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本篇研究来自深圳技术大学万亮亮课题组。本文首次利用Toeplitz代数，严格而简洁地证明了任意维度下复数类的体-边对应关系。具体地，我们发现了一个核心公式，为边缘量和体Fourier级数建立了联系。借助它和外微分，我们发现奇数维手征模型的体绕数等于一维边哈密顿的Fredholm指标或高维的边绕数。通过维度扩张，偶数维陈绝缘体的体陈数等于二维边缘哈密顿的谱流或高维的边陈数。 文章介绍 Proof of bulk-edge correspondence for band topology by Toeplitz algebra Zixian Zhou（周子贤） and Liang-Liang Wan（万亮亮）   通讯作者： 万亮亮，深圳技术大学   研究背景： 体-边对应是拓扑能带理论的核心概念，即考虑边界，能隙中出现边缘态，并展现体拓扑行为，且与其他物理细节无关。这一现象不仅暗含了数学物理中重要的指标定理，还和量子Hall电导以及Majorana边模有着紧密的联系。因而，对体-边对应有一个清晰认识是至关重要的。 尽管已经有基于K-理论的体-边对应证明，但此类方法过于艰深，难以推广到其他物理体系。另一方面，物理学团体也为实现不同程度的严谨性和通用性的简明证明付出努力，比如，Green函数，散射理论，Atiyah-Singer指标定理等。然而，所有这类工作都采用了近似（如长波极限），存在局限性。因此，关键问题仍然存在：是否有一种严谨而简洁的方法证明能带系统的体-边对应，并可以很容易应用到其他物理情景中？   研究内容： 本研究中，我们严格而简洁地证明了任意维度下复数类的体-边对应（bulk-edge correspondence, BEC）。具体地，对于任何有边的晶格上紧束缚模型可以用Toeplitz矩阵多项式表示。通过用平面波函数代替Toeplitz矩阵，边哈密顿H（有边缘）还原为体哈密顿h（无边缘），得到Toeplitz代数与Fourier级数的同态φ:T→C1(S1)。不借助K-理论或近似方法，我们发现了一个简单而强大的公式， 它意味着，用边哈密顿h表示的恰当物理量可以转换为体态的。因此，分别用h/H定义边模指标/体拓扑数，就可以通过代数和微积分轻松证明体、边拓扑数的等价性。 基于上述策略，我们首先研究AIII类奇数维手征模型，它们的体拓扑数——绕数可用h显式表达。而一维边模拓扑由Fredholm指标刻画；当维度更高时，我们也成功地定义了边模绕数，它可以用H表示。应用公式，即可证明AIII类的体绕数等于边模指标。另一方面，对于任意A类2n维（2nD）陈绝缘体都可以通过维度扩张，映射到（2n+1)D手征模型。经证明，陈绝缘体的陈数与构造的手征模型的绕数等价。陈绝缘体的边模指标也可由手征模型的边模指标诱导。因此，陈绝缘体的BEC继承了手征模型的结果。 总之，我们严格而简洁地证明了任意维度下所有复数类的BEC，这类方法能轻松的扩展到其他物理情形中，将对其他相关研究产生启发作用。 作者介绍 万亮亮  助理教授 深圳技术大学 万亮亮，深圳技术大学助理教授。长期从事腔光力学、拓扑分类、非厄米物理等方向的研究：建立了玻色激发的对称和拓扑分类框架；发现了量子压缩打开拓扑激发能隙效应；还解释了厄米玻色系统中的非厄米拓扑起源；基于Toeplitz代数，证明了能带拓扑的体-边对应关系。迄今为止，已经发表12篇学术论文，其中第一作者/通讯作者7篇。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 2023年影响因子：2.0  Citescore：4.1 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical（JPhysA）每年出版50期，针对运用数学结构来描述物理世界的基本过程，并探索这些结构的分析、计算和数值方法。期刊内容涵盖：统计物理；非平衡系统、计算方法和现代平衡理论；混沌和复杂系统；数学物理；量子力学和量子信息理论；场论和弦理论；流体和等离子体理论；生物模型等方面。文章类型包括原创性论文和综述，以及关注于热点研究的专题综述和特刊，提供及时、全面的纵览。

特刊详情 客座编辑 Hermano Melo Queiroz，巴西圣保罗大学 Tiago Osório Ferreira，巴西圣保罗大学 Gabriel Nuto Nóbrega，巴西塞阿拉联邦大学 Xose Luis Otero，西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学 庄文，山东大学 主题范围   Estuarine soil impacted by iron mining tailings following a dam failure, leading to a series of environmental damages. Image credit: Hermano M. Queiroz.   Soil pollution is a pressing global issue with significant impacts on ecosystem health, food...

