超材料前沿研究一周精选 2021年3月31日-2021年4月4日

3D打印彻底改变了电子、光学、能源、机器人、生物工程和传感的制造工艺。缩小3D打印尺寸将使利用微结构和纳米结构的特性的应用成为可能。然而，现有的金属纳米3D打印技术需要聚合物-金属混合物、金属盐或流变性油墨，这限制了材料的选择和最终结构的纯度。气溶胶光刻技术以前曾被用于在预先模压的衬底上组装高纯度的纳米3D金属结构阵列，但其几何形状有限。改变纳米级的平移速度可以实现两种打印模式：尖端定向生长和表面书写。前者对应较慢的速度，刺激悬垂的纳米管和螺旋的生长。提高平移速度会将打印转换为表面写入模式，在这种模式下，带电的纳米粒子会沿着纳米级的轨迹移动，以打印具有减小特征尺寸的结构。

近日，韩国浦项科技大学Junsuk Rho教授和韩国首尔国立大学Mansoo Choi教授介绍一种使用多种材料直接3D打印金属纳米结构阵列的技术，该阵列具有灵活的几何形状和小至数百纳米的特征尺寸。印刷过程在干燥的气氛中进行，不需要聚合物或墨水。取而代之的是，将离子和带电的气雾剂粒子引导到一个电介质掩模上，该介质掩模包含浮在偏置的硅基板上的一系列孔。这些离子聚集在每个孔周围，产生静电透镜，将带电的气溶胶粒子聚焦成纳米级射流。这些射流由在含孔掩模下形成的聚合电场线引导，其作用类似于传统3D打印机的喷嘴，使气溶胶颗粒能够3D打印到硅基板上。通过在打印过程中移动衬底，成功地打印出了各种3D结构，包括螺旋、悬垂的纳米管、圆环和字母。此外，为了展示该技术的潜在应用，还打印了一组垂直开口环谐振器结构。与其他3D打印方法相结合，希望纳米3D打印技术能够在纳米制造方面取得实质性进展。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）

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Jung, W., Jung, YH., Pikhitsa, P.V. et al. Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets. Nature 592, 54–59 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03353-1

3D软结构能够在暴露于外部刺激（如光、温度、湿度、pH值、电和磁场）下可逆的形状变化，在广泛的应用中有前景，如软机器人、微创医学和微型机器。形成这种结构的策略通常依赖于刺激响应材料的使用，包括水凝胶、形状记忆聚合物、介电弹性体、磁响应复合材料、液晶弹性体（LCEs）以及这些材料的异质组合。最近，LCEs是一类将聚合物网络的橡胶弹性与液晶的取向顺序相结合的刺激响应材料，由于其独特的特性（包括柔软的弹性以及响应中较大的可逆形状变化）而备受关注。LCEs的形状变化依赖于与液晶（LC）分子相关的可逆向列-各向同性转变。要对热响应LCEs进行编程以进行驱动，首先将介晶沿导向器排列以形成单畴，然后加热至各向同性清除温度以破坏介晶的顺序为各向同性状态并驱动宏观形状变化。引入了直接墨水书写（DIW）3D打印技术来制造LCEs的3D结构，由于长丝挤压引起的剪切应力，液晶元沿着打印路径的方向排列。然而，DIW式3D打印的性质使得在不使用牺牲性支撑材料的情况下，制造LCEs的空心、开放式3D结构（例如螺旋和圆锥形螺旋）非常具有挑战性，同样受到打印分辨率限制的DIW式3D打印通常会产生大型结构。

近日，北京理工大学Xiaogang Guo副教授和美国康涅狄格大学Xueju Wang教授引入了一种简单而通用的策略，通过机械屈曲对LC分子进行空间编程，来创建LCEs和磁性LCEs复合材料的可重构、独立的3D介观结构。演示了包括超过20种不同构型的可重构三维LCEs介观结构的实验和理论结果，从线圈和螺旋到类似栅栏和框架的结构，其特征尺寸和厚度从微观到宏观不等。研究还演示了这些结构在多个周期内的大的、可逆的形状转换行为。一个LCEs夹持器可以抓取/释放规则和不规则几何形状的物体。此外，一种铁磁LCEs复合材料的机器人可以同时响应磁和热刺激，产生多种仿生行为，特别是在狭窄的裂缝下爬行，这说明了其他功能材料与LCE的集成用于多功能系统。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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Y. Li, H. Yu, K. Yu, et al. Reconfigurable Three‐Dimensional Mesotructures of Spatially Programmed Liquid Crystal Elastomers and Their Ferromagnetic Composites[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202100338

近年来，人们对当两个相同的晶格以相对的面内旋转叠加在一起时，其丰富的物理学重新产生了兴趣。根据扭转角度，两种取向可以是相称的，使双层体系具有“超单元”周期性，或不相称的，其中体系是准周期性的。对这两个阶段及其相互作用的研究最近揭示了在双层二维(2D)材料中的一些新颖效应。

