“超材料前沿研究”一周精选[2018.6.4-6.17]
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上周，由于一些个人原因，小编没能及时给大家推送超材料研究精选，在此向各位表示歉意！然而，就在这短短的两周内，超材料领域的各路大神纷纷发力，为我们呈现了诸多精彩绝伦的研究工作。其中，华人科学家更是表现不俗，各大顶刊都有他们的身影。不信？您往下瞧：
索引
1.弯曲超构材料：广义相对论的时空弯曲？
2.非厄密人工BN声学结构中的“谷”物理
3.用于动态全息和光学信息加密的可寻址超表面
4.具有异常膨胀行为和可调应力-应变曲线的软性力学超材料
5.范德华纳米结构中的超限域中红外共振声子极化激元
6.光子晶体中间带隙缺陷模式的拓扑保护特性
7.基于变换光学原理实现亚波长虚拟成像的放大镜
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8.硫化物超表面材料中相变驱动的“介电-等离子体”转变
9.基于多材料增材制造的巨大、可调节负泊松比的力学超材料
1、弯曲超构材料：广义相对论的时空弯曲？
爱因斯坦的广义相对论成功描述了弯曲时空中物质的运动。根据广义相对论的基本原理，光子态在弯曲时空中的演化可以呈现出许多新奇的特性。近些年，理论物理学家提出变换光学方法，利用超构材料模拟弯曲时空中光子态的演化行为，可以实现光子态的操控和新型集成光子芯片。近几年来，南京大学物理学院介电体超晶格实验室祝世宁、刘辉课题组，在变换光学实验技术方面取得突破，如利用液体表面张力自组织加工技术，在聚合物变换光学波导中成功实现了光子黑洞、爱因斯坦环、麦克斯韦鱼眼等器件。
另一方面，光子也是满足量子力学的自旋为1的玻色子，通过引入自旋自由度，人们可以利用光自旋霍尔效应更加灵活地在芯片上调控光子传播。最近，南京大学祝世宁院士团队的刘辉教授与香港科技大学Jenn Li课题组合作，将光自旋引入变换光学芯片，通过同时改变超构材料整体的弯曲形状和结构单元局域的旋转角度，可以调控时空中自旋光子态的几何位相（GeometricPha），模拟弯曲时空
中粒子的加速运动和韧致辐射。研究人员在实验中模拟了黑洞周围加速粒子的韧致辐射（Bremsstrahlung radiation），实现了自由空间自旋光子激发芯片上等离激元伦德勒波束（Rindler beam）的过程。更进一步，利用不同弯曲时空度规之间广义协变变换（CovariantTransformation），在理论上可以找到了一系列满足等价关系的弯曲超构材料，实验中在不同超构材料中同时产生相同的表面等离激元波场，结果表明：广义协变变换为变换光学芯片的设计提供了更加广泛灵活的理论方法。相关结果发表在近期的《Physical Review Letters》。
婴儿前囟门两江短评：超材料有时候就是这么神奇，它可以作为许多有趣的物理现象的研究和实现平台，甚至可以研究广义相对论的度规变换及类似的“黑洞”现象。
文章链接：Fan Zhong,Jenn Li, Hui Liu, and Shining Zhu, Controlling Surface Plasmons ThroughCovariant Transformation of the Spin-Dependent Geometric Pha Between CurvedMetamaterials, Phys. Rev. Lett. 120, 243901 – Published 11 June 2018.
2、非厄密人工BN声学结构中的“谷”物理
在凝聚态物理中，“谷”（Valley）是赋予了粒子或物质波更为丰富的自由度，例如动量空间中
的“谷”能带电子往往携带有特殊的赝自旋（pudospin），这就相当于从本质上提供了更为多元化的
信息载体和处理单元。近年来在实本征值厄密体系（Hermitian）中的研究日益丰富，实现了谷极化电流（valleypolarized current）、谷滤波器（valley filter）和谷霍尔效应（valley Hall effect）等许多新奇的物理效应；然而，包含增益和损耗的非厄米系统（non-Hermitian）的相关研究却相对较少。近日，武汉大学的刘正猷教授课题组与西班牙马德里大学J.Christenn教授合作，通过引入人造氮化硼BN声学结构的增益和损耗单元，表明“声谷态”（acoustic valleystate）和“谷能带投影边界态”（valley-projectededge state）展现出支持声波的衰减或增益传播的奇异行为。该研究结果显示了如何在非厄密系统引入拓扑保护“谷输运”（valley transport）的调控机制，这在传感和通信领域声波和电磁波的控制中具有重要的指导意义。该研究结构发表在近期的《Physical Review Letters》上。
两江短评：“谷”物理学之所以受到大家的广泛关注，主要还是因为不同的“谷”往往具有不同的属性，例如电子的自旋，这样我们操纵粒子或物质波的自由度就更多了。
文章链接：Mudi Wang, Liping Ye, J. Christenn, and ZhengyouLiu, Valley Physics in Non-Hermitian Artificial Acoustic Boron Nitride, Phys.Rev. Lett. 120, 246601 – Published 12 June 2018.
