超材料前沿研究一周精选 2021年12月12日-2021年12月19日

 当光与电介质相互作用时，激发极化会产生与局部电场的非线性效应。这种非线性光学现象是产生超短脉冲、超快开关和全光信号处理等过程的物理基础，并广泛应用于通信、光学传感和材料研究等重要领域，然而，非线性系数通常很小。非线性光学效应通常很弱，实际应用需要结合相关增强技术。使用高度非线性材料或高强度激光场可以实现强化非线性效应，但这些方法过于复杂。因此，人们开始关注其他增强光学非线性效应的方法。有三种公认的方法可以增加波导中的非线性效应。第一种方法是使用长的、低损耗的波导，例如石英光纤，以便增加相互作用长度。第二种方法是通过减小波导的横向尺寸来增加功率密度，从而在横向压缩模式。最后一种方法基于慢光效应，电场在纵向被压缩，再次导致功率密度增加和有效相互作用长度更长。

近日，澳大利亚悉尼大学光子与光学研究所的Antoine F. J. Runge和美国CICA光学实验室的Darren D. Hudson研究团队介绍了一种通过设计线性色散来增强非线性光学效应的新方法。具体而言，该方法是通过产生一系列高度复杂的脉冲，这些脉冲由几个等间距的光谱分量组成，光谱分量之间非线性绑定并作为单个单元传播。他们的理论表明，这可以实现有效非线性参数的增强，该参数随频率分量的数量增加而增加。此外，该团队通过实验证明，在采用内腔光谱脉冲整形器的锁模光纤激光器中，增强因子高达3.5，可以实现更高的增强。这种方法能够产生低能超短脉冲，表现出强烈的非线性效应，为实际应用提供了新思路。相关研究发表在《Nature Physics》上。(钟雨豪)

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Lourdesamy, J.P., Runge, A.F.J., Alexander, T.J. et al. Spectrally periodic pulses for enhancement of optical nonlinear effects. Nat. Phys. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01400-2

现代社会对光通信带宽的需求不断增长，总数据率每18个月翻一番。在未来，光通信甚至可以用于cpu之间的通信。光调制器在这方面发挥了关键作用，提供了将电子信号传输到光载波的手段。随着商业集成光子学的兴起，各种各样的调制平台已经被证明与晶圆规模的制造相兼容，其中硅和磷化铟最为突出。在过去的十年中，替代系统，包括有机杂化，等离子体器件和基于二维材料的调制器也得到了发展。在所有使用的材料中，铌酸锂(LiNbO₃)由于其优异的物理性能和商业可行性，是最受欢迎的。通过SmartCutTM技术实现LiNbO₃薄膜的晶片级转移，结合蚀刻LiNbO₃的改进，实现了低损耗集成光电技术。此外，电光调制在CMOS电压水平和高速(高达100GHz)已经实现，提供与CMOS微电子兼容的紧凑集成LiNbO₃调制器的路线，应用范围从5G蜂窝网络和数据中心互连的经典通信到用于微波到光转换的量子接口，以及采用合成维度的拓扑光子学。除了电光应用外，集成的LiNbO₃ 集成电路也可以实现有效的二次谐波产生、光压缩和参量放大。

尽管取得了一定的成就，但LiNbO₃集成光子学的广泛应用仍然受到几个关键问题的阻碍。首先是LiNbO₃干法蚀刻需要高度特异性和非传统的离子束蚀刻(IBE)来获得光滑的波导表面，这在等离子蚀刻被广泛使用的CMOS工厂中是不容易得到的。其次，光纤和芯片之间的边缘耦合具有挑战性，因为迄今为止已经证明的脊波导结构显示每面的耦合有5-10dB的耦合损失，除非使用更复杂的双蚀刻技术。作为传统的体LiNbO₃和脊波导光子器件的替代品，混合平台最近得到了广泛研究。利用有机粘合剂苯并环丁烯(BCB)将LNOI与硅结合进行异质集成，并将芯片与硅和氮化硅光子集成电路直接结合，已被证明实现CMOS电压下运行的调制器。然而，在晶圆水平上并没有实现直接的芯片键合（只使用了较小的芯片），并且该方法不能保持氮化硅的超低传播损耗。

