今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及通过傅里叶时空变换对光的轨道角动量进行子周期调制，受变色龙变色机制启发的可调超材料微波吸收器和并行机械计算：可执行多任务的超构材料敬请期待！
索引：
1 通过傅里叶时空变换对光的轨道角动量进行子周期调制
2 通过离子-电子共调制实现二维半导体AgCrP2S6中可调的面内电导各向异性
3 受变色龙变色机制启发的可调超材料微波吸收器
4 液体注入纳米结构复合材料作为高效热界面材料实现有效冷却
5 基于热电多孔激光诱导石墨烯的应变-温度解耦和自供电传感
6 具有不对称拓扑电荷的Janus BIC
7 并行机械计算：可执行多任务的超构材料
光的轨道角动量（OAM）一直推动着光学的发展。与自旋角动量（与光的偏振直接相关）不同，OAM源自光场的空间分布，表现为相位前沿的扭曲。OAM可以用 exp(iℓϕ) 定量描述，其中ℓ表示拓扑电荷，揭示了光的固有量子特性。近年来，随着四维（4D）结构光的出现，光的OAM与时间维度的结合推动了超快时空光束的研究，达到了阿秒尺度。这些4D结构光具有OAM、短脉冲持续时间和高峰值强度的特点，揭示了多种时空现象，包括交织光的螺旋、旋转光束和环形脉冲等。此外，一些开创性实验故意放弃了OAM与线性动量之间的共线性，揭示了携带横向OAM的时空涡旋现象。然而，这些涡旋脉冲中的OAM保持不变，尚未充分探索其随时间变化的潜力。光的自扭转现象表明，OAM可以表现出时间变化的特性（即，ξ= dLz/dt），表现为OAM的内在演化，导致自我诱导的旋转，从而改变光束的相位和强度分布。这一现象为动态控制光的特性提供了新的思路。然而，现有技术在控制OAM的时间动态上面临调制速度较慢的挑战。
近日，意大利理工学院Michael de Oliveira和Antonio Ambrosio团队提出一种方法，通过在超短脉冲中设计空间-时间耦合，实现在飞秒尺度上调制光的OAM。通过将位置与时间关联，团队实现了一个具有方位变化的傅里叶变换，动态地改变光在固定横向平面内的空间分布。实验展示了自扭转的波包，这些波包表现出螺旋运动，并在时间上迅速变化其OAM，变化速度可达到几飞秒。进一步扩展这一概念，团队生成了具有角自加速特性的波包，这些波包通过在其光谱带宽上重新分配能量密度，自行调整OAM，而无需外力的作用。这种按需调节光的时空特性的能力，打开了在基本时间尺度上探索超快光动力学的可能性，并对超快光谱学、纳米和微结构操控、凝聚态物理学以及其他相关领域具有深远的影响。相关内容发表于《Science Advances》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adr6678
2 通过离子-电子共调制实现二维半导体AgCrP2S6中可调的面内电导各向异性
随着科技的迅速发展，二维（2D）材料因其独特的结构和性能引发了广泛的关注。这些材料通常在平面内和垂直方向上表现出显著的各向异性特性，为电子、光学和热学应用提供了巨大的潜力。例如，黑磷（Black Phosphorus）展示了沿"扶手椅"和"锯齿"方向不同的电导和热导特性，其载流子迁移率比值达到1.5倍。这些性质使得二维材料在方向性电荷与能量传输领域具有独特优势，为开发各向异性晶体管、人造突触以及光电探测器等功能性电子设备提供了丰富的可能性。然而，目前大多数报道的二维材料的平面内电导各向异性主要依赖晶格结构的固定取向，这种方式在调控能力上具有一定的局限性。因此，如何引入额外的自由度实现可调控的平面内电导各向异性，成为二维材料领域的研究前沿。离子调制被认为是一种实现这种自由度的潜在方法。由于离子是晶体结构的固有成分，其方向性分布可以通过内部电场或外部电压来改变，从而影响材料的导电性能。离子调制与二维半导体材料的电子特性耦合起来，构建一个真正具有可调电导各向异性的三端器件，仍然面临许多技术难题。
文章链接：
随着微波电磁波的应用不断增加，有效衰减这些波的需求变得越来越重要。然而，仅仅通过材料控制电磁特性会限制有效衰减，因为结构吸收被忽略了。因此，引入了超材料吸收器，通过引入工程结构成功地改善了衰减性能。然而，这些结构吸收器的一个主要限制是它们在制造后具有固定的电磁响应。在现实世界中，结构吸收器需要来自单一设计的可调电磁响应，以适应入射波带宽的动态变化或控制输出信号。3D结构的机械变换在通过结构吸收实现宽带吸收和减少使用额外电气元件的干扰方面具有竞争优势。尽管机械变换的结构吸收器前景被看好，但先前的研究主要集中在展示吸收强度或带宽的变化，而不是针对特定的电磁响应。此外，控制结构变换的驱动方法往往被忽视。因此，需要一种新的可调结构吸收器，该吸收器可根据目标电磁响应进行编程，并可通过机械驱动连续变换。然而，由于引入结构变换增加了影响电磁响应的可能几何形状，因此通过实验使用反复试验的方法很难配置最佳结构。
