超材料前沿研究一周精选 2021年9月27日-2021年10月3日

纳米制造技术的发展，加上光子集成电路(PICs)的高度复杂性的实现，引发了人们对实现微型化全光互连的极大兴趣，这种微型化全光互连在带宽密度、速度、以及降低冯·诺伊曼数据传输瓶颈方面具有主要应用前景。特别是，在PICs中光传播的可重构控制对于许多新兴应用至关重要，如可编程PIC、神经启发计算、量子信息处理、光通信、微波光子学和传感器应用。可重构光子计算核心通常是使用Mach Zehnder干涉仪(MZIs)的波导网格来实现，其中干涉是通过两个移相器来控制的，这两个移相器独立地通过波导折射率的挥发性和弱调制进行调谐，通常使用电光或热光效应。然而，该方法具有有限可调性、高能耗(几mW)且尺寸较大(数百微米(μm))。

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Amged Alquliah等人报道了一种新概念的器件，该器件具有在近-可见光谱范围内动态控制导光的功能，通过使用超紧凑主动超表面的可重构和非易失性(1×2)开关来验证。该开关由两组二氧化钛(TiO₂)和三硫化锑(Sb₂S₃)组成的纳米棒阵列组成，三硫化锑是一种低损耗的相变材料(PCM)，图案位于氮化硅波导上。该超表面创建了一个有效的多模干涉仪，在波导的末端形成输入模式的图像，并根据PCM纳米棒的相位将该图像路由到一个输出端口。值得注意的是，与其它基于PCM的开关相比，该研究团队设计的基于1×2超表面具有5.5 μm的超紧凑耦合长度和超高的带宽(22.6 THz)。此外，该器件在近-可见区域表现出低损耗(1 dB)和低窜扰(11.24 dB)。该研究装置为实现紧凑和高效的波导路由器和开关铺平了道路，在量子计算、神经形态光子网络、生物医学传感和光遗传学领域具有巨大应用潜力。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。 （丁雷）

文章链接：AMGED ALQULIAH,et al, Reconfigurable metasurface-based 1 × 2 waveguide switch,Photonics Research,(2021).

https://doi.org/10.1364/PRJ.428577.

在自然介质中，当与高强度的光相互作用时可以观察到光学非线性，这种非线性的微观性质与宏观非线性偏振密切相关，实现某些频率到其他频率的转换。二次谐波产生是最重要的非线性效应之一，已被用于多种应用，如信号源产生、通信、成像、和生命体征监测。在光频中，二次谐波产生是一种非线性波混频过程，即两个相同基波长(λFW)的光子一起入射，产生一个在二次谐波波长(λSH = λFW/2)处具有较高能量的单个光子传统上，二次谐波产生可以使用非中心对称的块体材料超晶格来设计，具有较大的非线性磁化率，更重要的是，传统非线性光学晶体需要精确的相位匹配才能进行有效的频率转换。光学超表面表现出了天然非线性块状光学晶体所没有的新的非线性特性，为增强和操纵二次谐波产生提供了一个广阔的应用前景。人们提出了各种光学超表面来增强二次谐波产生，通过优化金属纳米结构的尺寸、形状和取向，可以精确地控制诱导二次谐波的强度、相位和偏振态。

近日，来自东南大学的金石教授、崔铁军院士研究团队采用亚波长尺度上加载有源芯片的非线性超表面，在微波频率下实现了空间波的高效二次谐波。非线性超原子由接收天线、发射天线和倍频器有源电路组成，可以实现强非线性响应，将电磁信号从接收天线连接到发射天线。相应地，为了实现空间波倍频功能，在超原子中发射天线的工作频率应该是接收天线的工作频率的两倍，因此有源芯片可以很好地匹配，从而高效率地获得信号变换。仿真和实验结果表明，该方法具有良好的性能，在正态入射下的转换效率为85.11%，验证了所提方法的有效性。预计提出的超表面在空间谱移、新的电磁隐身技术和先进的雷达和通信系统方面具有广阔的应用前景。相关研究工作发表在《Advanced Science》上。（周玉宇）

