超材料前沿研究一周精选 2021年7月1日-2021年7月4日

拓扑绝缘体是一种新发现的物质状态。其独特的特性之一是手性表面电流，在拓扑上保护其不受缺陷和无序散射的影响，而主体材料仍然保持绝缘。在凝聚态系统的第一次实验实现之后不久，拓扑概念在其他物理领域迅速传播，导致了拓扑动力学在各种平台上的实验演示，特别是在光子学领域。近年来，高阶拓扑绝缘体(HOTIs)的存在作为这些概念的一种推广，被提出并在固态系统以及其他大量平台(包括声学和光子)中得到了实验证明。在这种新型的拓扑相位中，拓扑非平庸边界模的维数比体积低于一维以上。尽管HOTIs的研究仍处于初步阶段，但这些系统的应用潜力已得到广泛认可，例如，用于利用角态异常强的模态约束的鲁棒低损耗腔体。此外，HOTIs还与晶格偏向等实空间拓扑缺陷有关，这些缺陷可能使马约拉纳束缚态和非交换编织统计得以实现。

近日，来自德国罗斯托克罗斯托克大学物理系的Marco S. Kirsch等人实验证明了非线性高阶拓扑角态。该工作的光子平台能够观察非线性拓扑角态以及这种拓扑结构中孤子的形成。该工作为探索物质在非线性状态下的拓扑特性铺平了道路，并可能预示着一种新的紧凑器件，以按需方式利用拓扑的有趣特性。相关工作发表在《Nature physics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-021-01275-3

由等离激元或介质纳米天线组成的超表面因其具有亚波长分辨率的超短距离任意裁剪波前的能力而引起了人们的极大兴趣。由超单元和不同的超表面工作机制提供的不同自由度的设计可对输出光的振幅、相位、偏振、频率、或/同时具有多个参数的操作，这带来了各种新的应用，如超透镜，非线性光学，全息，彩色印刷，以及光学防伪和加密。基于超表面的全息术由于能够恢复和重建目标的全波信息，被广泛用于在预定的位置编码所需的图像。为了提高超表面全息图的信息能力，有必要采用合适的多路复用方法对单个超表面内的多幅图像进行编码，有利于加密、防伪、信息存储等应用。由于光的基本性质，频率、偏振、入射角、轨道角动量以及入射光的入射方向都是可用于实现多路复用的光通道。近年来，通过在亚波长尺度上调制光谱响应和空间响应，或者利用精心设计的超表面对输出光进行多维调制，来实现对真实空间和k空间中不同图像的同时编码。

近日，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心Lingling Huang等人设计了一种基于Malus定律的双折射介质超表面，利用非均匀偏振分布实现实空间灰度图像编码，利用输出光不同偏振分量的相位分布实现k空间矢量全息图像的重建。这种新的功能是通过利用介电超表面同时提供的输出光的偏振和相位的操纵来实现的。此外，通过将该方案与深度学习方法或其它计算全息图的算法相结合，可以进一步增加在实空间和k空间中单个超表面编码的图像数量，从而实现了模拟散射物体自然偏振态的终极矢量全息。该方法可以提高防伪、加密等应用的信息能力和安全水平。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。(丁雷)

文章链接：Ruizhe Zhao et al, Polarization and Holography Recording in Realand k-Space Based on Dielectric Metasurface, 2021, Advanced Functional Materials.

DOI: 10.1002/adfm.202100406.

自2011年关于广义Snell定律的推导和超表面概念的提出以来，超表面因其可行性高、低损耗、易于制造而受到大家的广泛关注。它呈现出许多前所未有的电磁特性，例如对电磁波的灵活控制，这是天然材料所不具备的。目前已经有负折射率和隐形斗篷等光学的研究成果。已经实现了许多新的现象和应用，例如异常折射/反射、偏振转换器等。异常折射 (AR) 的关键因素是通过超材料结构单元产生相位梯度来引入平面波矢量。传统方法是通过改变单元的大小或旋转方向来设计超表面单元，实现2π相位覆盖。

超表面提供了一种调制电磁 (EM) 波波前的新方法，其中相位调制是控制 EM 波的重要方法。通常，可以通过改变超表面单元的大小来连续调制相位。但是对于宽带设备，相位变化在很宽的频率间隔内随频率线性变化是不可避免的，这对于透射超表面来说限制了其进一步发展。近日，来自空军工程大学的Xingshuo Cui研究小组提出了一种0-1编码方法，通过使用遗传算法（GA）来实现宽带的线性相位透射和高振幅传输对。为了验证该方法，研究者基于具有 60° 间隙的六个超表面单元阵列设计了波束弯曲超表面。仿真和实验结果表明，超表面偏转器在 8 至 12 GHz 范围内实现了完美的光束折射，与理论计算一致。此外，随着频率的变化，工作效率保持在75%左右，这表明超表面具有良好的稳定性。这种方法为宽带设备的设计提供了新的视角。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1364/OE.426187