近日，加利福尼亚大学伯克利分校的Grace X. Gu教授，受变色龙通过光子晶格晶体的结构转变（改变可见光的反射和透射带隙）改变颜色的能力的启发，设计了一种十字交叉结构，可以从扩展形式转变为折叠形式。这种转变使得在微波范围内宽带吸收和峰值透射之间切换成为可能。该结构通过数据驱动设计进行了优化，通过相互连接的桁架的旋转进行机械驱动。这种机制改变了整个阵列的响应，使其保持不被外部雷达检测到的状态，或者在需要时将内部雷达信号传输到近场接收器。所提出的设计克服了具有可编程性和同时驱动的可调结构吸收器的挑战。相关工作发表在《Science Advances》上。（刘帅）
https://doi.org/10.1126/sciadv.ads3499
4 液体注入纳米结构复合材料作为高效热界面材料实现有效冷却
高效散热对于节约能源和防止各种高能密度设备和系统发生故障至关重要。如果没有有效的热解决方案，将导致设备性能和寿命快速下降。随着未来电气设备和系统中异构集成变得越来越不可避免，界面热阻已成为高效热管理的关键瓶颈。虽然热界面材料(TIM)已被广泛用于减轻热界面热阻，但它们必须同时具有低体积热阻和低接触热阻才能确保最佳热性能。此外，TIM 应具有机械柔软性，以有效吸收由于界面热膨胀系数 (CTE) 不匹配而导致的热应力。满足这些严格的要求对高性能多功能TIM的开发提出了艰巨的挑战。与液态导热油脂/化合物相比，固态导热垫在材料排列方面更具可编程性，因此可以实现更高的导热率。然而，由于制造限制和与基板的直接热接触，导致厚度较大，从而导致体积和接触热阻较高，损害了其整体热性能。到目前为止，仍然缺乏能够满足热管理关键需求的通用高性能TIM。
近日，卡内基梅隆大学的Sheng Shen教授，提出了一种创建可打印的高性能液体注入纳米结构复合材料的策略，该策略包括机械柔软且导热的双面 Cu 纳米线阵列支架，支架中注入了可抑制接触热阻的定制热桥液体。液体注入概念适用于广泛的热界面应用。值得注意的是，液态金属注入纳米结构复合材料在界面处表现出超低热阻 <1mm² KW^-1，在芯片冷却方面优于最先进的热界面材料。纳米结构复合材料的高可靠性使其在极端温度循环中性能不下降。液体注入纳米结构复合材料可作为数据中心、GPU/CPU 系统、固态激光器和 LED 中冷却应用的通用热界面解决方案。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56163-8
5 基于热电多孔激光诱导石墨烯的应变-温度解耦和自供电传感
随着可穿戴设备和智能传感技术的发展，柔性传感器在健康监测、疾病诊断以及人机交互领域展现出了巨大的潜力。然而，多参数传感器通常难以实现同时检测并解耦多种输入信号（如温度与应变）的需求。此外，传统传感器依赖外部电源供电，不仅增加了设备复杂性，还限制了其小型化和灵活性的应用场景。近年来，基于塞贝克效应的热电技术为柔性自供能传感器的发展提供了一种可能：通过温度梯度驱动的电子选择性迁移产生稳定的电压，实现无电池供能的连续检测。然而，目前的热电传感器多存在灵敏度低、集成难度大等问题。同时，如何设计低成本、双参数解耦的高性能传感器，仍是该领域亟待解决的关键挑战。激光诱导石墨烯（laser-induced graphene, LIG）因其高导电性、高比表面积和便捷的一步式制备工艺而备受关注。LIG的多孔结构不仅有助于提高应变检测灵敏度，还能与热电材料协同工作，提升塞贝克系数和整体热电性能。然而，现有的研究大多聚焦于单一参数的传感，对于温度和应变的同时检测与解耦仍缺乏系统研究。基于此，通过合理设计纳米复合结构，将LIG与柔性热电材料相结合，开发具备高灵敏度、低能耗的双参数自供能传感器，成为实现多模式健康监测和环境感知的突破方向。
针对上述挑战，河北工业大学健康科学与生物医学工程学院杨丽研究员与宾夕法尼亚州立大学程寰宇教授团队合作，研发了一种基于多孔激光诱导石墨烯泡沫的柔性热电自供能传感器，实现了应变和温度信号的解耦检测。研究团队通过激光直写技术，在聚酰亚胺（PI）基底上快速制备出多孔石墨烯泡沫，并通过预应变策略将导电聚合物PEDOT:PSS引入其中，形成具有高热电性能和柔性的三维纳米复合材料。实验结果表明，这种复合材料的塞贝克系数从9.703 μV/°C显著提升至37.33 μV/°C，实现了384%的增幅。此外，传感器对温度变化的分辨率达到0.5°C，对应变变化的最大灵敏系数高达1401.5。通过测试其热电电压与电阻的变化，传感器能够在不同温度梯度和应变水平下实现信号的独立检测，有效解决了温度和应变的解耦难题。这种自供能传感器的应用场景丰富。在火灾预警实验中，传感器可通过感知环境温度梯度的变化，快速响应火源并触发警报；在小鼠背部的伤口愈合监测实验中，传感器能够实时记录伤口区域的温度变化和应变分布，为伤口的炎症判断和愈合进程提供精确数据。研究团队表示，这一创新设计不仅为多模式健康监测提供了新思路，还为未来开发低成本、高性能的柔性电子器件奠定了基础。研究成果发表在《Nature Communications》上。(张琰炯)
