今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及单层Janus拓扑半导体中巨大的室温非线性，剥离 CrBr3 多层膜中的多个反铁磁相和磁各向异性，分岔指导多状态机械装置设计等敬请期待！
索引：
1 单层Janus拓扑半导体中巨大的室温非线性
2 超材料增强扬声器的超宽带低频高效声能量收集
3 剥离 CrBr3 多层膜中的多个反铁磁相和磁各向异性
4 麦克斯韦晶格中受镜面对称保护的高阶拓扑零频边界和角模
5 源于非厄米性的维度转变
6 分岔指导多状态机械装置设计
1、 单层Janus拓扑半导体中巨大的室温非线性
从太赫兹和中红外探测到能量采集，非线性光学材料具有广泛的应用。例如基于高次谐波产生的阿秒光源和用于高温下灵敏太赫兹检测的光电探测器。从本质上讲，材料的非线性光学性质与其磁性结构、晶体对称性和电子能带拓扑结构有关。特别是，拓扑非平庸的能带结构会导致奇异的电子动力学和光学响应增强。到目前为止，拓扑材料中光学响应增强主要在三维系统中发现。具有强光学响应的二维平台具有易于控制和可扩展性，有利于纳米级的光电子应用。但迄今为止仅限于拓扑平庸的材料，如石墨烯和2H-相变金属二硫化物（TMDs）。一个拓扑非平庸材料的候选是扭曲八面体（1T’）相中的单层Janus TMDs（JTMD）。1T’ JTMD具有非平庸拓扑，在太赫兹频段具有反转带隙（数十meV）。通常，拓扑保护的能带结构和微小电子带隙会导致更大的Berry连接、更大的电子带间跃迁率，从而产生更强的光学响应。此外，用不同的硫族元素（例如硒）取代单层1T’ TMDs中的顶层硫族元素原子，得到的Janus结构具有强的反转不对称性和电极化，这可以进一步增强非线性光学响应。
近日，斯坦福大学的Aaron M. Lindenberg教授和浙江大学的郭芸帆研究员联合团队通过室温原子层取代（RT-ALS）方法合成单层1T’ JTMD，实现了非中心对称二维拓扑材料中巨大的室温非线性。尽管电磁相互作用仅发生在1T’ MoSSe（横向尺寸约为10-20µm）的单层薄片中，但中红外高次谐波、太赫兹发射和红外二次谐波的产生都非常有效。测量结果显示，在1T’ MoSSe中，太赫兹频率非线性增强了几个数量级。与拓扑平庸TMDs的比较和理论分析表明，这种巨大太赫兹频率非线性是强反转对称性破缺和拓扑能带共同作用的结果。该研究加深了对强非线性光学响应的基本机制的理解，这可能对室温太赫兹探测产生深远影响。相关工作发表在《Nature Communications》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40373-z
2.超材料增强扬声器的超宽带低频高效声能量收集
噪声污染是我们日常生活中普遍存在的问题，减少和控制噪声污染是声学研究的重要内容。然而，噪音中含有可以被收集并利用的声能量，因此有关噪声声能的回收利用的研究引发了人们的关注。声波能量收集器(AEHs)是利用噪音回收进行发电的技术，在理论上可以为各种传感器提供电能。然而，现有的大多数AEHs依赖于单个压电片，其实用性一直受到其窄带宽和低效率的限制。
近日，来自杜克大学的Steven A. Cummer教授团队基于声学超构材料，提出了一种超宽带AEH和一种将声能高效转化为可用电能的AEH。其中宽带AEH在50-228 Hz频带内，总声能转化率达到7.6%-15.1%，分数带宽为同类最优设计方案的8倍；而高效AEH则在特定频率转化率峰值达67%，为同类最优设计峰值转化率的3倍。这一研究有望为工厂附近、公共交通基础设施和机场跑道等各种场景中发电和降噪问题提供经济高效的解决方案。相关研究发表在《Applied Physics Letters》上。（李治含）
文章链接：
