今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及通过惯性设计实现微尺度超材料中定制超声传播，触觉感觉替代的生物弹性状态恢复，可视化巨型C540超材料的拓扑五边形态等,敬请期待！
索引：
1 触觉感觉替代的生物弹性状态恢复
2 可视化巨型C540超材料的拓扑五边形态
3 超轻点阵材料的缺陷强化
4 扭转等离子体：等离子体斯格明子袋的发现
5 非厄米磁子系统中无反射态的编织
6 双层石墨烯中ν = 0量子霍尔铁磁态的热流缺失
7 通过惯性设计实现微尺度超材料中定制超声传播
人体皮肤具有丰富的传入神经元。在与皮肤的物理相互作用过程中，皮肤机械感受器会引起这些神经元的活动，并作为识别和定位物体的基础。生物电子学领域一个令人兴奋的最新方向是开发能够以快速、可编程的方式使用这些传入神经元的系统。与其他周围神经相比，体感传入神经元可以通过与皮肤表面的直接相互作用选择性地、非侵入性地激活。正如虚拟现实和增强现实系统的出现所表明的那样，快速、可编程地操纵人类感官知觉的能力在社交媒体、游戏和娱乐领域有着广泛的应用。在治疗性生物医学系统中也存在特别引人注目的机会，这些系统应用这些体感界面来替代和增强缺失的感官能力。
近日，美国西北大学黄永刚院士和John A. Rogers院士、大连理工大学解兆谦教授、西湖大学姜汉卿教授合作，展示了一种微型机电结构，当它与皮肤结合作为弹性储能元件时，可支持双稳态自感知变形模式。该触觉单元以特定类别的机械感受器为基础，提供独特的程序化感官反应，可提供动态和静态刺激，以法向力或剪切力为导向。系统的实验和理论研究为在人体皮肤机械特性的自然解剖变化中进行低能耗操作建立了基础原理和实用标准。无线、贴合皮肤的触觉界面集成了这些双稳态换能器阵列，可作为高密度通道，能够呈现来自智能手机的 3D 扫描和惯性传感器的输入。该系统的演示包括感官替代，旨在改善视力和本体感受障碍患者的生活质量。相关工作发表在《Nature》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-9
2 可视化巨型C540超材料的拓扑五边形态
在理想晶格中，连续对称性被破坏的系统不能通过重排或变形来矫正。具有非平凡的、人工诱导相变的拓扑超材料已经成为工程这些拓扑缺陷的关键组成部分。到目前为止，这些拓扑缺陷大多是在线性或平面构型中实验实现，如石墨烯中的赝磁场和拓扑边界态。然而，对于三维拓扑缺陷的研究相对较少，尤其是在宏观尺度上对这些缺陷的控制和可视化。富勒烯作为一种具有高度对称性的碳同素异形体，其独特的拓扑结构为研究三维拓扑缺陷提供了理想的模型。尽管富勒烯的电子特性已被广泛研究，但在宏观尺度上实现和探测其拓扑状态仍然是一个挑战。
近日，南京大学刘晓峻教授和程营教授课题组与西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen教授课题组合作，通过3D打印技术构建了一个C540超材料，模拟了富勒烯的三维结构，包含540个超原子、260个六边形面以及12个五边形面。实验利用声波探测低频下的富勒烯球，在狄拉克谱中凸现出了体态和缺陷态，结果与理论计算的一致性验证了模型的准确性。该工作推导了3D打印富勒烯球的规范理论，该理论将结构视为一个连续体，其中晶格消失、缺陷五边形表示为纯规范场。该方法与数值计算结果吻合较好，在此基础上文中还推导了Jackiw-Rossi-Weinberg之后的指标定理，讨论了拓扑起源，不仅提供了一种新的方法来研究和理解三维拓扑缺陷，而且为拓扑材料的宏观实现和应用开辟了新的道路。此外，这项工作也为探索其他复杂系统中的拓扑现象提供了新的视角，可能会激发新型拓扑材料的设计和应用，从而在材料科学和凝聚态物理学中产生深远影响。通过将复杂的碳同素异形体放大到超材料尺寸，可以更深入地理解这些材料在声波或光波探测下的物理行为，为新型材料的设计和应用开辟了新的道路。相关文章发表在《Nature Communications》。（刘梦洋）
