今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及时间界面处二次谐波的产生，基于超表面分束器的 Tbps 宽场并行光无线通信，三维全极化拓扑等静压超材料等,敬请期待！
索引：
1 时间界面处二次谐波的产生
2 基于超表面分束器的 Tbps 宽场并行光无线通信
3 三维全极化拓扑等静压超材料
4 量子几何诱导的交变磁体中的非线性输运
5 多稳态可编程保形软机械臂
6 基于舞蹈的人类拓扑绝缘体中的手性边界运动
7 非线性摆超材料实现超低频场效应带隙
8 基于双稳态张拉整体的离域变形增强可复用吸能超构材料
时变超材料既为新颖的波操纵提供了可能，也为经典的物理问题提供了新的视角。时变光子学，其中介质的线性磁化率在光学频率下被调制，实现透射率或反射率（在fs时间尺度上）的超快切换，移频和光谱调制，光束转向和非互易器件。非线性效应，如谐波的产生，传统上用介质偏振的微扰变化来描述，已经在时变介质中观察到，例如通过高折射率硅和锗超表面中的谐波光的频移。近零材料，尤其是透明导电氧化物，已经成为再近红外频率进行时间调制的优异平台，通过将其线性介电常数的单位阶数变化与接近单个光周期的超快响应相结合，而不需要强光子共振和纳米结构。在氧化铟锡（ITO）中，这种在这些超快时间尺度上的折射率的变化可以用光载流子激发来描述。
近日，伦敦帝国理工学院的Romain Tirole和Riccardo Sapienza教授团队研究了在空气和310 nm ITO薄膜之间光泵浦时变界面上的二次谐波产生。在泵浦强度为100 GW/cm2时，观察到二次谐波波长高达93%，导致大的频率展宽和偏移。实验证明，二阶非线性磁化率的时间调制。还发现由单缝和双缝时间衍射产生的频率调制光谱可以用于增强光学计算和传感，使谐波信号产生宽带时变效应，并将近零材料的应用扩展到可见光范围。相关内容发表于《Nature Communications》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51588-z
2 基于超表面分束器的 Tbps 宽场并行光无线通信
光无线通信 (OWC) 具有宽频谱、高数据速率、低延迟、高安全性、低成本和低能耗等显著优势，可以满足 6G 通信的严格要求。光束控制技术能够将窄准直光束操纵到不同的方向，对于实现长距离和高数据速率的 OWC至关重要。在传统的 OWC 系统中，光束控制功能通常由 SLM 或机械旋转镜执行。虽然实现方法灵活，但由于衍射像素尺寸大或机械结构限制，光束控制角度非常有限。近年来，由于其强大的光场操纵能力和亚波长尺度衍射单元，超表面被用于实现用于光无线通信（OWC）的具有较大转向角的紧凑型光束控制装置。然而，光学超表面的结构尺寸较小，难以像射频超表面那样逐像素地动态操纵光，因此单个光学超表面只能实现固定角度的光束控制，导致房间内的通信盲区较大。为了解决这个问题，人们引入了各种动态控制机制，这些工作将单个入射光束调制成一束或多束动态偏转光束。然而，由于这些输出光束都源自同一束入射光束，它们彼此并不独立，因此不能用于实现并行通信功能。
近日，东南大学的陈绩副研究员、张在琛教授团队和南京大学李涛教授团队，提出了一种由光纤阵列和超表面组成的紧凑型分束器，可使多达144个终端用户独立进行信息传输。通过采用25G高速光模块作为信号源，结合波分复用技术，证明了每个通道可以实现高达200 Gbps的通信速率。因此，整个系统的通信容量可以超过28 Tbps。光纤阵列和超表面的尺寸都很紧凑，尺寸为1.2×1.2mm，使设备的核心部件节省空间。此外，通过超表面的广角（~120°）和偏振复用设计，可以实现全覆盖，不同终端用户之间不会干扰。基于超表面的分束器不仅解决了紧凑设备中动态光束控制的难题，而且为未来高质量 OWC 提供了有效的解决方案，同时具有广域、多终端用户、无盲点和超高速的优势。
相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52056-4
3 三维全极化拓扑等静压超材料
等静压结构，也称为麦克斯韦结构，是完美平衡自由度和约束的机械框架。等静压结构承载零频率边界模式，表现出拓扑保护，因为即使发生干扰或损坏，边界的机械柔软度和刚性仍保持不变。在三维 (3D) 等静压晶格中，全极化的拓扑力学被无处不在的Weyl线破坏，Weyl线会关闭机械带隙，并将边界刚度对比降低到可比的水平。最近的研究从理论上提出了消除Weyl线的 3D 等静压晶格，但这些设计允许在两个相对表面上出现软模式，从而产生仍然可以比拟的刚度对比。此外，在先前的实验中，连续的机械连接引入了有限的弯曲刚度，将 3D 打印样品推到均衡点之外，使拓扑数变得不确定。因此，在 3D 均衡晶格中消除 Weyl 线和完全极化机械拓扑仍然具有挑战性。
