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今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及非厄米系统的拓扑场论，方形和矩形声子晶体中的声拓扑电路，离子晶体中声子极化子对THz频率光学非线性的显著增强等敬请期待！
索引：
1非厄米系统的拓扑场论
2方形和矩形声子晶体中的声拓扑电路
3离子晶体中声子极化子对THz频率光学非线性的显著增强
4基于逆向设计超表面的超快全光太赫兹调制
5材料-结构-性能一体化激光-金属增材制造
6利用室温超声纳米压印技术快速制备复杂纳米结构
7物理网络中的监督学习：从机器学习到学习机器
8受自然启发的功能性表面微结构：从粘附和润湿原理到可持续的新设备
1非厄米系统的拓扑场论拓扑学在现代物理学中起着关键作用。特别是，物质的拓扑相可以说是近年来研究最活跃的凝聚态系统之一。通过时空拓扑场论获得了对拓扑相位的普遍理解。拓扑场论描述的结果之一是体边界对应:在边界存在的情况下，拓扑场论在边界是规范相关的，这个规范非方差必须由边界的异常来补偿。虽然拓扑相位主要是研究平衡态的厄米系统，但非厄米系统的拓扑相位正引起人们广泛的兴趣。非厄米性源于耗散，非厄米性和拓扑之间的相互作用导致了开放经典和量子系统中的新物理学。非厄米性的一个显著结果是没有厄米类似物的新型拓扑相位。例如，非厄米拓扑相位通常出现在奇数空间维度，而对于没有对称性的厄米系统，在这些维度中没有拓扑相位出现。这些独特的拓扑相位来自光谱的复数值性质，这使得两种类型的能隙成为可能，即点能隙和线能隙。在存在边界的情况下，这种固有的非厄米拓扑导致大量本征态的异常局域化，这构成了非厄米趋肤效应。然而，拓扑场论尚未建立非厄米系统。Chern-Simons理论被证明即使对于非厄米Chern绝缘体也是定义明确的。然而，该理论仅描述了连续变形为厄米相的非厄米拓扑相。内在非厄米拓扑的场论表征仍然难以捉摸，尽管它对于理解和探索包括趋肤效应在内的非厄米拓扑现象至关重要。
近日，来自日本东京大学物理系的Kohei Kawabata等人发展了一个本征非厄米拓扑相位的场论描述。由于非厄米性的耗散性和非平衡性质，他们的理论仅用空间自由度来表述，这与在时空中定义的传统理论形成对比。他们的理论提供了对非厄米拓扑现象的普遍理解，例如一维的单向输运和三维的手征磁性趋肤效应。再者，它系统地预测新物理；他们通过揭示垂直空间纹理诱导的二维输运现象和趋肤效应来说明这一点。从场理论的角度来看，非厄米趋肤效应，即由于非厄米性引起的异常局域化，被证明是异常的特征。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（詹若男）
文章链接：
Kohei Kawabata et al. Topological Field Theory of Non-Hermitian Systems. Phys. Rev. Lett. 126, 216405
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.216405
2方形和矩形声子晶体中的声拓扑电路
以一种强有力的方式引导波浪绕过急弯，并将它们的能量在不同的通道之间分离，这在工程和物理的许多领域都引起了科研人员的极大兴趣。特别是，大量的理论和实验工作都致力于研究二维声子晶体中缺陷波导中的声传播；在完美的声子晶体中引入缺陷可以使空间局域声模式驻留在带隙中。另一种允许操纵声能的机制是光子学中使用的自准直效应，它利用动态各向异性色散来引导和分配模式。最近，与这些方法相联系的是，有大量研究表明，对称诱导的波输运拓扑效应几乎没有减弱的迹象。这为无源波导的设计提供了一种新的途径，因为它们不需要复杂的方法来实现通道之间的模式耦合，减小了反射损耗。
近日，法国勃艮第-弗朗什孔泰大学Nicolas Laforge等人详细说明了如何设计包含能量分配器的正方形和矩形声拓扑网络，能量分配器在两个以上的方向。实验中，研究人员使用正方形和矩形声子晶体来创建复杂拓扑声子电路。观察到的奇异的拓扑传输完全依赖于其基础结构，它必须属于正方形或矩形晶格系统，而不是任何六边形结构。使用的声子系统由一组周期性的方钢条组成，它将水中的声波在一个宽频范围内(约0.5 MHz)分割开来。超声换能器发射一个沿域壁传播的声脉冲，然后遇到一个节点，从这个节点声信号被分割到三个出口。数值模拟清楚地说明了高分辨边缘状态，并证实了研究人员的实验发现。为了实现对能量流的完全控制，需要创建功率分割和重定向设备。这些演示为能量传输的设计开辟了一条有用的途径:与六边形结构相关的传统对称约束可以被放宽，从而在声子系统中产生更丰富的波导网络设计。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Nicolas Laforge, et al, Acoustic Topological Circuitry in Square and Rectangular Phononic Crystals. Physical Review Applied(2021).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.054056.