3、用于动态全息和光学信息加密的可寻址超表面
得益于超表面材料（metasurface）在超紧凑、深亚波长尺度下的相位和偏振性质的精确控制，我们能够在突破传统光学元件的层次上操纵光波的传播特性。近年来，从超透镜、涡旋光束到全息成像等诸
多方面，该领域都取得了多元化、功能化的研究进展。然而，上述工作主要集中在静态器件上，而超表面能够为我们带来的则远远不止于此。近日，来自德国马普所和基尔霍夫物理研究所的刘娜教授课题组、英国伯明翰大学的张霜教授和武汉大学的郑国兴教授向我们展示了一个动态的超表面材料平台，该平台通过受控的化学反应，能够在可见光波段下独立处理可寻址（addressable）的亚波长像素图案。特别的是，他们可以为光学信息处理和加密创建动态的全息图（dynamichologram）。在该研究中，等离子体纳米棒在加氢/脱氢反应时所表现出的动力学特性构成了不同的“可寻址像素”，而光学手性特征、氢气、氧气和反应持续时间则作为加密单元的“钥匙”。结果表明，单一的超表面就可以被解密成带有定制密钥的多重消息，从而为人们提供了一种紧凑的数据存储方案，同时保证了信息的高度安全性，是实现机密数据传输和保护的新途径。研究成果发表在近期的《Science Advances》上。
两江短评：让超材料的特性“动起来”，做到“可调、可控”，分子级的化学反应或物理吸附是个很不错的思路。
可以用茶水吃药吗文章链接：Jianxiong Li, Simon Kamin, Guoxing Zheng, FrankNeubrech, Shuang Zhang, Na Liu, Addressable metasurfaces for dynamic holographyand optical information encryption, Science Advances 15 JUN 2018 : EAAR6768.
4、具有异常膨胀行为和可调应力-应变曲线的软性力学超材料
自适应的软材料能够根据环境变化改变自身的形状、体积和材料属性，在生物组织工程、软机器人、生物传感和柔性显示器中有着重要的应用。大多数软材料（例如水凝胶）在吸水时显示正体积变化，即对应于正膨胀，而负膨胀（negativeswelling）则代表了大多数天然材料中不存在的反常现象。目前，研制具有显著特征的各向异性负膨胀材料仍然是一个挑战。近日，来自清华大学的张一慧课题组与北京理工大学的方岱宁院士合作研究，将分析建模、有限元分析和实验相结合，设计出一种可以实现大的有效负膨胀比（effectivenegative swelling ratio）和应力-应变曲线可调的软性力学超材料（mechanical metamaterial），并展现出独特的“各向同性/各向异性”特征。这种材料体系利用水凝胶和被动材料的马蹄形复合微结构作为基础框架，具有周期性的晶格网络结构，实现了高达约-47％线性应变。研究表明：新设计的网状材料具有独特的“J”型应力-应变曲线，通过控制吸水时间，可以精确控制网状材料的弹性模量及临界应变等力学性质，在可展开天线和软体机器人的构型主动控制方面有着重要的潜在应用。相关研究成果发表在近期的《Science Advances》上。
两江短评：材料基底的吸水特性+结构设计=可调力学超材料，考虑到材料所具有的丰富特性，还有什么更多的有趣现象等待发掘呢？
文章链接：Hang Zhang, Xiaogang Guo, Jun Wu, Daining Fang,Yihui Zhang, Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior andtunable stress-strain curves, Science Advances 08 JUN 2018 : EAAR8535.
