今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及光学耦合纳米粒子的非厄米动力学和非互易性，光频率下电可调的时空超表面，具有速率相关驱动模式的磁响应双稳态结构等,敬请期待！
索引：
1 光学耦合纳米粒子的非厄米动力学和非互易性
2 光频率下电可调的时空超表面
3 通过编程自然曲率实现分段环的多稳定性
4 具有速率相关驱动模式的磁响应双稳态结构
5 具有各向异性和非线性力学响应的可编程弹性超构材料
非厄米动力学已经在许多物理平台上被观察到，如光子学、超冷原子、电路和光机械平台等，其在传感和信号处理方面具有巨大潜力。非厄米动力学的一个特别有趣的例子是非互易相互作用。非互易相互作用的机械物体阵列由于其尺寸和对环境扰动的敏感性，已成为实现单向或拓扑传输、非互易性引起的增强传感和拓扑态的理想平台。到目前为止，非互易或非厄米动力学已经在经典领域的多种平台上进行了实验演示。光学悬浮纳米粒子是具有平移和旋转自由度的成熟量子物理系统，最近，大量实验将捕获和控制单个粒子扩展到各种几何形状的粒子阵列，从而证明了该平台具有高度的通用性和可扩展性。悬浮纳米粒子之间存在完全可调的非互易光学相互作用，这种光学相互作用的粒子阵列为研究（量子）非厄米物理学提供了多种好处。
近日，奥地利维也纳大学物理学院Uroš Delić教授课题组研究了两个二氧化硅纳米粒子之间非互易和非线性相互作用引起的非厄米动力学。他们观察到宇称-时间对称性的破坏，并且对于足够强的耦合，会出现集体机械激光跃迁，其中粒子沿稳定的极限环移动。这项工作开辟了一条研究非平衡多粒子集体效应的途径，其通过动态控制光镊阵列中的各个位点来定制。相关成果以“Non-Hermitian dynamics and non-reciprocity of optically coupled nanoparticles”为题发表在期刊Nature Physics上（张甜）。
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https://doi.org/10.1038/s41567-024-02589-8
超表面是亚波长散射体的二维阵列，通过在界面处引入突变相位变化来提供紧凑的波前控制，它推动了各种光学元件的开发，包括用于异常反射、平面透镜、偏振板等元件。虽然这些工作展示了广泛的应用范围，但它们都局限于被动操作，即它们的功能在制造后是固定的。为了解决这一限制，人们投入了大量的研究精力来实现有源、可重构的超表面。有源超表面由周期性的散射体阵列组成，这些散射体表现出光学谐振，可以通过外部刺激进行调整（例如，电偏置、光泵浦、热控制、机械运动或电化学反应）。虽然所有有源超表面都可以随时间改变其属性，但它们的响应通常很慢，将操作限制在“准静态”状态，在这种模式下，可以向光赋予动量，从而实现空间波前的整形，但不能改变光波长。时变介质提供了克服这一限制的机会。快速调制取代基超表面散射体的折射率会创建一个时间界面。在时间界面上，光的空间动量是守恒的，但频率会通过入射波和时变介质之间的能量交换而改变。电磁波的时间控制已导致展示奇异的光学现象，例如频率混合、谐波光束整形和洛伦兹互易性的破坏。为了在光学频率下实现时空超表面，已经证明了由非线性光学材料组成的被动相位梯度超表面的光泵浦。然而，这些系统需要集成高功率泵浦脉冲，这对许多应用构成了挑战。
近日，加州理工学院的Harry A. Atwater 团队，使用工作波长为 1,530 nm、调制频率为 1 MHz 的电可调超表面来展示对散射光波前和光谱的时空控制。研究人员首先用时变电压信号共同驱动超表面，以产生与入射激光偏移的频率边带。接下来，在空间中对施加的电信号进行时间延迟，以创建频率相关的空间相位分布，从而实现选定频率的衍射。通过实验测量的反射率与频率和角度的关系证实，频移光发生衍射，而中心频率信号正常反射，从而为频移光带来出色的光束方向性。通过实施实时实验优化进一步证明，反射光的频谱可以任意构建，并且每个生成的感兴趣频率都可以在空间中独立操纵。在单个芯片级设备中生成和控制频率的能力有可能在光通信和传感领域找到许多应用。本文发表在《Nature Nanotechnology》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41565-024-01728-9
多稳态是弹性结构或固体具有多个稳定平衡状态的特征，近来已成为设计形状可重构架构和航空航天结构、能量捕获超材料、柔性电子产品和多模态变形机器人的强大平台。在外部刺激下，多稳态结构克服了稳定态之间的能量壁垒，在其稳定配置之间转变，以实现形状变化和属性可调。在设计功能性多稳态结构的各种策略中，一种常用方法是将多个双稳态单元（如曲梁和壳）连接在一起，这些单元可以通过结构不稳定性选择性地驱动以在不同的稳定态之间切换。最近，环的快速折叠显示出诱导各种稳定构型的能力，并且具有很强的面积调节能力。这些环通常呈现为圆形、多边形或它们的修改版本，可以折叠成面积显著减小且形态独特的形状。除了杆的横截面形状和环的几何形状外，杆段的自然曲率（无应力状态下的曲率）在这些环的弹性稳定性中起着重要作用，决定了折叠过程中稳定构型的数量和形式。尽管已有多项研究对环的弹性稳定性进行了研究，但大多数注意力都集中在圆形环上，而自然曲率对分段环（例如多边形）弹性稳定性的影响在很大程度上仍未得到探索。
