超材料前沿研究一周精选 2020年5月4日-2020年5月10日

光学超表面为实现具有新颖功能的紧凑型、轻量型光子器件提供了一条可行的技术途径。自光学超表面概念出现以来，出现了各种具有突破性的新型光子超表面器件如频率选择超表面、平面透镜、超表面偏振器、全息超表面等。在这些器件中，具有电磁共振响应的亚波长人工类原子能够作用于光的相位、振幅和偏振等性质，从而为光子器件赋予了更高的可调节自由度。然而，传统的介电基超表面的功能在设计后就被固定，因此，它们的光学响应在制造阶段完成之后就无法再被改变。实现光子器件的动态和可重构控制一直是一个难题。

近日，来自英国埃克塞特大学和俄罗斯ITMO的研究人员通过混合超表面设计为这一难题的解决提供了新的解决方案。可重构性是通过在硅纳米谐振体内嵌入亚波长硫系相变材料来实现的。通过对超薄Ge₂Sb₂Te₅层的位置设计和相态的可逆切换，研究人员展示了超表面共振的独立、多级和动态控制。研究人员在近红外波段（O和C电信波段）设计、制造和表征了能够用于动态滤光和调制光的超表面器件，调制深度高达70%，并且能够实现多级可调。此外，研究人员还展示了如何通过适当的材料选择将类似的设计应用于其他波长，从而为其他波段应用铺平了道路。这种全介电/相变混合超表面的概念为多层次、可重构、高效率的光动态调控提供了一种新的有潜力的实现方案。（朱学艺）

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Carlota Ruiz de Galarreta, Ivan Sinev, Arseny M. Alexeev, Pavel Trofimov, Konstantin Ladutenko, Santiago Garcia-Cuevas Carrillo, Emanuele Gemo, Anna Baldycheva, Jacopo Bertolotti, and C. David Wright, "Reconfigurable multilevel control of hybrid all-dielectric phase-change metasurfaces," Optica 7, 476-484 (2020) https://doi.org/10.1364/OPTICA.384138

拓扑声子在非常规的声子-波现象背后揭示了复杂的机制，这导致了背散射抑制的声子传输模式，并且将成为通往未来强大的芯片通信设备的途径。拓扑不变量负责对非平庸的拓扑类别进行分类。但是，对于所有拓扑声子系统，没有通用的拓扑不变量。此外，在考虑许多方面（例如对称条件，几何特征和材料色散响应）时，甚至很难正确定义它们。然而，无论是否定义了拓扑不变量，声子态的拓扑特性都本质上嵌入了整体结构特征中。到目前为止，大多数拓扑不变量是基于理想周期结构的布洛赫动量空间定义的，但是，这些基于动量的方法在处理声子模型如机械参数的空间随机性，非厄密特征或无定形结构时将不可避免地出现短缺或不适用。因此，找到一种在不定义拓扑不变性的情况下探索基于实际空间的拓扑特性的一般方法将是重要的，同时对于拓扑声子学及其以外的未来发展也将构成挑战。

近日，来自同济大学的研究小组展示了无监督流形学习，用于在没有任何先验知识的情况下对拓扑声子进行聚类，即使在系统不完善或无序的情况下，拓扑不变性也没有监督训练。这是通过利用有关有限声子晶格的实空间投影算子来描述振荡器之间的相关性来实现的。以典型的声子系统为例，说明了有效的无监督流形簇，包括一个具有随机耦合，无定形声子拓扑绝缘体的高阶声子拓扑状态和具有随机耗散的非厄密的一维Su-Schrieffer-Heeger型声子链。这一结果将激发更多的研究将无监督机器学习应用到拓扑声子设备上。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.124.185501

