超材料前沿研究一周精选2024年5月20日-2024年5月26日

拓扑绝缘体因其非平凡能带结构与丰富物理机制，以及拓扑模式的潜在应用而受到广泛关注。人工拓扑量子体系通过构筑可控的结构与器件，有望模拟拓扑材料物性，观测新奇拓扑物理现象，实现新型拓扑量子器件等。常见的人工拓扑量子体系包括光学、冷原子、离子与超导等体系，其能力通常体现在全局可调控与单人工原子独立可调控两方面，而后者可充分出发挥人工系统的独特优势。近年来，拓扑光子学的研究取得了显著进展，多种丰富的拓扑现象已在光学体系中被实验观测到，并促进了高鲁棒光子器件的快速发展。但单人工原子独立可调控的拓扑器件在真实光学体系中尚未实现。

近日，北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”的王剑威研究员、胡小永教授和龚旗煌教授团队与合作者提出并实现了一种基于大规模集成光学的完全可编程拓扑光子芯片。研究人员通过在硅芯片上大规模集成可重构的光学微环腔阵列，首次实现了一种任意可编程的光学弗洛凯人造原子晶格，可独立且精确调控每个人工原子及原子-原子间耦合（包括其随机但可控的无序），进而在单一芯片上实现了包括动态拓扑相变、多晶格拓扑绝缘体、统计相关拓扑鲁棒性、以及安德森拓扑绝缘体等一系列实验研究。该工作拓宽了拓扑光子学边界，使其首次具备了强可重构与可编程性，为研究拓扑材料科学、发展拓扑光子技术提供了一种全新途径。相关研究成果发表于期刊《Nature Materials》。（张甜）

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https://doi.org/10.1038/s41563-024-01904-1

先进的红外 (IR) 视觉在监控、安全和医学成像等领域具有许多重要的应用。然而，依赖窄带隙半导体（如 InGaAs）的传统红外成像设备会受到需要低温操作和高噪声水平的限制。因此，将红外光转换为可见光是有益的，这样传统的硅基成像传感器就可以以很小的噪声检测到它，并有可能通过可见光成像增强红外光。非线性上转换红外成像技术在实现这种转换方面显示出了广阔的前景。该技术基于称为和频产生 (SFG) 的参数非线性过程，该过程通过与平面泵浦光束混合来增加入射信号光子的能量。该技术非常有利，因为它能够实现相干态转换（保留入射波前的相干性）。然而，由于使用大块晶体，现有设备的占地面积较大，限制了其实际应用。为了克服这些限制，共振介电超表面最近被探索作为一种非线性上转换器。在非线性上转换红外成像中，由于超表面谐振频率下的强场增强，最近研究人员探索了共振介电超表面来提高SFG转换效率。提高非线性转换过程效率的一种简单方法是采用高 Q 因子超表面。然而，高 Q 值谐振的窄线宽降低了工作带宽。此外，共振通常很强的空间非局域性（角色散）会限制图像的分辨率质量。因此，实现高转换效率和图像质量的成像方案是一个关键挑战。

近日，澳大利亚国立大学的Neshev团队，通过实验证明了使用高 Q 共振非局域超表面可以实现红外到可见光上转换成像。研究者在高空间分辨率下实现了创纪录的高上转换成像效率。尽管超表面具有很强的非局域性，但通过傅里叶平面上转换利用 SFG 过程的相干上转换性质，仍能实现高空间分辨率。研究者进一步提到了上转换超表面提供的独特图像处理功能，可以在单次设置中同时执行直接成像和边缘检测。该研究可以在未来的紧凑型夜视仪器、传感器设备和室温下的多色成像中找到重要的应用。相关工作发表在《Advanced Materials》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1002/adma.202402777

反铁磁材料（AFM）因其固有的太赫兹频率和对外部干扰场的高稳定性，被认为是开发新型存储和逻辑器件的理想材料。Néel自旋轨道矩（Spin-orbit torque）使得人们可以通过电荷流脉冲有效地操控反铁磁体中的Néel矢量，这为超高密度信息存储提供了平台，并且具有高速性。相反，反铁磁体的高固有频率也为产生超快电荷流提供了机会。例如，在反铁磁/重金属的双层结构中，通过检测由逆自旋霍尔效应（ISHE）得到的电压信号，观察到了亚太赫兹的自旋泵浦，并可以通过ISHE产生超快电荷流。在具有局部反演对称性破缺的反铁磁体，例如CuMnAs和Mn₂Au中，可以在没有重金属辅助的情况下诱导磁化翻转，并且仅在单个反铁磁薄膜中实现。两个亚晶格上相反的反演对称性破缺导致交错的自旋极化，进而引起两个反铁磁亚晶格上矩的相干切换。这种电流诱导的Néel矢量切换的矩被称为Néel自旋轨道矩（NSOT）。然而，Néel自旋轨道转矩的逆过程——在反铁磁体中产生超快电荷电流，尚未被证明。

近日，清华大学宋成教授团队与南京大学金飚兵教授团队合作，通过超快激光激发并实验探测到了反铁磁金属Mn₂Au薄膜中电荷流相关的太赫兹发射，证明了NSOT的逆过程。超快激光脉冲激发了Mn₂Au中的反铁磁磁子，诱导了反铁磁自旋亚晶格上瞬态的非平衡自旋极化，使得其空间对称性被破坏，进而通过两个亚晶格上的自旋轨道场直接产生电荷流。此外，该工作还通过与FeRh激光诱导太赫兹发射信号对比，排除了磁偶极子作为Mn₂Au薄膜太赫兹波发射的机制，进一步证明了 Néel自旋轨道矩的逆过程。这一结果为探索新兴的反铁磁自旋电子学领域中的磁子泵浦奠定了基础，并将推进反铁磁太赫兹发射器的发展。相关工作发表于《Nature Communications》上。（侯玥盈）