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DOI: 10.1002/advs.202101212

随着新的手持设备和可穿戴技术的快速发展，相关技术已涵盖了电子和光学设备等领域。纳米结构超表面具有结构紧凑、多功能、大孔径、像差小以及光场调控能力强等优点，为光学元件的设计提供了新的解决方案。基于超表面的光学元件通常通过使用密集的散射纳米结构阵列赋予幅度和相位的空间变化来操纵光波。纳米结构的高度局部化和低光学品质因数 ( Q ) 模式有利于波前成形，因为它们提供对电磁场的非局域控制。然而，许多新兴的成像、传感、通信、显示和非线性光学应用需要平整、高Q的光学元件，以提供大量的能量存储和对波前更强的光谱控制。这些高Q、非局域超表面的一个主要限制是它们在不同波长下的光学功能与能带结构紧密联系，并且光谱解耦功能很难实现

近日，美国斯坦福大学Geballe先进材料实验室的Mark L. Brongersma和Soo Jin Kim研究团队展示了一种创建高Q值非局域超表面的方法，该超表面可以在不同波段独立作用。他们预先选择共振波长的光存储在高Q 导模谐振器超表面中，以增强内部场和光-物质相互作用，然后将其释放到目标方向。用于创建超表面单元的吸收材料能够控制通过超表面的波束，并可以在不同波长下实现不同的非耦合功能。该团队认为这些非局域超表面为光学成像、传感、通信、显示和非线性光学提供新思路，以补充传统低Q超表面的功能，此外，该非局域超表面方面也一定程度上推动了非局部超表面在动态波前整形和模拟光学计算的发展。相关研究成果发表在《Nature Nanotechnology》上。（钟雨豪）

文章链接：Song, JH., van de Groep, J., Kim, S.J. et al. Non-local metasurfaces for spectrally decoupled wavefront manipulation and eye tracking. Nat. Nanotechnol. (2021). https://doi.org/10.1038/s41565-021-00967-4

自拓扑绝缘体(TI)发现以来，物质的拓扑相一直是最活跃的研究领域之一。这种拓扑相的一个基本特征是受保护的边界模式的体积含义，称为体-边对应。最近，人们在预测允许非常规体-边界对应的高阶(HO)拓扑相方面做出了巨大的努力。不同于传统的（一维）拓扑相，传统的拓扑相在低一维的边界(即余维d_c=1)上具有无间隙模态，HO拓扑相的标志是在余维d_c > 1的边界处存在无间隙模态，例如二维系统的角态和三维系统的铰链模态。在理解这类HO拓扑相及其拓扑响应时，空间对称通常起到关键作用，此外还有时间反演和/或粒子空穴对称。

近日，武汉大学的邱春印教授团队在理论上提出了一种简单的方法来构建无自旋HO狄拉克半金属，作为包括TIs、Weyl半金属和结点环半金属在内的HO拓扑相族的母相，并在三维狄拉克声子晶体(DSC)中实验实现了这一理论。