3离子晶体中声子极化子对THz频率光学非线性的显著增强
在过去的几十年中，非线性光学在基础研究和应用领域均有了长足的发展。在大多数材料中，只有电子非线性占主导地位，而离子贡献可以忽略不计，只能在高峰值观察到近红外光意外的光学非线性。然而，太赫兹频率范围内的非线性过程很难实现，与光学激光脉冲相比，用现有技术产生的太赫兹脉冲的峰值电场仍然相对较低。近来有研究人员在微波实验中证明，离子对非线性的贡献可能远大于电子对非线性的贡献。在太赫兹 (THz) 范围内，声子极化子有助于显著触发晶体的离子非线性，从而进一步增强非线性光学磁化率。
近日，南开大学物理学院微波非线性光学教育部重点实验室的许京军教授和吴强教授团队通过实验证明了在太赫兹频率下的强二阶光学非线性，比可见光和微波区域高几个数量级。与以往的工作不同，声子光耦合是在相位匹配设置下实现的，非线性太赫兹产生的动态过程是使用时间分辨成像技术在薄膜波导中直接观察到的。此外，该团队提出了对Huang方程的非线性修正来解释观察到的非线性增强。声子极化引起的THz频率的强非线性可用于产生THz超连续谱或THz频率梳，可应用于具有特征THz指纹的许多物理、化学和生物系统。此外，离域声子极化子还可以增强高频光的非线性磁化率，电子通过与离域声子极化子的耦合而继承离域声子极化子的巨大非线性，这对于半导体中自旋量子位的光学控制有重要意义。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：Lu, Y., Zhang, Q., Wu, Q. et al. Giant enhancement of THz-frequency optical nonlinearity by phonon polariton in ionic crystals. Nat Commun 12, 3183 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23526-w
4基于逆向设计超表面的超快全光太赫兹调制
太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。太赫兹技术因其在成像、通信和无损检测等领域的广泛应用而受到广泛关注。这些应用促进了超快调制速度、高调制深度和宽工作带宽的太赫兹调制器的发展。然而，太赫兹波与传统材料之间的相互作用非常弱，难以对太赫兹信息进行调整，限制了太赫兹器件的应用。幸运的是，周期性的人工超材料可以将电磁场限制在亚波长范围内，为实现振幅、相位和极化的可控太赫兹调制提供了机会超表面在各种太赫兹元器件中起着关键作用，而设计的太赫兹超表面仍然缺乏灵活性和多样性。另一方面，逆向设计因其在光子学应用中的灵活性和鲁棒性而受到广泛关注。这为超表面设计以及多功能、高性能太赫兹器件的开发提供了极好的机会。
近日，国防科技大学江天等人首次将粒子群优化算法与时域有限差分方法相结合，利用逆向设计方法构造了一个电磁诱导透明(EIT)效应支撑的太赫兹超表面。采用逆向设计超表面的锗(Ge)薄膜，实验验证了皮秒尺度上的超快EIT调制。实验结果表明，通过逆向设计优化算法在超表面建立太赫兹EIT效应是可行的。此外，该方法可以进一步用于设计多功能、高性能的太赫兹器件，这是传统超材料结构难以实现的。总之，该工作不仅为基于人工超材料的超快全光太赫兹调制器的设计提供了一种新的方法，而且显示了逆向设计在太赫兹器件上的潜在应用。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）
文章链接：
WEIBAO HE et al, Ultrafast all-optical terahertz modulation based on an inverse-designed metasurface. Photonics Research(2021).
https://doi.org/10.1364/PRJ.423119.