Environmental Research Communications (ERC)是一本开放获取的期刊，致力于快速发表高质量的环境科学研究。ERC涵盖地球系统的各个方面，包括大气圈、生物圈、岩石圈和水圈，以及跨学科研究。 以下精选了来自中国作者的研究文章，这些研究在环境科学领域中产生了重要影响，为您展示一一些ERC期刊中发表的卓越成果。ERC期刊致力于出版具有包容性且值得信赖的科学研究，确保您在此阅读的文章具备较高质量。 亮点文章 Analyzing the critical locations in response of constructed and planned dams on the Mekong River Basin for environmental integrity Yuan Gao, Shiblu Sarker, Tanni Sarker and Olkeba Tolessa Leta   Impacts of climate change on winter wheat and summer maize dual-cropping system in the North China Plain Jiadi Li and Huimin Lei   Future changes...

本篇研究来自上海交通大学姚振威课题组。本文基于非保守力的哈密顿力学表述，提出了一种各向异性奇弹性的几何起源。具体地说，在弹性理论的几何表述下，将各向异性有效质量引入到哈密顿方程，并探讨了各向异性奇弹性模量指标反对称性的物理起源。这项工作为进一步通过哈密顿框架研究奇弹性动力学问题奠定了基础。 文章介绍 Anisotropic odd elasticity with Hamiltonian curl forces Yi-Heng Zhang (张一恒) and Zhenwei Yao (姚振威) 通讯作者： 姚振威，上海交通大学自然科学研究院、物理与天文学院   研究背景： 经典弹性理论研究的对象是保守弹性现象，即弹性应变对应的能量变化只和弹性体初始时刻和终止时刻的构型有关。这类应变路径无关的弹性现象可以用弹性势能刻画，所产生的弹性应力是保守力。然而，在一些由活性组分构成的弹性体中，可以产生应变路径依赖的弹性现象，表现为系统可通过一个完整的应变循环对外做功。这种非保守弹性可以归结为弹性模量中指标的反对称部分，因此称为奇弹性。奇弹性研究的挑战来源于非保守应力具有非零旋度这一重要特征。这项工作通过构建基于非保守力的哈密顿力学框架，证明了一类各向异性奇弹性模量可以从包含各向异性质量张量的哈密顿量中自然产生。   研究内容： 本文从弹性理论的几何表述出发，研究了具有哈密顿非保守力的各向异性奇弹性理论。具体地说，将d维连续弹性体建模为嵌入在(d+1)维欧几里得空间的黎曼流形，并通过在动能项中引入各向异性有效质量张量，构建了有限应变弹性体的哈密顿量。基于弹性理论的几何表述，证明了一类奇弹性模量的指标反对称性源于有效质量张量的各向异性性质，并推导了与非保守应力相应的非线性本构关系。这项工作揭示了奇弹性模量指标反对称性的基本物理机制，为理解奇弹性的起源提供了新的几何视角，也为设计具有特定奇弹性行为的材料系统提供了理论思路。这项工作中建立的基于非保守力的哈密顿力学框架，为进一步探讨奇弹性的动力学行为提供了理论基础。 作者介绍 姚振威  副教授 上海交通大学 姚振威（通讯作者），上海交通大学长聘副教授，任职于自然科学研究院、物理与天文学院。博士毕业于美国雪城大学。研究领域是理论与计算软物质物理学。主要关注软物质体系中的几何结构、拓扑缺陷，以及力学性质、动力学与统计物理等主题。迄今已在包括Physical Review Letters, PNAS等学术期刊上发表48篇论文。   张一恒  博士 宁德时代新能源科技股份有限公司 张一恒（第一作者），上海交通大学博士后，博士毕业于北京师范大学。现任宁德时代新能源科技股份有限公司资深数据研究工程师。主要研究方向是软物质物理中的几何问题，包括活性物质有序结构中的拓扑缺陷、软物质系统的弹性和几何性质等。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 2023年影响因子：2.0  Citescore：4.1 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical（JPhysA）每年出版50期，针对运用数学结构来描述物理世界的基本过程，并探索这些结构的分析、计算和数值方法。期刊内容涵盖：统计物理；非平衡系统、计算方法和现代平衡理论；混沌和复杂系统；数学物理；量子力学和量子信息理论；场论和弦理论；流体和等离子体理论；生物模型等方面。文章类型包括原创性论文和综述，以及关注于热点研究的专题综述和特刊，提供及时、全面的纵览。

