超材料前沿研究一周精选 2021年8月1日-2021年8月8日

近日，来自于英国南安普顿大学的高级研究员申艺杰博士在理论上提出了一种结构光的全新拓扑态——双半子（bimeron），这是一种打破斯格明子（skyrmion）拓扑态限制的广义准粒子态。本文构建的矢量光束在其偏振斯托克斯矢量场完美模拟了双半子的粒子结构，它可以具有可控的拓扑数，揭示了比光学斯格明子态更广泛的拓扑变换性质。相关工作“Topological bimeronic beams”发表在光学权威期刊Optics Letters，并被评为编辑精选（Editor's Pick）文章。 

在粒子物理和磁性介质领域中，具有复杂结构的拓扑准粒子在信息的处理与存储种有很大的潜力。其中最具代表性的自旋拓扑结构就是斯格明子。这是携带有非零拓扑荷的纳米级圆形畴壁。斯格明子最近在结构光学领域中提出，已经成为了拓扑光学领域一个重要的研究方向。研究人员已经发现了许多从斯格明子演化而来的自旋拓扑结构。双半子是利用斯格明子经过连续拓扑变换得到的，也可以看成是有两个极性不同的半斯格明子（又称半子）组合而成。双半子因相较于传统的斯格明子具有更加广泛的拓扑态已然在基础物理和磁性材料领域中扮演着重要的角色。但是，时至今日，光学中的尚未有相关报道。实现光学双半子的方法是利用特殊矢量结构光的叠加使得其在实空间中利用偏振斯托克斯矢量构建出与双半子结构相似的拓扑结构。双半子态的意义在于给结构光提供一种更广泛的拓扑调控，除此之外，本文提出类比于2D庞加莱球的新型图像化模型——3D庞加莱球用于表征双半子拓扑变换，并作为一种直观的工具指导之后的工作。此外，该光束传播的过程中，可以形成在理论上预测到出现多种拓扑态，这种3D矢量光束有着极其简洁而优雅的拓扑特征，满足如今对于高阶结构调控的迫切需求，同时保证了现代光学通信与加密对于更大带宽和以及在信息处理中更快速的要求。（SHEN LAB）

图1：斯格明子与双半子的表征。斯格明子可以被表示为一组在单位自旋球上的3D矢量展开到2D平面上。同理，双半子作为斯格明子的一种拓扑变换也可以利用同样的映射来表述，不过在映射的过程球上的经纬度进行了重整。

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Y. Shen, "Topological bimeronic beams" Opt. Lett. 46(15), 3737-3740 (2021).(Editor’s Pick)

窄线宽可见光激光器对于原子、分子和光学(AMO)物理至关重要，例如原子钟、量子计算、原子和分子光谱学以及传感等。历史上，有必要使用锁定在蒸汽室或大型光学参考腔上的宏观激光系统，以获得解决原子中窄光学时钟跃迁所需的低相位噪声和高频率稳定性。这些实验室规模的系统在提供一流性能的同时，也对日益复杂的原子和分子实验以及便携式甚至自主光学时钟提出了挑战。需要更小和更可靠的可见波长激光器，以便实验可以在波长、原子或分子的数量和总体复杂性方面进行扩展。光子集成提供了一条使这些激光系统小型化并提高其可靠性的途径。受激布里渊散射是实现高相干片上可见光激光发射的一种很有前途的方法。但迄今为止，光子集成SBS激光器中的可见光发射仍然面临着巨大挑战，例如在可见光中实现超低损耗的布里渊有源平面波导，导致的低效的布里渊散射，并阻止在长光子引导寿命、短声子引导寿命、大谐振器光子寿命和大谐振器模式体积的期望工作状态下的SBS激射等。

近日，来自美国加州大学圣巴巴拉分校电气与计算机工程系的Nitesh Chauhan等人报告了可见光光子集成布里渊激光器的演示，其发射波长为674 nm，光阈值为14.7 mW，对应于4.92mW um^-2的阈值密度、269 Hz的线宽。在可见光氮化硅/二氧化硅全波导谐振器方面取得了重大进展，比如克服可见光中的SBS障碍，包括1 dB/meter的波导损耗、5540万品质因数(Q)以及25.110 GHz斯托克斯频移和290 MHz增益带宽的测量。集成超窄线宽可见波长SBS激光器的这一进展为紧凑的量子和原子系统以及越来越复杂的基于AMO的物理和实验的实现打开了大门。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Nitesh Chauhan et al. Visible light photonic integrated Brillouin laser. Nature Communications (2021) 12:4685

