超材料前沿研究一周精选 2021年2月1日-2021年2月7日

从宏观尺度到纳米尺度的光子谐振器一直是基于光的基础研究和应用的支柱。设计这些空腔共振光谱特征的能力揭示了传感和光-物质相互作用的巨大可能性。光子谐振器中的强非线性会导致各种丰富的现象，例如，存在于非平衡稳态中的非线性驱动耗散系统表现出自组织、模式形成以及出现相和动态相转变。现已预测和证明了多种非线性动力学行为，例如双稳态、自脉动、极限环、模式形成和相位转换，尽管没有明确地在谱域中。当控制参数在临界/转变点附近变化时，相变标志着系统特性的普遍的定性状态变化。受驱动的非线性谐振器为与远离平衡的相变相关的现象提供了肥沃的土壤，这可能会带来线性谐振器无法获得的机会。

近日，来自美国加州理工学院电气工程系的Arkadev Roy和Saman Jahani等人表明光学参量振荡器(OPOs)可以在简并和非简并区域之间的光谱域中经历二阶相变。光谱响应的这种突变遵循临界点周围的平方根依赖性，表现出对参数变化的高度敏感性，类似于异常点周围的系统。他们通过实验证明了二次OPO中的这种相变。他们表明临界点的发散磁化率伴随着自发的对称性破缺和两种状态下不同的相位噪声特性，表明了超越非线性分叉解释的重要性。他们还预测了耦合光学参量振荡器中一阶光谱相变的发生。他们关于非平衡光谱行为的结果可以用于增强传感、高级计算和量子信息处理。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Arkadev Roy, Saman Jahani et al. Spectral phase transitions in optical parametric Oscillators. Nature Communications (2021) 12:835

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21048-z

全息术是现代光学的重要工具，在显微镜成像、光学安全和数据存储的许多应用中起着重要的作用。在这方面，全息干涉测量是一种广泛使用的技术，利用光学干涉通过强度测量来检索经典光场的相位分量。因此，在所有全息协议中，保持干涉场之间的光学相干性是必不可少的。机械不稳定性、随机相位紊乱和杂散光的存在是降低光相干性和阻碍相位重建过程的现象的例子。

虽然全息术是基于经典的光波干涉，但光的量子特性激发了一系列新的成像模式，包括无交互和诱导相干成像，以及灵敏度增强和超分辨率方案。非经典光源也可以产生全息图，正如用单光子和光子对观察到的那样。

近日，来自英国格拉斯哥大学物理和天文学学院的Hugo Defienne等人介绍并实验证明了一个全息成像概念，它依赖于量子纠缠来携带图像信息。相位图像被编码在超缠绕光子的偏振纠缠中，并通过空间强度相关测量（即光子重合计数检索）。相关工作发表在《Nature physics》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41567-020-01156-1

支持超声弹性波的集成声子电路得到越来越多的关注，不仅在处理射频信号方面具有优势，而且在实现与光和物质更强的相互作用方面也具有优势。纳米机电系统是集成声子电路的理想平台，因为非常高频率（VHF）的弹性波可以在单个芯片上产生、操纵和检测。包括低损耗波导和高质量谐振器在内的各种元件已被实验证明。然而，在纳米机电系统中，抑制弹性波的反向散射被认为是一个巨大的挑战。受凝聚态物理中发现拓扑绝缘体的启发，拓扑边缘状态现在被认为是克服这一挑战的有前途的策略。最近，通过模仿众所周知的量子自旋霍尔（QSH）效应，声子拓扑绝缘体已经在纳米-机电平台上实验实现。谷赝自旋已成为凝聚态物理中实现后向散射免疫的另一种方法。在光学领域，基于纳米光子晶体的量子谷霍尔效应（QVH）拓扑绝缘体已被实验实现，其应用领域包括拓扑波导、纳米光子激光器、拓扑量子腔电动力学等。另一方面，声子QVH拓扑绝缘体的实验实现仅限于在相对低频率（<1.5 MHz）下工作的整体声学和机械系统。迄今为止，尽管有理论上的预测，但在VHF集成纳米机电平台上的声子QVH拓扑绝缘体的实验仍不可实现。而且，现有的声子QVH拓扑绝缘体大多只能在单一频段工作，不能用于多频段通信、多频段滤波器、多频段亚波长谐振器等多频段应用。对于大规模的多功能拓扑声子电路，在理论上已经提出了多波段声子QVH拓扑绝缘体，但在纳米机电系统中还有待实验证明。

