今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及活性超材料中的非互易拓扑孤子，非线性手性光学超表面上的自旋解锁涡旋光束生成，通过主动控制实现环境适应性和多功能流体超材料等,敬请期待！
索引：
1、活性超材料中的非互易拓扑孤子
2、非线性手性光学超表面上的自旋解锁涡旋光束生成
3、通过主动控制实现环境适应性和多功能流体超材料
4、具有适应性与承载性的大尺寸模块化和均一厚度折纸结构
1、活性超材料中的非互易拓扑孤子
非互易活性材料由局部、非互易和非保守的相互作用组成，其可以使用奇数描述（即非对称或非厄米矩阵和张量）。这类材料存在于多个尺度中，从电子学、光力学和光子学到生物物理学、力学等领域。非厄米趋肤效应是非互易活性物质中引人注目的波现象之一，在量子力学、力学、光子学和光力学等领域已得到观察。该效应表现为波的单向放大，并对边界条件极为敏感。然而，现有研究大多集中在线性区域，其中非厄米趋肤的波往往不可避免地发散或消失。一个自然的问题是能否利用非线性机制稳定非厄米系统中的波动现象。机械超材料是解决这一问题很好的平台，其中耗散环境中的拓扑孤子已被证明能够防止阻尼并有效地引导能量和信息传输。然而，迄今为止，这些研究多集中在恒定外部驱动的情况下，且外部驱动恒定地沿相反方向作用于孤子和反孤子。唯一的例外是被动刚度梯度的情况，它将孤子和反孤子推向同一方向。然而，缺乏平移不变性会导致能量逐渐损失，并限制了超过几个单位单元的可扩展性。
近日，阿姆斯特丹大学Corentin Coulais团队引入了一种新颖的孤子局部驱动机制——非互易驱动。拓扑孤子施加局部应变梯度，而非互易性注入的动量与应变梯度成比例。因此，非互易拓扑孤子会产生自身驱动力，并将自身推向与其拓扑电荷无关的方向，使孤子和反孤子能够沿同一方向加速。通过构建一种主动可调的机械超材料，其中包含受双稳态电势影响的非互易耦合振荡器，实现了这一机制。该非线性特性将非互易激励转化为稳定的单向（反）孤子。进一步可以利用可调波导来传输和过滤这种单向信息。此外，团队还将研究结果扩展到Kane–Lubensky链中，由于超对称性破坏而导致仅存在反孤子被驱动的情况。该研究验证了非互易性与拓扑孤子之间微妙的相互作用，揭示了孤子通过对材料施加局部应变来产生自身驱动力。除了当前研究范围，非互易孤子可能为机器人运动提供有效的驱动机制，并可能在其他领域如量子力学、光学和软物质中发挥作用。
相关内容发表于《Nature》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07097-6
2、非线性手性光学超表面上的自旋解锁涡旋光束生成
具有自旋和轨道角动量（SAM和OAM）状态的光学涡旋为操纵光场提供了多个自由度，从而在光学信息处理方面具有巨大的潜力。近年来，光学超表面已成为涡旋光束生成和控制的重要平台。然而，这种超表面上强烈的自旋轨道相互作用通常会导致自旋锁定OAM的产生，这限制了对光角动量状态的完全控制。
近日，哈尔滨工业大学的陈书湄教授团队使用几何相控非线性手性光学超表面来解决以上问题。超表面由两种类型的等离子体超原子组成，它们具有相反的旋向性并表现出强烈的自旋依赖性圆二色性效应。通过将特定的相位奇点和相位梯度编码到不同的通道，通过实验演示了自旋解锁的二次谐波光束控制。所提出的非线性手性光学超表面可能在开发多功能非线性光学器件方面具有重要应用。
相关工作发表在《Nano Letters》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04922
3、通过主动控制实现环境适应性和多功能流体超材料
随着流体超材料的不断发展，被动模式超材料的固有局限性变得越来越明显。首先，无源器件通常是针对特定环境而设计的，缺乏对环境变化的适应性。其次，它们独特的功能通常依赖于复杂的结构，或具有挑战性的材料特性，或两者的组合。这些限制极大地阻碍了流体超材料的潜在应用。
近日，南方科技大学的沈翔瀛副教授团队和香港中文大学徐磊教授团队合作，通过将源汇流偶极子纳入系统中，从理论上提出并通过实验证明了主动模式流体动力学超材料，从而能够主动操纵具有各种功能的流场。通过调节流偶极矩的大小和方向，该装置可以轻松实现隐形、流屏蔽和流增强。此外，它具有环境适应性，可以在不同的环境下保持正常的功能。预计这种设计将显着增强流体超材料在复杂和不断变化的环境中的可调性和适应性。
相关工作发表在《Advanced Materials》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202313986
4、具有适应性与承载性的大尺寸模块化和均一厚度折纸结构
土木工程是构建人类文明的基石，它为现代社会提供了功能性空间和宜居的场所。直至今日，我们周围的建筑和基础设施仍然是按照传统理念建造的，这些结构建造缓慢，一般具备50至100年的使用寿命，并且在适应性重构、解构和重复使用方面的十分有限。由此设想未来的土木工程结构应当具备以下特点：(1) 适应性强：能够响应环境变化和用户需求；(2) 可部署性：可以被密集包装成小体积模块，并能迅速部署到目标地点，可重复使用；(3) 大承载：相应结构应该足够坚固，能够满足实际工程使用。
折纸结构为构建具有高包装比和形状适应性的工程结构提供了新颖的解决方案。更具体地说，折纸和剪纸系统可以利用自锁来构建承重结构，并使用多自由度运动学来实现不同的配置。但在土木建筑领域，我们可以观察到具备折叠性的折纸结构一般不能承受大载荷，同时，可以承受大载荷的折纸结构往往不能折叠。此外，常见的折纸图案只有一条运动路径，因此它们不能创建可提供多种配置的适应性系统。
近日，密歇根大学的Yi Zhu和Evgueni T. Filipov开发了一种模块化且均一厚度的折纸结构（MUTOIS），它能够被快速部署，可实现多形状、多功能的配置以适应不同的需求。相关研究人员首先推导了N级折纸顶点可平折、可展开和均匀厚度的一般条件。同时，相关研究人员制造了米级结构原型，表明这些折纸结构可以利用局部和全局的模块化来实现形状和功能的强适应性；利用多路径折叠运动在存储状态和结构状态之间进行适当的再配置；利用均匀的折纸单元厚度来实现大负载。MUTOIS结构为设计大尺寸、适应性强、可部署和大承载的结构提供了新思路，可以改变传统土木工程的建筑路径，可能在航空航天系统、地外栖息地、机器人等领域进行更广泛的应用。
相关内容以“Large-scale modular and uniformly thick origami-inspired adaptable and load-carrying structures”为题发表在《Nature Communications》。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46667-0
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