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24926-8

光学微谐振器利用克尔非线性通过腔谐振模式之间的四波混合提供宽带参数增益，其中泵浦光子对可以湮灭，以产生低频率和高频率的信号和惰性光子。克尔参数化过程已被用于演示基于微谐振器的频率梳（微梳）和耗散的克尔腔孤子，并彻底改变了从计量学到光谱学的广泛应用。近年来人们对微梳量子特性进行了研究，发现微梳能从单个微谐振器中提供数百个频率多路量子通道。借助于微梳大的自由频谱范围(FSRs)，可以通过现成的波长分裂复用滤波器访问单个量子通道，这与光纤或基于体积谐振器的梳状结构的更精细的FSRs相比，微梳大的自由频谱范围(FSRs)可以从几GHz到1 THz。当量子微梳与集成光子电路相结合时，量子微梳具有彻底改变光子量子信息处理的潜力。

近日，来自以色列希伯来大学的Roy Zektzer 等人演示了一个确定性的硅基微谐振器上的量子微梳。在通信波长的1THz光跨度内，观察到40个连续可变的量子模式，同时以20个双模压缩梳对的形式存在。最大原始压缩量为1.6dB。此外，该工作开发了一种高分辨率光谱测量方法来表征量子微梳的频率等距距离。该工作提供了一种可能性，即可以利用确定性生成的、频率多路量子态和集成的光子学，在光谱学、量子计量学和可扩展的、基于连续变量的量子信息处理领域开辟新的途径。相关工作发表在《Nature Communications》上。(郑江坡)

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-25054-z

集成光子器件在过去的几十年里一直是一个广泛研究的课题。受电子学中互补金属氧化物半导体革命的推动，这项研究的目的旨在降低光子器件和系统的成本、足迹和功耗的同时，还能够使高速运行和大规模集成成为可能。纳米制造与材料科学技术的不断发展促进了微型光子芯片级器件的出现，这些都受益于在波长甚至亚波长尺度上精确控制光—物质相互作用的能力。

与此同时，许多目光也放在原子蒸汽这一领域，这是由于其在量子物理、时间和频率标准化、磁力测量和其他传感应用(如温度和电磁辐射)等领域有众多应用，通常，测量和操纵原子状态是使用复杂的光学系统和体积庞大的蒸汽电池；然而，最近在集成光子器件的量子飞跃为构建集成蒸汽电池铺平了道路。将毫米级原子蒸气电池与集成光子器件集成，就产生了小型化的磁强计、频率基准、稳定的布里渊激光器和稳定的频率梳。在传播空心芯纤维、空心芯波导、锥形纤维和表面等离子体激元等波平台方面也取得了很大的进展。

近日，来自以色列希伯来大学的Roy Zektzer 等人提供了一个芯片尺度集成蒸汽电池的新范式，通过实验演示纳米原子悬浮波导，该波导引入了悬浮在铷蒸汽中的纳米尺度氮化硅波导。如此，光模式的特性和光-蒸汽相互作用的特性是由波导尺寸控制的，并可以为特定的应用精确定制。与之前发表的原子包层波导相比，该器件允许大幅减少多普勒和传输时间的展宽，并提高了蒸汽相干时间。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41566-021-00853-4

超声波具有卓越的穿透性、方向性、生物相容性和非放射性，可在生物医学领域进行无损伤检查。在临床实践中，聚焦超声是一种通用的诊断技术，高强度聚焦超声被广泛用于外科手术中的肿瘤治疗，它体内无创神经刺激治疗神经系统疾病方面具有相当大的潜力。传统的超声聚焦是通过有源换能器阵列或弯曲形状的透镜实现的。然而，这些方法局限在于复杂的电路调制、有限尺寸的换能器、庞大的声学系统和海量数据处理，其结果是空间分辨率有限，于是研究者提出声学超材料作为高精度声学聚焦的被动方案在一定程度上消除这些限制。目前，基于超材料的声点聚焦和手术刀束主要用于空中声音，而在工业工程和生物医学科学中发挥关键作用的水下超声聚焦仍然是一项具有挑战性的任务。