Sand and dust storms (SDS) are common in the world’s drylands, regions that are also critically important for global food production. Agriculture is the most prevalent land use resulting in anthropogenic SDS sources, resulting in impacts on cropland and rangeland, but food production is also affected by impacts from natural SDS sources. This review assesses...

我们汇总了今年发表在Journal of Optics和JPhys Photonics期刊的亮点文章，这些文章体现了期刊的高质量和创新性。感谢所有作者和审稿人一直以来对Journal of Optics和JPhys Photonics期刊的支持，希望您喜欢阅读这个文章合集。 亮点文章 Journal of Optics Infrared plasmonic refractive index sensor utilizing 2D grating of nano-bowtie particles for both gas and liquid Xiangxian Wang, Xijun Rao, Jiankai Zhu, Yizhen Chen, Yunping Qi, Chaojun Tang and Hua Yang   New 4D hyperchaotic system’s application in image encryption Heming Xu and Jian Wang   Wavefront reconstruction based on ASH-Net with less...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选两个主题的研究文章供大家阅读，本月的主题为Metrology和Machine Learning/AI。这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 您可以扫描下方二维码，查看IOP出版社数学与计算领域和工程领域的最新资讯；还可以点击此处链接，订阅该领域的最新研究进展以及相关期刊的最新信息。   数学与计算： 工程： 精选文章 Metrology Measurement Science and Technology Sensor-based intelligent tool online monitoring technology: applications and progress Jiashuai Huang, Guangjun Chen, Hong Wei, Zhuang Chen and Yingxin Lv   Neural network driven sensitivity analysis of diffraction-based overlay metrology performance to target defect features Kai Wang, Kai Meng, Hangying Zhang and Peihuang Lou   Comprehensive study of an eccentric universal...

We evaluate how the availability of carbon capture (CC) in a networked electricity system affects the emissions of both carbon and of co-pollutants, under a range of plausible technical, economic, and policy scenarios about CC technology, the pace of renewable deployment, the structure of the power grid, and climate policy. We employ a Power Flow...

Methane from livestock is a significant source of greenhouse gas emissions. Under the UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), Annex I countries’ National Inventories report emissions from cattle as enteric or from manure management at ratios of between 3:1 and 9:1 depending on country and cattle type. Field research generally supports the inventories’ assumptions...

