今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及谐振电介质超表面增强双偏振上转换光致发光，声控螺旋微型机器人，用 CsPbBr3 纳米线闪烁体进行 3D X 射线显微分析等敬请期待！
索引：
1 谐振电介质超表面增强双偏振上转换光致发光
2 声控螺旋微型机器人
3 关联极性金属中电子-声子耦合驱动的赝隙调制和密度波涨落
4 用 CsPbBr3 纳米线闪烁体进行 3D X 射线显微分析
5 基于微流控开关和超材料吸收器的近零功率红外继电器
6 基于机器学习的规定力学行为超材料的快速逆设计
1 谐振电介质超表面增强双偏振上转换光致发光
镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNP）表现出许多优异的特性，例如宽波段可调的多色发射和长发射寿命，使其非常适合于多种应用，包括超分辨率成像、光学复用、三维显示器和低阈值激光。尽管有许多优点，由于上转换效率低，UCNP的进一步发展和实际应用面临着重大挑战。偏振是荧光的另一个重要特征，它提供了额外维度的取向和结构信息，并已广泛应用于荧光偏振成像技术。不幸的是，与UCNP中的4f电子跃迁相关的固有上转换发射过程通常较弱，并且它们不表现出偏振特性。如何增强上转换纳米材料的发光效率以及调控其偏振极化特性是目前研究的难点。
近日，暨南大学光子技术研究院李向平、邓子岚教授与澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授、中国科学院物理所李俊杰教授团队合作，提出了一种实现超亮和双频带偏振上转换光致发光的有效策略。作者采用谐振电介质超表面，在双上转换波段支持高质量谐振模式，从而实现上转换发射的两个数量级放大。文章说明，双带共振可以选择性地开启偏振，赋予交叉偏振控制的上转换发光超高的偏振度，在双发射时分别达到约0.86和0.91。该研究结果为超亮和偏振纳米级发射源提供了一个极好的平台，在上转换偏振激光、生物传感和荧光成像方面具有巨大的潜力。（刘帅）相关工作发表在《eLight》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1186/s43593-023-00054-2
2 声控螺旋微型机器人
螺旋运动在自然界的微观游泳者中无处不在，由各种细菌、精子和其他微型游泳者中进化而来，从而作为克服微观尺度上占主导地位的粘性阻力的一种手段。例如，引起莱姆病、梅毒等疾病的病原体螺旋体，可以通过周质转子的旋转，在凝胶、血液、淋巴液或结缔组织等粘稠环境中游动，导致其整体旋转和相应的平移。仿生人工游泳者的这种运动极具挑战性，但对于下一代微型机器人的开发至关重要。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Daniel Ahmed团队，受螺旋体细菌的螺旋几何形状的启发，提出了一种声学驱动的螺旋微型机器人(或微型螺旋桨)，它能够使用鳍状的双螺旋叶片进行运动。不对称的双螺旋形状用于与入射声场相互作用，产生推进力矩，使微型机器人绕其长轴旋转。此外，该微型机器人具有独特的推进方向，只需调节声频即可切换。作者使用单一声源在人工任意形状的2D和3D血管中演示了这种运动。由于超声波已经在临床环境中作为一种成像手段被广泛使用，该机器人系统可以无缝地集成到当前系统中。因此，该工作将对开发用于非侵入性外科手术的下一代智能微型机器人做出重大贡献。（刘帅）相关工作发表在《Science Advances》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adh5260
3 关联极性金属中电子-声子耦合驱动的赝隙调制和密度波涨落
在强关联材料中，赝隙一直是研究的焦点。强关联极性金属中的赝隙是指电子谱函数在特定K点处打开的部分隙，它起源于材料中电子-声子耦合导致的电子带结构改变。最近的密度泛函理论(DFT)计算预测，具有交替RuO6八面体的电荷密度波可以实现实验可观测的赝隙带结构。然而，在ARPES和衍射实验中并未体现出赝隙相中电荷密度波形成的证据，似乎与DFT计算的结果相矛盾。
近日，美国宾夕法尼亚大学的Venkatraman Gopalanyan教授团队证明，尽管材料在基态下似乎不体现出DFT预测的电荷密度波，但在Ca3Ru2O7中，特定模式的红外光学声子可以诱导出上述密度波。这篇工作首先通过Ca3Ru2O7材料的变温拉曼谱发现了两个主要的B2模式声子，标记为B2P和B2M，它们分别与电子基态和磁基态强耦合。考虑自旋-轨道耦合的第一性原理冻结声子法计算表明，B2P声子模式打开赝隙，而B2M模式关闭赝隙。其次，该工作对背景电子拉曼散射的对称性进行了仔细的分析，发现在48K以下，电子拉曼散射在550cm-1以上的B2谱中表现出明显的上升，而在A1谱中却没有，表现出对称性依赖的谱权重转移，揭示了红外模式B2声子诱导的电荷和自旋密度波。以上发现加深了人们对电子-声子耦合在调制强关联材料赝隙中的作用的理解，并为钌酸盐中电子相的声子调控提供了有力的理论与实验支撑。相关工作以“Strong electron-phonon coupling driven pseudogap modulation and density-wave fluctuations in a correlated polar metal”为题发表在《Nature Communications》上。（侯玥盈）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41460-x
4 用 CsPbBr3 纳米线闪烁体进行 3D X 射线显微分析
