超硬材料網

　　1.任意光自旋角動量到軌道角動量的轉換

　　（Arbitrary spin-to–orbital angular momentum conversion of light）

　　將光的自旋角動量（SAM）轉換成渦旋光束的光學元件在經典光學和量子光學中已有應用。這些元件（SAM到軌道角動量（OAM）轉換器）基于幾何相位，并且僅允許將左旋和右旋圓偏振（自旋狀態）轉換成具有相反OAM的狀態。Devlin 等人提出了一種將任意SAM狀態轉換為以獨立OAM疊加為特征的總角動量狀態的方法。最終設計了一個轉換左旋和右旋圓偏振態為具有獨立OAM值狀態的超表面，并設計了另一個同樣功能用于橢圓偏振狀態的設備。這些結果展示了一種光的SAM和OAM 之間的一般材料介導連接，并由此可能找到用于產生復雜結構光和光通信的應用。（Science DOI: 10.1126/science.aao5392）

　　2. 將甲烷直接轉化為氫氣和可分離碳的催化熔融金屬

　　（Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon）

　　當溶解于惰性低熔點金屬（In、Ga、Sn、Pb）中時，作為甲烷活性催化劑的金屬（Ni、Pt、Pd）能夠產生穩定的熔融金屬合金催化劑，用于將甲烷熱解成氫氣和碳。此前用于該反應的所有固體催化劑此時已經通過碳沉積而失活。在熔融合金體系中，不溶性碳漂浮在表面上，從而可以被提取。含 27％ Ni 和 73％Bi 的合金在1.1米的泡罩塔中，1065℃ 情況下達到了95％的甲烷被轉化，并能產生不含CO2或其他副產物的純氫氣。計算表明，熔融合金中的活性金屬會呈現原子分散并帶有負電荷。而且，原子上的電荷量與其催化活性之間有相關性。（ScienceDOI: 10.1126/science.aao5023）

　　3. 緊湊維度和單一等離子體表面

　　（Compacted dimensions and singular plasmonic surfaces）

　　在高階的場論中，空間可以有四個以上的維度，超維度在日常的長度尺度上被描述為緊湊和不可觀測的。Pendry 等人報導了一個與場論無關的簡單模型，在一個金屬的超表面中實現了一個緊湊的維度，它是包含一系列奇點的光柵的周期性結構。光柵的超維度是隱藏的，并且表面等離激元激發盡管局限于表面，但是由三個波矢表征而不是典型二維金屬光柵的兩個波矢。而且， Pendry 等人還提出了一個摻雜石墨烯層的實驗來實現方法。（Science DOI: 10.1126/science.aap7939）

　　4. 自組裝肽半導體

　　（Self-assembling peptide semiconductors）

　　半導體是現代電子和光學行業的核心。傳統的半導體材料具有固有的局限性，特別是在新興領域，存在諸如生物系統的界面和自下而上的制造方法等受局限的方面。包含短肽的自組裝納米結構家族是有希望用作仿生和耐用的納米級半導體的材料。高度有序和定向的分子間p-p相互作用和氫鍵網絡能夠使得肽自組裝體內形成量子限制結構，從而將超結構的帶隙減小到半導體區域。因為結構種類眾多并且對肽自組裝的修飾很簡單，所以它們的半導電性可以很容易地進行調整、摻雜和功能化。因此，這類電活性超分子材料可以彌合無機半導體世界與生物系統之間的差距。（Science DOI: 10.1126/science.aam9756）

　　5. 幾乎零能量損失地由甲烷通過熱電化學生產壓縮氫

　　（Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss）

　　傳統的氫氣生產需要大型工業設備來使能量損失和蒸汽重整、水氣變換、產物分離以及壓縮相關的資金成本最小化。Maler?d-Fjeld 等人介紹了一種質子膜重整器（PMR），它可以在單級過程中通過蒸汽甲烷重整生產高純度氫氣，并且能量損失幾乎為零。這是利用了一種基于BaZrO3的質子傳導電解質作為致密膜，沉積在具有雙重功能的多孔Ni復合電極上作為重整催化劑。在800°C時，通過去除產99％的氫氣，同時電化學壓縮到50巴，實現了甲烷的完全轉化。通過耦合幾個熱化學過程，他們實現熱平衡操作狀態。一個小規模（每天 10 千克氫氣）制氫裝置的模擬顯示出整體能源效率超過了 87％。結果表明，有可能使PMR成為整合了二氧化碳捕集的工業規模氫氣工廠的競爭替代品，降低未來電價。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0029-4）

 　6.谷光子晶體中穩健扭結態的拓撲保護折射

　　（Topologically protected refraction of robust kink states in valley photonic crystals）

　　最近發現的谷光子晶體（VPC）具有類似許多二維（2D）帶隙谷電子材料的獨特性質。光通信最令人感興趣的是它能夠支持具有相反谷-Chern指數的兩個VPC之間內疇壁處的拓撲保護手性邊緣（扭結）狀態的能力。Gao 等人試驗性地展示了由自旋兼容的四波段模型設計而成的 VPC中偏振復用的谷極化扭結態。當谷贗自旋守恒時，發現扭結態通過內部疇壁與將VPC與環境空間隔開的外部邊緣相交，形成了近乎完美的耦合效率。即使當通過在VPC域之一中引入有效的自旋軌道耦合來打破類自旋極化自由度（DOF）時，外耦合仍保持拓撲保護特征。這也構成了首次實現拓撲谷輸運的自旋谷鎖定。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4304）

　　7. 雙層石墨烯中的可調激子

　　（Tunable excitons in bilayer graphene）

　　激子，即固體材料中電子和空穴的束縛態，它在絕緣體和半導體的光學性質中起著關鍵作用。Ju 等人報導了利用六方氮化硼封裝的高質量BLG的光電流譜觀測雙層石墨烯（BLG）中的激子。他們觀察到了兩個突出的激子共振，其具有可以從中紅外線到太赫茲范圍調節的窄線寬。這些激子遵循與傳統半導體不同的光學選擇規則，并且電子贗自旋纏繞數為 2。外部磁場引起谷激子的大分裂，對應的g因子約為 20。這些發現為利用電子可調諧石墨烯系統的贗自旋圖譜來探索激子物理提供了機遇。（Science DOI: 10.1126/science.aam9175）

　　8.具有精確分子篩和超快溶劑滲透功能的超薄石墨烯基薄膜

　　（Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation）

　　氧化石墨烯（GO）膜由于其獨特的分子篩特性和快速滲透性而持續吸引著人們濃厚的興趣。然而，對它的使用僅限于水溶液，因為GO膜對于有機溶劑而言是不可滲透的，這種現象至今還無法完全理解。Yang 等人報導了利用由（10-20μm）薄片制成的平滑二維（2D）毛細管的GO層壓體來實現的有機溶液的快速過濾。在不改變篩分特性的情況下，這些膜可以做得極薄（低至 10nm），這造就了水和有機溶劑的高速滲透。Yang 等人認為這種有機溶劑滲透和篩分性質，是因為通過了寬度為1nm的短石墨烯通道互連的隨機分布小孔。隨著膜厚度的增加，有機溶劑滲透速率呈指數衰減，但水仍維持高速滲透，與此前提到的一致。他們通過展示對溶解在甲醇中的小分子量有機染料的排斥超過 99.9％，證明了超薄GO層壓材料用于有機溶劑納米過濾的潛力。本文工作極大地擴展了在提純和過濾技術中使用GO膜的可能性。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5025）