本篇研究来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院高硕课题组。本文首次提出可自重构的忆阻人工伤害感受器，实现了在不同环境信息（温度）下对危险压力刺激的精准感知。该伤害感受器可根据环境温度动态调整响应特性，最大程度地模拟了生物伤害感受器在不同环境下的适应能力。同时，框架具有高度的通用性，可结合不同种的传感器和神经形态器件，满足智能机器人在复杂环境中的应用需求。 文章介绍 Self-reconfigurable multifunctional memristive nociceptor for intelligent robotics Shengbo Wang（王圣博）, Mingchao Fang（方明超）, Lekai Song（宋乐凯）, Cong Li（李聪）, Jian Zhang（张季安）, Arokia Nathan, Guohua Hu（胡国华） and Shuo Gao（高硕） 通讯作者： 高硕，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院   研究背景： 随着人工智能和自主技术的快速发展，机器人在工业、医疗保健等领域的应用日益广泛。然而，目前的智能机器人在环境信息感知方面仍存在效率不足的问题，限制了其在危险和动态场景中的应用。生物医学研究表明，伤害感受器在生物系统中起着关键作用，能够感知外部的潜在危险刺激，并根据环境条件自适应地调整响应。现有的人工伤害感受器虽然能够模拟生物的一些功能，但普遍存在响应特性固定、缺乏对环境变化适应能力的问题。这使得在实际部署到机器人复杂多变的工作环境时，无法准确地感知和应对潜在的危险。为解决这一问题，我们开发了一种能够根据环境信息自适应调整响应特性的人工伤害感受器，从而提升机器人在动态环境中的灵活性和适应性。   研究内容： 本研究提出了一种基于自导通道（SDC）忆阻器的通用人工伤害感受器框架。该框架利用忆阻器的非线性特性，将伤害感受器的核心功能——根据特定标准放大外部有害刺激，分解为两个关键部分：对刺激的放大和对外部刺激长期特征的分析。   图1 可自重构的忆阻伤害感受器     图2 通用人工伤害感受器框架   系统设计：构建了一个由传感模块、信号生成模块和忆阻器处理模块组成的伤害感受器系统。传感模块负责检测外部的压力和温度信息；信号生成模块根据传感器输入和忆阻器状态生成调制信号；忆阻器处理模块通过两个忆阻器实现对外部刺激的放大和长期特征分析。 功能验证：在不同温度条件下，对系统的关键功能进行了验证，包括“阈值”、“无适应性”和“敏化”。通过实验，展示了系统如何根据温度变化自适应地调整响应特性。     图3 系统设计     图4 仿真结果     图5 硬件实现   成果及创新： 自重构：系统能够根据当前的环境温度，自动调整对危险刺激的感知阈值和响应强度。当温度升高时，系统对外部刺激的响应增强，反之亦然。这种自适应性使得系统能够在不同环境条件下准确地感知危险。 高效的刺激放大：实验结果显示，系统最大能够实现对危险外部刺激1000%的放大，忆阻器在不同温度下的响应最大差异比率达到500%，充分体现了其对环境变化的敏感性和适应性。 作者介绍 高硕 ...

我很高兴向大家介绍2024年Journal of Micromechanics and Microengineering(JMM)期刊的亮点文章。我们汇总了今年发表在该期刊上的高质量、创新性的研究工作，这些文章是由期刊编辑委员会根据一系列标准选出的，包括杰出研究的展示、在线读者的受欢迎程度以及审稿人的高度评价等。我们很高兴看到许多文章引起了媒体的兴趣，展示了前沿研究，并代表了研究社群的广泛地域多样性。   感谢所有作者和审稿人一直以来对JMM期刊的支持，希望您喜欢阅读这个特别的合集。   ——Celia Rowland， JMM期刊出版人 亮点文章 The UmboMic: a PVDF cantilever microphone Aaron J Yeiser et al 2024 J. Micromech. Microeng. 34 085010   Highly sensitive flexible capacitive pressure sensor with structured elastomeric dielectric layers Gaurav Rawal and Animangsu Ghatak 2024 J. Micromech. Microeng. 34 025012   Fabrication of a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) with dual heterogeneous...

