今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及波的隧穿逃逸，截断硅柱光子晶体连续体中的边界束缚态，人工规范场诱导的Landau彩虹等，敬请期待！
索引：
1 波的隧穿逃逸
2 截断硅柱光子晶体连续体中的边界束缚态
3 多层石墨烯摩尔晶格家族中的拓扑平带
4 人工规范场诱导的Landau彩虹
5 室温下钙钛矿拓扑谷激子极化子的观察
6 具有动态键重构的颗粒超构材料
7 合成铁磁斯格明子的拓扑变换：自旋轨道扭矩对螺旋度的热辅助切换
在现代科技蓬勃发展的进程中，波在通信、信息处理以及传感等众多关键领域的应用持续拓展和深化发展，这使得透彻洞悉波在不同空间尺度下的传播特性、精准把握其中强耦合通道的数量及其耦合强度衰减规律，成为科学界亟待攻克的核心课题。当下，尽管借助数值计算可对特定情形下的波行为进行剖析，且存在部分经验性方法，但始终未能构建起一套通用、简洁且直观的物理模型用以阐释波在任意体积空间中的传播机制。
近日，斯坦福大学 David A. B. Miller院士、耶鲁大学 Zeyu Kuang 和 Owen D. Miller 等学者组成的科研团队，以球形波的隧穿逸出现象为核心切入点展开了系统研究。团队首先通过数学推导和数值模拟，展示了球面波的传播和隧穿行为。在半径小于逃逸半径的区域内，波的振幅会以准指数形式衰减，而一旦超出逃逸半径，波便以球面传播的形式表现出稳定的振幅衰减。这一机制打破了传统光学系统中关于“无限平面波”的假设，提出了所有有限体积内的波最终都能以隧穿方式传播的结论。团队还定义了一个新的衍射极限：当波需要通过隧穿才能进入或离开一个封闭体积时，即可视为波达到了衍射极限。这一定义从物理层面重新诠释了波传播的限制，尤其是针对小尺度纳米器件和天线的设计。研究提出了“球面启发数”这一重要指标，量化了在球面表面每单位面积能够支持的波通道数量。实验结果表明，随着球面半径的增加，非隧穿传播的波比例显著增加，而对于小体积的波传播，隧穿仍然是主要机制。研究的意义不仅限于基础物理层面，还为通信、成像及人工智能硬件提供了新的理论支持。例如，优化微型天线设计以突破尺寸限制，或在显微成像中实现更高的空间分辨率。同时，这一理论框架可以进一步应用于光学通信系统，提升空间波通道的利用效率。研究团队指出，未来将探索更多复杂几何结构下的波隧穿行为，例如柱状或非对称边界条件下的波传播机制。此外，如何将这一理论与实际光子器件设计结合，也是接下来的重要研究方向。本研究为波的传播、耦合以及能量转移提供了全新的视角，特别是其对不同尺度波传播行为的统一解释，填补了现有理论的空白。其提出的隧穿逃逸半径与球面启发数不仅具有深远的学术意义，还为工程设计提供了直接的参考标准。这项研究展示了物理学家如何将数学模型与实验观测相结合，从根本上推动对波动力学的理解，并为多学科领域的实际应用提供了新思路。相关内容发表于《Nature Photonics》上。(张琰炯)
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01578-w
2 截断硅柱光子晶体连续体中的边界束缚态
连续体中的光学束缚态 (BIC) 是一种高度局部化的光学模式，无论是否存在泄漏通道，它都会以无损状态被捕获在结构中，这是由于色散光谱决定的辐射特征所致。人们还预测了一种独特的 BIC 表面模式，这种模式在截断的2D光子晶体的边界得到支持。为了承载这种模式，终止行的介电柱应具有与其余柱不同的直径。根据柱直径，可以支持光线上方的 BIC 模式或光线下方的表面模式。预测的 BIC 模式是布洛赫表面局域本征态，即边缘周期性排列支持的离散态，例如光子晶体和光栅，它们存在于光线上方的自由空间连续体内部。虽然此类模式会泄漏到自由空间中，但在某些条件下，入射和反射回来的泄漏辐射会发生破坏性干扰，导致不泄漏。最初，预测的 BIC 被称为布洛赫 BIC。为了与1D光栅上的这些布洛赫 BIC 和 2D光子晶体边界的表面模式区分开来，将当前正在研究的 BIC 称为“边界BIC”。