近日，北京理工大学的李锋教授和周迪教授团队，从理论和实验两个方面展示了三维中完全极化的拓扑力学相。使用被称为广义烧绿石晶格的三维示例，作者说明了这种拓扑力学相及其产生的独特边界弹性。该分析设计原理基于机械传递矩阵，该矩阵将所有软模式极化以集中在晶格的单个开放边界上，而相反的表面没有软模式。因此，晶格在拓扑上完全极化，并表现出高度对比的边界力学。
此外，等静压晶格赋予整个结构的均匀软应变，称为 Guest-Hutchinson 模式，可逆地剪切晶格配置并诱导拓扑极化和机械 Weyl 相之间的转变。这种三维完全极化的机械相与可自由切换的拓扑转变相结合，带来了二维系统无法实现的进步，例如与 3D 位错相关的拓扑柔软度、所有空间维度上的静态机械非互易性以及拓扑保护的全地形轮胎。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.106101
4 量子几何诱导的交变磁体中的非线性输运
交替磁体是具有弱自旋轨道耦合(SOC)的共线反铁磁体，同时具有铁磁体和反铁磁体的特性，其中最突出的是其可以在动量空间中自旋分裂，并同时保持零净磁化。传统的反铁磁体中，两个磁亚晶格是通过平移或反转联系起来的，而在交替磁体中，它们是由一个独立的自旋翻转和Cn空间旋转组成的自旋群元素联系起来的。然而，这只在SOC消失时才严格成立:当SOC存在时，自旋群减少为CnT磁组。此外，弱SOC对于观察在交替磁体中测量的各种现象至关重要，例如异常霍尔效应。最近，人们对拓扑PT对称反铁磁体的非线性响应产生了极大兴趣，这种响应主要是由非平凡量子几何结构主导的。与非中心对称材料中的时间反演不变非线性响应不同，PT对称要求贝里曲率偶极子消失以及非线性响应由与散射时间无关的量子度量偶极子主导。
近日，美国石溪大学的Sayed Ali Akbar Ghorashi教授课题组在这些发展的推动下，研究了交替磁体中的非线性响应，揭示了量子几何在散射时间中的有序作用。文章发现交替磁体的非线性响应具有明显的特征，当接近理想的交替磁体时，SOC消失，非线性响应变得更加明显。文中的对称性分析揭示了交替磁体非线性响应的量子几何起源，与PT对称反铁磁体不同，其前阶响应为三阶，量子计量四极子在其中起着不可或缺的作用。该研究结果不仅提供了交替磁体在非线性输运中的独特特性，而且极大地扩展了可以直接探测量子几何多极的材料平台，并激发了对替代磁体中传输的更现实的计算。
相关文章发表在《Physical Review Letters》。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.106701
5 多稳态可编程保形软机械臂
多稳态能够保持多种稳定状态，是多稳态力学超构材料制造后可编程的关键特征，并带来了丰富的应用（如可展开庇护所、机械传感器/存储器/逻辑门、能量吸收/耗散器、软体机器人/机械臂等）。最近在多稳态方面取得的进展表明，打破圆柱形折纸超结构沿周边的旋转对称性可导致弯曲时的多稳态，同时保持拉伸时的单稳态，这使得在仅使用单胞形成可展开结构时，能够实现单一弯曲方向。目前通过引入的弯曲单稳态多稳态结构不仅诱导弯曲角度小，而且每个结构只能实现单一取向。在软机械臂领域，形状适应性和操作安全性是至关重要的，而充气圆柱形结构在形状适应性方面具有多功能性。目前的气动软机械臂持续依赖输入压力来实现功能和保持构型。一旦移除压力源，它们就会迅速恢复到初始状态，在没有持续压力供应的情况下无法维持其构型。多稳态性为气动软体机器人的局限性提供了一个很好的解决方案，解决了它们易受压力管道突然故障影响的问题；因此，多稳态性已被用于设计充气折纸和零功率形状保持致动器，在单一变形模式下提供多种稳定状态。
近日，加拿大麦吉尔大学Abdolhamid Akbarzadeh教授引入了一种称为多模态多稳态性的开创性平台，该平台利用几何阻挫，针对单圆柱对称单元的扩展双稳态设计，采用多自由度气动执行器控制单元，实现了弯曲时的多稳态构型。该平台扩展了可实现的稳定轨迹范围，同时保留了手臂的基本属性，如可承载性、可编程性和形状变化的可逆性。利用具有四个自由度的气动系统进行压力控制，不仅可以捕获以前未探索过的力学超构材料的稳定构型，还可以控制其变形模式。随着空间探索、医疗仪器和救援任务的应用，多模态多稳态性为软机器人的设计和操作提供了无与伦比的灵活性和效率。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
B. Shahryari, H. Mofatteh, A. Sargazi, et al. Programmable Shape‐Preserving Soft Robotics Arm via Multimodal Multistability[J]. Advanced Functional Materials, 2024.
