今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及大视野超表面赋能铌酸锂光学相控阵，本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中可控的非互易电荷输运，多功能、可编程多稳态力学超构材料等，敬请期待！
索引：
1.大视野超表面赋能铌酸锂光学相控阵
2.由流体-固体相互作用产生的拓扑声子学
3.具有不同磁构型边界的锯齿形石墨烯片中的拓扑角态
4.本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中可控的非互易电荷输运
5.拓扑波导中的边界态、定位长度和生存概率的临界指数
6.通过解耦机构设计方法的多功能吸声和力学超构材料
7.多功能、可编程多稳态力学超构材料
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大视野超表面赋能铌酸锂光学相控阵
光探测和测距(LIDAR)提供了相对远距离和高精度的3D成像，这对未来的自动驾驶汽车至关重要。光学相控阵(OPA)是激光雷达的关键部件，由于OPA材料成本低、集成度高、与CMOS技术兼容等优点，近年来被认为是一种很有前途的实现全集成的固态技术。研究人员已经在各种光子平台上对OPA进行探索，氮化硅(Si3N4)由于具备更高的输入功率、更大的透明度和更低的相位变化，最近成为集成OPA波导的兴趣点。与Si3N4相比，铌酸锂(LN)不仅具有与Si3N4相同的优点，而且是一种具有大系数的优秀电光(EO) Pockels材料。随着薄膜LN技术的发展，绝缘体上LN (LNOI)平台显示出了极大的潜力。OPA技术不断向高性能发展，如视野宽、无混叠、扫描速度高、功耗低、体积小等。
近日，南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授课题组提出了一种超表面赋能的端口选择OPA (POPA)，一种由端口选择控制的OPA，它由一个平均节距小于波长和相位由波导间耦合控制的非周期波导阵列实现。在POPA上设计了一个超表面层，以增加宽视场转向，通过偏振分割实现无混叠。研究人员在±41.04°× 7.06°视场上进行了双光束扫描实验。双光束扫描不仅保证了宽视场，而且提高了帧率。此外，研究人员表示可以采用可调谐液晶偏光器过滤掉一个分支，回到单光束扫描，在不减小扫描角度范围的情况下避免串扰问题。未来可以通过使用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)实现对POPA的动态扫描。该工作成功地将超曲面设计融入到OPA中，为实现无混叠光束转向和视场放大开辟了新的自由度。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）
文章链接：
ZHIZHANG WANG, et al. Metasurface empowered lithium niobate optical phased array with an enlarged field of view. Photonics Research(2022).
https://doi.org/10.1364/PRJ.463118.
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由流体-固体相互作用产生的拓扑声子学
在经典系统中发现的非平庸能带拓扑，被证实在未来器件应用中具有巨大的潜力。与光子不同，声波在流体和固体中具有本质上不同的动力学和对称性，需要分别用标量场和矢量场表示。到目前为止，对拓扑声子材料的研究只关注流体或固体中的声波，而忽略了它们在“流固混合物”中复杂的相互作用。
近日，香港大学的张翔教授和同济大学祝捷教授课题组合作报告了一种利用流体-固体相互作用的拓扑声子学方法，他们演示了在一个简单的三维声子晶体中实现了在声子学中难以实现的ii型节点环。通过超声近场扫描不仅直接观察到了动量空间中具有强倾斜线简并的ii型节点环，也观察到了强倾斜鼓膜表面态。上述声子方法为探索经典系统中的拓扑物理打开了一扇门，它易于实现，也可用于设计高性能的声学器件。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33896-4
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具有不同磁构型边界的锯齿形石墨烯片中的拓扑角态
拓扑绝缘体(TI)是一种独特的物态，在其内部表现出普通的绝缘体状态，但在其边缘或表面上具有受保护的导电状态。拓扑绝缘体有一个重要的关系称为“体边界对应关系”，它指的是拓扑保护边界模式的数量与体拓扑不变量之间的一对一关系。随着人们对拓扑绝缘体的深入研究，拓扑的概念从一阶扩展到了高阶。高阶拓扑绝缘体(HOTI)突破了传统的体边界对应关系引入了更高阶拓扑态的概念。实验上，高阶拓扑态已经在电路、声学系统、光子晶体、机械系统等各种系统中实现。其中二维的二阶拓扑绝缘体的重要特征是零维的角态。一些研究指出强弱跃迁的交替结构可以诱导拓扑相变，进而出现零维能隙中的角态。这种可以理解为一维Su-Schrieffer-Heeger模型的扩展。除此之外可以通过一些对称性，包括反演对称、镜面反射对称和旋转对称来系统地生成HOTI。理论上，当无能隙边界态打开能隙时，可产生该能隙内的角态。