在过去的十年中，超材料由于其在操纵声波方面的空前灵活性在声学领域引起了极大的兴趣。随着人工声学材料的发展，反常质量密度和模量，在负折射，隐身，超分辨成像等众多应用领域都取得了长足的进步。阻抗匹配的特性在声波场中至关重要。阻抗不匹配会导致反射和能量损失，在吸声器的设计中，阻抗匹配至关重要。在其他一些声学设备和应用中，最大化传输以及减少反射也很重要。 已经提出了许多理想的方法来探索最大化透射率和最小化反射的可能性，例如布鲁斯特角效应，抗反射涂层，共振增强，零折射率介质，互补抵消，拓扑效应等。 尽管大多数阻抗匹配技术仅在狭窄的频带或很小的入射角范围内工作，但已经广泛地扩展了对阻抗匹配技术的理解。

近日，来自麻省理工学院和南京大学的研究小组合作从理论上提出并通过实验证明了一种非反射的声学超构材料栅栏，该栅栏在大范围的入射角和宽频带上与空气完美阻抗匹配。结构由一系列刚性圆柱体组成，这些圆柱体具有不同直径的交替层。它是根据空间色散有效介质理论设计的，并通过空气声反射测量进行了实验证明。这项工作提供了一种独特的方法来设计和实现刚性声学结构，可以稳定地阻止反射和混响。这样的结构在通用声学中可能具有重要的应用。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.13.054012

拓扑缺陷由于普遍存在于有序物理系统中，近年来由于其在实际应用中的出现而引起了理论界和实验界的广泛关注。在凝聚态物理中，拓扑在解释包括超流体、超导体和拓扑绝缘体在内的各种材料的性质方面起着至关重要的作用。在粒子物理学和宇宙学中，拓扑缺陷被用于解释早期宇宙中的密度波动，从而使得星系、恒星和行星体系形成成为可能。 

液晶中的缺陷由于其在许多应用中的潜力引起了人们的兴趣。有人观察到纳米颗粒包裹体倾向于迁移到液晶中的缺陷中，因为这可以使得液晶-胶体复合系统的总弹性能最小。因此，拓扑缺陷网络被提出作为纳米颗粒自组装的模板，允许在不需要光刻方法的情况下形成复杂的结构。例如，等离子体或金属粒子作为胶体掺杂剂在液晶中的应用导致了可调谐超材料的产生。液晶缺陷研究的一个新兴领域是通过Pancharatnam-Berry相位控制偏振实控制得到一种先进的空间光调制器。至关重要的是，对于所有这些应用，必须开发一种生成和稳定缺陷的方法。最近报道的方法通常局限于衬底图案化，通常采用光对准或采用电致向列相流等技术。利用这些方法，已经证明了大规模缺陷线阵列的产生和控制，但这些缺陷线大多是具有有限可调谐度的静态网络。 

双光子聚合直接激光写入（2PP-DLW）技术是一种强大的激光加工技术，可用于制备微/纳米尺度的聚合物结构。通过将样品相对于激光的焦点进行平移，可以在3D中制备出精细的结构，并且有可能获得低于光学衍射极限的分辨率。通常，2PP-DLW中使用的光刻胶形成各向同性聚合物，其中交联聚合物链没有分子有序性，材料的功能性仅由3D设计的微/纳米结构控制。最近，来自来自英国牛津大学（University of Oxford）的研究人员把液晶混合物制备成树脂，并在制造过程中通过改变分子排列和与外部场的顺序来调整树脂本身的性能。研究人员制造了三维对准表面，以稳定液晶装置内的拓扑不连续状态和缺陷，还演示了通过外加电压对缺陷的可调谐性和控制，并利用这一现象将掺杂的微粒传输到液晶系统中。文章以Electrically-tunable positioning of topological defects in liquid crystals为题发表在Nature communications上。（Lu Francisqb）