3 超轻点阵材料的缺陷强化
轻量化材料因密度低、单位质量刚度和强度高，在现代工程中至关重要，广泛应用于医疗、汽车、航空航天等领域。通过加入拓扑孔隙，点阵材料应运而生，它们具有均匀的宏观特性，能有效解决密度降低与性能下降之间的平衡问题。定制内部微结构可使点阵材料具备多样的刚强度及能量吸收能力。以“拉伸为主”设计原则旨在接近HS和Suquet的理论上限。过往研究设计了多种桁架晶格，一维杆件限制了承载效率。为此，壳晶格被开发出来，利用更复杂的承载模式，通常优于桁架格。然而，弯曲效应影响其结构效率。最近，板晶格提出，由闭孔网络板组成，能将载荷转化为均匀分布的应力，理论上在低密度时接近性能上限。数值模拟显示：板>壳>桁架的强度趋势，但实验结果与模拟存在差异，尤其在超低密度下。目前，已识别出点阵材料在压缩下的失效模式，如材料屈服和结构屈曲。超低密度时，微结构屈曲先于材料屈服，导致强度显著下降。尽管有少量研究观察到屈服到屈曲的转变，但缺乏系统总结和数值模拟考虑，也未作为设计因素。因此，需更深入地理解超轻点阵材料的力学行为，以优化其性能和应用。
近日，香港中文大学宋旭教授研究团队联合新加坡国立大学翟玮教授及清华大学高华健院士开发了一种高精度微激光粉末床熔融技术，能够制造出相对密度范围比现有研究宽得多的金属点阵。这种技术可以证实，立方晶格在压缩过程中，在低相对密度时会经历屈服到屈曲的失效模式转变，这种转变从根本上改变了通常的强度排序，即在高相对密度时，板>壳>桁架，而在低相对密度时，壳>板>桁架或壳>桁架>板。更重要的是，研究表明，在超低相对密度条件下，通过微波纹几何形状等不完美之处增加晶格中的弯曲能量比，可显著提高点阵材料的稳定性和强度。这一反直觉的结果为在超低相对密度下设计超轻点阵材料提供了新的途径。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接:
J. Ding, Q. Ma, X. Li, et al. Imperfection‐Enabled Strengthening of Ultra‐Lightweight Lattice Materials[J]. Advanced Science, 2024.https://doi.org/10.1002/advs.202402727
4 扭转等离子体：等离子体斯格明子袋的发现
非近年来，“Twistronics”（扭转电子学）通过调节范德瓦尔斯异质结构的层间扭转角度，在凝聚态物理领域取得了显著研究成果，尤其是在二维材料系统中。例如，扭转双层石墨烯中观察到的非常规超导性为研究强关联相提供了新的思路。然而，这一概念尚未在光学领域得到广泛应用，特别是在等离子体系统中。
近日，德国斯图加特大学Harald Giessen教授团队首次提出了“扭转等离子体”的新概念，结合拓扑斯格明子结构与莫尔超晶格，探索了光学系统中的拓扑特性。研究团队通过叠加两个六边形等离子体斯格明子晶格，并在“魔角”条件下施加扭转，成功创建了复杂的莫尔斯格明子超晶格电场分布，发现了一种新型的拓扑结构——“斯格明子袋”。这一结构包含多个斯格明子，并被一个具有相反绕度的边界包围，形成了可调节的多斯格明子态。
