張翔院士Nature子刊：非平衡偽晶中受控聲子帶隙的出現

【引言】

大自然向我們展示了，在不滿足熱力學平衡的條件下也能產生有序性。在活細胞、動物的群行行為乃至每天的天氣中，我們都可以觀察到這種現象。這些系統往往在動態自組裝的過程中通過消耗能量從而實現在不滿足熱力學平衡的條件下產生並保持下來。在這種自我維持的過程中，能夠產生具有仿生命行為的結構，這些行為包括自我癒合的能力、面對環境變化自我適應的能力以及自我複製的能力。所以說，非平衡材料為創造人造系統帶來了靈感。

【成果簡介】

近日，美國加州大學伯克利分校的張翔院士在Nature Materials上發表了題為「Emergence of an enslaved phononic bandgap in a non-equilibrium pseudo-crystal 」的文章。在這篇文章中，研究人員研究一種非均衡材料，其特徵在於其帶隙邊緣受外部相干驅動波長的控制。該結構動態自組裝成一個非常規的偽晶體幾何結構，它們在元素之間平均分配動量。產生的帶隙具有類似生命的行為，如自我修復的能力、針對驅動器的變化自我適應的能力。文章作者還推導出了空間組織和帶隙特徵的確切解析解，揭示了受控機制。這項工作為仿生非平衡材料的構想提供了框架，並且展示了通過外部自由度動態壓印材料性質的潛力。

【圖文導讀】

圖一：帶隙出現在非平衡材料中

(a) 在粘性液體中填充有移動散射顆粒的單模波導。響應於從左側入射的相干場（波長λ），顆粒沿x方向移動。紅色列向量表示跨越結構的正向和反向傳播場強，其中RS是反射係數，TS是透射係數。

(b) 透射光譜的時間演化顯示帶隙出現。曲線分別表示在t = 0,5,10,20,30min（黑色至紅色）時拍攝的光譜。

(c) 帶隙針對機械干擾的自我癒合（在t = 25分鐘時發生干擾）。黑色、深紅色、紅色依次表示干擾之前、緊隨干擾之後、自愈後拍攝的光譜。

(d) 帶隙自適應外部驅動波長的變化。黑色、深藍色、紅色依次表示驅動波長為λ0、0.9λ0以及返回到λ0時拍攝的光譜。

圖二：偽晶的形成

(a) 顯示粒子位置變化的原始數據（黑線）。顆粒最初沿著波導以12.5cm的間隔規則地分布，隨後自組織成偽晶體。彩色區域用來標記dn，虛線用來分開不同的pnλ0/ 2。

(b) dn關於時間的函數。不同顏色對應於a中標記的區域。插圖表示處於穩態的dn（t = 30分鐘）。

(c) 圖一(c)中的自愈數據集所對應的dn曲線。它們分別顯示了干擾之前（黑色虛線，t = 20min）、緊隨干擾之後（深紅色曲線，t = 26min）以及自我癒合後（紅色曲線，t = 30min）的dn組織。

(d) 圖一(d)的自適應數據集所對應的dn圖。黑色虛線、深藍色曲線、紅色曲線依次表示驅動波長為λ0（t = 15min）、0.9λ0（t = 30min）以及返回到λ0（t = 70min）時的dn組織。

圖三：非平衡帶隙出現的理論預測

(a) 平均場強(I)關於沿著波導的位置(x)的函數曲線。

(b) 由整數半波長(pnλ0/ 2)的非均勻分布分離的顆粒所對應的穩態強度分布I(x)。

(c) 對應於不同的反射係數（R = 0.01(藍)，0.04(紅)，0.16(黃色)，0.64(紫色)）的模π（顆粒n-1和n之間的穩態下積累的相）。黑點對應著圖二(b)中的實驗數據。

(d) 與圖(c)相應的透射光譜，其pn分布與圖二(a)的實驗所得相同。黑點表示實驗數據（其中估算為0.04）。

(e) 三個N = 50的結構的圖示，其中R = 0.02，但增加了標準偏差σp。這些結構由等效的Bloch晶體（見灰色圖示）建模。

(f) 各個結構的透射光譜，黑色虛線對應於所預測的帶邊緣的位置。其中插圖是(e)中顯示的三個結構的pn分布的直方圖，每個數據點的大小對應於粒子分離數。

圖四：位置和動量相空間崩潰

(a) N = 3系統的位置相位空間圖。。

(d) 實驗測得的每種粒子關於時間的變化函數。

【小結】

在這篇文章中，作者介紹了一種製備受驅動控制的非平衡帶隙材料。這種系統通過相干動量共享自組織成非常規的偽晶體幾何，並觀察到了具有自我修復和自適應源波長變化的能力的聲子帶隙。這種方法可用於人造自我複製和演進系統的開發，並為開發人工生物材料以及仿人類決策的智能材料提供靈感。

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