相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevLett.127.146601

声波(MHz-GHz范围)在固体结构中传播的速度比光速慢5个数量级。因此，从电磁波到声波的转换可以使信号处理在一个非常慢的时间尺度上，并且可以大大减少的器件尺寸。由于声波不能在真空中传播，声学器件中信号通道之间的辐射串扰也比电磁器件中低得多。因此，各种类型的声学器件，如声表面波、体声波和弯曲板波器件被广泛用作延迟线、滤波器、振荡器、有线通信应用中的卷积器，以及在传感应用中的质量、压力和流量传感器等。近年来，声波传播被认为是不同固态量子位系统(如缺陷中心和超导量子位)之间的通用量子互连，原因有二，首先，这些系统的量子态非常容易受到高耦合系数机械变形的影响；第二，声波可以在低温下以极低的损耗和极低的噪声传播。光波和微波频率声学(或声子)模式被限制在波长尺度结构中，并通过有效的声光耦合相互作用。然而，光子到声子的直接转换本质上是低效的，因为它们在频率上的差距很大(大约5个数量级)，假设波长相同，相比之下，利用压电材料上的叉指换能器可以更有效地将MHz到GHz的电磁波转换为声子。为了实现有效的转换，设计声子结构来有效地引导并将声子耦合到光力学系统中是至关重要的。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Daehun Lee等人报道了通过传输模式微波阻抗显微镜(TMIM)直接观测GHz频率的lamb波在氮化铝声子电路中的传播。与有限元建模相一致，在TMIM图像中揭示了角形耦合器和亚波长波导中的声学本征模。利用快速傅里叶变换滤波，定量分析了波导上单个lamb模的声学损失以及波导与抛物线耦合器之间的功率耦合系数。

相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevApplied.16.034047

从增强相对刚度、强度和韧性到隔热和振动控制，晶格结构具有广泛的性能，这些性能在很大程度上取决于其结构。然而，这些系统在其整个生命周期中都维持着这些预定的功能，即使需求可能发生变化。为了实现响应性结构，形状记忆聚合物被引入进来，以实现热可调弹性模量和泊松比以及可调带隙。此外，自适应行为已在由空心管填充颗粒或磁流变流体悬浮液中得到了证明。然而，由此产生的结构要么表现出较长的驱动时间，缺乏可逆性，要么具有较高的结构复杂性，不能整体制作。近年来，多材料3D打印技术已成为一种能够制造由多种不同性质的材料组成的复杂结构的有力平台。如果仔细选择组成材料、空间分布和建筑结构，多材料结构可能会表现出随环境条件而变化的有效性能。

近日，来自哈佛大学Paulson工程与应用科学学院Jochen Mueller等人介绍了一类新的热可调晶格，可以由多材料3D打印单片制造，并显示可编程响应，包括刚度、泊松比和形变模式。为了实现这一目标，他们将一种加热后显著减弱的活性材料与一种在实验条件下具有几乎不依赖温度特性的被动式材料相结合。在数值分析的指导下，他们证明了这两种材料在打印晶格中的分布会在高温下产生巨大的力学性能差异，而不会改变环境条件下的行为。虽然他们专注于三角晶格，并使用温度作为刺激，但他们的策略可以很容易地扩展到其他结构和环境刺激，为自适应安全和运动设备、变形航天结构和可重构软机器人的设计和制造开辟了新的途径。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（詹若男）

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Jochen Mueller et al. Architected Multimaterial Lattices with Thermally Programmable Mechanical Response. Adv. Funct. Mater. 2021, 2105128

DOI: 10.1002/adfm.202105128

液晶弹性体（LCE）是一类软活性材料，能够在热或光刺激下发生大的可逆形状变化。由于其优良的驱动性能（如大可逆应变和快速响应），LCE已被广泛应用于人造肌肉、软驱动器和软体机器人。由于液晶的各向异性，固体LCE薄膜仅提供出色的单轴驱动性能（即沿液晶排列方向），已被用于实现复杂的驱动模式（例如弯曲、滚动和扭曲）。如果LCE配备了类似的双轴驱动能力（如驱动应变>40%），那么将会有巨大的应用机会（如组织再生、内脏修复和人工器官）。然而，在传统的制造技术中，固体LCE薄膜的排列主要是通过分子与表面、外部机械拉伸或磁场的相互作用来实现的，这不能用于制造具有高双轴驱动应变（如>10%）。虽然最近开发的3D打印技术能够制造具有预先设计对齐的LCE结构，但由于3D打印LCE结构的机械性能（如拉伸性和强度）有限，因此报告的双轴驱动应变（≈20%）并不高。到目前为止，能够提供出色双轴驱动性能（如双轴应变>30%和双轴应力>50kPa）的LCE材料的开发仍然是一个挑战。此外，LCEs在生物集成应用中的使用需要较低的驱动温度（如皮肤再生<50℃），但LCEs的低温驱动策略尚未得到很好的发展。