近日，斯坦福大学的Ruike Renee Zhao团队，揭示了由具有相同自然曲率和初始曲率的杆段组成的分段环的内在多稳定性。通过有限元模拟研究了在外界刺激下分段环在较大相关自然曲率范围内的转变行为，确定了不同段数的分段环所有可能的平面平衡状态。为了指导这些不同状态的合理设计，研究人员开发了一个基于能量变化的分段环弹性稳定性评估通用理论框架，由此可以确定单一状态稳定或不同状态之间相互稳定的自然曲率范围。研究人员发现，具有矩形横截面的分段环可以具有多达六个不同的平面稳定状态，其中三个与1 -环状态相关，三个与2-环状态相关，而具有相同基本状态的稳定状态可以在适当的外部刺激下相互转换。由于这些分段环能够在不同的稳定状态之间转换，对这些分段环多稳态的研究可用于开发可重构超材料，以实现可调特性。另一方面，这些分段环的极强的包装能力和自引导展开/折叠在可展开的航空航天结构中具有巨大的应用潜力，这些结构需要被包装成小体积状态以方便运输，然后展开成大体积状态以实现某些功能。这些多稳定环还可以作为构建可展开航空航天结构和超材料的大型环组件的构建块。本文发表在《PNAS》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1073/pnas.2405744121
双稳态单元的负载或应变的临界值会导致稳定构型之间的突然变化，这种现象称为“跳变不稳定性”，是具有多个井的非凸势能结果。这种单元的力学行为被推断到结构上，从而使结构继承了展现不同稳定构型的能力。这些构型对外部载荷具有不同的响应，即结构功能，如机械记忆、拓扑孤子或过渡波、动态重构、大的可恢复变形或通过弹性能量捕获、消散能量。基本功能单元的复杂设计要求会导致多稳态结构的复杂几何形状。因此，其制造需要一系列先进的能力，而在大多数实际情况下，只有3D打印技术（大部分为聚合物打印技术）才能满足这些要求。大多数聚合物材料都具有粘弹性，会影响多稳态结构的响应，特别是在脉冲能量捕获和动态重构应用中。多稳态结构应用性的相关改进来自于对稳定状态之间的过渡进行控制的可能性。外部刺激可用来恢复能量捕获事件后的原始几何形状，逆转过渡波的传播方向，或在显示不同力学响应的稳定构型之间切换。从这个意义上说，与机械驱动致动器相比，对光照射、热、电或磁场有反应的材料在远程控制跳变过程中的稳定性方面具有无可否认的优势。
近日，西班牙马德里卡洛斯三世大学Daniel Garcia-Gonzalez教授团队设计了一种具有速率相关驱动模式的磁响应双稳态结构。结合新的实验视角和全面的建模分析，对双稳态结构转换的粘弹性效应有了全面的了解。从这些结果中获得的启示被转化为磁响应双稳态结构，为设计有效的制动条件提供了路线图。双稳态转换在功能上取决于磁场振幅和应用速率的组合。通过对粘弹性和磁-力耦合的理解，可以通过时间磁脉冲实现高效致动，从而无需产生持续磁场。最后，将这些见解结合起来，开发出一种响应结构，其瞬态和稳定的双稳态转换可通过外部磁刺激的应用率进行调制。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
C. Perez‐Garcia, J. Aranda‐Ruiz, M. L. Lopez‐Donaire, et al. Magneto‐Responsive Bistable Structures with Rate‐Dependent Actuation Modes[J]. Advanced Functional Materials, 2024, 34(25).
https://doi.org/10.1002/adfm.202313865
5 具有各向异性和非线性力学响应的可编程弹性超构材料
由软材料和弹性材料组成的弹性块状超构材料显示出实现可编程非线性力学响应的潜力，如形状变形、能量吸收和信息处理。然而，这些方案大多需要与软材料和复杂的制造工艺相关的大量成本。相反，由于超构材料的弹性应变有限（<0.1），因此对于基于坚硬但具有成本效益的成分的超构材料来说，发展大的弹性变形仍然是一个挑战。此外，虽然3D打印技术可以通过集成制备简化上述流程，但它也对样品尺寸的可扩展性和互换性造成了限制，无法满足批量工业应用的要求。基于离散和模块化设计的力学超构材料有效地克服了这些缺点；然而，它们尚未表现出承受高水平弹性压缩应变（>0.5）的能力。
近日，清华大学弥胜利教授团队提出了一种系统化的设计策略，将曲面梁与手性转移结构相结合，生成了一系列3D可编程弹性力学超构材料，而无需依赖柔性或超弹性成分。这些平铺超构材料在大弹性压缩应变（>0.75）下表现出鲁棒、各向异性和非线性的弹性，同时与原生刚性成分相比，可编程有效模量降低了近6个数量级。此外，利用它们在高频刺激下的稳定弹性，成功开发出了一种米级软体机器人，无需柔性材料或复杂的管道，就能按需穿越复杂的狭窄场景。预计这些力学超构材料可作为可编程主动阻尼器、模块化软体机器人和各种规模医疗康复器件的通用平台。相关研究发表在《Materials Horizons》上。（徐锐）
文章链接：
H. Yao, X. Zhao, W. Shi, et al. Programmable and Resilient Metamaterials with Anisotropic and Non-linear Mechanical Response Composed Exclusively of Stiff Constituents[J]. Materials Horizons, 2024.
https://doi.org/10.1039/D4MH00628C
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