近日，丹麦技术大学的Osamu Takayama团队，展示了由硅柱边界阵列支持的连续体束缚态，其直径大于硅柱二维光子晶体其余部分的直径。研究人员还展示了当硅柱共形涂覆纳米厚的氧化铝薄膜时，模式的共振和表面灵敏度的可调谐性。氧化物纳米薄膜的存在使品质因数提高了 60% 以上，并改变了共振波长。这种行为表明二维光子晶体连续体中的束缚态在制造后调整品质因数和表面传感应用方面具有巨大潜力。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-54929-0
3 多层石墨烯摩尔晶格家族中的拓扑平带
人们以θ≈1°的角度扭转两片单层石墨烯片，产生了魔角扭转双层石墨烯(magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG)，并且已经得到了几个新的物相。在由三层或更多层石墨烯组成的结构中，将会揭示更广泛的新物理现象。早期的实验研究了扭转单一双层和两个双层石墨烯中产生的强相关和拓扑物理，注意到这两种体系之间有趣的相似之处。尽管对MATBG的研究已经扩展到多达五层的交替扭转结构，且在扭转M + N家族中有许多其他的预测具有密切相关的平带(tM + N，其中M和N是正整数，代表相互扭转的伯纳堆叠石墨烯层的数量)，但对包括伯纳堆叠组件的结构的研究到目前为止仅限于这两种结构。
近日，华盛顿大学Matthew Yankowitz教授课题组、英属哥伦比亚大学Joshua Folk教授课题组等组成的团队，构建了由M层和N层 Bernal 堆叠石墨烯薄片扭转而成的多层石墨烯莫尔晶格家族，并对该系统进行了相关研究。经理论计算发现，巧妙施加电场位移场，可精准分离出平坦且具拓扑特性的莫尔导带，此导带主要定域于莫尔界面下方的单层石墨烯，为电子态调控创造了独特条件。实验测量中，团队运用多种先进手段，对不同结构的tM + N石墨烯进行深度探测。从能带结构剖析，借助 Bistritzer–MacDonald 连续体模型预测与纵向电阻率测量相互印证，清晰呈现出莫尔导带在电场作用下平坦孤立的特质，及关联绝缘态随填充因子和位移场变化的规律。在关联相特性研究方面，于多种tM + N结构里精准识别出诸多相似的对称破缺相，如在v = 2处稳健的绝缘态及伴随的霍尔电阻变号现象，暗示着自旋极化态；在v = 1和3处复杂的电阻态及多种对称破缺态竞争情形，且在t2 + 3结构中意外发现丰富多样的关联态，含独特的四分之一金属态及v = 0处神秘的绝缘态等，为深入理解强关联电子态提供了鲜活样本。针对拓扑态探索，团队敏锐捕捉到t1 + 3和t2 + 3器件中异常霍尔效应现象，通过精细测量掺杂依赖与朗道扇图分析，精确测定陈数，虽然部分拓扑态的探索尚处萌芽阶段，但为揭示拓扑量子态本质筑牢根基。此项研究成果极大地拓展了莫尔石墨烯家族范畴，成功揭示了整个家族单粒子态与关联态的诸多共性，为新型关联态与拓扑现象的发现开辟了广阔前景，更为精准调控平坦莫尔带及其屏蔽环境提供了全新思路与有效策略。相关内容发表于《Nature Communications》上。(张琰炯)
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-55001-7
4 人工规范场诱导的Landau彩虹
Landau能级，由电子能级在磁场作用下量子化而产生，对拓扑物理学的研究具有重要意义。这些离散的Landau能级不仅在揭示量子霍尔效应背后的复杂物理中发挥了关键作用，还反过来为物质拓扑态的研究提供了重要的见解。Landau能级在拓扑物理中的重要性扩展到探索新的量子态，这些量子态对扰动和无序表现出鲁棒性，如拓扑绝缘体。作为现代凝聚态物理的基石，Landau能级继续激励研究人员探索新的拓扑材料和现象，推动创新量子技术的发展。然而，与电子不同，中性粒子（如光子与冷原子）几乎没有磁场响应。为此，研究者设计了赝磁场（PMF），也称人工规范场，以实现类似Landau能级的量子效应及其相关的拓扑现象。引入PMF后，中性粒子系统中可生成一系列类似于电子的Landau能级，这些能级同样可以通过拓扑数（如Chern数）进行表征。最近，科学家在二维硅基光子晶体中通过晶格形变，在近红外波段观察到了Landau能级的平带现象。Landau能级的一个显著特性是其高度简并性，这是由于磁场对波动的限制导致——即多个态具有相同的能量。