5、范德华纳米结构中的超限域中红外共振声子极化激元
具有极性晶格结构的六方氮化硼被认为是一种能够对亚波长红外光实现有效调控的材料，并且可以激发具有双曲色散特性的低损耗声子极化激元（low-lossphonon polariton）。该极化激元是实现较强的光与物质相互作用的平台，在在传感、光学调制和可调谐天线等方面具有重要的潜在应用。最近，哈佛大学Federico Capasso教授领衔的研究团队在六方氮化硼平面纳米结构
中开展中红外波段的亚波长特性研究，发现在该体系中存在超限域（ultra-confined）的共振和局部场增强效应。他们借助光致力显微镜、散射型近场光学显微镜和傅里叶变换红外光谱等实验手段，研究了这些纳米级结构中较强的“光-物质”相互作用，实验结果与数值模拟非常吻合。在此基础上，他们设计了光学纳米偶极子天线，并基于明态或暗态模式共振激发，对场分布进行直接成像。令人惊讶的是，这些模式处于深亚波长区域，并且可以由任意小的结构实现。研究人员认为：类似于贵金属内部的等离子体在可见光频段下的强相互作用，六方氮化硼中的声子极化激元在红外光波段也发挥着重要的作用，这就为新一代纳米尺寸的高效纳米光子学器件铺平了道路。相关研究成果发表在近期的《Science Advances》上。
两江短评：以往的超材料主要以金、银这样的贵金属作为基元材料，但对于红外光波段，则需要借助氮化硼这样的层状或二维材料来提高光与物质的相互作用。
文章链接：Michele Tamagnone, Antonio Ambrosio, KundanChaudhary, Luis A. Jauregui, Philip Kim, William L. Wilson, Federico Capasso,Ultra-confined mid-infrared resonant phonon polaritons in van der Waalsnanostructures, Science Advances 15 JUN 2018 : EAAT7189.
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6、光子晶体中间带隙缺陷模式的拓扑保护特性
二维周期性光子晶体结构中的缺陷模式已经用于各种光学器件中。例如：光子晶体腔结构可将光学模式限制在亚波长的体积中，并且可以应用于非线性效应增强、激光和腔量子电动力学等领域；具有缺陷结构的光子晶体光纤能够产生超连续光谱，并且在大芯径光纤中也能实现的无限单模传输。然而，这些模式往往非常脆弱，即便是微小的结构变化也会导致共振频率和模式体积的明显改变，不利于其在实际生产中的应用。近日，来自宾州州立大学的Mikael C. Rechtsman教授课题组、UIUC的Taylor L.Hughes教授和匹兹堡大学的Kevin P. Chen教授通过研究表明：拓扑绝缘体光子晶体结构可以从拓扑学上保护中间带隙（mid-gap）的光学模式，并减小了光子缺陷模式的体积。研究人员在飞秒激光直写的波导阵列中，通过实验观察到了局限于阵列边角的拓扑零模（topologicalzero mode），并且该模式具有一种由拓扑不变量保证的鲁棒性（robustness）。这是嵌入于二维光子晶体中的零维状态，是一种前所未有的全新拓扑保护形式，其传播性质对缺陷“免疫”，这将对纳米光子学器件的实际应用具有重大的启示作用。相关研究成果发表在近期的《Nature Photonics》上。
两江短评：在拓扑绝缘体研究领域，材料的拓扑态往往是“降维”的，例如三维体系中的二维表面态、二维体系中的一维边界态；但是，这里的二维光子晶体中却出现了“零维”拓扑态，并且也对缺陷“免疫”。当然，这种看似违背时间反演对称性的现象，需要精巧的缺陷模式设计。
天福茶博物院文章链接：Jiho Noh, Wladimir A. Benalcazar, Sheng Huang,Matthew J. Collins, Kevin P. Chen, Taylor L. Hughes & Mikael C. Rechtsman,Topological protection of photonic mid-gap defect modes, Nature Photonics(2018).
