超材料前沿研究一周精选 2021年1月11日-2021年1月17日

1.二维时空声子晶体中的带隙调谐

声子晶体必须是由复合材料（超材料）制成的工程结构。其设计的可调性可以允许常规材料中未发现的行为，例如宽的，完整的带隙和不可逆的传播。声波或弹性波在介质中的互易传播是一个通用原理，可确保源和观察者的互换性：源自这些点之一的波的传播方式与源自另一点的波的传播方式完全相同。它仅在特殊情况下才被破坏，例如当存在非线性时，时间反演对称性被破坏时（例如通过包含具有增益或损耗，手性，角动量偏差的材料或在运动系统中）。当系统本身未及时移动，但材料参数随时间和空间变化时，它也可能被破坏，表现为导致方向传播的不对称带隙。

近日，来自密希腊University of Patras的D.Psiachos研究小组研究具有较大带隙的亚波长声子晶体中的小时空调制对在周期性平面内极化的弹性波的频谱的影响。这两种声子晶体由高度相反的弹性属性矩阵内的圆柱体组成，通常大的带隙会被时间调制所产生的谐波破坏。但是，可以利用由结构调制引起的共振的时间谐波可以实现可调谐的声子隔离或带通滤波，因为在具有相当平坦频带的声子系统中，通过采用足够大的调制频率，在某些区域可以保留较小的带隙。谐波的周期性和宽范围也可以在频率传感器中通过调整圆柱体的半径相对简单地实现：例如通过机械调制的开口环结构，其中两个组件的半径不同，这样的系统成为可调谐带通滤波器或声子隔离器以及相应传感器应用的候选对象，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.15.014022

2.声子晶体中具有局域非厄米调制的拓扑保护奇异点

近年来，拓扑绝缘体（TIs）由于其体绝缘而界面具有拓扑保护的电流的独特物理性质而受到广泛关注。在从拓扑平庸到非平庸的拓扑相变中，TI可以产生许多奇异的物态，例如量子自旋霍尔效应，拓扑半金属，无耗散的传输等等。由于相似的拓扑能带理论，这些概念也可以拓展至经典波系统，即从电子系统到光子，声子以及力学系统。在其中，声学系统由于其易于制造以及便于观察，被认为是一种实践拓扑相多样性及普遍性的良好平台。 

另一方面，近年来PT对称以及非厄米物理概念也被引入经典波体系。其中，连接PT对称相以及PT破缺相的点称为奇异点（EP），在该点处，系统会展现出独特的散射现象，它是受到在开放环境中能量守恒保护的。当我们只在系统中引入损耗，经过精确设计的结构也可以保留EP的性质并导致非对称的波调控。同时，非厄米物理为拓扑物理学提供了新的自由度。最近，有研究提出光学拓扑零能模的破坏可以通过精确设计的整体分布的损耗来恢复，但是，附加在每个超原子上整体的在位损耗/增益调制会导致系统的复杂过高。 

近期，来自香港理工大学的Jie Zhu等人研究了一维异质结声子晶体的非厄米特性，利用两种拓扑性质不同的部分形成三明治结构。由于体能带中Zak相位的转变，在不同部分的边界处会出现拓扑边界态（TES）。如果中间部分的尺寸有限，在两个边界处的的TESs会互相作用，导致零能模的分裂。通过引入合适的损耗，这种相互作用会被抵消，即分裂会被恢复，两个模式再次重叠。继续增加损耗，系统超过EP，处于PT破缺相，出现非对称散射。这项工作简化了非厄米实现设计，即只需要局部的非厄米调制，该研究在声学传感，分束和成像方面有潜在的应用。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（华金国）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014025

