今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及无序分类的拓扑学习：超表面设计的应用、通过超表面广义超原子模型和遗传算法实现功能超器件、Ta2NiSe5中相干声子辅助的超快序参量反转和隐藏金属态等,敬请期待！
索引：
1 无序分类的拓扑学习：超表面设计的应用
2 通过超表面广义超原子模型和遗传算法实现功能超器件
3 兆赫兹柱状结构超透镜的深亚波长超声成像:亚表面缺陷定量可视化的第一个证据
4 Ta2NiSe5中相干声子辅助的超快序参量反转和隐藏金属态
5 仿生3D柔性器件和功能系统
1 无序分类的拓扑学习：超表面设计的应用
光学超表面的制造通常需要昂贵且耗时的方法（例如光刻），这限制了其大规模的生产。为了规避这些限制，人们设计了更快、成本更低的制造技术，这取得了一些成功，例如气相簇束沉积、纳米球光刻、自下而上的自组装系统、胶体沉积等等，但这通常以出现结构无序为代价。虽然结构无序被认为是这些制造方法不可避免的缺点，但一些基于光子的应用实际上从中受益。事实上，位置无序有助于减少衍射、散射、反射等，无序还可以抑制光栅效应、改善波前成型等等。
近日，南安普顿大学的Tristan Madeleine等展示了如何使用拓扑数据分析和持久同源性通过拓扑无序对相关和不相关的无序超表面进行分类。特别是，拓扑无序是比相关无序的生成概率参数更准确的无序测量。作者在理论上和实验上证明了这种准确性，通过将拓扑无序与由等离子体纳米结构制成的超表面的表面晶格共振的强度相关联，尽管拓扑无序的全局定义对大规模扭曲敏感，而表面晶格共振则不然。虽然拓扑无序可以很容易地修改为无序的多尺度测量，但其全局定义的普遍性、准确性和计算速度使其成为表征和调整自组装无序超表面的制造方法的有利工具，以及帮助设计特定程度无序的超表面，例如增强光提取以获得更高效的LED 或增强太阳能电池的光吸收。此外，对拓扑缺陷的持久同源性的自然认识表明拓扑数据分析在研究二维系统的相变方面将会有有趣的应用。相关工作发表在《ACS NANO》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08776
2 通过超表面广义超原子模型和遗传算法实现功能超器件
超表面是通过在表面上分布亚波长尺度晶胞而实现的人工设计的二维结构。它们具有操纵电磁波的非凡能力，例如宽带吸收或扩散、光谱滤波和偏振转换等。实现这些功能的关键是设计晶胞中的物理结构，称为超原子。传统上，首先给出超原子的拓扑结构，然后进行多次模拟以获得优化的拓扑参数。这种方法不仅耗时、而且占用资源。为了解决这个问题，最近提出了基于机器学习的方法。通过机器学习构建的超表面代理模型减少了设计过程中对大量模拟的需求，从而提高了设计的超器件的效率和性能。然而，超表面的替代模型通常是基于特定的物理视角或经验构建的，这限制了其多功能性。
近日，南京大学的伍瑞新教授团队提出了超表面的广义替代超原子模型。该模型可以在像素化晶胞的整个空间内模拟任意超原子及其在任何偏振下相应的电磁响应。该模型利用遗传算法设计各种类型的超器件，自动生成针对特定应用场景具有最佳性能的超原子配置。通过全波模拟，实验设计和验证了三种典型的超器件，包括反射式线圆偏振转换器、基于超表面的吸收器和非对称传输超平板。这项工作提出了一种高效、灵活的方法来建模任意超表面，为超表面设计和应用开辟了新的可能性。相关工作发表在《Advanced Optical Materials》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adom.202302255
3 兆赫兹柱状结构超透镜的深亚波长超声成像:亚表面缺陷定量可视化的第一个证据
高分辨率超声成像是一种很重要的无损检测手段，但检测过程中会受到自身检测波长的限制。利用具有传统声学材料所不具备的声学特性的声学超材料，实现超衍射极限亚波长分辨率超声成像是一种新兴的解决成像受限问题的办法。然而，现有的研究设计的超透镜，主要用于操纵声波在低于10千赫的低频范围内，在空气和水等流体中传播。本文设计并制作了一个0.5MHz的周期柱结构超构透镜，用于实现固体结构中亚表面缺陷的深亚波长超声成像定量可视化。
近日，来自中科院深圳市先进技术研究院的研究人员郭师峰，冯威设计并制作了一个0.5MHz的周期柱结构超构透镜，用于实现固体结构中亚表面缺陷的深亚波长超声成像定量可视化。基于法布里佩罗共振理论，这种硅基超透镜由晶格常数为0.2 mm的周期性排列的硅柱组成，可实现高分辨对比度的超分辨超声成像(λ/30, λ为波长)，并在实验中成功识别出了不锈钢结构中两个分立的亚表面缺陷。这项工作展示了一种超越传统衍射极限的深亚波长成像方法，为增强无损检测和生物医学诊断的应用铺平了道路。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。(李治含)