Xiuyuan Peng,Junfei Li, Steven A. Cummer; Ultra-broadband low-frequency high-efficiency acoustic energy harvesting with metamaterial-enhanced loudspeakers. Appl. Phys. Lett. 14 August 2023; 123 (7): 073903. https://doi.org/10.1063/5.0158079
3.剥离 CrBr3 多层膜中的多个反铁磁相和磁各向异性
在扭曲的二维磁体中，磁交换相互作用的堆叠依赖性可能导致铁磁和反铁磁层间有序区域，这些区域由非共线、斯格明子状自旋纹理分隔开。最近对这些纹理的实验研究主要集中在 CrI3 上，已知它会表现出铁磁或反铁磁层间顺序，具体取决于层堆叠。然而，CrI3 非常强的单轴各向异性不利于扭曲双层中的光滑非共线相。
近日，日内瓦大学的Morpurgo教授团队和西安交通大学的王喆教授团队合作，报告了剥离 CrBr3 多层膜中三种不同磁相（一种铁磁相和两种反铁磁相）的实验观察结果，并揭示了其单轴各向异性明显小于 CrI3 中的各向异性。这些结果是通过 CrBr3 隧道势垒的磁导测量和拉曼光谱结合密度泛函理论计算获得的，这使研究人员能够识别导致不同层间磁耦合的堆叠。对 CrBr3 中预测存在的所有局部稳定磁态的检测以及理论与实验之间具有良好一致性，提供了堆叠相关的层间交换能量的完整信息。CrBr3 的磁各向异性比 CrI3 小四倍以上，并且增加了可以发现非共线磁相的参数范围。因此，可得出结论，在所有三卤化铬中，CrBr3为可控地设计和模拟扭曲双层结构中的非共线磁态提供了最有利的条件。本文发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40723-x
4.麦克斯韦晶格中受镜面对称保护的高阶拓扑零频边界和角模
近五年来，人们提出了一种新的拓扑态，称为高阶拓扑态(HOTS)。这里，d维n阶拓扑系统具有(d−n)维(n > 1)的边界模，而不是具有(d−1)维的拓扑保护边界模。这些高阶态通常受到晶体对称性的保护，如镜像、反转、旋转、时间反演(TRS)与旋转的乘积等。随着在电子系统中的实现，受晶体对称保护的HOTS也已在机械/弹性系统中实现，并提供了弹性能量可以选择性地被限制在低维区域的一类材料。研究HOTS的一个关键挑战是拓扑角模的稳定性。例如，对于二维(2D) HOTS，除非引入某种特殊成分(例如，手性对称)，拓扑角模式的频率通常不会固定在特定值上。为了克服这一挑战，最近已有工作在呼吸Kagome晶格声学超材料中引入了广义手性对称来实现角模；另一项尝试表明，在由自由铰链连接的刚性四边形构成的过约束系统中也存在以零频率固定的角模态。
近日，密歇根大学的孙凯教授课题组，提出了一种使用麦克斯韦晶格(即具有相同数量的自由度和约束的晶格)来实现HOTS的不同方法，并表明这种受计数保护的固有手性对称性将鲁棒性扩展到这些晶格中的拓扑角模，而不需要在边界处进行任何详细的匹配。此外，由于麦克斯韦框架固有的手性对称性，这些边角模式被固定在零频率上。该工作还将一个非平凡的高阶拓扑指标[镜像梯度圈数(MGWN)]引入到了麦克斯韦格中，以控制零频率拓扑域-壁/角模式，其具有源于麦克斯韦晶格中自由度和约束锁定的固有手性对称性的鲁棒性。文中提出了麦克斯韦晶格在HOTS方面的应用，是经典系统中的一个例子，在实验方面具有出色的可行性。相关研究发表在《Physical Review B》上。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.L060103
5. 源于非厄米性的维度转变
维度在新奇物相的分类中起着基础性的作用。特别是，对称保护的拓扑相可以基于维数的Bott周期性进行十重分类。最近，这种分类在非厄米晶格中得到了极大的丰富，非厄米晶格在理论上以及光子学、力学、电学和冷原子实验中得到了越来越多的研究。通常，人们理所当然地认为拓扑不变量的维数与物理空间的维数一致，这是因为拓扑不变量是定义在倒易（动量）空间中的，该空间一般与物理晶格具有相同的维度。