近日，北京理工大学的路翠翠教授和香港大学张霜教授联合团队提出了打破Landau能级简并性的“Landau彩虹”，使同一Landau能级内的模式具有不同频率，并分布在空间中的不同位置，形成类似彩虹的效果。通过对蜂窝光子晶体的晶格渐变，在系统中同时引入PMF和赝电场（PEF）。其中，PMF会产生一系列离散的光子Landau能级，而PEF打破平带简并性，将不同频率的Landau模式分离到不同空间位置，由此实现Landau彩虹现象。该研究表明，Landau彩虹的实现需要PMF和PEF的协同作用，而单独的PMF或PEF均不足以引发这一现象。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.233801
5 室温下钙钛矿拓扑谷激子极化子的观察
微腔激子极化子是半导体激子和微腔光子在强耦合状态下叠加而产生的玻色子准粒子。它们部分是光，部分是物质，融合了其组成部分的优点，例如低有效质量、强光学非线性等。利用这些独特的性质，激子极化子已成为令人着迷的平台，不仅可用于研究高温下的集体量子现象，例如极化子玻色-爱因斯坦凝聚、超流体、量子涡旋，还可用于实现高性能光电器件，包括低阈值极化子激光器、全光极化子开关和晶体管。除了量子霍尔和量子自旋霍尔系统外，量子谷霍尔效应似乎是支持传播拓扑状态的另一种有前途的机制，称为谷扭结态，它在各个研究领域取得了巨大成功，包括凝聚态系统中的电子、光子系统中的电磁波和声子系统中的声/弹性波。通过破坏反演对称性，谷简并度被消除，在没有谷间散射的情况下，一对具有相反谷极化的反向传播谷扭结态可能会出现在两个具有相反谷陈数的域之间的非平凡界面。重要的是，它们的出现不需要破坏时间反演对称性，并提供了基于谷的额外自由度。这种额外的自由度赋予拓扑状态独特的谷极化和传输行为，为谷电子应用存储和携带信息提供了巨大的希望。
近日，南洋理工大学大学的Timothy C. H. Liew副教授、苏锐助理教授和清华大学熊启华教授团队，采用二维谷霍尔钙钛矿晶格，报告了谷极化拓扑激子极化子及其在室温下依赖于谷的传播的实验观察。二维谷霍尔钙钛矿晶格由两个相互反转的蜂窝状晶格组成，具有破缺的反演对称性。通过用角度分辨光致发光光谱测量它们的能带结构，通过实验验证了在室温下存在谷极化极化子拓扑扭结态，其大间隙开口约为 9 meV。此外，这些谷极化态在室温下在共振激发下表现出反向传播行为。该研究结果不仅扩展了实现拓扑激子极化子的前景，而且为在室温下开发采用具有谷自由度的激子极化子的拓扑谷电子器件铺平了道路。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-54658-4
6 具有动态键重构的颗粒超构材料
生物材料和生物体能重构内部结构以响应刺激，如蛋白质组合变化和细胞膜融合裂变。水分子冻结和融化时的氢键变化也体现了这一点。合成聚合物如动态共价聚合物，因动态键而具有自我修复和回收性。相比之下，力学超构材料结构固定，性能优越但缺乏可重构性。尽管有可变刚度齿轮等进展，它们仍不能根据外部刺激改变内部结构。这引发了对赋予其动态键可重构性的探索。颗粒材料由离散颗粒组成，表现出复杂现象，如颗粒流动，具有无限可能的内部结构。颗粒超构材料正通过设计离散构建块来定制特性，但组装功能结构仍需额外约束机制。一旦实现动态键重构，材料和生物体将展现更多适应性和功能。模仿自然界如火蚁的互锁行为，已开发出可重构的机器人和材料集体。将集体行为嵌入颗粒超构材料，可实现多功能性。