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https://doi.org/10.1038/s41467-024-48391-1

阻挫介质通常是多稳态的。多种亚稳态可用于存储信息，并且在许多系统中，每个集体状态都可以通过局域“材料比特”的二元相进行编码，称为迟滞子。因此，信息可以存储在这些元件的几何结构中，这已经被探索用于盲文显示器、信息存储或形状改变对象。重点关注的是对此类复杂介质的全局驱动的间歇性响应，其特征是系统在亚稳态之间跳跃的路径。这些路径可以通过转换图（t 图）来捕获，该转换图充分描述了材料对任何驱动协议的响应。最近的研究表明，系统在状态之间演化的物质路径可以通过相互作用的迟滞集合的等效路径进行编码和研究。令人惊讶的是，t 图让人想起描述有限状态机(FSM)的有向图，而有限状态机(FSM) 是描述顺序计算的基本模型。这种相似性表明，控制和设计目标路径的能力将为先进的可编程物质和物质信息处理开辟一条道路。

近日，莱顿大学的Jingran Liu团队，表明串联结构中的迟滞子经历了几何可控的类反铁磁相互作用。研究者设计了基于迟滞子的超材料，利用这些相互作用来实现目标路径，包括那些打破返回点记忆属性的路径，这是独立或弱相互作用迟滞的特征。研究者发现，对这种强相互作用迟滞材料的顺序驱动的复杂响应可以用有限状态机来描述。实现了信息处理操作，如字符串解析，并概述了一个通用框架来揭示和表征一个给定的物理系统的有限状态机。该工作提供了理解和控制迟滞相互作用的一般策略，并为基于材料的信息处理开辟了一条广阔的途径。相关工作发表在《PNAS》上。（刘帅）

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https://doi.org/10.1073/pnas.2308414121

超构材料通常包含空隙并保持较低的相对密度以实现轻质特性。然而，这种对轻量化的追求往往以牺牲力学性能为代价，使得超构材料更容易发生意外屈曲，尤其是在其薄支柱中。由于材料的快速应力松弛，这种屈曲现象会导致能量吸收能力的显著降低。因此，越来越多的工程超构材料在不显著损害其结构完整性的情况下表现出增强的抗屈曲能力。通过调整超构材料结构实现可编程屈曲行为，可以设计出在特定负载下可选择性屈曲的超构材料，从而实现对变形模式的精确控制。目前，实现可编程屈曲特性面临一些挑战：确定对优化屈曲强度至关重要的设计变量，以及扩大设计自由度以实现更多的构型。然而，由于分析屈曲行为的计算成本较高，只考虑了少数几个参数，这限制了优化设计的候选方案。因此，超构材料屈曲强度的上限以及形状依赖性屈曲行为的机理还有待深入研究。

近日，美国加州大学Grace X. Gu教授团队通过引入一种基于生成式机器学习的方法，以确定超构材料的优越几何形状，从而在不影响其弹性模量的情况下最大限度地提高其屈曲强度。与传统超构材料设计相比，该研究基于机器学习设计的结果显著提高了屈曲强度（超过90%）。通过一系列实验测试验证了仿真结果，并将应力场与超构材料几何形状相关联，阐明了高屈曲强度的机理。本研究结果深入揭示了形状与屈曲强度之间的相互作用，为在未来应用中设计高效超构材料开辟了广阔的前景。相关研究发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。（徐锐）

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S. Lee, J. Kwon, H. Kim, et al. Advancing programmable metamaterials through machine learning-driven buckling strength optimization[J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2024, 31.

https://doi.org/10.1016/j.cossms.2024.101161

当一个复杂系统的不同组成部分之间的相互作用不能同时最小化时，最低能量状态是一种妥协，在这种妥协中，系统的某些单元会处于“不满意”的状态。这种挫折会导致约束无序、退化和多稳定性。最近的研究将这些概念从磁自旋系统转化为工程软物质系统，如声学通道弯曲弹性梁、单层胶体球和机械折纸。磁自旋系统中的挫折与机械系统中软模式的不相容有关。自旋系统到超构材料结构的映射提供了对挫折的机械后果的洞察，例如应力控制和畴壁拓扑。特别是，通过这些类比来探索不可逆性和历史依赖性，为可编程弹性响应和机械记忆存储开辟了新的途径，并为机械计算的进一步发展奠定了基础。然而，多稳定性和复杂的记忆形成是无序和非晶系统的典型特征，难以预测和控制。另一方面，周期力学系统通常不是多稳态的，因为它们的远程弹性相互作用倾向于解决与远程有序基态的挫折。在这里，机械自由度的位移可以取中间值，导致有序的妥协，并解除与受挫自旋系统相关的简并。

近日，以色列特拉维夫大学Yair Shokef教授团队介绍了一种设计有序周期性力学超构材料的方法，这种超构材料表现出大量的空间无序状态。虽然该设计利用了磁性受挫和超力学不相容之间的对应关系，但本机械系统包含了连续的自由度，从而推广了它们的磁性对应关系。文中展示了该系统如何表现出非阿贝尔和历史依赖的响应，因为它们的状态可能取决于应用外部操作的顺序。此外还演示了这种动态的丰富性如何能够从最终状态的静态测量中识别扩展系统所经历的操作序列。因此，有序机械晶格中的几何挫折产生了自身的无序性，从而产生了多稳定性和进行计算的潜力。这向力学超构材料计算的系统实现迈出了重要的一步。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）

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C. Sirote-Katz, D. Shohat, C. Merrigan, et al. Emergent disorder and mechanical memory in periodic metamaterials[J]. Nature Communications, 202 15(1).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47780-w

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