在实验研究中，研究人员利用时间分辨的双光子显微镜技术，对表面等离子激元极化子（SPP）的电场进行了精确测量和重构。结果显示，随着扭转角度的变化，莫尔斯格明子超晶格的单元胞中展现出大的拓扑荷数，形成了“斯格明子袋”结构。该结构对小的角度偏差具有很强的拓扑鲁棒性。数值模拟结果进一步支持了实验观察，展示了不同扭转角度下斯格明子袋的动态演化特性。研究团队指出，“扭转等离子体”方法为生成具有复杂拓扑结构的光场提供了新的理论框架，在超分辨显微技术、量子光学和复杂光-物质相互作用等领域具有重要应用潜力。相关研究成果目前已发布在预印本网站arXiv上。（刘磊）
文章链接：
https://arxiv.org/abs/2411.03036
5 非厄米磁子系统中无反射态的编织
非互易性能带理论中的拓扑分类是预测材料拓扑保护性质的重要方法，在拓扑中引入非厄米带来了独特的结构，例如在复频率平面上的“点隙”和EP点，这些不存在于厄米系统。点隙在复频率平面上被能带围绕，导致了非厄米趋肤效应等现象。EP点是非厄米能带中的另一个特征，其特征值和特征向量同时简并。通过环绕EP点，非厄米系统的复数能带可以交织，形成基于辫群分类的拓扑辫和结。至今，拓扑缠绕操作已经在光学、电路、声学和力学等经典系统中得到实验验证，揭示了一维晶格中包含某些紧束缚相互作用的丰富非厄米能带结构，证明了辫群在表征非厄米能带拓扑方面的有效性。
目前，非厄米波动系统中的拓扑缠绕主要依赖于共振本征态的特征，这些态在无增益的被动系统中偏离实频轴，通常需要引入增益来实现PT对称的共振态或连续体束缚态。此外，非厄米散射中还存在许多其他奇异点，如完美吸收、传输零点和反射零点等，但这些奇异点的缠绕和相互关系尚未得到深入研究。特别地，这些奇异点的特征值无需外部增益便可以跨越复频平面的实轴，有助于实现PT对称性。然而，实现PT对称的反射无零散射模式（RSM）仍面临但不可忽视的损耗问题，是否能精确操控这些散射态以实现PT保护的RSM仍没有解决。
在非厄米系统中实现复数能带拓扑缠绕的主要挑战在于需要精确地调节参数以包围EP点。因此，利用钇铁石榴石（YIG）等磁性有序材料中的自旋激发的磁振子系统成为理想的候选平台。磁振子的优势在于其共振频率高度可调，范围覆盖MHz到GHz，且其模式具备良好的空间局域性，便于控制多模之间的传播相位差。此外，YIG的低固有阻尼（吉尔伯特阻尼）有助于奇异点在接近实频轴的位置生成。
近日，复旦大学的安正华团队通过磁振子构建了一个三维合成空间，展示了PT对称的反射无零散射模式（RSM）以及非厄米能带的拓扑缠绕，涵盖了反射态和共振态。从时间耦合模式理论和Feshbach投影方法中提取了两个非厄米哈密顿量，分别对应反射零点和共振态。发现通过一个可调的反射终端来调整辐射项，可以补偿固有损耗，从而使其在哈密顿量中起到“辐射增益”的作用，这使复频平面上的反射零点具有高度可调性。通过在合成维度中精确调节参数，展示了反射零点不仅可以实现精确的PT对称，还可以与实频轴相交形成RSM，或与共振态结合产生连续谱束缚态。通过具有周期性的合成参数空间中的闭合路径，该方法能够探究由一系列连续零点或极点在复数空间中形成的两条可分离复带的交织。这导致了散射状态和共振态同时发生具有相反手性的非平庸缠绕。该工作为非厄米波动系统中的散射态提供了一种探索拓扑缠绕物理的新途径。相关内容发表于《Nature Physics》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02667-x
6 双层石墨烯中ν = 0量子霍尔铁磁态的热流缺失
