超材料前沿研究一周精选2023年11月6日-2023年11月12日

最近，一类新颖的拓扑节点线半金属在非对称空间群中被理论上提出，这些半金属支持3D布里渊区中的四重节点铰链（FNH）。这一发现引发了对各种新颖拓扑特性的兴趣，其中包括独特的类Kramers简并零模朗道能级和奇异的环面表面模式（TSM）。与广为人知的填充在闭合双节线投影内/外部的鼓面模式（DSM）不同，新型TSM覆盖整个表面布里渊区（SBZ），与不寻常的FNH的2π Berry相密切相关。迄今为止，双节线和相关的DSM在不同的物理平台上，包括电子系统、光子系统和声子系统，取得了富有成效的实验进展。然而，由于寻找实验可用的候选材料面临巨大挑战，FNH和相关TSM进行实验演示尚未取得研究进展。

近日，武汉大学的张起成副教授和邱春印教授课题组从一个简单的紧束缚模型出发，构建了一种3D声学超材料，其中包含3D体内的FNH和2D表面上的相关TSM。有趣的是，该系统还具有对称的双节点壁（TNW）和对称保护的双沙漏形节点线（HNL），后者具有DSM。借助声学平台的宏观可控性，成功通过实验观察了理想的FNH和TSM。并且HNL和相关的DSM也通过实验证实，为FNH和TSM在单个系统中的比较提供了支持。所有的实验结果都很好地复现了全波模拟的内容。相关成果发表在《Physical Review B》上。（金梦成）

从水下物体定位到 B超成像等多种应用都非常需要高速、广角和高能效的声束扫描技术。现有技术通常基于由多个换能器组成的相控阵来控制波束以进行实时检测和测距。除了制造成本高和复杂之外，其换能器单元的横向尺寸庞大，尤其是在超声波频率的波长尺度下，将不可避免地限制波束形成理论控制的有效扫描区域，并阻碍声纳装置的集成化和小型化。最近，新兴的声学超材料和超表面提供了一种简单、紧凑且低成本的解决方案。然而，迄今为止大多数声学超表面本质上都是被动的，限制了实际适用性。相比之下，具有可重构性和实时可调谐性的主动声学超表面更加动态和灵活，但其在机械噪声、能耗以及对额外流量和主动控制的依赖方面的固有缺点在很大程度上限制了其应用。因此，无论对于当前的有源声纳设备还是最先进的有源超表面，在没有机械部件、时空调制或相控阵的情况下实现有效和灵活的动态声束扫描是非常困难的。

近日，南京大学的梁彬教授、程建春教授团队和新加坡国立大学的仇成伟教授团队合作，设计了一种静态被动超构声纳，其无需主动调制或机械运动即可实现高效动态声束扫描。研究者提出了一种幅度编码数字单元设计，它能够将从固定单一源发出的入射频率梳转换为具有相同频率和空间间隔的声焦点阵列，从而引入新的频率梯度自由度以实现自动声束扫描。此外，研究者还展示了该策略如何通过与传统的相位梯度调制相结合来实现更通用和灵活的动态波束工程。该机制开启了基于超材料的动态声音控制范式，未来会对海洋探索、超声治疗等产生深远影响。（刘帅）相关工作发表在《Science Bulletin》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.07.033

结构材料在现代工业中发挥着重要作用，然而，新材料的设计是一个耗时的过程。造成这种原因之一是设计材料没有明确的目标应用。应对这一挑战的一种模式是“按设计制造材料”，在设计一开始就要全面了解材料的预期应用。对于合金而言，“按设计制造材料”的一个核心方面是微观结构的概念，其中包括晶界、晶粒取向、相和许多其他缺陷等异质内部结构。“按设计制造材料”范式的两个关键组成部分：正向预测，这需要建立稳健的微观结构-性能（S-P）联系，以便根据材料的微观结构准确预测材料性能；逆向探索，这需要利用已建立的S-P联系进行高效优化，以逆向确定候选微观结构。为了实现这两个部分，先前的研究分为两类：分析方法，如Voigt和Reuss模型；数值方法，如有限元分析（FEA）。一方面，数值方法能够将具有任意微观结构和构成模型的材料离散化，但其高计算功耗阻碍了其在广阔的设计空间中进行逆向探索。另一方面，基于分析的方法可以实现快速估算，但往往过于简化且难以建立。

近日，加拿大多伦多大学邹宇教授团队建立了一个深度学习和遗传算法框架，将正向预测和逆向探索整合在一起。该框架提供了一种端到端的解决方案，可通过微结构优化实现特定应用的力学性能。本研究选择了广泛使用的Ti-6Al-4V合金来证明该框架的有效性和效率。通过定制其3D微结构来实现这一目标，从而在较大的设计空间内获得各种屈服强度和弹性模量，同时最大限度地降低应力集中系数。与传统方法相比，该框架效率高、用途广，可随时应用于各种材料和性能。这种方法与控制局部微结构特征的新兴增材制造技术相结合，为加速开发特定应用的高性能材料提供了深远的潜力。相关研究发表在《Materials Today》上。（徐锐）

文章链接：

X. Shang, Z. Liu, J. Zhang, et al. Tailoring the mechanical properties of 3D microstructures: A deep learning and genetic algorithm inverse optimization framework[J]. Materials Today, 2023.

https://doi.org.remotexs.ntu.edu.sg/10.1016/j.mattod.2023.09.007

研究团队报道了一种基于GaSb的超发光二极管，该二极管在波长为2 lm的高功率宽带工作中得到了优化。采用高质量外延InGaSb/AlGaAsSb i型量子阱增益材料加工成双通放大结构，实现了高光功率。为了防止在大电流注入时产生激光，同时实现强自发发射放大，设计了级联腔抑制波导几何结构，将垂直后面与抑制反射率的倾斜前面连接起来。采用Ta₂O₅/SiO₂超低抗反射涂层(最小反射率为0.04%)在前表面进一步抑制空腔。这种组合使得超发光二极管在室温下连续波工作下显示出创纪录的高单横模输出功率，最高可达152 mW，在一半最大时具有42 nm全宽的宽光谱带。在不牺牲光谱带宽的情况下，与当前波长范围内最先进的设备相比，光功率提高了25%。高功率谱密度特性以及良好的光束质量非常适合于吸收光谱应用和与硅技术的混合集成。

近期，中国科学院半导体研究所牛智川研究员、徐应强研究员、杨成奥副研究员研究团队设计了一种以 InGaSb/AlGaAsSb I 型外延量子阱为增益材料的大功率、宽光谱超辐射发光二极管。该SLD器件在注入电流为1 A，温度为20 ℃时，提供了152 mW的高输出功率，同时具有42 nm FWHM宽度的宽而光滑的光谱。这些特性归功于高质量的i型InGaSb/ AlGaAsSb QW有源区域外延提供的高材料增益，以及CCS双通波导几何结构和超低反射率增透涂层的实现。紧凑和节能的SLD器件具有高功率，宽发射光谱和优异的光束质量，可以成为各种混合集成和光谱应用的理想激光源。相关研究成果以“High power GaSb-based superluminescent diode with cascade cavity suppression waveguide geometry and ultra-low antireflection coating”为题发表在《Applied Physics Letters》上。（郑佳慧）

文章链接：

DOI: 10.1063/5.0157235

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