3.各向异性超表面的低功率光阱实现非对称势垒和宽带响应

对纳米颗粒的稳定捕获需要高强度和紧密聚焦的激光束，而光加热可能损坏纳米颗粒，表面等离基元极化子（SPPs）的性质可以减小损伤，等离激元极化子是在电介质-金属界面传播的局限电磁波。当粒子位于等离激元表面的近场中时，散射的疏逝波可以耦合到结构并激发引导的SPP。这种疏逝波耦合受自旋-轨道相互作用控制：只有那些具有与入射波之一相同的横向自旋的表面等离子体激元才会被激发。为了补偿这些定向SPP的动量，在与等离激元的波矢相反的方向上作用的粒子上施加了非保守的反冲力。为了提高反冲力的强度，出现了各向异性和双曲形的超表面（HMTSs）来代替大量的等离激元金属。但是HMTSs中这种力的强度比双曲形超表面之上的力弱，并且出现在较短的波长范围内，且辐射源散布的疏逝场主要耦合在超材料与周围环境之间的界面上，这极大的限制了它的应用。

近日，加利福尼亚大学戴维斯分校电气与计算机工程系的J.S. Gomez-Diaz团队使用线性偏振高斯光束照射的各向异性和双曲形超表面对瑞利粒子进行横向光学捕获。该系统可以在波束轴上设计光阱，光散射过程中特定表面等离激元的定向激发产生非常规和巨大的横向反冲力，以支配其光响应。与在整块金属或薄层结构中的光阱相比，能够对基于超表面的等离激元以任何频率的波束设置阱的范围。在此范围内，超表面色散从各向异性的椭圆形演变为双曲线型，并经历了拓扑过渡，并使光陷阱具有独特的空间非对称电势分布，受激等离子体的动量不平衡引起的局部电势垒和增强的电势深度以致可用低强度激光束稳定捕获纳米颗粒。并且该团队还通过亥姆霍兹分解法计算出纳米结构化薄金属层的各向异性双曲超表面的具体参数，在可见光或红外频率下工作的低强度激光源捕获和操纵纳米级的粒子，并可能在生物工程学，物理学和化学中实现广泛的应用。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014018

4.具有各向异性增益-损耗超表面的双曲等离激元

双曲线等离激元以其令人兴奋的光学特性吸引了人们研究的注意力。双曲线型超表面（MSs）支持高度局域化的表面等离激元极化子（SPPs），使表面附近的光-物质相互作用急剧增加。此外，双曲线超构表面允许对SPPs进行从沿表面的特定方向引导它们到无色散传播（渠化）和负折射。双曲线MS的通常实现是通过构造一个在一个方向上充当电介质（具有电容性阻抗）并在正交的方向上充当金属（具有电感性阻抗）的表面，等离激元沿特定方向以非常窄的光束传播。目前使用这种策略已经在理论上和实验上详细研究了基于细长金颗粒的双MS。科学家已深入研究了将增益引入三维（3D）双曲超材料的想法来克服光学中的损耗。

近日，来自俄罗斯Chelyabinsk State University的Dmitry A.Kuzmin研究小组提出了一种通过各向异性的增益-损耗的协同来实现双曲等离激元超表面的新概念，并预测了表面等离子体激元的高度定向传播和实现放大的能力。这种超表面实验上可以通过嵌入增益矩阵中有损耗的金属平板的周期性阵列。此处提出的效果可能适用于从基于SPP的量子光学到先进的空间设计等众多等离激元应用。可以通过耦合模式理论来预测超出线性范围的各向异性增益-损耗MS的发射行为，该理论已被用于对具有较大周期性的分布式反馈激光器进行建模（在光波长的数量级上）。 这些有趣的结果能够启发并指导未来的实验研究，可以为从集成和高度定向的量子发光体到非线性光学变频器的众多应用铺平道路。相关研究发表在杂志《Optics Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1364/OL.413511

