今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及多步变形力学超构材料、双模固态热整流、傅里叶光学预处理助力计算成像等敬请期待！
索引：
1.相变超材料设备中光子角动量耦合的多态切换
2.基于手性超表面的自旋偶极辐射的垂直路由
3.超表面设备中的多通道独立控制
4.傅里叶光学预处理助力计算成像
5.狄拉克简并性的手性声子晶体中的谷边缘态
6.高性能MoS2光电晶体管的Al2O3/2D钙钛矿异质结电介质的合理设计
7.双模固态热整流
8.推拉绳索：分层编织材料
9.多步变形力学超构材料
在过去的几十年中，超材料和超表面等人工结构材料由于实现结构化和空间不均匀的光场具有很大的自由度而受到了广泛的关注，在这些领域中，矢量参数彼此之间紧密地耦合在一起，从而导致大大提高了光子的自旋-轨道相互作用（PSOI），即光传播期间光子的自旋和轨道角动量（SAM和OAM）之间的耦合。在经典应用中，PSOI可以用麦克斯韦方程组的矢量性质来解释，这也与相对论量子粒子和固体中的电子的自旋轨道相互作用相似，因为它们都带有SAM和OAM。因此，PSOI几乎出现在所有基本光学过程中，并提供了一个稳定，可扩展和高带宽的工具箱，用于自旋相关的光操作。对称PSOI的早期研究已经实现了许多奇异的现象和出色的平面光学器件，例如宽带自旋霍尔效应，全色印刷和全息术，消色差透镜，超快光脉冲整形，时空光调制等。当前的研究旨在利用人工结构的基本原理，利用外部自由度实现非对称PSOI和主动可调性。
光子自旋与轨道角动量之间的耦合在亚波长范围内显著增强，并且已在纳米光子学中获得了许多应用。但是，使这种耦合与多个状态可调仍然是巨大的挑战。近日，来自中国科学院大学的研究小组提供了一个基于多原子相变谐振器的通用超表面平台，以实现光子角动量耦合的多状态切换。作为概念的证明，研究者在结构化的Ge2Sb2Te5合金的三种不同结晶水平上，实验证明了三种耦合模式，即对称耦合，非对称耦合和无耦合。在实际应用中，可以使用自旋自由度在不对称模式下对编码信息进行加密，同时揭示了没有适当相变或过度结晶的误导信息。有了这些发现，这项研究可能为亚波长电磁学提供可能，这为在有源纳米光子学和信息安全工程中的应用提供了广阔的前景。相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。（刘乐）
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https://doi.org/10.1002/adma.201908194
控制光在各种光子结构中传播的偏振敏感的指向性，在光电子学、量子信息处理和生物传感领域具有很好的应用前景。设计和增强手性光子结构的圆二色性对很多应用有很多重要意义。在纳米尺度，光的轨道角动量和圆偏振这两个自由度相互影响，这种现象被称为光的自旋轨道相互作用。最近有研究在各种光子系统中将光定向耦合到不同的光学模式，这些研究中的光路由主要是在平面结构中通过波导模式或表面等离子激元模式实现的。对这些光子的后续操作将需要额外的设备，这可能会对系统的大小和灵敏度造成一些限制。在某些应用中，例如自旋电子学中的芯片间耦合，将自旋偏振光源的光发射定向到平面结构的相反法线上是很有前途的。
近日，来自斯科尔科沃科技学院等的研究团队设计了一种手性周期性硅膜，证明了自旋偏振光源垂直路由的可能性。由于手性超材料薄膜镜面对称的打破，顺逆时针旋转的自旋偶极子在平板两侧的辐射功率通量是不同的。在特殊设计的手性D4对称双超表面薄膜中的自旋偶极子是由旋转方向决定向上或向下发光。这种现象是由于Fano共振效应，即波导模式和远场耦合的结果。该研究展示了D4对称结构的优势，可以实现100%的路由效率。这一现象可以在自旋电子学中用于自旋选择性芯片间耦合或作为存储单元中自旋极化的测量工具。相关研究发表在近日的《Physical Review Applied》上。（赵涵）