近日，北京理工大学方岱宁院士和清华大学张一慧教授团队开发了LCE超构材料的独特力学引导设计和制造方案，允许获得前所未有的双轴驱动应变（-53%）和双轴热膨胀系数（-33125 ppm·K^-1），显着超过之前的报道。使用优化成分比的低温合成方法使LCE超构材料能够在显着降低的驱动温度（46℃）下提供相当高的驱动应力/应变。基于开发的制造方案，报告了一种生物相容性、透气性、止血贴片，它由一层LCE超构材料组成，当安装在皮肤上时提供可调的双轴收缩，以及一层敷料，同时提供化学治疗。对圆形和十字形伤口（分别对应于撕裂和切开的伤口）进行了不同策略（包括敷料、缝合、无驱动贴片和驱动贴片）的体内动物实验，结果表明通过使用可收缩、止血贴片，同时避免疤痕和瘢痕疙瘩的产生。由于形成的止血贴片只在皮肤表面提供快速的物理收缩，它还可以避免在使用医疗奴役期间可能引起的压力引起的疾病（如皮肤溃疡、压疮或组织坏死）。这项工作首次展示了LCE的生物集成应用，为其他广泛的应用铺平了道路，如术后伤口恢复、内脏修复、组织支架植入和药物输送。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

植物通过各种各样的被动策略传播种子，每一种策略都是自然选择持续过程的结果。植物学家根据它们的传播载体对这些方法进行分类，主要类型是重力、机械推进、风、水和动物。其中，风是功率最大、适用范围最广的一种。种子的3D形状经过优化，以利用这种环境下的空气流动，可以支持受控自由落体中的稳定动力学下，促进其长达数百公里的运输。虽然蒲公英种子与环境空气之间的某些相互作用是已知的，但其他类别的风传播种子的介导飞行的流动物理学还没有得到很好的解释，也没有探索微系统技术的传播。就像植物利用种子和被动机制来传播遗传物质来繁殖物种一样，利用类似的方法来分发微型电子传感器、无线通信节点、能源收集组件和各种物联网技术，作为跟踪环境过程的监视器，作为指导补救工作的辅助，或作为支持分布式监控的组件。风传播的种子采用的几何形状可以被解释为一个由重力和固定生命形式控制的物理问题的进化解决方案，在被动自由落体过程中优化动态稳定性和运输距离。

近日，清华大学张一慧教授与美国西北大学John A. Rogers教授、黄永刚教授、美国伊利诺伊大学香槟分校Leonardo P. Chamorro教授团队受风传播种子的启发，研究并设计了用于在自然环境或城市环境中进行受控、无动力飞行的被动结构。3D介观结构的机械引导组装技术提供了微型3D飞行器的使用途径，该飞行器在与电子、光电、微流体和微电子机械技术的最先进生产技术相一致的过程中进行了优化。该制造方案利用受控机械屈曲工艺将使用最先进的平面处理和光刻技术形成的平面前体结构转换为所需的3D布局。文章展示了一系列以这种方式生产的3D宏观、介观和微观飞行器，包括那些有源电子和色度有效载荷的飞行器。对此类高性能结构的空气动力学进行分析、计算和实验研究，建立了一系列仿生设计的基本考虑因素，重点关注具有受控旋转运动学和低终端速度的3D飞行器。将这些复杂的3D结构表示为离散数量的叶片的方法，以简单的分析缩放形式捕获基本物理规律，并通过计算和实验结果进行验证。用于环境测量的无电池、无线器件和色度传感器提供了这些不同寻常概念的广泛应用的简单示例。生态系统可吸收压电致动器或替代的主动机械组件可以增强对飞行动力学的控制。这种可能性代表了未来工作的有前景方向。相关研究发表在《Nature》（封面文章）上。（徐锐）

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