X 射线显微镜是许多科学领域必不可少的成像方法，它可以通过断层扫描扩展到三维（3D）成像。最近，金属卤化物过氧化物（MHP）纳米材料因其出光率高、空间分辨率高和易于制造等优点，已成为 X 射线闪烁体的理想候选材料。断层扫描需要许多投影，因此需要闪烁体具有出色的稳定性。这对 MHP 来说是一个挑战，因为在 X 射线照射和环境条件下，MHP 通常会快速降解。在这里，研究团队证明了在阳极氧化铝（CsPbBr3 NW/AAO）中生长的 CsPbBr3 纳米线（直径：60nm，长度：5-9 µm）的 MHP 闪烁器在X 射线微断层成像中具有足够的稳定性。使用铜 X 射线源进行了 41 小时的断层扫描（剂量为 4.2 Gyair）。在此期间，闪烁体的亮度波动不到 5%，因此能够成功地进行重建。连续 X 射线照射 2 周（37.5 Gyair）的长期研究表明，尽管环境相对湿度从 7.4 %RH 到 34.2 %RH 不等，但亮度波动不到 14%，没有出现长期衰减。分辨率稳定在 (180 ± 20) 1pmm-1，即约 2.8 微米。这表明 CsPbBr3 NW/AAO 闪烁器有望成为高分辨率 X 射线成像探测器。
X射线显微镜已成为医学、材料科学、古生物学、文化遗产、质量控制等各个研究和技术领域的标准非侵入性技术。断层扫描通过获取大量的图像，通常是1000个投影，在稍微不同的角度，使3D显微镜成为可能。同步加速器x射线源的亮度和相干性不断提高，使得x射线显微镜和断层扫描能够达到纳米尺度，而实验室系统通常提供微米级和亚微米级的分辨率。因此，对具有更高分辨率、效率、稳定性、制造成本、噪音和灵敏度的新型探测器材料的需求比以往任何时候都高。近期，瑞典隆德大学 Hanna Dierks 和 Zhaojun Zhang 研究团队证明了在阳极氧化铝 (CsPbBr3 NW/AAO)中生长的CsPbBr（MHP）闪烁体纳米线（直径为 60 nm，长度为 5~9 μm）在 X 射线显微断层扫描中具有足够的稳定性，表明 CsPbBr3 NW/AAO 闪烁器有望成为高分辨率 X 射线成像探测器。
相关研究成果以“3D X-ray microscopy with a CsPbBr3 nanowire scintillator”为题发表在《Nano research》上。（郑佳慧）
文章链接：
DOI: 10.1007/s12274-022-4633-7
5 基于微流控开关和超材料吸收器的近零功率红外继电器
物联网传感器节点集信息采集、处理、交换、执行等模块于一体，广泛应用于无人值守的工业生产、环境监测等领域。然而，有限的电池电量限制了传感器节点的使用寿命与应用潜力。例如在检测不常见但关键的事件(如森林火灾和气体泄漏)时，克服使用寿命限制这一问题就尤为重要。
近日，来自清华大学的李鹏团队提出了一种由微流控开关和超材料吸收器(MA)组成的近零功率红外继电器，可以将目标发出的红外信号(3.65 μm)通过MA转化为热量，利用热量打开微流控开关。这种红外继电器与二硫化钼光电探测器组成的近零功率光传感节点的应用已经得到了验证。与同类设备相比，这种继电器在待机状态下几乎没有功耗，制造与装配也更加简单，具有避免误触发及自锁功能。这种近零功率继电器在智能农业(植物灌溉和害虫检测)、环境监测(野火和气体泄漏检测)、自动化工业生产检测等各个领域具有良好的应用前景。相关研究工作发表在《Applied Physics Letters》上。(李治含)
文章链接：
Zekun Zhang, Jiawen Yan, Jiahao Zhao, Peng Li; Near-zero-power infrared relay based on microfluidic switch and metamaterial absorber. Appl. Phys. Lett. 18 September 2023; 123 (12): 123507. https://doi.org/10.1063/5.0168979
6 基于机器学习的规定力学行为超材料的快速逆设计
材料的固有力学性能可以通过实验来表征，从而得到其应力-应变曲线。改变基材的固有微观结构，可以调整材料对于载荷的响应。通过增材制造技术设计三维超材料的微观结构，实现力学性能的可定制。这些力学性能以响应曲线的形式记录下来。然而，由于多重设计目标、非线性行为和工艺制造误差所带来的挑战，现有的逆设计方法尚未成熟，无法完全满足所需期望。
近日，美国弗吉尼亚理工大学的郑小雨研究团队，与美国加利福尼亚大学、美国俄克拉荷马州立大学、四川大学和英国剑桥大学的研究人员，提出了一种力学超材料的快速逆向设计方法，该方法利用生成式机器学习和桌面增材制造技术，在考虑打印过程中的误差的情况下，创建几乎所有可能的单轴压缩应力-应变曲线。结果显示，该方法可以实现材料力学性能的完全可定制，且预估目标与实验测量结果之间的一致性接近90%。该方法代表了逆向设计材料满足复杂力学性能目标可定制的起点，该方法可能可以绕过迭代的设计-制造周期，通过简化设计制造周期，对防护服、汽车和飞机零部件、吸能材料和智能材料的未来发展具有直接意义。相关工作以“Rapid inverse design of metamaterials based on prescribed mechanical behavior through machine learning”为题发表在《Nature Communications》上。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40854-1
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