近日，来自河北师范大学的Cheng-Ming Miao和北京大学的Qing-Feng Sun等人提出仅考虑石墨烯的边界原子具有磁性就会出现能隙内拓扑保护的角态。通过在Kane-Mele 蜂窝状晶格的菱形结构的边界原子中引入铁磁和反铁磁序，两种磁序都实现了边界态的能隙打开，在带隙中出现了角态。并且根据磁场的方向不同角态出现的位置和兼并度也存在差异。在最后计算了四个边界磁化方向不同的菱形结构的能谱，四个角态的能量值不再简并，四个独立的角态出现在菱形结构的四个不同角上。相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（张晓萌）
文章链接：
Cheng-Ming Miao et al. Second-order topological corner states in zigzag graphene nanoflake with different types of edge magnetic configurations. Physical Review B 106, 165422 (2022)
DOI: 10.1103/PhysRevB.106.165422
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本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中可控的非互易电荷输运
范德华材料为研究交织的磁性和能带拓扑提供了一个有趣的平台，并出现了一系列奇异的物质状态。其中，量子反常霍尔效应（QAHE）备受关注，对于QAHE来说，量子化的霍尔电导平台以及出现在陈绝缘体状态的无耗散手性边界传输是最有趣的部分。此外，边界态的手性以及磁化强度在输运机制中起着至关重要的作用，例如非互易的电荷输运。非互易响应表现为正负电流之间的电阻差，中心是将振荡的电磁场转换为直流电的过程，即整流。对低功率、高频整流器的需求激发了人们对新材料系统中非互易电荷输运的研究，例如非中心对称晶体、拓扑绝缘体、磁体/超导体界面。特别是在磁掺杂的拓扑绝缘体中观察到由量子反常霍尔效应边界态介导的大的非互易电荷输运。与传统的磁掺杂拓扑绝缘体相比，本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4提供了更稳定鲁棒的QAHE，因为它不会引入磁性杂质并且无需对元素种类进行精确控制。由于铁磁性层内耦合和反铁磁层间耦合，导致MnBi2Te4还具有丰富的磁相。并且外部磁场被证明是操纵这种磁态以及电荷输运的有效工具。此外，MnBi2Te4的范德华性质使得通过改变堆叠顺序或组装异质结构来实现更有吸引力的现象成为可能。
近日，来自南洋理工大学的Zhaowei Zhang等人报告了本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中可控的非互易电荷输运效应。系统破缺的反演对称性和破缺的时间反演对称性在非互易性的电荷输运中起到了关键作用。并且由于MnBi2Te4独特的反铁磁结构，使得大的非互易电荷输运可以通过栅极电压、磁场和堆叠层数来控制。这样可调谐的非互易电阻有助于开发多功能自旋电子器件，如磁性开关二极管和高频整流器件等。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
文章链接：
Zhaowei Zhang et al. Controlled large non-reciprocal charge transport in an intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4. Nature Communications (2022) 13:6191
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33705-y
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拓扑波导中的边界态、定位长度和生存概率的临界指数
光子拓扑绝缘体的边界态对抗扰动和无序具有鲁棒性，在实验中得到了广泛的研究。其中，一维结构中最简单的拓扑模型之一是SSH模型；它可以用连续极限下的狄拉克方程来描述。它已经在各种系统中进行了研究，包括光波导、冷原子、量子点阵列、电路和具有相互作用粒子的系统中的拓扑边界态。然而，所有的研究通常侧重于验证由体-边界对应关系预测的边界态的存在性;然而，局部边界态及其相关动力学的完整表征以及拓扑相变的定量研究仍有待实验探索。
近日，吉林大学的田振男和清华大学孙洪波教授课题组展示了从生存概率直接测量边界态和它们的定位长度。作者采用光子波导阵列来演示基于SSH模型的拓扑相变。通过测量晶格边界处的生存概率，作者证明了在长时间极限下，生存概率为P=（1-e-2/ξloc）2，其中ξloc为定位长度。将这个由生存概率推导出来的长度与到过渡点的距离进行比较，得到在相边界处的临界指数υ=0.94±0.04。该实验为表征拓扑相变和提取其关键物理量提供了另一种途径。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevLett.129.173601