近日，新加坡南洋理工大学王一凡教授团队开发了由双材料结构粒子组成的颗粒超构材料，这些粒子能够通过热刺激和机械刺激进行键重构。通过机械地将最初离散的粒子压缩到接触状态，促进了双稳态互锁的形成（即键的形成），从而实现了从未组装（类液体）状态到组装（类固体）状态的转变。随后对组装好的颗粒超构材料进行加热，使颗粒之间的键断裂，使它们恢复到流动的液体状态（解体）。与大多数先前的力学超构材料不同，该方法克服了固定单胞连接的限制，使其结构能够重新排列。文章深入研究了这些材料在不同状态下的可调力学性能。此外，通过引入活性粒子并利用其结构可重构性，展示了颗粒超构材料的集体功能，包括定向运动、物体捕获、运输和间隙穿越。这项研究为开发结合了动态可重构性和多功能能力的先进材料开辟了一条道路，可能会改变软机器人、自适应结构和智能材料等领域的应用。相关研究发表在《Science Advances》。（徐锐）
文章链接：
MENG Z, YAN H, WANG Y. Granular metamaterials with dynamic bond reconfiguration[J]. Science Advances, 2024, 10: eadq7933.
https://doi.org/10.1126/sciadv.adq7933
7 合成铁磁斯格明子的拓扑变换：自旋轨道扭矩对螺旋度的热辅助切换
拓扑磁性结构由于其独特的物理性质和在自旋电子学中的潜在应用而获得了重要的研究关注。非共线自旋织构产生于不同能量项之间的相互作用，其中包括海森堡交换相互作用、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)等。拓扑自旋织构可以用基于面外和面内自旋构型的三种不同的拓扑自由度来描述：拓扑电荷Qs，涡度数Qv，以及螺旋数Qh。一些拓扑自旋织构之间的转换可以通过施加磁场等方式来控制能量，并伴随着三个自由度中的一个或多个发生变化来实现。然而，在大多数情况下，非共线自旋织构主要由DMI稳定，其有利于相邻磁自旋之间形成直角，从而产生具有固定旋转方式的拓扑自旋织构。在这种情况下，一些自由度，特别是Qh，被DMI的符号锁定。螺旋数的操纵一直是二进制信息处理和量子计算中自旋电子器件的长期目标。目前人们已经提出了主要两种方法来实现这一目标：(i)通过施加电场或其他手段来控制DMI，以及(ii)通过选择缺乏手性DMI的中心对称材料。然而，在(i)情况下，很难实现大范围的DMI控制；而在(ii)情况下，螺旋度相反的两个状态会退化，导致随机切换而不是可控切换。
近期，来自香港中文大学（深圳）的周艳教授课题组和兰州大学的张森富研究员课题组等研究团队合作，制造了一个[Pt/Co]3/Ru/[Co/Pt]3多层膜，其中Ru层的集成由于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)相互作用而在顶部和底部铁磁层之间产生铁磁耦合。在DMI、RKKY相互作用、偶极相互作用和其他能量因素之间的相互作用下，研究得到了一个重要的发现：堆栈的上下铁磁层的斯格明子表现出不同的螺旋度，从而形成了一种独特的混合合成铁磁（SF） 斯格明子，这些混合的SF斯格明子是通过在薄膜中施加电流脉冲产生的。此外，利用自旋-轨道扭矩，在热效应的辅助下研究还实现了SF斯格明子螺旋度的可控切换，使其在螺旋度切换后运动方向逆转。这项研究提供了一种控制斯格明子螺旋度反转的方法，为开发利用斯格明子螺旋度的先进自旋电子设备开辟了可能性。相关研究发表在《Nature Communications》上。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54851-5
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