文章链接：
Shuxiao Zhang, Shifeng Guo, Yehai Li, Huanqing Cao, Min Su, Zhijun Yao, Wei Feng; Deep-subwavelength ultrasonic imaging by MHz column-structured metalens: First evidence of quantitative visualization of subsurface defects. Appl. Phys. Lett. 18 December 2023; 123 (25): 252202. https://doi.org/10.1063/5.0178454
4 Ta2NiSe5中相干声子辅助的超快序参量反转和隐藏金属态
激子绝缘体是20世纪60年代初，由诺贝尔物理学奖获得者莫特提出的一种新物相。激子可以简单地视为电子和空穴由于库仑相互作用而形成的束缚对。在常规绝缘体或半导体材料中，单粒子能隙远大于激子束缚能。而在某些特殊的材料体系，如窄能隙半导体和二维材料中，激子的束缚能可能大于体系的单粒子能隙，因此体系内会自发形成大量的激子，进入激子绝缘体相。激子绝缘体是体系的基态，低浓度下激子可视为组合玻色子，在低温下会形成宏观相干态——激子玻色—爱因斯坦凝聚。
Ta2NiSe5是最有希望实现激子玻色—爱因斯坦凝聚（BEC）的材料之一，然而，激子效应驱动其带隙的形成的同时，还伴随着正交晶格向单斜晶格的畸变，晶格的不稳定性也可能通过电子-声子耦合导致带隙形成，因此需要定量研究电子和结构不稳定性在激子绝缘态（EI）形成中的相应贡献。目前，已有时间分辨ARPES的研究从材料带隙发生变化的时间尺度上来解释发生绝缘-金属转变（IMT）的原因，但其实验结果分别支持了两种不同的机制，其原因仍存在争议。
近日，北京理工大学关梦雪团队与中国科学院物理研究所孟胜团队合作，通过实时密度泛函理论分子动力学方法（TDDFT-MD）计算了激光诱导情况下的声子激发强度与离子位置，证明了结构畸变在诱导Ta2NiSe5材料EI相失稳和隐藏金属态产生方面的主要贡献。在Ta2NiSe5材料中，激光激发频率为3 THz的光学声子，它与激子绝缘-晶格序参量耦合（EI-OP-coupled）声子（约2 THz）的非谐相互作用导致了高频声子模式以及新势能面（PES）的形成。重塑后的PES促进晶格序参量的反转，加速了IMT过程。该工作还提出了两种可行的泵浦-探测实验方法，可用于阐明电子在IMT过程中的作用，为后续研究指明了方向。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（侯玥盈）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.256503
5 仿生3D柔性器件和功能系统
与2D柔性器件和功能系统相比，精心设计的3D柔性器件和功能系统具有更好的机电性能、更大的设计自由度和独特的功能。这种3D柔性器件/系统正朝着三个主要方向快速发展，包括微型化、日益融合的物理/人工智能以及异构集成的更强适应性和能力。在这一新兴研究领域存在着难以解决的挑战，如软体机器人系统运动的可控性相对较差、生物电子接口不匹配以及多参数传感的信号耦合等。凭借长期优化的材料、结构和工艺，自然生物为应对这些挑战提供了丰富的灵感来源，使许多生物启发3D柔性设备/系统的设计和制造成为可能。现有的一些综述涵盖了生物启发设计策略的相关主题，包括仿生异质材料和致动器，但仍然缺乏关于3D柔性器件和功能系统仿生设计的全面综述。
近日，清华大学张一慧教授团队介绍仿生3D柔性器件和功能系统，总结其代表性的设计理念、制造方法、结构-功能关系原理和广泛应用。首先概述了软自然生物的物理特性和3D制造方法，随后讨论了仿生3D柔性传感器、能量收集器、光电子学、软体机器人和生物医学设备的设计策略和应用。最后，讨论了现有的挑战、潜在的解决方案和未来的机遇，以便为实现具有精确编程形状、增强的机械/电气性能和高级物理/人工智能的生物启发3D柔性器件/系统做出进一步的研究努力。相关研究发表在《National Science Review》上。（徐锐）
文章链接：
X. Cheng, Z. Shen, Y. Zhang. Bioinspired 3D flexible devices and functional systems[J]. National Science Review, 2023: nwad314.
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad314
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