光子晶体是周期性的介电结构，它与周期性的电子系统非常相似。因此，探索双层扭转的光子晶体板结构是很有意义的。这是一种紧密的光子类似于扭曲的双层二维材料。此外，光子晶体的性质在本质上与电子晶体不同。而在二维材料中，电子被限制在二维层中，光子晶体板承载的引导电磁波有泄漏，这导致更强的层间相互作用，并允许通过外部入射光对系统进行信息探测。此外，与扭转的双层二维材料相比，扭转的双层光子晶体板在几何形状方面具有更大的设计灵活性。

近日，来自美国斯坦福大学应用物理系的Beicheng Lou等人通过高维平面波膨胀法分析了扭转双层光子晶体板的散射特性。该方法适用于任意扭转角，不受常用的超单元近似的局限性。该工作展示了该系统的强可调谐共振特性，它可以从与更简单结构的对应关系中半解析地解释。此外，该工作还观察到在该系统中的强可调谐共振手性行为。该工作为预测和理解扭转多层光子晶体系统丰富的光学物理提供了理论基础。该工作被选为“编辑推荐”文章。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevLett.126.136101

拓扑绝缘体将整体绝缘特性与沿边缘的无散射传输相结合，支持无耗散的单向能量和信息流，即使存在缺陷和无序。利用光子工具设计量子哈密顿量的可行性，结合纠缠光子的可用性，已经有研究提出了在光学量子计算和信息处理中使用拓扑保护纠缠态的有趣可能性。然而，当双光子态作为两个拓扑保护的单光子态的产物从它们的单光子“母体”继承完全保护时，高度的不可分性可能导致双光子态在通过无序传播后迅速恶化。

近日，来自德国柏林马克斯·博恩研究所、德国柏林洪堡大学物理研究所的Konrad Tschernig等人分析了两个不同拓扑绝缘体系统，霍尔丹晶格模型和对应于量子霍尔效应的非周期晶格中双光子边缘态耗散的可能机制。他们的结果表明，拓扑保护的关键是最小化初始双光子(联合)光谱与边缘-体和体-体光谱区域的无序诱导重叠。为了在不牺牲拓扑保护的情况下最大化纠缠，双光子态的联合谱相关图必须适合于定义明确的拓扑保护窗。他们的工作可能为研究满足保护条件的高纠缠多光子非高斯态的拓扑保护打开大门。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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Konrad Tschernig et al. Topological protection versus degree of entanglement of two-photon light in photonic topological insulators. Nature Communications (2021) 12:1974

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22264-3

增强光与物质的相互作用在传感、纳米光子学、非线性和量子光学等领域有着广泛的应用。通常，光与普通材料的相互作用很弱，对于非线性现象，大量的相互作用需要仔细考虑相位匹配，以确保来自不同区域的干涉能够产生建设性的作用。通过共振效应，纳米尺度上局域化，线性和非线性光-物质相互作用可以显著增强。近年来，等离子体电子学被认为是一个强大的平台，可以实现极端的光约束，并由此伴随着电磁场的显著增强，可以实现从传感到操纵光发射的大量应用，以及发射器的量子产率，实现与单分子的强耦合，增强光吸收和非线性现象。场增强方法通常依赖于共振效应，而共振效应与工作带宽有关，这严重阻碍了许多实际应用。

最近克服这些挑战的方法包括利用绝热跃迁到超受限等离子体慢光模式和奇异等离子体几何结构。这些解决方案在更宽的带宽上增强了场，但通常涉及其他权衡。最近，来自美国纽约城市大学（City University of New York）和纽约城市大学城市学院（City College of The City University of New York）的研究人员讨论了一种不同的机制来实现场局域化和增强光-物质相互作用，这种机制依赖于支持单一正向传播模式的非互易单向波导。单向波导能够在小的封装外形中适应任意强无序和宽带匹配的传播。此外，这些单向波导可以出现在具有不同带结构拓扑（以其Chern数为特征）的材料之间的界面上，类似于固态物理中的量子霍尔效应。有趣的是，在这些波导中没有后向通道意味着在终端处必须出现一个非互易热点，在该热点处电磁场在整个单向带宽上大大增强。最后，研究人员概述了拓扑光子学如何在这些非互易热点中发挥作用。研究成果为实现宽带纳米光子平台和超材料提供了机会，这些平台和超材料利用拓扑概念来实现奇异的光-物质相互作用。相关研究工作以“Broadband Field Localization, Density of States, and Nonlinearity Enhancement in Nonreciprocal and Topological Hotspots”为题发表在《Phys. Rev. Applied》上。（鲁强兵）

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https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.034064 

声子极化子（PhPs）是电磁场和晶格振动耦合的结果，产生类似光子的玻色子准粒子，这些粒子被限制在介电常数符号相反的晶格界面上。它们存在于太赫兹到中红外光谱频率范围内的Reststrahlen带（RBs）中，位于横向（ω_TO）和纵向（ω_LO）光子频率之间。在纳米结构极性介电材料中，PhPs能够限制超过衍射极限的光，从而实现超分辨率成像、热发射和数据存储，与等离子体极性相比，PhPs具有更高的品质因数和更低的光学损耗，因此，PhP被认为是现代应用中的一个基本元素，如分子传感、亚分频波导、纳米谐振器和声子增强显微镜。在各向异性介质中，介电常数张量同时具有正负主成分，PhPs在材料内部传播（体积受限）并呈现双曲线色散。因此，二维双曲材料成为研究纳米尺度光-物质相互作用的强大平台，也是未来纳米光子学的基本构件

