今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及可调超表面的最新进展，反射波的趋肤效应，二维C2N中的二阶拓扑绝缘体，高熵合金对弹道冲击的动态响应等敬请期待！
索引：
1.可调超表面的最新进展：材料、设计和应用（综述）
2.无增益或损耗的非厄米物理:反射波的趋肤效应
3.三维合成非厄米声子晶体中Weyl异常环的实验实现
4.二维C2N中的二阶拓扑绝缘体
5.三重节点的通用高阶体边界对应
6.高熵合金对弹道冲击的动态响应
7.折纸模拟：从运动学到力学，再到多物理场（综述）
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可调超表面的最新进展：材料、设计和应用（综述）
超表面是一种由平面超原子构成的2D形式的超材料，具有自由定制电磁（EM）波的奇异能力。在过去的十年中，人们付出了巨大的努力来开发各种活性材料并将其整合到实用的功能器件中，将可调超表面的研究推向了纳米光子学的前沿。这些活性材料包括相变材料、半导体、透明导电氧化物、铁电体、液晶、原子级薄材料等，并具有有趣的性能，如快速切换速度、大调制深度、超紧凑性，以及在外界刺激下的光学特性的显著反差。这种材料的集成为传统的无源纳米光子平台提供了显着的可调性。具有由各种外部刺激触发的多功能性的可调超表面在材料选择和器件设计方面带来了丰富的自由度，以按需动态操纵和控制电磁波。该领域最近随着物理学和设计方法的迅速发展而蓬勃发展，特别是那些由新兴机器学习算法辅助的方法。
近日，新加坡材料研究院Ziyu Wang、Hong Liu和新加坡南洋理工大学Xiao Renshaw Wang团队简要回顾了过去十年的进展和成就，重点介绍了最近两三年的情况。首先简要介绍了物理和设计方法，活性材料的发展和应用。然后，讨论了可调谐超表面的调谐机制，如米氏共振、连续介质束缚态、零极子和电磁感应透明。此外，随着人工智能的快速发展，机器学习已被用于加速可调谐超表面的设计和发现。分析和讨论最近报道的基于机器学习算法的设计方法，如粒子群优化、遗传算法、神经网络等。接下来，详细讨论了活性材料的发展，根据其外部刺激将其分为三大类，即电可调材料、光学可调材料和其他刺激下的材料。随后，总结了动态光束聚焦、波前整形、光束控制和图像显示等主要应用。最后，对下一代可调谐超表面的未来方向和机遇提出了看法。相关研究发表在《ACS Nano》上。（徐锐）
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无增益或损耗的非厄米物理:反射波的趋肤效应
非厄米物理学描述了一个广泛的量子和经典系统。在量子情况下，非厄米算符模拟了系统与Hilbert空间之外的自由度的耦合，如储层或测量装置。在经典物理学中，非厄米矩阵通常表征光学系统，如光子晶体，但也包括机械和声学超材料，以及电路。
尽管他们的多样性，上述例子都是将增益和损耗作为他们共同的非厄米性物理起源。当量子系统与外部槽耦合时，可能会失去或获得准粒子。在光学中，光子的增益和损耗导致复值折射率，从而得到利用非厄米矩阵的有效描述。类似地，机械系统和电路中的非厄米性是由于摩擦产生的能量耗散和电阻引起的焦耳热。因此，在所有这些例子中，系统所支持的量子波或经典波都与复特征值相关联。实部编码它们的激发能量或频率，而虚部描述它们的衰减或放大速率。
近日，德国理论固体物理研究所的Selma Franca等人引入一个非厄米物理领域的替代途径，它既不涉及增益也不涉及损耗。相反，复特征值来自于从绝缘体边界反向散射的波的振幅和相位差。作者证明了对于Wigner-Dyson类的强拓扑绝缘体，反射波是由反射矩阵表征的，反射矩阵表现出非厄米趋肤效应。这导致了一个非常规的Goos-Hänchen效应:由于非厄米拓扑，波在反射上经历横向移动，即使在正常入射时也是如此。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）
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三维合成非厄米声子晶体中Weyl异常环的实验实现
拓扑现象在凝聚态物理中被发现，并很快扩展到光子和声子晶体(PCs)。Weyl半金属是一类重要的三维拓扑系统，其特征是在两个能带交叉处存在Weyl点(WPs) 。WPs是量子化的贝里通量的拓扑单极子。在厄米晶体系统，WPs必须成对出现，而带相反电荷的WPs由一种叫做费米弧的表面态连接起来。WPs在光子学、声学和各种凝聚态系统中都被观察到。在WP附近的物理通常可以用一个包含泡利矩阵的所有分量的两能级Weyl哈密顿量来捕获。这样的数学形式表明，它不可能通过厄米特扰动来打开一个缺口。然而，打破厄米性的扰动会导致完全不同的情况。非厄米系统支持一种特殊的谱“简并”，称为异常点(EP)，其中一个或多个态向量成为缺陷。非厄米性的存在可以变换厄米简并点，比如将类狄拉克点或WP变成一个异常环，它是EPs在倒空间中的连续闭合轨迹。特别是，在倒空间中实现Weyl异常环需要在三维晶体中精细控制非厄米参数，这在实验上具有挑战性，目前只能在螺旋光子波导阵列中实现。另一方面，合成维度的最新发展表明，系统参数可以作为自由度映射到新的系统维度，为使用真实维度较少的系统来研究高维物理开辟了一条方便的途径。