近日，瑞士联邦理工学院的Mikhail Churaev等人克服了上述所有挑战，并展示了一个高产量、低损耗、集成的LiNbO₃光子平台，它利用了成熟的氮化硅PDK，并赋予该平台选择性电光功能。这是通过将LNOI晶片的晶片尺度异质集成（即直接晶片结合）连接到图案化和平面化的超低损耗氮化硅衬底上来实现的。该方法结合了氮化硅集成光子学的成熟度和超低传播损耗与LiNbO₃的大波克尔效应，并表现出超低传播损耗(8.5dB/m)。相关工作发表在预印本网站《 arxiv.org》上。（郑江坡）

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https://arxiv.org/pdf/2112.02018.pdf

受到固态系统拓扑现象的启发，光子晶体中光传播的拓扑结构的研究已成为最近备受关注的课题。在物质的所有拓扑状态中，时间反演对称(TRS)破碎拓扑材料，如Chern绝缘体(CI)和激光器，由于其拓扑保护的单向边缘状态具有非互易传播特性，已成为人们特别关注的一个焦点。在这些系统中，由于反向传播的一维手性边通道的解耦，从一个边界态到另一个边界态的散射过程被强烈抑制。时间反演对称(TRS)破碎拓扑相提供拓扑保护的无间隙表面状态，而不考虑额外的内部对称、自旋或谷自由度。尽管有大量的二维拓扑相的演示，但很少有三维拓扑系统的TRS断裂的例子存在。

近日，来自西班牙Donostia国际物理中心的Chiara Devescovi等人设计了在弱TRS破碎环境中具有可定向和任意大的Chern矢量的三维Chern绝缘(3D CI)立方体光子晶体的一般策略。该设计具有拓扑保护的手性和单向表面态，具有不相交的等频环。得到的晶体具有以下特点：第一，通过增加Chern数，可以支持多个表面态通道；其次，只要改变磁化轴，Chern矢量就可以沿着任何方向定向，与2D相比，开辟了更大的3D CI/3D CI接口可能性。第三，通过降低TRS的破断要求，该系统对于磁响应较弱的实际光子应用是理想的。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Chiara Devescovi et al. Cubic 3D Chern photonic insulators with orientable large Chern vectors. Nature Communications (2021) 12:7330

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27168-w

传输是凝聚态物理和材料科学中最基本、最重要的概念之一，它奠定了几乎所有应用器件的基础。拓扑绝缘体(TIs)的出现为发现最先进的电子或波的传输行为提供了前所未有的机会，这得益于它们的拓扑保护边界态特性。边界态能够经不受紊乱和杂质的影响，表现出强大的单向特性。这在低损耗的电子和经典波系统，如热电转换器，拓扑负折射和拓扑激光器有很大的前景。

最近热门的高阶拓扑绝缘体，遵循广义体-边界对应关系，表面其d维n阶拓扑绝缘体具有（d-n）维边界态。特别是对于三维二阶拓扑绝缘体，存在拓扑保护的铰链态，它定位于系统的铰链上。到目前为止，铰链态只沿着单个铰链被观察到。这就提出了一个很自然的问题:在高阶拓扑绝缘体中，铰态是否可以沿着三个独立的方向同时存在?最近，这种铰链态已经在理论上被提出，但在实验上观察这些态和相关的3D单向传输是一个很大的挑战。

近日，武汉大学的刘正猷教授团队从理论上预测、数值模拟和实验上观察了高阶拓扑声子晶体(PC)中沿三个独立方向的螺旋铰链态。具体来说，它是通过堆叠双层六角晶格，两层具有相反的 on-site能量和不同的胞内和胞间层耦合而构建的。通过交换双层或胞内和胞间耦合的on-site能量，得到4种不同的相，它们具有间隙表面和界面状态。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevLett.127.255501