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S. A. Dyakov et al, Vertical Routing of Spinning-Dipole Radiation from a Chiral Metasurface. Physical Review Applied 14, 024090(2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.024090
超表面是由亚波长大小的结构单元形成的超薄人工材料，旨在专门处理反射波和透射波的振幅，相位和偏振态。用于控制平面波反射和透射的常规超表面包括亚波长结构的均匀周期性排列。这些超表面的周期低于衍射极限，因此自由空间中不存在更高阶的传播模式。这些超表面遵守通常的反射定律。在过去的十年中，超表面的概念已扩展到周期大于半波长的周期性结构。在这种情况下，自由空间中可以存在多个衍射级，超构表面可以将能量散射到多个方向。这种设备的传统设计方法是根据散射场所需的相位分布来控制局部反射和/或透射相位。该方法基于相控阵原理，也称为反射和折射的广义定律。这种方法已被用于合成超薄光学器件，用于异常反射和折射，透镜，全息成像等。但是，由于入射波和衍射波之间的阻抗不匹配，这些设备通常效率较低。
通过与连接多个输入-输出端口的电磁网络进行类比，超构表面可被视为能够为从不同方向照亮表面的不同极化波提供不同功能的多端口设备。在这种多通道超表面的设计中的主要挑战是实现对每个通道入射的电磁响应的独立和完全控制，确保满足超表面处的边界条件。近日，来自芬兰阿尔托大学的研究小组证明了通过适当地设计在每个端口处激发的倏逝场（即，对于所有可能的照明方向），可以独立地控制所有不同照明的反射或透射。使用模式匹配方法，研究者分析了通用空间调制阻抗超表面的散射特性。这种方法与数学优化相结合，能够找到一个表面阻抗曲线，同时确保每个端口上所需的电磁响应。研究人员通过设计相控多通道背向反射器和多通道完美吸收体来验证该技术。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.14.024089
我们从不完整或者混合信号中解决逆问题和重建物体特征的能力对于科学研究和实际应用是必不可少的，从x射线成像到遥感。从传感器数据重建或反褶积目标模式通常是一个挑战，因为算法必须解决 “相位问题”，其中一旦相位信息丢失，那么传感器只记录光子量级或强度。同时，迭代方法虽然可行，但是费时，因为这个过程可能需要多次重新启动，进行多次初始猜测，直到达到收敛。相位问题的迭代解决方案逐步发展并产生了一组优化技术，这些技术现在应用于许多其他领域。值得注意的是，这些方法提供了通过混浊和散射介质成像的能力，并获得深度估计和编码孔径的全聚焦图像。近年来，在深度神经网络的辅助下，利用计算成像技术解决图像重建中的相位问题已成为可能。深度学习卷积神经网络通常涉及多层前向反向传播的机器学习算法，这些算法的计算成本很高。
近日，美国加州大学河滨分校机械工程系Baurzhan Muminov 和 Luat T. Vuong展示了卷积神经网络的一种替代方案，它可以从光学预处理的傅里叶编码模式中重建原始图像。该方案计算量小，抗噪性强，适用于高速弱光成像。研究人员引入一种带有透镜阵列的涡旋相位变换来配合浅、密集、“小脑”的神经网络。单次编码孔径方法利用了相干衍射，傅里叶变换的螺旋相位梯度和边缘增强技术。使用旋涡编码，一个小脑被训练以比随机编码方案快5-20倍的速度去反卷积图像，而随机编码方案在有噪声的情况下更有优势。一旦经过训练，小脑就会根据强度数据重建物体，而无需对每个图像进行迭代，也无需深度学习方案，就能解决一个逆映射问题。利用旋涡傅里叶编码，研究人员在15 W的中央处理器上以每秒几千帧的速度重建被弱光通量(5 nJ/cm2)照射的物体。实验结果表明，傅里叶光学预处理与涡街编码器实现类似的精度和速度比卷积神网络快2个数量级，相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：
Baurzhan Muminov AND Luat T. Vuong，Fourier optical preprocessing in lieu of deep learning,Optica(2020).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.397707.