近日，南京大学的程建春、梁彬教授课题组联合香港浸会大学的马冠聪教授课题组利用一维 Aubry-Andre-Harper模型在由一维和二维组成的三维参数空间中构造韦尔半金属。以增益和损耗的形式包含非厄米性，产生了一个合成的韦尔异常环(SWER)。SWER的拓扑结构具有拓扑电荷和非厄米绕数。作者通过实验观察了由主动声学分量引入的非厄米性的一维声子晶体中的SWER和合成费米弧。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）
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二维C2N中的二阶拓扑绝缘体
近年来，拓扑绝缘体因其独特的拓扑性质和在许多领域中的潜在应用而引起了极大的关注，例如低功率电子设备和量子计算等。传统的d维拓扑绝缘体在其(d-1)维边界上支持无能隙边界态，并且拓扑非平庸的边界态对局部扰动不敏感可以鲁棒性传输。最近，有研究提出了二阶拓扑绝缘体（SOTI）的概念提出扩展了体边界对应关系，这种高阶拓扑态出现在二维系统的角落或三维系统的棱或角。从物理的角度看，低维拓扑边界态由电偶极矩或四极矩确定。目前，拓扑角态主要在人工二维系统中观察到，例如方形、kagome或六边形晶格，其中拓扑非平庸相主要来自原胞间和原胞内跃迁参数之间的差异。然而，真实电子材料中的跳跃通常更复杂，因此需要不局限于简化模型来寻找更多潜在的SOTIs。虽然一些实验合成的材料，如单层石墨二炔、γ-石墨烯、双层扭曲石墨烯等已被预测为处于低能隙中的SOTI，但尚未经过实验验证。在实际系统中观测SOTI的主要障碍是其体态和边界态带隙应该足够大，以便角态可以与体态和边界态隔离，并且不会被外部扰动破坏。因此，寻找满足上述要求的SOTI是该领域的一项紧迫任务。最近，一种化学合成的二维单层材料 C2N-h2D由于在电子，气流分离和催化等领域具有广阔前景从而引起广泛注意。
近日，来自湖南湘潭大学材料科学与工程学院、薄膜材料与器件湖南省重点实验室、物理与光电学院以及微纳能源材料与器件湖南省重点实验室的ZeHou Li等人使用第一性原理计算和紧束缚模型，提出实验合成的C2N是具有打开能隙的边界态和零维拓扑角态的二维二阶拓扑绝缘体(SOTI)。并且C2N具有较大的体带隙和边界态带隙，使其在未来的实验中可以更好的呈现角态。此外，还发现另外三种类似C2N的材料具有重要的SOTI相，包括实验合成的材料氮杂融合π共轭微孔聚合物。他们提出的四个2D的SOTI为在未来的实验中研究新的高阶拓扑特性提供了极好的候选者。相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（张晓萌）
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三重节点的通用高阶体边界对应
d维高阶拓扑相可以在d-2维或更低维度的边界上存在拓扑态。在二维系统中，二阶晶体拓扑绝缘体需要额外的手性对称性或粒子-空穴对称性来保护零能角态。如果这种对称性消失则角态会合并到体带中，则非平庸的二阶拓扑会通过角异常填充实现。特别的，如果价带被填充并且保持晶体对称性，填充异常意味着角局部电荷。并且在存在旋转对称性的情况下，角电荷为分数量化值可以通过对称性指标来预测。高阶拓扑的概念最近被推广到具有两重和四重简并的三维(3D)节点相，分别导致了高阶Weyl半金属和高阶Dirac半金属，以及通过扰动狄拉克简并获得的一类节点环半金属。这种半金属可以被理解为二维拓扑绝缘体沿着高阶拓扑变化的第三个维度扩展，能带的节点标志着高阶相变。三重节点(TPs)是动量空间中能带的三重简并，它们出现在布里渊区的高对称线上。不同于Weyl点和Dirac点，单个的三重节点通常会导致金属态由于三条能带的简并度并不相同，然而成对的三重节点可以产生半金属相。然而，尽管最近对其拓扑描述和对称分类进行了一些研究，但三重节点或三重节点对是否可以通过鲁棒性边界特征来表征仍然是一个悬而未决的问题。