本篇研究来自天津大学精密仪器与光电子工程学院姚建铨课题组。基于琼斯矩阵的偏振控制有助于增强太赫兹波与物质间的相互作用。最近，得益于双原子超表面的相长或相消干涉，可在透射模式下产生具有定制化响应的偏振分布，有效地降低了系统的复杂性。然而，单一的偏振切换行为阻碍了双原子超表面在太赫兹偏振系统中的进一步应用。近日，天津大学的姚建铨院士团队提出并设计了一种工作在太赫兹波段的单层双原子全硅超表面，可以有效地实现双功能偏振切换。该全硅超表面的单元结构由两个具有双折射效应的矩形硅柱组装而成，特定的横向尺寸和取向角保证了相位干涉机制的产生。得益于半波片和四分之一波片的灵活组装，可以任意定制所构建的超表面在透射模式下产生的偏振态。通过宽带近场成像应用进一步验证了所提出的双原子超表面的可行性。因此，这种双功能偏振调制特性为集成光电子器件的开发开辟了一条新途径，在偏振切换成像、光学加密、信息编码等复杂光学功能中具有重要的应用价值。 文章介绍 Terahertz bi-functional polarization converter based on interference mechanism supported by diatomic metasurfaces Hui Li (李辉), Wenhui Xu (许文慧), Hang Xu (徐航), Chunyu Song (宋春宇), Qi Tan (谭琪) and Jianquan Yao (姚建铨) 通讯作者： 姚建铨，天津大学精密仪器与光电子工程学院   研究背景： 偏振作为光场的重要性质之一，是用于表征自由空间中电磁波的基本维度，对偏振的调制在成像、数据存储和传感等领域有着重要的应用。通常，可以使用标准的2×2 Jones矩阵来描述偏振态，其中每个分量表示从输入偏振到输出偏振的唯一映射。最近，具有多通道属性的偏振调控方案已成为各种光学应用和技术的基石。偏振态的操纵可以通过级联操作来实现，如偏振器和波片。特别是偏振态的产生，通常需要串联线偏振片和波片等多个偏振器件，最终导致任意偏振态产生器件体积较大，偏离了集成光学中小尺寸器件的设计目标。超表面可在亚波长尺度内实现对相位、振幅和偏振等的多维度灵活调控，它的出现为减轻传统光学系统负荷以及实现光学系统集成化提供了有效的技术途径。在诸多特定的应用环境下，将平面的超构表面器件引入到光学系统中替代传统的曲面元件，可以有效降低系统的复杂度，提高光学系统的可靠性，促进集成光学系统和空间光学系统的发展。 近些年来，具有偏振转换特性的全介质超表面已经被广泛研究，例如基于矩形硅柱的半波片（HWP），可以将入射偏振转换为其正交偏振态；基于十字型硅柱的四分之一波片（QWP），可用于实现线偏振和圆偏振态之间的转换。不同于由单个HWP或QWP超原子组装而成的平面化阵列，具有特定结构参数的双原子超表面结构表现为选择性地允许一种偏振态通过并且转化为目标偏振态，赋予了单层超表面结构作为偏振态起偏器件的潜力。但是，具有偏振可切换特性的双原子超表面器件依然空缺，如何设计一种在正交偏振入射下可以分别产生线偏振和圆偏振态的偏振转换器件成为了一个亟待解决的问题。   研究内容： 在文章中，研究者设计并组装了一种用于实现双功能偏振开关的双原子超表面。该工作选用一对具有固定相位差的HWP和QWP超原子，如图1所示。以平面结构的琼斯矩阵出发，利用坐标系变换严格地推导出透射偏振态的琼斯矩阵以及对应的超构表面的双原子排布方式。通过设置双原子矩形柱柱的结构参数以及面内转角可以调节超构表面的琼斯矩阵中的元素，进而可以表征入射偏振态在与超构表面相互作用时偏振转化与透射行为。具有单一偏振转换行为的HWP和QWP超原子可以通过在0.5 THz处捕获的电场分布进一步评估，如图1底部所示。对于周期膨胀后的HWP超原子，在x偏振入射下产生的透射电场的|Ex|分量减弱，而|Ey|分量占主导地位。同样监测了x偏振入射下具有周期性束缚条件的QWP超原子产生的电场的|ER|和|EL|分量。显然，相同数量级下透射场的|EL|分量比|ER|分量大的多，进一步证实了所选的元原子的偏振转换能力。   图1 用于构建双原子超表面的HWP和QWP超原子在目标频率处的响应   随后，利用CST MICROWAVE STUDIO软件建立满足相位要求的超级单元，将x、y方向设置为周期性边界条件，将z方向设置为开放边界条件。为了突出超原子的不同配置方案，使用不同的颜色渲染了矩形硅柱和基底，如图2a所示。随后，分别计算了MS1在45°和135°线偏振入射下产生的透射偏振态。45°线偏振入射下的x分量远大于其y分量，在0.5 THz处的透射差为0.7，且相位差约为40°，如图2c和2d所示。为了进一步直观地了解透射的偏振态，通过引入偏振椭圆进行了可视化处理。如图2b中所示，透射的偏振态是x偏振的，参数S1=0.98。然后，使用135°线偏振来激发MS1，如图2e所示。记录到的振幅的x和y分量在0.5 THz（≈0.71）时几乎相等，两个分量之间的相位差接近90◦，如图2g和2h所示。因此，当根据获得的参数可视化偏振态时，得到的偏振椭圆呈现为典型的LCP，参数S3=0.99，如图2f所示。   图2...