05 具有高对称点和布里渊区边界的狄拉克简并性的手性声子晶体中的谷边缘态
拓扑绝缘体（TIs）处于凝聚态物理的前沿，其特征是在表面具有牢固的导电性，而在整体中则具有绝对绝缘性。理论上提出并在声子晶体（PCs）中通过实验证明了量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应的有效性。在声学方面，拓扑绝缘体（TIs）基本上分为三类。第一类是基于空间维度或时间维度上的周期性驱动调制，即反常的Floquet TI或Floquet-Chern TI。第二个是山谷霍尔拓扑绝缘体（VHTI）。第三个是TI的布里渊区（BZs）中心有一个双狄拉克锥。最近，已经有研究人员对不同晶格的第一个不可约BZs中高对称边界处的狄拉克退化进行了系统的研究，这自然引起了一个问题，即对于对称性非常低的声子晶体，是否存在拓扑相变，因此狄拉克简并性可能远离BZs中的高对称点和边界。
近日，华中科技大学机械科学与工程学院的Xiangzhen Han等人关注了一类低对称声谷状拓扑绝缘体（VTI），其中蜂窝格状散射体具有C1对称性。通过在该处重新打开超出布里渊区高对称点和边界的狄拉克简并来触发拓扑相变，可以实现通过简单地旋转手性散射体来产生谷霍尔跃迁。他们通过数值和实验证明了针对手性VTI中不同缺陷的稳健转运。在应用方面，他们构建了一个拓扑分束器，以验证手性VTI中的谷选择性单向运输。基于谷状边缘状态，他们设计了一种具有一个输入和两个输出的拓扑声学开关，其中通过模拟和实验测试确定了具有开-关，关-关和关-开状态的输出的开关功能。他们还提供基于手性VTI的更复杂的四端口声学开关。基于手性VTI的分离器和开关在构建智能声学设备中可能具有潜在的应用。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（成程）
文章链接：
Xiangzhen Han et al. Valleylike Edge States in Chiral Phononic Crystals with Dirac Degeneracies beyond High-Symmetry Points and Boundaries of Brillouin Zones. Phys. Rev. Applied 14, 024091
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.024091
由钙钛矿装饰的二维（2D）材料（例如石墨烯，MoS2和黑磷）组成的混合光电晶体管的构建已被证明是改善器件性能的有效途径。然而，现有的混合光电晶体管是通过简单的异质结堆叠方法构建的，该方法不可避免地将不希望的掺杂引入到底层2D材料中，从而导致载流子迁移率降低以及栅极控制的损失。同时，光生载流子的空间分隔不足会妨碍光增益的优化。此外，钙钛矿中离子迁移引起的磁滞现象也是钙钛矿基光电探测器稳定运行的主要障碍。
近日，来自湖南大学物理与电子学院的Jiayang Jiang等人证明了Al2O3/2D钙钛矿异质结构可以用作高性能MoS2光电晶体管的光敏电介质。二维钙钛矿中的II型能带排列有助于光生载流子的有效空间分离，从而在457nm处和在1064nm处分别实现了>108A/W和>106A/W的超高光响应性。同时，钙钛矿中的离子迁移和Al2O3中的电荷俘获引起的磁滞回线可以相互抵消，从而导致低压光电晶体管的磁滞可忽略不计，并改善了偏压应力的稳定性。更重要的是，二维钙钛矿中光生载流子的重组取决于外部偏压场。借助适当的栅极偏置，无论入射光强度如何，这些器件均具有103-108A/W的与波长相关的恒定光响应性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Jiayang Jiang et al. Rational design of Al2O3/2D perovskite heterostructure dielectric for high performance MoS2 phototransistors. Nature Communications (2020) 11:4266 https://doi.org/10.1038/s41467-020-18100-9
与电子整流类似，热整流是一种重要的非线性和非对称热传输现象，它可以调节热量以使其在一个方向上比在另一方向上优先传递。通过整流热流，热整流对热输运会产生重要影响，例如，允许能源系统将热量散发到周围环境中的同时，在周围温度过高时保护它们免受损坏。尽管有几种基于热膨胀、不对称的纳米结构和质量负载、固-液相变、固-固相变和双材料界面等机理来实现热整流，但实现大的可调谐的整流效果仍然是一个巨大的挑战，这通常需要宏观尺寸或大的温度偏差。
