超材料前沿研究”一周精选 2019年7月8日-7月14日- 大数跨境

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超材料前沿研究”一周精选 2019年7月8日-7月14日

两江科技评论

2019-07-14

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及石墨烯中的通用量子化热导、多通道直接传输近场信息、黑磷中的可调二维双曲线等离子体、局域周期性动态扰动下的拓扑保护极限、设计多姿态可伸缩的“蚂蚁”

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及石墨烯中的通用量子化热导、多通道直接传输近场信息、黑磷中的可调二维双曲线等离子体、局域周期性动态扰动下的拓扑保护极限、设计多姿态可伸缩的“蚂蚁”机器人等敬请关注！

索引

1. 石墨烯中的通用量子化热导

2. 多通道直接传输近场信息

3. 黑磷中的可调二维双曲线等离子体

4. 连续体中具有束缚态的超构表面工程

5. 局域周期性动态扰动下的拓扑保护极限

6. 设计多姿态可伸缩的“蚂蚁”机器人

7. 厘米尺度微米分辨率的生物动力学快速成像

石墨烯中的通用量子化热导

热导率的通用量子化为状态拓扑顺序提供了相关信息。最近的测量结果均表明，52状态的热导率观测值与Pfaffian或反Pfaffian模型都不一致。影响实验分析的因素有很多，例如，由边缘重构引起的反传播边缘通道的存在、掺杂层与GaAs量子阱分离以及由此产生的软束缚势等，都使得分析变得非常复杂。此外，由于热弛豫长度比典型的器件尺寸大得多，因此在非常低的温度下实现完全的热平衡非常具有挑战性，然而通用热传导的精确测量往往需要在没有这种边缘重建的系统中进行。近日，日本国立材料科学研究所和印度理工学院的研究人员合作，使用灵敏的噪声测温装置在石墨烯器件的整数和分数量子霍尔效应（FQHE）中进行了热导测量。首先在由SiO₂/Si背栅门控的h-BN封装的单层石墨烯器件中建立ν= 1、2和6整数平台的热导的量子极限（π²k_B²/3h）。然后，进一步研究由石墨背栅门控的h-BN封装的石墨烯器件中ν= 43的分数平台的热导率。结果表明，ν=43和2的热导率值是相同的，尽管它们具有不同的电导率。此外，石墨烯的量子霍尔（QH）状态在自旋-谷空间[SU(4)]中具有更高的对称性，并且可通过电场和磁场调节，从而表现出从自发对称破坏状态到受保护的拓扑状态范围内更多的激发相。与GaAs相比，双层石墨烯具有多个额外的偶分母QH分数，例如-12、32、-52和72，它们具有拓扑奇异基态和可能存在的非阿贝尔激发态，其中一些奇异相可通过热导测量唯一识别。总之，他们测量了石墨烯的三个整数平台（1,2和6）和一个粒子状分数平台（43）的热导率，并且这些值与5％准确度内的量子极限一致。这些石墨烯量子霍尔热输运测量将使人们对石墨烯中偶数分母量子霍尔分数等奇异系统产生新的认识。这些研究可以延申测量石墨烯中的偶分母QH平台的热导率，以探测其非阿贝尔性质。

文章链接:

https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw5798

多通道直接传输近场信息

随着科技的发展，人们使用的各种设备越来越多。第五代（5G）通信技术将不仅涉及人类之间的通讯，还涉及设备之间以及人与设备之间的通讯。因此，除了提高网络容量和频谱效率之外，建立额外的通信模式是5G的发展方向。设备到设备通信是一种可以在终端之间直接发送和接受信息的通信技术，它可以减轻基站负担，减少端到端的延迟，提高频谱效率，降低终端的传输功率。然而，由于高复杂性，高成本，大体积等限制条件，传统通信系统不能够再满足现代通讯的要求。此外，现代通信系统的数字化已经从基带演变为射频链路和天线。因此，迫切需要更加灵活的硬件架构、新型的信息通讯理论，从而满足5G大容量、大连接、广泛应用的实质性需求。

超材料作为一种人工微结构材料已经被证明可以调控电磁波的宏观现象如负反射、完美透镜、隐形斗篷等。超表面是超材料的二维形态，能够在亚波长尺度调控电磁波波前的相位、幅度、极化等自由度从而应用于全息成像、涡旋光束等。通过配置数字编码元件，数字编码可编程超表面能够动态调控近场图象，动态且独立地调制图像的每个像素的强度。近日，来自东南大学的研究团队报道了一项新的研究成果，他们利用超表面实现近场信息的多通道直接传输。在近场区域中选择了三个点形成三个独立的通道。通过在数字编码超表面上应用各种数字相位码，由幅度码（弱/强）定义的独立二进制数字符号通过三个信道发送。测量的系统的近场分布和时间传输与数值计算一致。与传统的多信道传输相比，数字编码超表面能够被看作能量辐射器和信息调制器的结合体，同时实现空间和时间的调制，从而在近场信息处理和通信中获得更好的性能。

文章链接：

X. Wan, Q. Zhang, T. Yi Chen, L. Zhang, W. Xu, H. Huang, C. Kun Xiao, Q. Xiao, and T. Jun Cui, Light: Science & Applications 8, 60 (2019).