近日，香港中文大学电子工程学系孙贤开教授团队首次在非常高频率的纳米机电平台上通过实验实现了声量子谷霍尔效应拓扑绝缘体。他们提出并实验证明了一种双频纳米机电QVH拓扑绝缘体，在基频（≈60 MHz）和二阶（≈120 MHz）频段同时具有体带隙。结果表明，具有相反的谷陈数的两个纳米机电晶体之间的拓扑畴壁可以支持基频和二阶体带隙中的谷扭结状态。通过对弹性波的时空剖面成像，证实了这些谷扭结状态对反向弯曲具有免疫性。此外，还通过实验证明了谷扭结态在基阶和二阶体带隙中的传播方向锁定在相反的谷赝自旋上。发现了双波段谷扭结状态特别适合于二次谐波产生和参数下转换，因为它们本质上满足相位匹配条件。这一结果不仅为VHF信号处理提供了各种多带拓扑纳米机电组件，而且为拓扑非平凡的纳米结构中各种机械非线性的实验探索打开了大门。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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Ma, X. Xi, X. Sun. Experimental Demonstration of Dual-Band Nano-Electromechanical Valley-Hall Topological Metamaterials[J]. Advanced Materials, 2021, n/a(n/a): 2006521.

https://doi.org/10.1002/adma.202006521

超表面是具有非均匀波响应的亚波长厚度的单位阵列，其特别之处是通过在相邻单位的反射系数和透射系数的相位或振幅中引入梯度来定义波控制的原理。 通过适当设计单元的几何形状可以定制超表面的波响应，以实现各种异常应用。 近年来，这一概念已广泛用于光波和声波，并扩展到弹性波和机械系统，特别是由于弹性波和机械波作为通信信息载体的重要作用。与声子晶体和声学超材料相比，声学超表面的优点是尺寸紧凑，可促进针对不同应用（如波聚焦，成像，吸收，隔离和模态转换）的轻薄结构的设计。   

关于基于体块超材料的亚波长聚焦和成像的研究引起了广泛的兴趣，而很少有报道利用超表面空置弹性波。近日，来自同济大学的Yabin Jin研究小组介绍了一种由一串梯度共振柱组成的弹性超表面，用于稳定的深亚波长聚焦和平板中弹性波的成像。基于惠更斯-菲涅尔分析所支持的数值方法表明，亚波长半值全宽（FWHM）线性地表现为比率F / D的函数，其中F是测得的焦距，D是超表面长度。研究者讨论在近场中FWHM保持小于一半波长的F / D范围。当受到几何参数的无序扰动和频率波动的影响时，焦距F和FWHM表现出稳定的性能。研究者表明，通过减小FWHM来提高聚焦分辨率可以非常有利于能量收集，输出电功率可以增加一个以上的数量级。所提出的弹性超表面为高分辨率聚焦和成像提供了一种方法，可用于各种领域的应用，例如能量收集，波感测，通信，无损评估。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.15.024005

传统的拓扑相通常具有n维拓扑系统，存在(n−1)维无间隙边界态的体-边界对应。最近，拓扑相位被推广到存在(n−m)维[而不是(n−1)维]无间隙边界状态的情况下，对于n维系统，具有1<m≤n。近几年来，高阶拓扑现象引起了人们的极大关注，并发现了各种高阶拓扑状态，如零能角模的四极拓扑相及其具有手性铰链模式的II型表族和二阶拓扑绝缘体。研究还表明，高阶拓扑绝缘体(HOTIs)对弱无序具有很强的鲁棒性。