7、基于变换光学原理实现亚波长虚拟成像的放大镜
放大镜是我们日常生活中的常用工具，它可以帮助我们放大并看清微小的物体。传统的放大镜只能提供衍射极限下的放大虚像（magnifiedvirtual image），但物体的细节信息却丢失了，导致极其微小的物体看起来非常模糊。最近，来自浙江大学的何赛灵教授课题组基于变换光学原理设计了一种被称为“超分辨率放大镜”（SuperresolutionMagnifying Glass）的放大镜，其可以产生具有预定放大倍数的放大虚像，并且能精确解析物体的亚波长细节，可实现具有亚波长距离的光源放大成像。他们基于理论计算，提出并制备了一种用于微波频率下的金属板状结构，其良好的性能通过了数值模拟和实验结果验证。与传统的可以创建实像（real image）的超分辨率成像器件不同，这一特殊设计的放大镜可以创建一个超分辨率的虚像，极有可能成为超分辨率成像技术的新分支，将会在超分辨率虚拟成像、
光学放大幻象（illusion）、重塑完美电导体等方面有一些潜在的应用。该研究所提出的方法还可以扩展到其他波动领域，如超声的虚拟成像、水波成像和热幻象。相关工作发表在近期的《Advanced Materials》上。
两江短评：从衍射理论上来说，我们是不能“看清”尺寸比光波波长更小的物体的，但是这里的放大镜却能够突破衍射极限、将亚波长的物体“放大”呈现在我们眼前。谈花
8、硫化物超表面材料中相变驱动的“介电-等离子体”转变
基于硫族元素（硫、硒、碲等）形成的合金材料在光电技术上具有多种用途，包括红外光透明、光学非线性、光折变和可逆的非易失性（non-volatile）结构相转变，这种相变材料在等离激元学和纳米光子学领域具有极大的应用价值。然而，在以往的应用中，人们往往忽略了一个事实：一些硫族元素化合物在从无定形态到结晶态的相转变过程中增加了等离激元属性，即它们的相对介电常数的实数部分变为负值。实际上，以锗锑碲（Ge2Sb2Te5，GST）为代表的硫族化合物在近紫外至可见光范围内就具有这样的特性。最近，来自英国南安普顿大学Nikolay I. Zheludev教授团队的Kevin F.MacDonald教授、Behrad Gholipour博士以及新加坡南洋理工的Jun Yin博士等人组成的研究团队，在实验上表明：相转变诱导的等离激元特性可以显著地改变
满腹经纶相声
亚波长厚度GST纳米薄膜的光学性质，构成了在可见光频率下工作的非易失性、可重构（例如色彩可
调）的硫族化合物超表面（chalcogenidemetasurface），有望实现非易失性的光存储器、固态显示器和全光开关等实用化光电器件。相关研究发表在近期的《NPG Asia Materials》上。
两江短评：相变材料既可以是电子存储器，又可以是光子存储器，异曲同工之妙！
文章链接：Behrad Gholipour, Artemios Karvounis, Jun Yin,Cesare Soci, Kevin F. MacDonald & Nikolay I. Zheludev, Pha-change-drivendielectric-plasmonic transitions in chalcogenide metasurfaces, NPG AsiaMaterials (2018).
9、基于多材料增材制造的巨大、可调节负泊松比的力学超材料
在自然界，生物已经发展出一种极具智慧的进化策略：在单个组织内，通过具有跨尺度弹性模量（从GPa到KPa）的多种材料的相互耦合，就能够实现超乎寻常的力学性能。因此，从仿生学角度来看，生产具有高保真度的多材料（multi-material）、三维微结构，并将不同材料进行相容性组装的方法一直是人造材料领域的主要挑战。近日，来自弗吉尼亚理工的Xiaoyu Zheng和Da Chen向我们展示了一类多模量复合的力学超材料，其结构单元主要是由精心设计的从刚性到软质的不同材料构成。研究发现，与普通的织构材料不同（负泊松比是由其几何结构决定），这类新型的超材料能够展现出从极端负值到零的泊松比演变，并且该性质与其三维微结构无关。此外，该超材料还具有较低的等效密度；在微结构均匀分布的超材料内，实现了功能分级的分布式应变放大能力。通过调整3D多材料中的泊松
比和模量，人们可以制备出灵活的人造盔甲、人造肌肉、马达和生物材料，为相关的性能设计与应用打开广阔的应用空间。相关研究发表在近期《Scientific Reports》上。
两江短评：这里为我们提供了一种能够同时打印骨头与肌肉、关节与韧带的可行性方法，刚与柔的精妙结合！3D打印生物组织？不只是一种可能。
示意的近义词文章链接：Da Chen & Xiaoyu Zheng, Multi-material AdditiveManufacturing of Metamaterials with Giant, Tailorable Negative Poisson’s Ratios,Scientific Reports 8, Article number: 9139 (2018).
作者：颜学俊