人们对从天然丰富的、最低限度加工的材料中开发光活性基底有着广泛的兴趣，这些材料有助于克服合成塑料基底的环境挑战，同时也从生物设计原理中获得灵感。迄今为止，大部分努力都集中在通过调整原纤维和纤维尺寸以及化学修饰来合理地设计基于纤维素的材料的微米级和纳米级结构特性上，而从具有不同形态特征的其他种类的天然材料中设计光活性基质的潜力还很大。考虑到这些点，花粉粒是一种有前途的天然材料选择，因为它们是可持续丰富的中空微粒，具有物种特异性的建筑特征。例如，向日葵花粉粒有尖尖的附属物、纳米级的孔和三重结构。已经有研究报道了花粉粒的几种材料科学应用，例如药物载体、3D支架、压力传感器和吸油海绵。最近，基于在碱性溶液中培养花粉粒的简单方法已经被开发出来，这种方法只需要很少的处理就可以将坚硬的花粉粒转化为柔性的微凝胶和纸结构。与现有的基于缠结网络结构的天然材料基质相比，仍然迫切需要表征和合理调节花粉衍生材料的光学性质，并探索它们作为具有独特设计原理的光活性基质的潜在适用性。

近日，来自新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院的Youngkyu Hwang等人报道了柔性花粉衍生基底的制造，由于组成花粉颗粒的微纳米结构性质，该基底表现出高透明度(> 92%)和高雾度(> 84%)，该组成花粉颗粒容易从自然界获得，并且需要最少的提取或处理来形成基于胶体自组装的纸状基底。实验和模拟证实了花粉基质的光学性质是可调的，并且是由光-物质与花粉颗粒的尖状表面的相互作用产生的。在概念验证的例子中，花粉衬底被结合到功能性钙钛矿太阳能电池中，而固有的微/纳米结构花粉衬底的可调光学特性可用于广泛的光电应用。相关内容发表在《Advanced Materials》上。（詹若男）

文章链接：Youngkyu Hwang et al. An Intrinsically Micro-/Nanostructured Pollen Substrate with Tunable Optical Properties for Optoelectronic Applications. Adv. Mater. 2021, 2100566 DOI: 10.1002/adma.202100566

近二十年来，声学超材料取得了巨大进展，其中声学超表面是尺寸小型化的一个重要选择。超表面提供了任意调整局部相移和将平面波重塑为涡旋波束的能力，具有紧凑尺寸和平面轮廓的优势。然而，大多数涡旋超表面是基于相位梯度设计策略构建的，通过一系列单独构想的单元对超表面进行局部设计，而忽略了单元间的非局域耦合。理论上，相位梯度超表面是基于出射波在局部能流守恒条件下具有可调相位梯度分布的假设。然而，这种假设是无效的，因为出射波必须满足亥姆霍兹方程，该方程揭示了孔径处相位剖面的任何修改都应伴随着场振幅的适当变化。因此，在形成的场中会出现意外衍射级，特别是对于沿表面具有较大相位梯度的模式。为了克服这一问题，需要放宽局部能流守恒条件的限制，用非局部能流守恒条件代替局部能流守恒条件，这意味着超表面的单元需要协同设计。 

近日，华南理工大学物理与光电学院的侯志林教授和同济大学物理科学与工程学院的李勇教授团队拓展了圆柱波导中导模的光栅理论，并用它精确地描述圆柱波导中声波模式的散射行为。他们将这一理论与相干理想吸收体的概念和优化算法相结合，设计了一种可以任意变换涡旋模式拓扑电荷的声学超光栅。该超光栅，可以将入射的平面波转换成一阶、二阶和三阶涡旋模式。通过有限元模拟和实验测量对所预测的结构进行了验证，为所设计的平面超薄被动式声涡旋发生器提供了理论依据。与在局部功率流守恒条件下设计的相位梯度超表面相比，该结构是完全非局部的，允许沟槽之间完全的横向能量交换。他们的工作突破了这一障碍，获得了高效的声涡旋束，为声通信和操纵装置的发展提供了机遇。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.014002

超材料为人工控制亚波长范围内的电磁波并获得独特的光响应提供了一种策略。自2000年首次实验演示以来，各种超材料设计因其传统材料所没有的独特性能而引起了人们的极大兴趣。通过对几何尺寸的适当控制，可以设计出超材料的介电常数或磁导率以满足所需的应用。一般来说，它们可以缩放到整个电磁频谱，包括微波，太赫兹(THz)，红外(IR)和可见光范围。随着超材料的快速发展，在隐身器件、热光电、微流控检测、生物医学传感等领域都有报道。大多数现有的超材料可以被动地控制以执行特定的电磁功能。然而，主动控制超材料的设计被提上了议程。因此，液晶、激光泵浦、相变材料等活性超材料受到越来越多研究人员的关注。然而，由于天然材料的非线性特性，这些调谐方法存在许多局限性。微机电系统(MEMS)与超材料的集成通过其可重构能力为实现可编程性提供了新的途径。