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通过解耦机构设计方法的多功能吸声和力学超构材料
多功能材料在工程设计中广泛应用（如航空航天、汽车、国防和建筑等领域），特别是轻质、强韧、吸声能力强、对人体安全的材料。轻质、强韧材料有助于提高燃料转换效率和设备安全性。此外，降噪也有助于安全，例如过度的噪音会导致设备/发动机的热力学不稳定，从而产生故障。另外，噪音也被公认为是一种严重的人类健康危害形式。目前，高频（>1.0 kHz）噪声已经有许多工程解决方案。然而，真正最难消除的是低频噪声。传统商业吸声材料对低频声波的衰减能力普遍较弱。通过先进的材料合成方法，提出了新型泡沫材料作为吸声材料。一些材料显示出良好的低频吸声效果。近年来，各种声学超构材料（AM）已被提出作为噪声控制的创新解决方案。然而，吸声超构材料通常具有较差的机械强度，特别是强度和韧性。当外部载荷超过屈服强度时，它们将经历不可逆的破坏。
近日，中南大学王中钢教授和新加坡国立大学翟玮教授团队提出了一个新的设计范式的声-力多功能超构材料，基于解耦的声吸收和力学机制。这种方法既可以克服与传统超构材料相关的设计限制，也可以高度定制所需的性能。这种超构材料利用了亥姆霍兹共振器的形态，独立设计了吸声性能和力学性能。对于吸声部分，采用相干耦合设计获得了良好的共振响应。对于力学性能设计，采用了定制的支柱。然后通过3D打印演示所提出的概念。通过实验测量，在实际低频范围（<1.0 kHz）实现了显著的宽频吸收。吸收机制归因于粘性和热边界耗散。压缩试验表明，由于晶格结构设计和基材的粘弹性行为，超构材料具有很高的变形弹性，恢复率高达98%。通过这种解耦设计，进一步展示了设计的超构材料在可定制吸收、强度、可重复用性和抗冲击性方面的潜力。所提出的设计范式拓宽了多功能材料设计的视野，推动了对其实际应用的探索。相关研究发表在《Materials Horizons》上。(徐锐)
文章链接：
Z. Li, X. Li, Z. Wang, et al. Multifunctional sound-absorbing and mechanical metamaterials via a decoupled mechanism design approach[J]. Materials Horizons, 2022.
https://doi.org/10.1039/D2MH00977C
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多功能、可编程多稳态力学超构材料
自然界对科学研究和工程应用提供了很多灵感，如捕蝇草快速闭合叶子来捕捉昆虫的能量释放机制、猎豹高速奔跑时的脊椎、蠼螋翅膀独特的变形顺序、人类的消化器官以及形状记忆合金的可重构特性，这些机制和材料功能主要来自于跳变结构的不稳定性和变形序列。弹性能释放和形状可重构性是近年来研究的热门课题。然而，还有两个挑战有待解决：（1）是否可以对机械不稳定性进行编程，以设计传感器和存储设备？（2）在制造完成后，如何通过外部刺激来调节机械性能？超构材料通常在设计阶段可以进行拓扑设计，以提供超出自然存在材料的性能（如负增量刚度、泊松比、可压缩性和电磁介电常数）。多稳态超构材料的形状重构特性在制造后对其拓扑和性能/功能进行编程，从而使其能够适应现实应用中不断变化的需求。近年来，形状转换和结构双稳态已被用于开发机械开关、可重复使用的冲击防护装置、软体跳跃机器人和可伸缩传感器。对顺序变形、跳变不稳定性和快速反弹引起的能量释放的深入理解对于利用机械多稳定性的能力是必不可少的。
近日，加拿大麦吉尔大学Abdolhamid Akbarzadeh团队全面介绍了变形序列和连续力/能量位移曲线。研究了双稳态单胞的1D阵列（即链结构），以探讨在一个外部机械刺激下不稳定引起的能量释放和跳变顺序。机械传感器/存储器，这些功能基于变形序列和机械输入之间的关联进行操作。这种方法对多稳态链的可编程性提供了一个见解，多稳态链用于制造机械传感器/存储器，采样（模数转换A/D）和数据重建（数模转换D/A）功能，基于变形序列和机械输入之间的相关性。这些发现为开发可编程的高容量读写机械存储器提供了一个新的范式，而不管它们的大小规模如何。此外，利用多稳态链的可编程性可以调整奇异的力学性能。在这方面，设计了具有张拉整体状双稳态单元的横向多稳态力学超构材料来展示手性的可调性。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
H. Mofatteh, B. Shahryari, A. Mirabolghasemi, et al. Programming Multistable Metamaterials to Discover Latent Functionalities[J]. Advanced Science, 2022.
https://doi.org/10.1002/advs.202202883
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