5.可同时编程热膨胀和泊松比的多功能圆柱形超结构

蜂窝状圆柱壳因其重量轻、力学性能好、多功能集成化等非凡优势在工程应用中得到了广泛的应用。特别是在航空航天、医疗和运输工程中，圆柱形壳体以各种具体形式作为关键部件。到目前为止，大部分的研究工作都只关注传统的圆柱壳，主要作为承载构件。近年来，通过结合特定的可编程特性，研究人员提出了功能性圆柱壳，并将其归类为圆柱超结构，以满足工程应用中的特殊要求。具有可编程泊松比的圆柱形超结构在机械载荷作用下具有主动变形的显著优势，并能提高其承载能力和能量吸收等力学性能。然而，目前报道的圆柱形超结构只能实现泊松比或热膨胀系数的单一可编程性。在实际应用中容易受到机械载荷和温度波动的耦合刺激，高维稳定性要求这些结构应同时并积极地控制由机械和温度刺激引起的尺寸变化。多功能的圆柱形超结构，正是结合了热膨胀系数和泊松比的可编程特性，呈现出广泛而重要的应用。然而，这种多功能的圆柱形超结构至今还没有被设计出来。

近日，湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室韦凯副教授和北京理工大学先进结构技术研究所方岱宁院士通过卷曲平面超构材料，初步设计了一系列多功能圆柱形超结构，以同时包含可编程热膨胀系数和泊松比，并对其变形特性进行了系统分析。可以看出，圆周孔的数量N显着影响变形特性。当N小时，由弯曲构件引起的翘曲效应显着。定量分析表明，当N大于特定的临界值时，圆柱形结构的泊松比和热膨胀系数接近平面形超构材料的泊松比和热膨胀系数。因此，确定了一种设计策略，即具有足够的周向单元，圆柱形结构的泊松比和热膨胀系数与变量N无关，并且等于相应的平面形超构材料的泊松比和热膨胀系数。最重要的是，通过调节几何参数，可以同时将所设计的圆柱形超结构的泊松比和热膨胀系数编程为较宽的范围。泊松比和热膨胀系数均具有出色的可编程性，因此圆柱形的微结构可以潜在地用于急需精确控制机械和热载荷引起的变形的工程应用中。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

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Wei, K., et al., Multi-functional cylindrical metastructures to simultaneously program both thermal expansion and Poisson’s ratio. Extreme Mechanics Letters, 2021: p. 101177.https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101177

6.用于片上操作的等离子体驱动纳米线驱动器

全光子集成电路具有满足低功耗、高速处理的下一代信息技术需求的潜力。由于高结晶度和光滑表面的优异性能，化学合成的独立金属纳米线已成为光子电路最有前途的基石。由于表面等离子体极化子(SPPs)的高损耗，金属纳米线需要与低损耗的介电互连线和波导（如二氧化硅微/纳米纤维和半导体纳米线）集成，以构建混合光子等离子体电路和系统。然而，尽管研究取得了广泛的进展，但缺乏有效的方法来操纵具有高精度可控性和通用性的单金属纳米线（如移动、定位和排序），严重阻碍了芯片上混合光子和等离子体元件的协整。主要原因是小尺寸诱导金属纳米线在非液态环境中对衬底的强粘附力（如范德华力和静电力）。通常，微/纳米物体在空气环境中与衬底的粘附可以达到一个~μN水平，这大大超过了光动量对物质施加力(~pN)的典型值。因此，常用的基于光力的操作方法，如使用聚焦紧密的激光束或在全反射界面上的强消失场的光镊，只能通过消除液体环境中的表面粘附来有效地实现。然而，由于大多数集成光子电路的最终工作环境是在空气或真空中，流体对流、扰动和表面张力的影响将严重限制从组件中去除液体时的集成精度。因此，越来越需要一种能在非流动环境中直接实现片上集成的方法。

在片上集成中，精确地操纵沿着波导的单个金属纳米线是至关重要的，例如调整金属纳米线和介质波导之间的相对耦合位置和长度。然而，据我们所知，目前还没有在非液体环境中操纵金属纳米线的报道。目前，在空气环境中，一种常见的操作方法是手动使用3D级驱动的钨或硅探头在纳米线侧面施加推力，但纳米线只能横向移动，精度为~1μm。另一方面,声表面波(SAW)的弹性扩张引起的瞬态加热下金属晶格脉冲激光,已用于驱动微型金属物体表面清洁,粒子分离,提供的可能性和微型板块旋转,从而克服强烈的表面粘附金属纳米线在非液体环境中进行操作。