近日，复旦大学信息科学与技术学院生物医学工程中心的Xue Jiang教授和Dean Ta教授团队通过理论和实验证明了基于超声超表面的水下超声聚焦在宽频带上的兆赫频率。超声能量被超表面反射并精确会聚在特定的空间位置，产生三维点聚焦和超声聚焦手术刀，其能量集中在“针”区域。半峰全宽 (FWHM) 和半峰全长 (FLHM) 用于评估超声聚焦的性能。他们实现了具有高空间分辨率（1 MHz 时 FWHM 为 0.63λ 和 FLHM 为 2.75λ）、宽有效频率范围（0.5-1.4 MHz，1.5倍频程）和可调焦距（18.5-71 mm）的三维点聚焦。此外，该团队还评估了焦点区域的温度升并研究了其对入射频率的依赖性，这将有利于超声治疗，如生物组织分割、消融和凝固。在兆赫频率下实现宽带和多样化的水下超声聚焦将提供额外的超声聚焦途径，并促进其在集成超声设备和多功能生物医学应用中的发展。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.16.024006

凝聚态物理过去几十年的研究表明，异常强大的电子运动发生在一类被称为拓扑绝缘体的绝缘体的边界上。这些想法超越了固态物理，预测了包括光子学、声学和机械系统在内的系统中的引导边界运动。在不使用外部磁场的情况下，对失衡系统进行集体引导，这在活性物质领域是一项至关重要的挑战，例如从细菌菌落到成群的自推进粒子。设计策略来引导活性物质并利用与其运动相关的增强扩散将为从传感、药物输送到水修复的应用提供一定的见解。然而，在不破坏详细平衡的情况下实现定向运动是具有挑战性的。

近日，来自西班牙巴塞罗那科学技术研究所(BIST)、加泰罗尼亚生物工程研究所(IBEC)的Lucas S. Palacios和法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Serguei Tchoumakov等人设计了一个二维周期性地形设计，在其单元中有详细的平衡，在其中他们观察到自发的粒子边缘引导和自推进粒子的拐角积累。这种紧急行为由二阶非埃尔米特趋肤效应保证，这是一种拓扑上鲁棒的非平衡现象，他们用它来动态打破详细的平衡。他们的随机电路模型预测，在不拟合参数的情况下，如何通过设计来控制和增强引导和积累:如果表征粒子的拓扑不变量为非零，则设备可以更有效地引导粒子。他们的工作在活性物质和拓扑物质之间建立了一座富有成效的桥梁，他们的设计原则为设计显示自发的、鲁棒的和可预测的导向运动和积累的设备提供了蓝图，这些运动和积累由非平衡拓扑保证。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Lucas S. Palacios et al. Guided accumulation of active particles by topological design of a second-order skin effect. Nature Communications (2021) 12:4691

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24948-2

人工设计的超材料及其二维超表面具有更小的波长周期性，为近场区域的电磁场操纵提供了新的自由度。这些人工材料通常由带有亚波长包含(“超单元”)的人造周期系统组成，可以取代电磁性能更有限的传统材料。人们提出了多种结构来引导近场区域的电磁波，设计具有亚波长尺寸的非常规波导和拓扑保护，并实现几何不变谐振结构或紧凑腔，同时表现出非常高的质量因子和超低体积模式。可以通过分析透射光谱、吸收光谱和反射光谱进行实验表征。在近场中，通常采用特殊的扫描技术来表征本征模场分布。近场成像的标准技术是基于通过安装在机动平台上的探针天线从不同空间位置收集信号。利用该机制对微波、红外和光学频率范围内不同超表面本征模的近场成像。超表面已经被用于磁共振成像（MRI）的各个方面，例如，改进元件解耦，提高本地传输效率，增强接收灵敏度。

近日，俄罗斯ITMO大学物理与工程学院Alexey P. Slobozhanyuk等人展示了超表面的一个重要特征，通过在一个狭窄的频率范围内激发大量本征态的亚波长场限制，并展示了在MRI系统的帮助下可视化超表面本征模式的轮廓的一种创新的方法。研究结果表明，通过调整不同的特征模的超表面的拉莫尔频率，在MRI实验中，可以被动地调整近场分布来调节所需的射频激发模式。该作证明了一种实用的无扰动的快速成像超表面本征模的方法。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

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P. Slobozhanyuk et al, Visualization of Metasurface Eigenmodes with Magnetic Resonance Imaging,Physical Review Applied(2021).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.L021002.