蓝色的棒状物显示液晶分子的取向，红色的圆圈表示缺陷的位置，红色的带状物表示聚合物网络。

a：使用2PP-DLW制造在V状态下稳定的聚合物壁之前，首先通过施加高于Vc的电压将装置驱动到弯曲状态（V状态）。b：施加的电压被移除，装置放松到散斑状态（H状态）。一个缺陷在V形壁附近形成，将拓扑上不连续的状态分开。然后使用2PPDLW从第一壁100μm处制备聚合物稳定的H-态壁。c：具有两个平行聚合物稳定壁的装置的最终配置，分别处于拓扑不连续的H和V状态，由100μm的间隙隔开。右图：极化光学显微镜（POM）图像，红色箭头突出显示每个POM图像中缺陷线的位置。d：在不施加电压的情况下，器件的主体处于H状态，缺陷靠近V状态壁。例如，向设备施加高于Vc的电压，缺陷开始穿过通道，直到它遇到H-状态壁。h–j移除电压会导致V状态松弛到180°扭曲状态（T状态），并且缺陷会在通道中向后移动。H态在生长畴的前沿沿偏斜线生长并穿过沟道，直到受到聚合物稳定的V态壁的阻碍。

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doi:10.1038/s41467-020-16059-1

增材制造（AM）指通过一系列聚合物，金属或陶瓷逐层制造3D零件的过程。在微米和纳米级别，AM有望成为高效3D MEMS，用于制备微电池电极、微光学组件等。要促进这些技术的发展，就需要一种制造工艺来以3D方式创建各种功能材料。然而，在纳米和微米尺度上用于AM的材料选择受到限制。当最终应用需要特定的材料特性（包括压电，磁性或光学特性）时，此限制尤其明显。3D介电光子晶体(PhC)由于具有剪裁和操纵光的独特能力而成为广泛研究的焦点。相关科学家已经实现具有完整光子带隙的3D PhC，控制光偏振的3D手性PhC，和全角负折射PhC。所有这些PhC都可以通过满足严格的光学材料要求和尺寸控制来实现。在可见光级红外级3D电介质PhC的材料选择中，二氧化钛(TiO2)由于其高折射率和高透明性，是一种有益的选择。迄今为止，二氧化钛的增材制造工艺存在孔隙率高，组成材料的折射率低以及可重复性差的问题。

近日，来自California Institute of Technology的研究人员开发了一种AM工艺，以折射率为2.3和临界尺寸为纳米的完全致密的二氧化钛（TiO₂）制造复杂的3D结构。透射电子显微镜分析证明该材料为纳米晶TiO₂的金红石相，平均晶粒尺寸为110 nm，孔隙率<1％。通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）揭示，具有300–600纳米光束尺寸的木桩结构具有以1.8–2.9μm为中心的全光子带隙。先进的AM工艺使3D MEMS，微光学和3D介电PhC的原型开发成为可能。相关成果发表在《Nano Lett》上。（张子栋）

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00454

固态量子声动力学（QAD）系统通过将声子源与超导或自旋量子比特耦合，为量子信息的存储和处理提供了一个紧凑的平台。声子的使用有一个关键的优势：晶格中声子的速度比电磁波慢约10⁵倍。只要声子腔的Q值够高，声子速度越慢，量子态（即量子信息）就可以保留得越长。使用微尺度声换能器作为声子源和腔，可以实现芯片级制造和电驱动/传感/控制系统，与诸如光机转换石英谐振器等非芯片级宏观尺度声子源相比，显著减少了占地面积、功耗和复杂性。多模复合高泛音体声波谐振器（HBAR）是一种非常适合QAD的声子源。然而，缺陷、晶界和界面/表面粗糙度的散射严重限制了溅射沉积器件的声子弛豫时间。

近日，来自US Naval Research Laboratory的研究人员生长了外延型HBAR，该外延型HBAR由金属NbN底部电极和SiC衬底上的压电GaN膜组成。从换能器到声子腔，声阻抗匹配的Epi-HBAR的功率注入效率> 99％。光滑的界面和低的缺陷密度降低了声子损耗，产生的（f×Q）和声子寿命分别高达1.36×10¹⁷ Hz和500 µs。GaN / NbN / SiC基Epi-HBAR是一种电驱动的多模声子源，可以直接与基于NbN的超导量子位或基于SiC的自旋量子位接口。相关成果发表在《Nature Communications》上。（张子栋）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-15472-w

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