近日，巴西同步辐射实验室（LNLS）、巴西能源与材料研究中心（CNPEM）的Raul O. Freitas教授和Ingrid D. Barcelos教授等人介绍了氧化锡（SnO₂）纳米带作为光子平台，用于在中红外到远红外频率范围内传输表面和体声子极化子，他们对SnO₂的极化特性进行了全面的描述，并认为SnO₂可以作为纳米级电介质以及波导形式的工程材料。该团队通过将基于加速器的IR-THz光源（同步加速器和自由电子激光）与s-SNOM结合使用，采用纳米级远红外高光谱成像技术来揭示SnO₂中的法布里-珀罗腔体机理，通过直接检测声子-极化子驻波来实现纳米带。因此，SnO₂被确认为具有独特光子特性的天然双曲线材料，对于未来的应用（涉及亚衍射光通量和远红外范围的检测）至关重要。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

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Feres, F.H., Mayer, R.A., Wehmeier, L. et al. Sub-diffractional cavity modes of terahertz hyperbolic phonon polaritons in tin oxide. Nat Commun 12, 1995 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22209-w

可以调制声波传输特性是声学超材料吸引人的一个重要特征。在周期性结构中，人们可通过修改振动激励的能带结构来实现声波传输的可调谐性，这决定了隔音的频率范围（通过带隙）和声音传播的群速度（通过频率-动量关系或色散关系）。目前已经提出了具有可调谐声子能带的超材料，其使用的调制方法多种多样，包括屈曲，大结构变形，电学和光学致动以及预应力调制。虽然大多数这些建议都针对带隙的调整，但存在部分工作强调了通过调整色散关系来改变群速度的能力，这是使超材料适应不同静态条件的有希望的方向。但是到现在为止，利用色散的动态控制作为信号调节的机制仍未得到开发。

减慢，停止和反转信号是信息处理的核心功能。近日，来自俄勒冈大学的Pragalv Karki研究小组表明可以通过调节无色散或平带的周期性结构来实现此功能。具体而言，研究者提出了一种基于平板谐振器的声学超材料，其中，通过调制均匀的预应力，可以将声子能带的色散从声学特性更改为光学特性。通过基本模式之间有效耦合符号的改变来启用该开关，这通常会导致在过渡点处产生几乎无色散的频带。研究者展示了如何在一维的谐振器链的模拟中，通过对频带分散的绝热调谐进行固定和逆转声脉冲的传播。该研究依赖于薄板弹性的基本原理，与任何特定材料无关，从而使该结果适用于各种长度范围和实验平台。更广泛地说，这种方法可以复制用于光子超材料和电子异质结中的信号操纵。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.034083

超声波技术可以通过向被研究的介质中发送高频声波来研究(光学不透明的)材料和介质内部的结构细节。通过研究它们散射或反射的压力波可以映射和量化介质的不均匀性和界面。超声波广泛应用于医学成像和治疗、无损检测、流量传感、水声探测和声波显微镜。近年来，超声与微泡相结合已显示出广泛的治疗方法的潜力，如干细胞治疗、基因治疗、血脑屏障开放、局部给药和组织切片。用于高速平面波超声成像的硬件的发展为超分辨成像，功能成像和定量成像铺平了道路。所有这些技术有一个共同的要求:他们需要对压力场有详细的刻画以便充分利用并最终转化为临床使用。此外，最近的超声波应用，如声学镊子和粒子操作也需要精确掌握波束形状。二维压力水听器扫描提供了一种解决方案，例如纹影成像、阴影成像或热成像方法，但它们提供的准确性有限，而且在技术上具有一定的挑战性。

近日，比利时根特大学Philippe F. Smet等人提出了一种负载超声波活化发光微粒的功能高分子膜。半透明膜利用BaSi₂O₂N₂:Eu²⁺的发光特性，通过声致发光(APL)过程，快速而直接地将超声压力转化为可见光。APL可以在很宽的声频(1~25 MHz)和压力(50 kPa~4.5 MPa)范围内工作，并能在200 μm以下的横向空间分辨率下对超声场进行定量表征。在所研究的压力和频率下，光的产生机制基本上与超声波加热有关，而不是机械刺激。这些膜在快速筛选超声场和全空间表征方面表现出了巨大的潜力，提供了有效的现场测绘可能性，比传统的逐点水听器扫描时间要快得多。相关研究工作发表在《Advanced Optical Materials》上。（丁雷）

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Simon E. Michels et al, Fast and High-Resolution Ultrasound Pressure Field Mapping Using Luminescent Membranes. Adv. Optical Mater. 2021

DOI: 10.1002/adom.202100085.

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