线性机械系统只有一个稳定的平衡态，而非线性系统可能有一个以上的势能局部极小值，即有多个稳定的平衡态。双稳态结构具有两个稳定的平衡态，表现出与线性结构截然不同的性质和性能，尽管这是多重稳定性的最简单情况。这两种稳定平衡状态通常对应于几何上不同的构型，这表现了一种突弹跳变的动作，即从一种稳定平衡状态过渡到另一种稳定平衡状态，将导致大位移和大变形，包括显著的曲率变化或应变变化，特别是在弹性变形大的柔性结构中。这种位移和变形不像线性系统那样需要连续的输入来维持。同时，与这种位移和变形相对应的线性结构相比，突弹跳变的势能垒通常较低。双稳态结构的这两个内在特征使其具有多功能性，并且在各种应用中具有前景。在突弹跳变动作中，通过大位移的有限大小的力来做功，因此，在合理设计的双稳态系统中，能量可以被吸收、稳定存储并可能反向释放。这种特性使其能够在冲击下用于能量吸收和保护。

近日，美国密歇根州立大学曹长勇教授团队综述了双稳态结构在新型高级功能系统方面的进展，包括执行器、能量收集器、微机电系统（MEMS）、机器人、能量吸收器和可编程器件以及超构材料。执行器、机器人和MEMS、可编程设备和超构材料的输出是能量输入时的位移或变形。能量收集器和能量吸收器在位移或变形输入下收集和存储能量。双稳态/多稳态的非线性结构突出了可控的突弹跳变运动。最后，讨论了主要原理、结构、优缺点、未来的研究方向及其挑战。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Cao, M. Derakhshani, Y. Fang, et al. Bistable Structures for Advanced Functional Systems[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202106231

通常情况下，设备的形状可以针对某种特定的功能进行优化，但许多应用中提供相互冲突的功能。针对不同的外部触发器，在多个尺度上研究了设备中特定形状变形行为的实现。一方面，系统级有许多方法，其中变形通常由电动机、压电致动器或多材料系统驱动。另一方面，通过微结构的几何形状的适应可以实现形状变形，这可以在原子尺度上完成。多年来，线性有效特性如泊松比和杨氏模量已在材料中进行设计。在超构材料中，设计了周期性排列的单元，其特性优于自然界中的单元（如负泊松比和高比刚度）。此外，增材制造可以很容易地改变材料局部单元的几何特征。这种方法使得所谓的梯度材料中的材料特性不均匀分布，从而在加载过程中产生不同的形状。设计形状变形行为不仅需要控制恒定的属性，还需要控制它们的演变方式，例如，依赖应变的泊松比。

近日，德国弗劳恩霍夫材料力学研究所Franziska Wenz教授团队提出了在单元中整合力学机制的不同方法，从而产生各种非线性弹性（但仍然可控）行为。这种行为可以用处理函数和if-then-else条件来描述。将单元组装成宏观材料，并通过单元的几何参数进行局部调整，实现单元的功能和条件的局部调整。分布在材料中的不同特性（刚度、泊松比）的组合导致了垂直于施加荷载的特定形状。此外，逻辑语句允许对材料的形状进行全局编程。接着，又展示了如何在增加的应变下从初始形状转换为目标形状的三种情况。在第一种情况下，通过线性增加横向变形的幅度来获得目标形状。在第二种情况下，目标形状以线性步骤填充。在最后一种情况下，目标形状是通过移动材料中凸起的位置来实现的。为了实现第一种情况，需要一个单元来处理依赖于一个可调几何参数的线性函数。对于第二种情况，可以通过几何参数调整的if-then-else条件在单元格中实现。第三种情况需要一个单元来处理正弦、非单调函数以及if-then-else条件以及材料中的全局刚度梯度。使用参数化单元、均质化技术和优化的多尺度方法降低了复杂性，并有助于可编程材料取代复杂的系统。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

F. Wenz, I. Schmidt, A. Leichner, et al. Designing Shape Morphing Behavior through Local Programming of Mechanical Metamaterials[J]. Adv Mater, 2021: e2008617.

https://doi.org/10.1002/adma.202008617

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