5材料-结构-性能一体化激光-金属增材制造
金属部件是航空、航天、汽车制造和能源生产等现代工业的基石。在很大程度上，它们也决定了整个机械系统的服务性能。高性能金属部件通常应用于极其恶劣的环境中。这些组件通常具有复杂的结构，具有超轻重量、超高承载能力、极端耐热性和高可靠性等多种属性组合。对高性能金属部件的严格要求阻碍了材料选择和制造的优化。激光增材制造（AM）是技术创新和产业可持续发展的关键战略技术。基于激光的增材制造有可能彻底改变组件的设计方式，它允许对最终用途金属部件进行创新设计和整体制造，以满足高端行业不断增长的需求。随着应用数量的增加，科学和技术的挑战也在增加。由于激光增材制造具有逐域（例如逐点、逐行、逐层）的局部成形特性，因此打印工艺和性能控制的必要条件包含超过六个数量级，从微观结构（纳米到微米级）到组件的宏观结构和性能（毫米到米级）。激光金属增材制造的传统路线从设计到构建遵循典型的“串联模式”，这导致了繁琐的试错方法，给实现高性能目标带来了挑战。
近日，南京航空航天大学材料科学与技术学院顾冬冬教授团队提出了材料-结构-性能集成增材制造（MSPI-AM）的整体概念，以应对增材制造的广泛挑战。将MSPI-AM定义为通过集成多材料布局和创新结构，一步法生产整体金属部件，旨在主动实现设计的高性能和多功能性。在要实现的性能或功能的驱动下，MSPI-AM方法可以并行设计多种材料、新结构和相应的打印工艺，并强调它们的相互兼容性，为激光-金属AM的现有挑战提供了系统的解决方案。MSPI-AM由两个方法论概念定义：“在正确的位置打印正确的材料”和“为独特功能打印独特结构”。在单个打印组件中设计微观和宏观结构的越来越有创意的方法导致使用AM来生产具有多种材料的更复杂的结构。现在可以设计和打印具有空间变化的微观结构和特性的多材料组件（例如纳米复合材料、原位复合材料和梯度材料），进一步实现功能结构与电子设备在激光打印整体部件的体积内的集成。这些复杂的结构（例如整体拓扑优化结构、从自然界学习的仿生结构以及多尺度分层晶格或多孔结构）在机械性能和物理/化学功能方面都取得了突破。主动实现高性能和多功能性需要跨尺度协调机制（即从纳米/微米尺度到宏观尺度）。相关研究发表在《Science》上。（徐锐）
文章链接：
D. Gu, X. Shi, R. Poprawe, et al. Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing[J]. Science, 2021, 372(6545).
https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487
6利用室温超声纳米压印技术快速制备复杂纳米结构
纳米结构在纳米技术时代起着至关重要的作用。例如，金(Au)和银(Ag)纳米结构被广泛用于增强表面增强拉曼光谱学(SERS)的表面电磁场，这是追踪少量分子到单分子水平的高级传感平台。铜(Cu)纳米结构在催化过程中起着至关重要的作用，在可再生能源或环境应用方面，其活性远远高于其主体结构。合理设计的复杂纳米结构可以使新的功能，从而扩大其应用。例如，与单独的金纳米结构相比，具有内置纳米孔的金纳米结构可以提高局部电场一个数量级，然后显著提高生物传感的SERS灵敏度。铜-氧化锌异质结纳米结构界面对二氧化碳加氢制甲醇具有高活性。因此，开发一种可扩展的、快速的、节能的和具有成本效益的技术来制造高精度的复杂“设计”纳米结构是至关重要的。
尽管纳米印具有可伸缩工艺和成本效益，但在低温/室温下印刷硬材料（如晶体金属)以及快速制造复杂纳米结构(如金属和氧化物的异质结）面临着挑战。近日，来自新加坡南洋理工大学的Junyu Ge等人介绍了一种超声纳米压印方法，以快速、可扩展、节能和经济的方式在室温下制造复杂的设计纳米结构来解决这些挑战。该方法利用纳米尺度上超声波能量流的浓度将大块材料塑造成纳米结构。在室温下工作，可以快速制造由几乎所有固体材料组成的复杂多复合纳米结构，无论其延展性、硬度、反应性和熔点如何。原子模拟表明了一种独特的交替位错产生和恢复机制，显著降低了超声波循环荷载下的印迹力。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-23427-y