无序在量子输运中起着重要的作用，如Anderson局域化和金属-绝缘体跃迁。在一阶拓扑相的背景下，证明了它们在弱对称性保持无序的情况下通常是稳定的。但无序并不总是有害于一阶拓扑相。

近日，来自清华大学的徐勇教授团队研究了无序和高阶拓扑在具有手性对称性的二维系统中的相互作用。他们证明了四极矩的量子化是通过手性对称性来保持的，而不考虑晶体对称性，表明四极拓扑绝缘体可以存在于具有手性对称性的系统中，而不需要任何晶体对称性。相关工作发表在《Physical Review B》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevB.103.085408

在科学技术的不断进步使正在制造的电子设备和系统时，操作速度更快，并得到小型化、高速、集成和智能化的设备和芯片，代价是增加电磁干扰（EMI）和产生热量，这对它们的性能和周围环境产生不利影响。目前，大多数研究集中在解决EMI上，通过电磁波的反射或吸收，人们探索了各种EMI屏蔽材料，而电子设备的过热问题在很大程度上被忽略了。此外，通过与辐射和内部反射相互作用的材料的介电和/或磁偶极子吸收电磁波会把电磁能转换成热能，从而进一步增加了产生热量的额外负担。最近，开发具有良好散热能力和柔性以及有效的EMI屏蔽功能的多组分异质结构已被视为解决方案。然而，为可使用这种浪费的热能而不是仅仅耗散甚至实现自供电功能的小型设备和组件探索先进的异质结构是更可取的，但仍然是巨大的挑战。

这便迫切需要开发一种电磁（EM）吸收材料，该材料不仅可以消散EM能量，而且还可以将产生的热量转化为电能。近日，复旦大学材料科学系的吴仁兵教授团队报道了具有生物细胞样分裂能力的混合Sn&C复合材料，由嵌入多孔碳中的Sn纳米颗粒组成的复合材料将在循环退火处理下分裂，以使其具有分散的超小尺寸纳米颗粒。得益于由分裂行为产生的电子传输但具有声子阻挡的结构，由最佳Sn&C复合材料构成的EM波电装置可以实现EM在宽频率范围内更高的加热效率和最大的热电系数（473 K时为0.62），并且在微波辐射条件下具有恒定的输出电压和功率。这项工作为解决自供电EM设备的EM干扰提供了潜在的解决方案。相关工作发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

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Lv, H., Yang, Z., Liu, B. et al. A flexible electromagnetic wave-electricity harvester. Nat Commun 12, 834 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21103-9.

随着半导体工业的不断发展，传输速率的提高和器件小型化的持续趋势导致了电子元件热流密度的急剧增加。这些部件的可靠性和性能受到温度的严重影响，因此对有效的热管理技术的需求在近几十年已经成为一个紧迫的问题。为此，热隐身在电子系统的热管理和内部组件的保护中发挥着潜在的重要作用。首次提出了稳态传导的热斗篷方案是基于变换光学的电磁波隐形斗篷理论。后来扩展到瞬态热传导。历史上，热斗篷的设计可以使用相变热力学或双层理论。前一种方法导致使用非均质和各向异性的热超材料。然而，超材料在自然界中很少发现，也不容易制造。因此，利用复合天然材料制备热斗篷的可行性引起了人们的极大兴趣。

近日，中国台湾省国立成功大学Ruey-Jen Yang等人研究基于双层热斗篷理论，提出了一种基于天然材料的平面任意几何形状热斗篷的优化设计方法。目标是为任意形状的双层热斗篷提供一种实用的设计方法，通过确定双层热斗篷的最佳外层导电性，从而获得最佳的热斗篷性能。该方法考虑了潜在的导电内层，从实用的角度来看，这被认为比具有完全绝缘内层的理想双层膜更现实。该方法不仅适用于常规圆形和椭圆几何形状的热隐身问题，也适用于任意几何形状的热隐身问题，以及非线性背景温度分布问题。对于理想的圆形和椭圆双层斗篷，所提出的方法得到了与文献报道相同的分析结果。对于那些不知道是否存在解析解的情况,研究结果表明，在双层结构设计的基础上，使用由优化方法确定的最佳外层电导率，对给定的一组背景、内层和隐形区域的电导率，可以获得良好的热隐身性能。未来的研究可以有效地将该方法扩展到涉及热对流和辐射的热隐身问题。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