黑磷中的可调二维双曲线等离子体

半导体二维（2D）晶体是可调谐光电子器件的优秀平台，这得益于它们对外部电气和机械刺激的显着响应。特别是，原子级薄的黑磷（BP）通过几种方法显示出其光学和电子特性的非凡可调性，例如静电门控，化学功能化，量子限制（层数），外部应变或高压。这允许控制这些材料中的光-物质相互作用，特别是集体极化激发的色散特性。除了是一种高度可调的光电晶体，黑磷的晶格结构是典型各向异性的。面内各向异性意味着光学双折射，其极限是双曲性，其中介电常数张量具有相反符号的主成分。最近，使用金属超构表面在GHz频率范围内通过实验实现了面内双曲性。

黑磷具有典型各向异性的晶体结构，使其成为双曲线等离子体的潜在候选者，其特征在于介电常数张量，其中一个主要成分是金属，另一个是电介质材料。来自武汉大学的Edo van Veen团队证明原子级薄的黑磷可以被设计成双曲线材料，在从整个可见光谱到紫外线的广泛电磁波谱范围内工作。随着光学增益的引入，新的双曲线区域出现在红外线中。这种双曲线等离子体的特征取决于沿两个晶体方向的增益和损耗之间的相互作用。黑磷的强烈各向异性表明其作为天然双曲线材料的潜力，为主动控制2D中的极化子提供了新的可能性，例如定向等离子体，光发射器，超透射效应]等。双曲线材料具有大的光子密度状态，已被用于增强自发发射，纳米级传热，以及宽带吸收和生物传感的应用。这些特征也出现在双曲面2D材料和超构表面上。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014011#fulltext

连续体中具有束缚态的超构表面工程

连续体中的束缚态（BIC）是在动态系统中保持局域化的波，即使它们与连续的辐射波谱共存。虽然BIC最初是在量子力学中引入的，但它是在许多物理系统中发现的一般波动现象，如电磁，声学，水和弹性波。具体而言，这些状态也已在各种光学系统中得到确认，包括介质光栅，光波导，光子晶体，石墨烯量子点结构和混合等离子体-光子系统。通常，在结构或辐射连续体的本征模的对称性被破坏时，BIC模式变换为泄漏共振。因此，需要打破离散模式或辐射连续体的对称性，以便访问这种对称保护的多极BIC。到目前为止，迄今为止报告的用于操纵BIC和辐射连续体之间的过渡的所有机制可以归类为面内对称性破坏，没有利用平面外对称来操纵BIC和漏泄共振之间的过渡，这将提供一种更灵活的方法来设计和控制超构表面的共振特性。

近年来，超构表面引起了很多关注，为有效的波前控制和谐振传输的工程提供了替代方法。最近，来自吉林大学的Vladimir R. Tuz团队讨论了一种方法，该方法允许有效控制与连续体中的束缚态相关的表面中尖锐Fano共振的出现。研究人员证明了通过横向破坏对称性，在垂直于具有复杂晶胞的超构表面的方向上，可以控制源自连续体中束缚态的高Q共振的数量、频率和类型。容师，研究人员通过实验证明了具有磁偶极子和环形偶极子响应的超构表面受多极束缚态的物理学控制。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.014024#fulltext

局域周期性动态扰动下的拓扑保护极限

近年来，凝聚态物理中的拓扑学已经得到了长足的发展。拓扑学的一个重要特点是，体哈密顿量的拓扑性质会对系统边界模式的特性产生深远的影响。根据这种体边对应关系，具有不同拓扑结构的两个绝缘体之间的边界至少存在一个受拓扑保护的边界态。即使存在散射、变形等静态扰动，界面电流仍然能够导通而非散射。这种奇特的性质在许多系统中得到证实，例如冷原子、光学、声学等。在静态情况下，边界态与体态的耦合在能量上是被禁止的。然而，系统的动态扰动可能导致模式混合并且其特性得到彻底的改变。因此，这种相互作用在什么条件下会使体态和边界态产生相关性是一个重要的研究课题。

近日，来自德国玻恩大学物理研究所的研究人员报道了一项新的科研成果，解决了系统动态扰动如何影响边界态鲁棒性的问题。研究人员使用等离子体和介质光波导耦合的方式实现了动态量子模拟单元，从而构建出拓扑Su-Schriefer-Heeger模型，能够简便的控制哈密顿量的时间和空间性质。界面的局域时间周期性调制不会改变系统的拓扑性质，但是仍然导致边界态产生明显的变化，边界态在特定的频段迅速衰弱。Floquet理论分析表明，与体带之间的耦合是导致这种影响的根本原因。

文章链接：

Z. Fedorova, C. Jörg, C. Dauer, F. Letscher, M. Fleischhauer, S. Eggert, S. Linden, and G. von Freymann, Light: Science & Applications 8, 63 (2019).