量子霍尔(Quantum Hall, QH)效应是一种在极低温度和强磁场下观察到的现象。近年来，人们对双层石墨烯在零填充因子下的QH状态，尤其是其电荷中性点(ν = 0)表现出的独特行为，表现出极大的兴趣。在这种状态下，双层石墨烯内的电子受到自旋、自旋轨道以及外部电场和磁场等因素的共同影响，形成了复杂的多体基态。这些基态根据不同的自旋和亚晶格排列，可以划分为自旋极化态(ferromagnetic, F)、倾斜反铁磁态(canted antiferromagnetic, CAF)、部分层极化态(partially layer polarized, PLP)和完全层极化态(fully layer polarized, FLP)。尽管这些相均表现出电绝缘性，但CAF和PLP相被预测在低温下会表现出无能隙的激发，允许热流通动，而F和FLP相则存在能隙，因此不允许热流通过。
近日，印度科学研究所物理系的Anindya Das教授课题组、巴黎-萨克雷大学和日本材料科学研究所的合作者，共同设计并实施了一项创新性实验，研究双层石墨烯中v = 0量子霍尔铁磁体状态的热传导特性。研究团队采用了包含浮动接触点的双栅极设备结构，该接触点能够连接到两个独立的量子霍尔区域，利用这种结构实现了对双层石墨烯中ν = 0状态的细致调控，并通过施加不同的位移场来检测是否存在无能隙的集体激发。在超低温(20mK)和不同的电场条件下，精确测量了系统的热导性质。实验结果表明，在ν = 0状态下，无论施加的电场大小或温度变化，系统的热导均未显示出额外的贡献。具体而言，在CAF相和PLP相中，理论上存在的Goldstone模式(一种无能隙激发)并未导致理论预期的热流，这表明CAF和PLP相可能并不存在无能隙的激发，使得热流受到阻碍。研究还发现，该系统在低温条件下的热导与理论预期的电子热导完全吻合，且并未显示出其他热流贡献，这一结果在反复实验中得到了验证。研究人员进一步分析了可能导致这一现象的多种原因，例如CAF相的激发谱可能因样品有限的尺寸而出现量子化现象，导致无能隙模式被“冻结”。这一创新性研究揭示了v= 0量子霍尔铁磁体状态的独特性质，对当前理论模型提出了新的挑战，未来可能需要更多实验和理论分析来全面理解该状态的集体激发机制。相关内容发表于《Nature Physics》上。（张琰炯）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02673-z
7 通过惯性设计实现微尺度超材料中定制超声传播
微结构超材料在准静态领域表现出独特的性能。声学超材料的动态可调性已通过简单的几何变化、可重构性和磁刺激在10^2 Hz 频率范围内实现，并具有厘米或毫米级特征。尽管局部共振和惯性放大具有诸多优势，但这些概念尚未应用于微尺度结构，而这些结构可以访问与应用相关的高频（数百千赫兹到兆赫兹）范围，而这在医学超声和模拟计算设备中是理想的。最近，宏观尺度超材料样品的光学振动测量已经可以全面表征对振动器或超声波换能器激励的响应。在微尺度上进行类似测量的先驱工作，即用换能器激发超材料，并用光学方法测量位移，可以实现高精度的单样本测量。可调阻抗匹配应用的探索，特别是在医学超声环境中使用微尺度超材料，为小尺度超材料研究提供了一个有希望的机会。
近日，麻省理工学院的Carlos M. Portela教授团队提出了一个基于定位微球来调节3D微尺度超材料的响应的惯性设计框架。展示了可调准静态硬度高达75%，动态纵向波速度高达25%，同时保持相同的材料密度。利用可调弹性动力学特性的非接触激光动力学实验和时空超声波传播的数值演示，研究人员探索可调静态和弹性动力学特性的关系。该设计框架通过简单的几何变化扩展了准静态和动态超材料特性空间，从而能够轻松设计和制造用于医疗超声和模拟计算的超材料。相关工作发表在《Science Advances》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adq6425
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