近日，来自瑞士苏黎世大学物理系、理论物理研究所、苏黎世联邦理工学院和瑞士Paul Scherrer研究所凝聚态理论小组的Patrick M. Lenggenhager等人首先表明半金属和金属中的三重节点对可以用Stiefel-Whitney和Euler单极不变量来表征。成对存在的三重节点相通常具有高阶体边对应关系，每一种三重节点对都具有独特的棱态电荷。并且通过将三重节点的对称分类与高阶拓扑的对称性指标相结合，得到了精确的对应关系。他们提出了带有高阶拓扑特性的三重节点的不同种类的最小模型，并说明了在施加应变时成为高阶三重节点金属的Sc3AlC上的派生对应关系并简要概述了自旋系统的推广，相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（张晓萌）
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高熵合金对弹道冲击的动态响应
高熵合金(HEAs)因其非传统的设计策略、独特的物理机制、优异的力学性能以及对工业或技术应用具有重要意义的因素而受到极大的关注。由于其优异的力学性能，特别是优良的应变硬化能力，使其在防弹方面具有很大的潜力。然而，关于高熵合金在防弹方面的应用或潜在应用的报道非常有限。在高熵合金的弹孔附近观察到位错和变形孪晶，并被认为是其抗弹道性能的原因。然而，对于高熵合金对弹道冲击的动态响应的实验观测还非常有限，无法从根本上了解合金的弹道性能，而且化学成分对合金弹道性能的影响也没有包括在实验研究中。目前，关于CrMnFeCoNi的抗弹性能与其他实用材料的抗弹性能之间的研究较多，与传统的装甲防护合金和许多商用结构材料相比，CrMnFeCoNi高熵合金表现出相当高的应变能吸收能力，这对防弹具有重要意义。有限元模拟结果表明高熵合金的抗弹性能很大程度上受其化学成分的影响。然而，与无锰高熵合金相比，具有孪晶活性的高熵合金的抗弹性能较差。目前尚不清楚高熵合金是如何抵抗弹道冲击的，也不清楚为什么锰不利于弹道抵抗。
近日，加拿大阿尔伯塔大学研究人员Yunqing Tang使用分子动力学模拟来研究CrMnFeCoNi和CrFeCoNi的抗弹性能，并阐明其机制。结果表明，高熵合金的抗弹性能主要得益于在较高应变率下产生的活性位错。更强的原子键和较高的位错密度使CrFeCoNi更容易应变硬化，韧性提高以抵抗高速变形，而较弱的原子键和更容易发生的位错缠绕使CrMnFeCoNi在弹道冲击下的抗力较差。这项工作有助于更好地理解高熵合金的反弹道行为，并指导装甲和吸能材料的设计。例如，高熵合金可用于军用车辆、高防护结构单元、武器装备和其他保护性部件。相关研究发表在《Science Advances》上。（何玉龙）
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折纸模拟：从运动学到力学，再到多物理场（综述）
折叠在自然界和日常生活中产生了许多新奇的现象（如昆虫的翅膀的折叠边缘以帮助抵抗飞行期间的载荷，蛋白质精确折叠成3D结构）。长期以来，折纸艺术家们一直着迷于通过反复和策略性地折叠纸张获得的丰富几何图形。受这些折纸艺术家的启发，研究人员和工程师在过去几十年中探索了利用折纸原理构建结构和机制的潜力（如超材料、机器人系统、有源微器件、生物医学工具、可展开建筑结构、可重构空间结构、工程设备包装系统等）。这对于创建具有可调特性、多种功能、高比率封装能力、易于制造和许多其他有利特性的结构和器件具有吸引力。最近的综述文章总结了折纸的发展，包括在微纳米系统中的应用、建筑材料、生物医学应用、折纸机器人、工程折纸的设计和应用、建筑应用以及设计和运动折叠的数学方法。随着折纸设计和应用的发展，已经开发了许多专用模拟技术来分析这些薄板系统的运动学、力学和多物理特性。模拟折纸的物理行为是理解、分析、设计和优化以折纸为灵感的系统的基础。因此，有必要系统地回顾折纸模拟技术的最新进展。
近日，美国密歇根大学Evgueni T. Filipov教授团队回顾了折纸的模拟，对不同的模拟技术进行分类，将模拟技术分为三大类：基于运动学的模拟、基于力学的模拟和多物理模拟。总结了所涉及的基本数学模型和求解方法，并展示不同技术的优缺点。尽管折纸模拟广泛借鉴了其他科学和工程学科的分析和技术，但仍存在独特的挑战（如图案几何结构和局部折痕行为可以显著影响全局响应，有效的模拟需要仔细考虑折纸系统的自由度）。本文旨在帮助未来的折纸科学家和工程师为特定项目选择和开发适当的模拟技术。介绍了不同折纸模拟的公式，讨论了它们的优缺点，并确定了不同模拟技术的潜在应用场景。文中提供的材料旨在帮助折纸研究人员更好地理解不同折纸模拟技术中的公式和基本假设，从而选择和开发合适的折纸模拟。最后，展望了未来折纸模拟领域的挑战。相关研究发表在《Applied Mechanics Reviews》上。（徐锐）
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