声学超材料是一种具有目标功能的人工材料，它的出现极大地拓宽了物理和材料科学的研究领域。基于超材料的声学产品已经实现，如声学聚焦、声学隐身、声学全息和非对称声学传输。在过去的十年中，声学超表面作为二维(2D)声学超材料，因其“消失的厚度”而成为操纵声音的独特选择。通过使用由超表面亚单元提供的局部设计的相移，令人惊讶的声学操纵最近被广泛地探索，包括声学隐身，声学全息，和紧凑型吸声器。然而，传统的声学超表面是由子单元提供的局部梯度相移剖面构造的。局部策略意味着忽略子单元之间的相互耦合，这限制了目标声音操作的效率，尤其是在复杂的环境中。通过考虑子单元之间的非局域相互作用，非局域超表面为精确控制声音传播提供了机会，但要求考虑所有子单元之间的聚集耦合，而不仅仅是最近邻耦合，这极大地增加了系统的复杂性，因此阻碍了对非局部超表面功能的探索。

近日，同济大学物理科学与工程学院声学研究所李勇教授团队利用深度学习算法，可以有效地从预设数据集学习复杂的反向聚集耦合，从而有效地描述非局域超表面的逆机制。作为一个演示的例子，研究人员证明了非局域超表面可以将入射波重定向为任意能量比的多通道反射，可以通过深度学习算法准确预测。与理论比较，能量比的相对误差小于1%。此外，实验验证了三通道反射的三种能量比分别为(1,0,0)，(1/2,0,1/2)和(1/3,1/3,1/3)，证明了深度学习在非局域超表面方面应用的有效性。作者表示该工作可能为声学功能器件的设计开辟一条新的道路，特别是对于包含复杂波-物质相互作用的情况。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：Hua Ding, et al, Deep Learning Enables Accurate Sound Redistribution via Nonlocal Metasurfaces. Physical Review Applied(2021). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.064035

曲面上曲率变化可应用于变形机翼、可展开结构、自适应光学器件和流体控制。变形曲面的可重构性使得实现可调功能成为可能。为了保持曲面，双稳态通常被用来避免形状重构后的长时间驱动。为了实现稳定结构，已经提出了各种双稳态结构原型，如柔性板和壳。双稳态主要归因于制造过程中引入的残余应力，导致冷却后壳体弯曲。然而，双稳态叠层壳存在一些局限性，难以小规模制造、材料选择有限的。双稳定的行为可以通过使用均匀材料在球形壳设计。在压缩下，球状外壳可以翻转成“倒置”稳定状态。除了双稳态，多稳态行为也可以实现到变形表面。然而，多稳定表面的力学响应会受到关节的显着影响，并且只能实现少数稳定结构，如圆柱形状。

近日，荷兰代尔夫特理工大学Zhang Yong提出了一种基于超结构的变形曲面的设计，它能够展示一系列具有不同曲率的稳定构型。利用理论、数值和实验方法，研究了初始平坦和弯曲稳定构型之间的快速跳跃。系统地研究了几何参数对快速跳跃和曲率的影响。梁的厚度对于调整快速跳跃响应很重要，而曲率可以通过改变梁的高度和结构的水平跨度来调整。此外，还开发了一个分析模型来研究结构非线性变形，所提出的模型可以正确预测快速跳跃。结构稳定性可以通过设置适当的值和结构参数来控制。最后，证明了基于双稳态单元的二维排列，可以在表面上施加各种稳定的结构，如不同方向的波纹。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Zhang, M. Tichem, F. van Keulen. Concept and design of a metastructure-based multi-stable surface[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101553