https://doi.org/10.1002/adfm.202407651
6 基于舞蹈的人类拓扑绝缘体中的手性边界运动
拓扑绝缘体是一种在内部绝缘但在边界具有导电特性的材料。其边界导电态源于材料的拓扑性质，能够免疫材料中的杂质和缺陷，具有较强的鲁棒性。通过利用拓扑绝缘体的边界态，有望实现低损耗且高速的电子输运。这一特性最早在二维电子材料中发现，随后在光学、声学等经典物理系统中实现了相似的传输行为。研究人员一直在探索这种拓扑现象是否在更广泛的背景下具有实际意义。
近日，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的Joel Yuen-Zhou研究团队通过人类舞蹈模拟了Chern绝缘体，展示了由手性边界态引发的独特舞蹈行为。研究团队巧妙地将波函数映射为人的动作，并通过设计的算法，使舞者在舞台边缘展现出单向的运动。即便在移除部分舞者、引入“缺陷”的情况下，这种运动仍然能够持续进行，是手性边界态的严格实现。该研究展示了拓扑物理与艺术的跨领域融合，通过创新的舞蹈编排和物理算法，将复杂的科学概念形象化，提供了一种理想的科普方式。相关研究发表于《Science Advances》上。（刘磊）
文章链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adh7810
7 非线性摆超材料实现超低频场效应带隙
传统的弹性超材料和声子晶体利用固定的微观结构来控制波的传播特性，导致其作用频率难以灵活调整。活性超材料可以通过改变外部条件（如电场或磁场）来调控其等效材料参数，实现控制带隙的开闭，但其复杂的结构和较低的稳定性限制了实际应用的推广。相比之下，非线性弹性超材料通常具有更简单的结构，和丰富的带隙调控特性，能够利用非线性来进行带隙调制，展示出双波矢和混沌带隙等现象。然而，这类超材料在超低频带隙调控中的应用尚未得到充分探索。
近日，西安交通大学航天航空学院的沙振东、刘咏泉团队基于场效应晶体管（FET）的概念，设计了一种的非线性摆超材料(NPMM)。NPMM超材料可视为一种机械超低频场效应晶体管，其结构简单，易于制备，能够灵活调控声波和弹性波的传导和阻断，并在超低频下（4 Hz）实现了对波的场效应调控。该研究在波导开关、逻辑器件、振动缓解和非互易性等波动调控应用中展现出巨大的潜力，为未来超材料和波调控器件的设计与应用提供了新的研究思路。相关工作以“Nonlinear pendulum metamaterial to realize an ultra-low-frequency field effect bandgap”为题发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》上。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.111874
8 基于双稳态张拉整体的离域变形增强可复用吸能超构材料
力学超构材料具有超轻、负泊松比、负刚度等传统材料所没有的特性，专门为增强材料能力而设计的，特别是在能量吸收方面超越传统吸能材料。理想的吸能材料不仅要求重量轻，而且要求具有相当的吸能能力，特别是在密闭区域内发生冲击时。同时，容量不应以可重复的方式或依赖于加载的时间尺度显着降低。为了满足这些要求，力学超构材料因其相对密度小、比强度和比刚度大而成为有前途的能量吸收材料。传统吸能材料通常是为一次性应用而设计的，因为它们的成分在部署后会遭受永久性损坏。因此，开发可重复使用的吸能超构材料已成为潜在的解决方案。在这些机制中，双稳态结构已经得到了广泛的研究，它们表现出两种不同能级的稳态，这两种状态之间的转变伴随着能量的吸收。这种超构材料保持了可重用性，因为它们的组成材料在整个变形过程中都保持在弹性状态。此外，这些超构材料的非线性力学性能可以通过改变几何参数来定制，并且它们可以组装成具有更广泛定制力学行为的多稳定系统。然而，目前，这些超构材料的能量吸收能力通常比不可重复使用的同类产品低几个数量级，从而限制了它们的潜在应用。
近日，中山大学吴嘉宁、吴志刚团队联合北京航空航天大学潘飞团队在经典张拉整体结构的基础上，提出了一种具有优异可重用性的新型双稳态张拉整体结构，并提出了一种基于张拉整体的装配策略，将这些双稳态结构构建成具有离域变形机制的力学超构材料。当单个加载节点受到局部冲击时，力学超构材料中每个可重复使用双稳态结构的所有弹性单元同步拉伸以吸收能量，表现出更高的吸能能力。在10000次循环中，超构材料的吸能能力达到26.4 kJ (kg m2)−1，在吸能能力和可重复使用性方面分别比其他可重复使用材料高出约2个数量级。该研究为开发适用于先进冲击防护和工程系统的高容量、可重复使用的吸能材料提供了一种新的基于张拉整体的设计装配策略。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
H. Yang, J. Zhang, J. Wang, et al. Delocalized Deformation Enhanced Reusable Energy Absorption Metamaterials Based on Bistable Tensegrity[J]. Advanced Functional Materials, 2024.
https://doi.org/10.1002/adfm.202410217
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