设计多姿态可伸缩的“蚂蚁”机器人

在蚁群中，集体出行使劳动分工和资源分配具有极大的可协调性。除了复杂的社会行为，有一种叫做“陷阱颚蚁”的蚂蚁已经进化出了具有非凡的运动机制，从而很容易躲避危险。即当受到威胁时，它们会突然合住下颚向上跳跃;当遇到障碍时，它们会用腿向前跳跃来克服障碍。通过模拟这些不同的昆虫生物力学机制和研究昆虫在各种环境下的集体行为，研究人员可以开发出可部署在紧急救援、探索和监测等极端情况下的多功能机器人。然而，在微型机器人系统中以简单的设计和可伸缩性再现这些功能仍然是一个关键的挑战。现有的机器人由于运动受限，只能在二维平面上活动，而且由于硬件设计的复杂性、尺寸和成本的增加，很难对其产业化推广，这阻碍了其大规模生产。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Jamie Paik等人受到陷阱颚蚁的启发设计了一个自主多运动功能的“蚂蚁”机器人，解决了微型地面机器人的设计和可伸缩性等问题。该机器人紧凑的运动机件由非常小的组件和装配步骤构成，实现了五种不同运动模式:垂直跳高、水平跳远、翻筋斗跳跳过障碍物、在崎岖的地面上行走以及在水平地上爬行。这款不系绳、由电池供电的“蚂蚁”机器人名为Tribot，可以自主选择地转换运动轨迹，穿越不同的地形。Tribot看起来就像一个小电路板，而其非凡的运动“天赋”来源于一种形状记忆合金，该形状记忆合金堪称机器人的“肌肉”，这种合金在一定温度下会发生形变，但随着温度改变时，它就会弹回原来位置。研究人员表示，该款机器人是迄今为止报道的最小最轻的多功能运动机器人。此外，通过折叠一个由很容易集成的机械、材料和电子层组成的准二维超材料夹层，这将使该机器人很有可能实现无装配的大规模制造。该研究是一项非常有趣的工作，同时为探索微型机器人新的运动模式，甚至是设计能完成特定任务的机器人提供了一个非常重要的参考。相关研究工作发表在《Nature》上。

文章链接：

Zhenishbek Zhakypov, Kazuaki Mori et al. Designing minimal and scalable insect-inspired multi-locomotion millirobots.(2019).

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1388-8.

厘米尺度微米分辨率的

生物动力学快速成像

考虑到生命系统的动态性和复杂性，从单个部件的特性预测系统行为几乎是不可能的。要研究系统的生物学特性，如皮质层区域的神经网络活动、白细胞转运动态或肿瘤转移等，需要至少具有毫米视野和亚细胞分辨率的显微镜，以快速度记录生物组织活动的动态过程。这需要一个高空间带宽积(SBP)(分辨率*FOV)的光学系统和一个高数据处理量能力(像素数*帧速率)的采集系统。最近的研究已经报道了高分辨率成像和大的FOV。在共聚焦扫描模式下，可以从具有光学切片功能的毫米尺度的标本中收集大量信息，从而用于对一个12.5天大的完整小鼠胚胎进行成像。但是该系统不能实时的进行动态成像。而实际上高时空分辨率的生物动力学大规模成像是系统生物学研究中不可缺少的内容。然而，由于空间带宽积定理的存在，传统显微镜要在可观测的视场和空间分辨率之间存在折中。此外，另一个挑战是处理大型成像平台生成的大量数据的能力。

近日，清华大学戴琼海等人提出并使用平面弯曲-平面成像的方法打破了这些瓶颈，该方法中，样本平面被放大到一个大的球形图像表面，然后完美地连接到多个平面传感器。该实时、超大尺寸、高分辨率（RUSH）成像平台可以观测到10*12mm²的成像视野,去卷积之后的分辨率约1.20μm，并且每秒的数据处理量达到了51亿像素。实验过程中，研究人员使用RUSH平台在厘米尺度和微米分辨率下对生物动力学实时高分辨成像，包括对清醒、行为正常的小鼠进行全脑结构成像和功能成像。我们期待该系统的设计开发在未来广泛应用于系统生物学的研究，包括脑科学和免疫学。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。