单位带宽对高数据（传输）速率的需求不断增长，促使研究人员不断探索独立散射信道的潜力。众所周知，数据速率的上限由香农的信道容量决定；各种空间模式复用（SMM）策略已被提出，以接近散射信道极限，从而最大化信道容量。轨道角动量（OAM）模式是圆柱坐标系下自由空间亥姆霍兹方程的近似解。与广泛使用的平面波模式相比，OAM模式具有独特的电磁（EM）特性，包括具有相位奇异性的非均匀强度、螺旋波前、强发散和丰富的正交模式，这被认为是克服有限频率通道问题的有希望的解决方案。在过去几年中，基于OAM复用的大容量通信系统以及相应的OAM生成和检测技术在光学、电磁和声学研究中引起了极大关注。然而，OAM多路复用引发了对其相对于传统多输入多输出（MIMO）系统的优势及其基本散射信道限制的讨论。建立和接近轨道角动量（OAM）复用的基本极限是当前多输入多输出研究的必要和迫切要求。

近日，浙江大学信息科学与电子工程学院的Wei E.I. Sha和安徽大学电磁环境传感重点实验室的Jie Wu研究团队通过角谱分析，结合严格的格林函数方法，阐述了独立散射通道（散射场自由度）的基本极限。散射信道限制适用于任意空间模式多路复用，该多路复用由具有预定义物理尺寸的平面电磁设备（如天线、超表面等）发射。他们从理论和实验上证明了仅相位超表面全息图的极限，该全息图将正交OAM模式转换为在临界分离角光谱区域散射的平面波模式。并且他们还采用了极大极小优化算法来抑制角谱混叠，在全波模拟和微波频率下的实验测量中都取得了良好的性能。这项工作为OAM复用的工程设计提供了理论上限和相应的途径。 相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。(钟雨豪)

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.064042

虽然电子晶体管和磁存储器在计算速度和存储密度方面具有优势，但机械逻辑的鲁棒性有利于极端条件下的应用，如高温和辐射，同时还能保持设计的逻辑功能。近些年，机械计算在构建智能机械系统方面的潜在应用重新燃起了人们对机械计算的兴趣，包括软体机器人、微机电系统和机器人材料在内的机械系统。超构材料的最新进展促进了机械逻辑门的设计，力学超构材料因具有可编程变形模式和新颖的力学性能，是设计逻辑功能的良好平台。具有两种不同几何形状的力学超构材料可用于表示二进制状态0和1。通过精心设计单元之间的相互作用，可以实现不同的逻辑门和信号传输。值得注意的是，力学超构材料的逻辑功能通常由其布局决定，一旦设计完成，在使用过程中很难改变，这限制了其在多工作场景中的应用。此外，当计算完成时，整个力学超构材料系统通常会切换到另一个稳态，失去原有的逻辑功能。因此，需要一个初始化策略来重复利用力学超构材料系统，这一点尚未得到充分的探索。此外，现有的力学超构材料逻辑系统大多功能不全或不能实现时序逻辑。因此，它们不具备较强的机械计算能力。

近日，清华大学陈常青教授团队提出了一种可重编程的力学超构材料（ReMM），包括基本逻辑的周期阵列和功能完整的机械逻辑门。在一系列电磁的连续激励下，ReMM可以实现重新编程。由双稳态曲梁阵列的开关状态分布确定的加载位置来执行不同的逻辑功能。演示了ReMM在通用组合逻辑和时序逻辑（信息存储）方面的应用。此外，该系统的信息存储能力被证明有利于机械逻辑电路的紧凑设计。开发的ReMM有望为构建具有强大计算能力和相对较小空间尺度的多功能和可重复使用的超构材料提供场所，从而有利于具有嵌入式智能的机械系统的发展。相关研究发表在《Nature Communications》上。(徐锐)

文章链接：

T. Mei, Z. Meng, K. Zhao, et al. A mechanical metamaterial with reprogrammable logical functions[J]. Nature Communications, 2021, 12(1).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27608-7

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