CsPb₂Br₅转变为闪烁体。引入碱金属掺杂剂会导致晶格畸变并增强电子-声子耦合，从而产生瞬时势能阱，能够捕获光生成或X射线生成的电子和空穴，形成自捕获激子。这些自捕获激子经过辐射重组，产生55.92%的光致发光量子产率。基于CsPb₂Br₅的x射线闪烁体具有强大的x射线阻挡能力，高抗自吸收能力，并且在暴露于大气，化学溶剂和强照射时稳定性增强。它的检测限为162.3 nGyair s⁻¹，成像分辨率为21 lp mm⁻¹。

近期，新加坡国立大学刘小钢院士研究团队、福建师范大学覃弦教授研究团队和澳门大学邢贵川教授研究团队合作，证明了在有效消除自吸收的同时激活CsPb₂Br₅材料进行STE发射是可能的。基于CsPb₂Br₅的闪烁体具有一系列令人信服的优势，包括非自吸收、强大的X射线阻挡能力和增强的稳定性。这些特性导致了高光产率和低检测限162.3 nGyair s⁻¹。此外，证明了CsPb₂Br₅:K闪烁膜在实现高分辨率X射线成像方面的能力，实现了21 lp mm⁻¹的空间分辨率。这一成就为复杂电子成像开辟了可能性。本研究中采用的掺杂方法有望用于各种X射线闪烁体，包括具有高电子-声子耦合的cl基系统，在医学诊断、材料科学、安全等领域具有重要意义。相关研究成果以“Turning nonemissive CsPb₂Br₅ crystals into high-performance scintillators through alkali metal doping”为题发表在《Nano Letters》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04455

力学超构材料表现出的反直觉力学特性主要源于操纵其等效刚度、泊松比、热膨胀系数和质量密度的能力。这些力学超构材料通常拥有一个或多个特殊的力学参数，例如负/零刚度、负/零泊松比、负/零热膨胀系数。传统的振动控制技术，如减振和隔振，已在工程中得到广泛应用。然而，由于空间和质量方面的限制，这些技术在控制和消散低频和宽带振动能量时遇到了限制。将力学超构材料融入结构或器件设计中，可显著增强结构与低频波传播之间的相互作用，改善对波动能量的控制和消散，从而提供一种前景广阔的解决方案。力学超构材料是通过集成具有独特特性（如局部共振、负泊松比或准零刚度（QZS））的结构来构建的。这些构建块被附加或嵌入以实现有效的衰减或局部抑制振动在目标频段。所谓的准零刚度超构材料是指整体动刚度几乎为零的材料，同时仍然保持强大的承载能力，本质上表现出高静态-低动态特性。从力学角度看，这些材料在力-位移曲线上表现出一个平台，表明在很小的位移范围内有效载荷几乎保持不变，这意味着切向刚度为零。经典的准零刚度超构材料是通过平行连接正负刚度单元而产生的，其中负刚度元件的形式可以是斜弹簧、屈曲梁或磁环。

近日，哈尔滨工业大学冷劲松院士和刘彦菊教授团队受逆向设计概念启发的这一策略实现了超构材料力-位移曲线中载荷平台的数量和属性的可调性。通过实验和有限元模拟验证，这种方法甚至能产生吸引人的阶梯式响应模式。令人欣喜的是，将单元从初始构型编程为“零刚度”构型，可使这些超构材料具有出色的隔振性能。此外，还提出了在各种单元构型之间切换的两种可逆方法，即形状记忆编程和支持有效载荷。这种可编程载荷平台的创新设计策略为创造具有定制力-位移响应的超构材料提供了新的可能性。它还为将多模态隔振功能纳入精密器件提供了机会。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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C. Zeng, L. Liu, Y. Hu, et al. Stair‐Stepping Mechanical Metamaterials with Programmable Load Plateaus[J]. Advanced Functional Materials, 2024.

https://doi.org/10.1002/adfm.202408887

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