7物理网络中的监督学习：从机器学习到学习机器设计具有特定属性或功能的物理材料或器件通常需要有关系统微观方面的详细知识，以及如何修改这些方面以获得所需属性的“逆问题”的解决方案。机器学习解决了这些逆问题。例如，神经网络通过观察示例进行学习，计算机通过惩罚不正确的性能表现来修改其微观属性。虽然这些框架已被证明对于基于计算机的学习非常强大，但在不了解微观细节的情况下，它们无法直接应用于物理材料设计。
材料和器件的设计通常考虑到特定的目标，以便它们对给定的约束表现出所需的响应。受神经科学和机器学习快速发展的启发，近日，来自宾夕法尼亚大学的Andrea J. Liu研究小组提出了一种学习规则，使研究者能够通过向物理网络展示示例来“教授”物理网络所需的功能，同时它们自己可以修改其微观特性。研究者称之为物理耦合学习。在这种范式中，系统最初并不是为完成任务而设计的，而是在物理上适应所施加的力以培养执行任务的能力。至关重要的是，研究者需要通过物理上合理的学习规则来促进耦合学习，这意味着学习只需要本地响应，不需要有关所需功能的明确信息。研究者表明，可以为任何物理网络推导出这种局部学习规则，无论是处于平衡状态还是稳态，这项工作阐明了如何使用物理上合理的学习规则来创建能够自主适应外部影响并获得所需功能的学习机器。这种机器本质上是由简单的机械部件组成的初级大脑。如果预先不知道所需的物理特性或功能或需要适应不断变化的环境，那么适应性强的“学习机器”将特别有用。研究者进一步讨论了实验应用耦合学习规则的局限性并考虑如何克服。相关研究发表在杂志《Physical Review X》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021045
8受自然启发的功能性表面微结构：从粘附和润湿原理到可持续的新设备材料的魅力很大程度上来自于功能上的影响，再加上内在的美——结构图案的尺寸远远大于原子和分子。因此，材料科学专注于微观结构：以相和缺陷形式构建材料的空间排列。非常精细的结构可以产生显着的新特性，例如：具有超高强度变形的金属、具有超强的损伤耐受性的脆性材料、能量密度更高的电池、电荷有效分离的太阳能电池等等。表面是与材料相互作用的“外部世界”，也可以通过图案产生令人兴奋的新功能。生物进化一直青睐高效节能的解决方案。因此，与化学修饰表面以实现相同的功能相比，仿生微图案化策略具有内在的优势：由于使用较少的物质和较少依赖可能有毒或污染的化学品，微图案化设备将表现出卓越的资源效率和环境可持续性。功能性表面微结构将创新或颠覆多种技术，如水管理、表面保护、机器人处理和数字健康监测，未来对环保解决方案的需求将急剧增加。
近日，德国莱布尼茨新材料研究所和萨尔大学EduardArzt团队简要回顾从自然界中学到的关于表面设计的经验教训。然后，将由此产生的微图案范式应用于人工微结构的设计规则。结构、大小和功能将是反复出现的首要主题。第二节中回顾了与液体接触的微图案以及相关的润湿和自清洁现象。第三节回顾了微纤丝表面临时和可控粘附的功能。最后，讨论了用于与人体接触而设计的人工图案化表面的最新进展，目前正在为医疗和其他用途的新型数字设备铺平道路。附录将简要回顾在聚合物表面上创建微结构的方法。目的是将通过观察、实验和理论建模阐明的基本机制与实验实验室设计和新兴的现实世界应用联系起来。其应用范围从水管理和机器人技术到未来的健康监测设备。相关研究发表在《Progress in Materials Science》上。（徐锐）
文章链接：
E. Arzt, H. Quan, R. M. McMeeking, et al. Functional surface microstructures inspired by nature – From adhesion and wetting principles to sustainable new devices[J]. Progress in Materials Science, 2021.
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100823
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