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Fu-Yao Yang et al, Optimization Method for Practical Design of Planar Arbitrary-Geometry Thermal Cloaks Using Natural Materials.Physical Review Applied(2021).DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.024010.

自然界的材料通常是混合的复合材料，通过精致的结构设计获得了优异的机械性能。目前已经探索了许多设计和增韧模式，如螳螂的Bouligand型（扭曲胶合板）结构，甲壳素纤维和蛋白质基质之间的空隙，形成了坚硬且高韧性的材料。珍珠和海螺壳的复杂“砖-泥”结构，其韧性远远超过简单混合。柚皮的管束排列起到了局部增强的作用，具有出色的能量消散能力，类似于在金属合金中的沉淀强化机制。自然界中存在共连续系统，包括两种互穿材料的生物设计（一种软材料一种硬材料），由于两相之间的相互约束，可以提供出色的能量耗散。模仿此类生物材料的一种方法是通过晶格材料的概念，这些有序结构材料是近十年来引起广泛关注的一类合成力学超材料，其力学性能由微观结构决定，然而晶格材料的微结构设计和制备仍然受到严重的限制。

随着3D打印的发展，这些材料中的各种复杂结构现在可以通过增材制造方法来实现，并可以通过新的单元设计和变形机理进行检验。3D晶格超材料可以表现出最佳的各向同性刚度和各向同性屈服强度。双材料的概念被提出，其一端是拉伸主导的晶格，另一端是拉伸和压缩支柱的拉伸整体。确实，已经使用与晶体材料中发现的相同的硬化机制（如晶界强化、沉淀强化和多相强化）来开发出坚固且具有耐破坏性的晶体灵感结构材料，以产生所需的性能。使用各种3D打印技术，还设计了其他自相似的分层晶格材料，它们具有不同的特征，其跨度范围从纳米到毫米。参考新的变形机制，已经设计了一类多稳定的结构材料来表现出对弹性能的可控捕获，从而提供了一种新颖的快速捕捉策略来增强能量吸收。这些材料也可以制成具有形状可重构的功能。然而，迄今为止，以上提出的用于力学晶格材料的大多数结构设计都基于单相材料，且设计空间仍然有限。

近日，北京航空航天大学交通科学与工程学院殷莎副教授和美国加州大学伯克利分校材料科学与工程系Robert O. Ritchie教授受生物材料和工程合金中观察到的沉淀强化机制的启发，开发了双相力学复合超材料，采用结构晶格材料作为组成基体和增强相。采用选择性激光熔化增材制造技术，可以简单地制造由奥氏体不锈钢制成的复合超材料。通过准静态压缩试验和模拟研究，发现增强相晶粒的加入可以同时提高材料的强度和韧性。研究了增强相图案化和连通性的影响。通过充分利用相边界滑移的能量耗散，优化设计了最大滑移面积的双相超材料，使基体相的每个桁架单元完全被强化相格所包围。这种材料的比能量吸收能力是矩阵相晶格的2.5倍。分析并总结了耗散双相超材料的设计原理，重点介绍了相图的设计。当前的数字多相力学超材料可以模仿自然界的几乎任何结构和增韧机制，从而提供了一种通过任意相材料选择和图案化来操纵机械性能的新途径，这会显着扩大未来材料开发的设计空间。相关研究发表在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。（徐锐）

文章链接： 

Yin, S., et al., Strong and Tough Bioinspired Additive-Manufactured Dual-Phase Mechanical Metamaterial Composites. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2021.https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104341

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