纳米力学主要研究纳米尺度物质的力学性质和动力学问题，有非常广泛和重要的科研和应用价值。传统的力学系统通常由牛顿力学描述，而纳米力学可以实现传统力学体系无法实现的功能和动力学特性，近年来受到了广泛的关注。

近日，中国科学技术大学杜江峰院士领导的研究组在纳米力学研究上取得系列重要进展，使用新方法在实验上产生了超强非线性效应并实现非对称的振动传播，相关研究成果分别发表在《自然-通讯》和《物理评论快报》上。这两个杰出工作实现了纳米力学领域的重要进展，对未来该领域的基础和应用研究起到了重要推动作用。

1、超强非线性效应

众所周知，胡克定律是支配力学系统的重要规律，其可以表述为对于微小的形变，力学系统的响应是线性的。纳米力学的一个最重要的研究目标就是产生强非线性效应，之前已经有大量的研究工作，利用诸如光-力相互作用、低维力学材料、超导电路等不同手段，在纳米力学系统中产生了较为显著的非线性效应。然而，其中标志强非线性的主要现象——热非线性区，尚未实现。

图1：单个化学键与纳米力学振子产生耦合，从而利用化学作用产生并调控非线性响应。

图2：布朗热运动诱发的双稳态动力学。

科大研究人员另辟蹊径，首次提出了通过单个化学键与纳米机械耦合产生非线性的新方法（图1），并在实验上加以实现，其非线性响应强度比之前报道的最高指标高出一万倍，而且可大范围精确调节。在此基础上，研究人员首次观测到有微弱布朗运动引起的双稳态动力学（图2），标志着纳米力学系统首次达到热非线性区。

该工作被审稿人认为是 “使用灵巧的设计解决了困扰该领域研究多年的核心问题”，“这一突破性的工作将开创基于同步过程的精密测量和信号调控、量子物理基本问题等研究的新方向”。此外超强非线性的产生对开展基于纳米力学的宏观量子效应的研究，以及实现诸如高频引力波等极微弱力学信号的测量，都有着重要的意义。该工作发表在5月26号的《自然-通讯》上。

2、首次实验实现机械波的非对称振动传播

机械波是我们日常生活中最常见到的波，和电磁波类似，其波动方程满足时间反演对称性。正如光路可逆一样，机械波的传播也是可逆的，这一普遍存在的性质，其核心原因就是物质的微观结果满足时间反演对称性。破坏波传输的对称性，不仅可以用于研究特殊的拓扑效应，而且在实现高效隐身材料等应用方向有着潜在的价值。相关研究近年来在光、电、自旋波等体系都受到了广泛关注，然而机械波的非对称传输尚未实现。

研究人员在理论上构造出了一种新型的人工晶体，其“原子”间的相互作用受外界参数含时的调制，从而晶格的时间反演被破坏，并产生不再可逆的机械波传输。研究人员构造出一个由九个“原子”构成的晶体（见图3），并通过固态纳米力学芯片加以实现（图4），由于机械波对应于射频波段，该工作也同时首次实现可编程射频信号的非对称传输（图5）。

审稿人认为，“这个工作代表了领域内当前最高的技术水平，是在该领域研究和应用中迈出的重要一步”。该工作发表在6月29号的《物理评论快报》上。 

文章链接：

1、Pu Huang,Jingwei Zhou,Liang Zhang,Dong Hou,Shaochun Lin,Wen Deng,Chao Meng,Changkui Duan,Chenyong Ju,Xiao Zheng,Fei Xue & Jiangfeng Du, "Generating giant and tunable nonlinearity in a macroscopic mechanical resonator from a single chemical bond," Nature Communications 7, Article number: 11517 doi:10.1038/ncomms11517

2、Pu Huang, Liang Zhang, Jingwei Zhou, Tian Tian, Peiran Yin, Changkui Duan, and Jiangfeng Du, "Nonreciprocal Radio Frequency Transduction in a Parametric Mechanical Artificial Lattice," Phys. Rev. Lett. 117, 017701 – Published 29 June 2016

杜江峰院士简介：

中国科学技术大学教授，博导，中国科学院院士

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研究领域：主要从事量子物理及其应用的实验研究。在量子物理实验技术和先进仪器装备研制，以及在量子物理与精密测量科学和信息科学等领域应用均取得了具有重要国际影响的研究成果。代表性成果包括：在国际上率先使用动力学解耦技术提升真实噪声环境下固态电子自旋量子相干时间三个数量级，朝实现量子计算等应用迈出重要的一步；首次在室温大气环境下获取单个蛋白质分子的顺磁共振谱及动力学性质，被《科学》杂志评价为“通往活体细胞中单蛋白分子实时成像的重要里程碑”；研制成功我国第一台自主知识产权的高功率脉冲X波段顺磁共振谱仪等。

（本文信息来源：中国科学技术大学网站；）

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