近日，中山大学电子与信息技术学院林佑昇团队等人提出并演示了一种基于MEMS的元器件，它使用可切换的“杯形绕组”悬臂超材料(WCM)进行主动逻辑调制。WCM可以由外部驱动电压驱动，逻辑调制位通过释放MEMS悬臂梁来表示开、关状态。虽然在释放悬臂梁后，基于MEMS的元器件的衬底表面很粗糙，但允许元器件在可重构的开关状态下操作，避免在系统过载时设备崩溃。这种可重构和可编程的MEMS元器件具有同时执行”或”门和”与“门逻辑操作的多功能特性。利用基于MEMS的元器件的调谐机制，可以将任意的超材料结构植入WCM中。这为进一步在光电领域扩大工作频率范围的应用开辟了广阔的途径。该研究结果为多功能开关、主动逻辑调制和光计算应用提供了各种可能性。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

文章链接：RUIJIA XU et al, Actively logical modulation of MEMS-based terahertz metamaterial, Photonics Research(2021).

https://doi.org/10.1364/PRJ.420876.

拓扑材料的表面和边缘态工程为未来的电子器件提供了巨大的希望。由于大部分材料的拓扑性质，表面状态的出现，不受弹性和非弹性散射的影响，特别是，研究者们很早就意识到拓扑保护的手性(单向)或螺旋(双向)边缘态提供了无耗散的“量子线”，在传感器、低功率电子器件和量子信息技术中具有潜在的应用。设计这种“量子线”的一个关键部分是要求在边缘状态之间有稳定的可调结。虽然手性边缘态提供了载流子传播的方向控制和防止杂质反向散射的(拓扑)保护。这一点首次在2D电子气的量子霍尔边缘态得到证明，但这些系统需要非常低的温度和外部磁场。为了完全控制边缘态波函数的混合和干涉，需要稳定和可调的结。

近日，来自美国新泽西州州立罗格斯大学材料理论中心、物理与天文系的Nicodemos Varnava等人在最近的候选材料中使用反铁磁拓扑绝缘体来实现这一点，该绝缘体支持两种不同类型的无间隙单向通道，一种来自反铁磁畴壁，另一种来自单高度台阶。它们独特的几何性质使它们能够牢固地相交形成量子点结，然后通过磁性和静电局部探针对它们进行控制。他们展示了稳定和可调结的存在、本征磁性和高温性能的潜力如何使反铁磁拓扑绝缘体成为电子量子光学和微电子应用的一个有前途的平台。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Nicodemos Varnava et al. Controllable quantum point junction on the surface of an antiferromagnetic topological insulator. Nature Communications (2021) 12:3998 https://doi.org/10.1038/s41467-021-24276-5

在基础设施工程中，连接或密封两种相似或不同的材料对进展至关重要。在许多情况下，理想化无缝接头的假设通常不能在计算中得到考虑，然而忽视其固有特征尺寸和本构行为往往会导致基本设计缺陷。由有限厚度粘合层介导的不同接头成分之间的复杂相互作用，在结构完整性中起着基本作用，即加载和破坏过程中的行为。更厚和更柔顺的粘合层可以提供一系列不可忽视的优点，如增强的断裂韧性和损伤容限，或更好的阻尼和绝缘性能。然而，这是以体积/重量比损失、刚度降低和靠近粘合材料表面形成的应力梯度为代价的。在框架内，晶格核心的主要作用是确保连接材料之间的距离，从而通过使用最少的材料来增加弯曲刚度。胶层的作用在很多方面与夹心芯材的作用大不相同。粘合层的使用和设计旨在确保结构完整性并最大限度地提高接合材料之间的载荷传递效率。

近日，英国爱丁堡大学Marcelo A.Dias和丹麦奥胡斯大学Michal K.Budzik团队提出了力学超构材料的新应用。力学超构材料的研究已经引起了广泛的关注，但其广泛的应用仍处于停滞状态。通常力学超构材料被认为是独立的，因为所有的特征长度只与材料本身的几何形状相关。他们用力学超构材料连接两种材料界面区域，用于替代粘合剂。这一想法导致了超构材料和粘接接头的范式转变。概述了在断裂力学框架内测试和评估约束晶格材料的方法。理论和数值方法相互交织，揭示了设计过程中需要考虑的一组关键参数。探索了以拉伸和弯曲为主的晶格，并提出了失效图，表明对某种失效模式的敏感性取决于每个晶格单元的限制水平和特征尺寸。建立了一个一致的理论框架，将超构材料界面与复合材料粘附体统一起来，从而产生失效载荷预测能力。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

A. E. F. Athanasiadis, M. A. Dias, M. K. Budzik. Can confined mechanical metamaterials replace adhesives?[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101411

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。