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55790-x
6 具有不对称拓扑电荷的Janus BIC
拓扑缺陷表现为动量空间中的极化涡旋，具有非零拓扑电荷，近年来在光子学领域引起了广泛关注，主要包括束缚态（BICs）、单向导引共振（UGRs）和圆极化态（C点）。具有整数拓扑电荷的BICs展现出强光束缚特性，具有无限质量因子（Q因子），并能诱发尖锐的Fano共振。UGRs则展示单向辐射特性，C点（半整数拓扑电荷）则表现出显著手性。利用这些拓扑缺陷增强光物质相互作用，已催生多种应用，如激光、非线性光学效应、传感、激子极化子、手性光源、光栅耦合器及涡旋束生成等。新型拓扑缺陷，特别是具有不同上行和下行辐射拓扑电荷的Janus BICs，预示着新特性与新应用的出现。Janus BICs甚至可以在无镜面对称性的情况下存在，为实现手性BICs提供了可能，而后者要求在维持无限Q因子的同时具备强固有手性。此外，Janus BICs的独特拓扑特性为相位奇异点的控制提供了新途径，尤其在光通信和量子信息处理中具有重要意义。得益于外平面不对称的极化涡旋，Janus BICs在非线性引发的非互易设备中展现出潜力。然而，Janus BICs的存在仍是未解之谜。实现Janus BICs需要打破外平面镜面对称性，从而产生不对称电荷，这使得系统中的可调参数不足以完全消除辐射。通常情况下，对称性破缺会导致BICs的消失。
近日，香港科技大学陈子亭教授和武汉大学肖孟教授团队提出了一种具有不对称拓扑电荷的拓扑缺陷（Janus BICs），分别作用于上行和下行辐射通道。通过这一独特拓扑性质，实现了手性BICs，并在控制相位奇异点方面获得了新的自由度。具体来说，Janus BIC通过引入上下镜像对称性（σz）破缺，将多个具有相同拓扑电荷的C点合并为一个仅在向下辐射侧受对称保护的BIC。因此，向下辐射侧的BIC拓扑电荷发生变化，而向上侧不受影响，形成了Janus BIC。为了实现手性BIC，进一步打破面内镜像对称性，调节两个具有相同拓扑电荷和旋向的C点，使其合并为Janus手性BIC，最终形成具有大固有手性和无限Q因子的状态。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW
LETTERS》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.013805
7 并行机械计算：可执行多任务的超构材料
机械计算指的是一种计算形式，通过杠杆或流体力学等成熟的机构来执行预定的操作。模拟计算机尤其是那些利用物理参数（如电压或机械变形）的连续变化来执行计算的计算机。随着超构材料和复杂制造技术的发展，人们对模拟计算的兴趣日益高涨。具体来说，基于波的模拟计算机能对入射波面进行空间变换，从而实现所需的数学运算，由于能直接对未经处理的输入进行编码，绕过了模数转换，因此获得了广泛的关注。虽然这些系统前景广阔，但其本身仅限于单一任务配置。它们无法同时执行多个任务或并行计算，这严重阻碍了具有更广泛计算能力的概念机械设备的发展。
近日，美国纽约州立大学Mostafa Nouh教授团队提出了在同一架构内同时处理独立计算任务的途径。成功实现了通过频率多路复用在同一架构结构中并发处理独立操作，从而有效地在模拟机械计算机中实现并行计算。将利用时变周期介质的动态特性，借助非互易波现象和对单色入射波的操纵，诱导出具有不同于主波频谱足迹的补充波。通过利用时间调制超表面作为模拟机械计算机的构建模块，将展示该系统激发多个散射波束的能力，这些波束代表单一输入的频率转换，同时在模拟机械计算机工作频谱的不同通道内传播。由于这些频率可以作为单元格几何和物理特性构成参数的函数进行独立调整，因此可以为它们分配不同的计算任务，从而实现并行操作。因此，计算完成后，可直接从模拟机械计算机读出平面上相应频率的最终频域波形中提取计算输出。该系统以声学超表面为基础，由成熟的亥姆霍兹谐振器单元构成。这种谐振器的配置可有效改变传播波的特性，从而实现可施加所需的传输和相位剖面的超表面，并随后对传入的波进行各种操作。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。（徐锐）
文章链接：
MOUSA M, NOUH M. Parallel mechanical computing: Metamaterials that can multitask[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2024, 121(52): e2407431121.
https://doi.org/10.1073/pnas.2407431121
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