近日，来自卡耐基梅隆大学机械工程系的Ramesh Shrestha等人展示了一种使用异质“原始辐照”聚乙烯纳米纤维结作为纳米级热二极管的不同寻常的双模固态热整流效果，其中通过改变工作温度可以在两个方向上对热流进行整流。对于测量的纳米纤维样品，他们观察到的最大热整流系数高达50％左右，且仅需要低于10 K的小温度偏差。这种具有大整流和窄温度偏差的可调谐纳米级热二极管为开发先进的热管理、能量转换以及潜在的热声技术提供了新的可能性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Ramesh Shrestha et al. Dual-mode solid-state thermal rectification. Nature Communications (2020) 11:4346
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18212-2
具有层次性的材料在自然界中是丰富的，它们在不同长度尺度上的结构层次性组合产生了其组成材料无法独立获得的性能。尽管使用基于梁和结的架构在许多人造的三维（3D）结构材料中实现了出色的机械性能（如极强的回弹力和高变形性），但由节点引起的应力集中和约束限制了它们的机械性能。
近日，加州理工学院工程与应用科学系Widianto P. Moestopo提出了一种新的层次结构，这种结构中用编制纤维构造有效的梁。对增材制造的具有30 µm晶胞的机织和整体晶格原位拉伸和压缩实验表明，机织结构具有优越的性能，通过编织微纤维在有效梁和节点的平滑重构来实现高拉伸和压缩应变（>50％），而不发生破坏。循环压缩实验表明，与带有整体梁的晶格相比，编织晶格的损伤较小。对具有不同几何参数的编织梁的数值研究提出了新的设计空间，以开发具有定制合规性的结构材料，而这是类似配置的整体梁架构无法实现的。编织分层设计为传统的刚性和脆性材料的更易变形提供了一种途径，并为具有复杂非线性力学的三维结构材料引入了新的构建模块。相关研究发表在《Advanced Science》。（徐锐）
文章链接：
[1] MOESTOPO W P, MATEOS A J, FULLER R M, et al. Pushing and Pulling on Ropes: Hierarchical Woven Materials[J]. Advanced Science, 2020.
https://doi.org/10.1002/advs.202001271
力学超构材料具有超常规的动态和静态行为，如波操控、超硬、负泊松比和多稳态，因其独特的性能和广阔的应用前景，力学超构材料受到越来越多的关注。然而大多数已开发的力学超构材料都具有单路径或单一变形模式的特点，限制了其多任务应用。
近日，清华大学工程力学系陈常青教授课题组提出了一种利用构件的屈曲和接触的多步超构材料，可以将整体载荷转换成多步变形并产生不同的力学响应。在受到压缩时，这种超构材料将压缩载荷转换为多个变形路径，从而在应力-应变曲线中产生多个平台应力，其原理是在微观单胞水平上的有序突弹跳变和欧拉屈曲组合。建立理论模型量化多步超构材料的变形特征，并通过实验和有限元模拟进行了验证。通过改变多步超构材料组成部件的几何参数，可以对其变形进行编程。结果表明，与仅具有一个平台应力的传统蜂窝状材料相比，在受到压缩载荷时，多步超构材料在应力-应变曲线中显示出双平台应力。所开发的多步超构材料的概念为设计具有多任务的超构材料提供了一个新的视角，例如适用于轻度和重度撞击的吸能器、用于力学计算中操纵力学信号的逻辑门等等。相关研究发表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。（徐锐）
文章链接：
MENG Z, LIU M, ZHANG Y, et al. Multi-step deformation mechanical metamaterials[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2020, 144.
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104095
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