近日，新加坡国立大学物理系的Ching Hua Lee教授课题组发现在二维及更高维度中，非厄米性不仅会扭曲布里渊区，而且实际上会改变其有效维数。这是由于多维非厄米泵浦的基本非交换性，它阻碍了广义布里渊区的一般形成过程。因此，D维晶格的有效能带结构实际上可能存在于D' < D维中，并按D'而不是D维拓扑进行分类。表征这种维度降低的是一种与非收缩能谱路径的同伦密切相关的缠绕数。他们通过2D模型来说明这种维度转变，该模型的拓扑零模式受到 1D（而非 2D）拓扑不变量的保护。此发现可以很容易地通过非互易耦合平台（例如电路阵列）来验证，并促使我们重新思考几何阻碍在拓扑态的维度分类中所起到的作用。相关工作发表于《Physical Review Letters》。（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.076401
6.分岔指导多状态机械装置设计
由大量相互作用单元（如超构材料、弹性膜和蛋白质）组成的系统，会因系统各组成部分的协作互动而表现出突发性行为。设计这类系统的功能是一项艰巨的任务，需要在高维参数空间中搜索系统组件及其相互作用。开发有效设计此类系统的组织原则仍是该领域的一个突出问题。尖点分岔是一种典型的动力系统结构，其中单个平衡点随着控制参数的变化分裂为三个平衡点，它被用来解释从相变到简单机器运转等各种自然现象。将系统设计为在这种分岔点附近运行具有多种优势。由于平衡状态的分裂与控制参数呈幂函数关系，在分岔点附近运行自动提供了一种杠杆机制，通过这种机制，控制参数的微小变化会导致系统状态的巨大变化。在捕蝇草中，静水压力的微小变化就会导致捕蝇草的大幅运动。同样，在蜂鸟中，下颚骨的轻微扭动可以使张开的喙迅速闭合。此外，随着参数的变化，多重平衡分岔点附近的行为会发展成低阶分岔点的几何排列，这些低阶分岔点普遍通过将变量解析为“范式”来描述。通过在多个平衡点的分岔点附近的多个状态之间的转换来运行的系统的鲁棒性是由这些展开的低阶分岔流形的拓扑结构来保证的。
近日，美国康奈尔大学Itay Griniasty教授团队提出了一种多状态机器的设计范式，在这种范式中，从一种状态到另一种状态的转换是由描述机器组件集体相互作用的能量景观的多重平衡分岔所组织的。这种设计范式很有吸引力，因为在分岔点附近，几个控制参数的微小变化就能导致系统状态的巨大变化，从而提供一种新兴的杠杆机构。此外，在这种分岔点附近，状态之间转换的拓扑结构可确保稳健运行，使机器对制造误差和噪声不那么敏感。为了设计这样的机器，团队开发并实施了一种新的高效算法，该算法可以搜索机器组件之间的相互作用，从而产生具有这些分岔结构的能量景观。通过设计磁弹性机器来演示这种方法的概念验证，这些机器的运动主要由其磁能图引导，并表明通过在分叉附近运行，可以实现状态之间的多种过渡途径。这个概念验证演示说明了这种方法的威力，尤其适用于软体机器人技术和在典型的宏观设计难以实施的微观尺度上特别有用。相关研究发表在《Proc Natl Acad Sci U S A》上。（徐锐）
文章链接：
YANG T, HATHCOCK D, CHEN Y, MCEUEN P L, SETHNA J P, COHEN I, GRINIASTY I. Bifurcation instructed design of multistate machines[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2023, 120: e2300081120.
https://doi.org/10.1073/pnas.2300081120
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