近日，来自上海理工大学的谷付星教授和顾敏院士团队提出了一种基于膨胀、摩擦和收缩协同工作的蚯蚓状蠕动爬行运动机制，并通过等离子体驱动实验证明了单金属纳米线在非液态环境中通过固定微纤维上的连续可控操作，具有亚纳米定位精度、低驱动功率和自平行parking等优点。利用这一方法，他们进一步在混合光子等离子体电路中的固定微纤维上对单纳米线进行片上操作，包括传输、定位、耦合和排序，以证明原位操作、高选择性和大通用性的优点。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-20683-2

7.将超越衍射极限的二维声涡旋聚焦在一个超薄的结构表面

近年来，携带轨道角动量(OAM)的涡旋光束因其在波物理中的重要意义以及在波物质相互作用等多种应用领域的巨大潜力而引起了人们的广泛关注。一个特别有用的例子是二维涡旋系统为操纵微小物体、编码及解码提供了可能。在从生物物理学到声流体再到光子学的片上应用中扮演着重要的角色。与传统方法相比，人工微结构的出现为二维旋涡的产生提供了一种简单、低成本的解决方案。

近日，南京大学物理系声学研究所程建春等人提出并通过实验证明了在自由空间中超薄结构表面上，空气声在超过衍射极限的情况下聚焦二维涡旋的机理。提出了一种简单的可在0到2π范围内激发倏逝波并调制倏逝波传播相位的单元设计。通过分析推导的色散关系和有效参数的方位角的分布,研究人员阐明了如何引导受激的倏逝波在设计有特定结构的表面附近的传播，并在目标区域内聚焦这种表面涡旋，尽管其具有致密性和非对称性。此外，通过在亚波长空间分辨率的正方形表面上产生和约束二维涡旋的实验和数值计算验证了该机制的有效性。最后，研究人员期待在后期的实验中无需2D系统、庞大设备尺寸、几何对称性、有源元件或复杂的相控阵，为平面涡旋声场调控的小型化和集成化提供了新的可能性。可促进其在各个领域的片上应用，如显著提高信息密度和操作精度。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：Jing-jing Liu,et al, Focusing a Two-Dimensional Acoustic Vortex Beyond Diffraction Limit on an Ultrathin Structured Surface, PhysRevApplied(2020).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014015.

8.通过聚合诱导的相分离对固有的纳米多孔聚合物进行3D打印

3D打印在制作具有高度复杂几何形状的三维物体时提供了极大的灵活性，从而实现了以前无法实现的令人兴奋的特性和有趣的功能。与此同时，具有亚微米多孔结构的材料对于吸附、分离或生物医学工程中的应用是极其重要的，因为它们具有独特的性质，例如高的表面-体积比、分子水平的选择性渗透性以及与生物界面的相似性。然而，当代3D打印方法不适于制造具有亚微米级几何特征的大型聚合物结构。对于所有3D打印技术，打印体素、建筑体积和打印时间之间都有一个折衷。因此，直接印刷具有纳米多孔性(1-100纳米)的宏观聚合物物体目前是遥不可及的。

近日，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院生物和化学系统研究所的Zheqin Dong等人介绍了一种方法，该方法结合了通过数字光处理和聚合诱导相分离进行3D打印的优点，能够形成具有数字定义的宏观几何形状的3D聚合物结构，并且具有亚微米级的可控固有孔隙率。他们证明了创建高度复杂几何形状的3D聚合物结构和从10纳米到1000微米的空间控制孔径的可能性。生产的分级聚合物结合了纳米多孔性和微米尺寸的孔，由于更好的孔可及性，表现出了改善的吸附性能，并且由于表面孔隙率，有利于3D细胞培养的细胞粘附和生长。这种方法将3D打印的应用范围扩展到分层的固有多孔3D对象，结合了从10纳米到厘米的结构特征，使它们可用于各种应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Zheqin Dong et al. 3D printing of inherently nanoporous polymers via polymerization-induced phase separation. Nature Communications (2021) 12:247

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20498-1

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