今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及利用逆设计的硅光子学和微梳进行多维数据传输，超快电荷转移引起的二维异质结构中的双向声子发射，多稳态力学超构材料的拓扑可变性和可重编程性等，敬请期待！
索引：
1.利用逆设计的硅光子学和微梳进行多维数据传输
2.基于元器件的点云投影单次三维成像
3.超快电荷转移引起的二维异质结构中的双向声子发射
4.CrI3/MnBi2Te4异质结交换偏置效应和覆盖依赖性界面耦合
5.多稳态力学超构材料的拓扑可变性和可重编程性
6.从阻塞固体到力学超构材料：简要回顾
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利用逆设计的硅光子学和微梳进行多维数据传输
芯片级光互连主要是采用波分复用(WDM)技术开发的，该技术通过在多个光频率上独立编码数据，实现并行信号传输。为了进一步增加链路带宽，可以将空间域用于多路复用的信号编码的维度。这些在多模光波导或自由空间中的正交空间模式可以作为独立的通信信道，每个信道都可以支持一个完整的波分复用链路。这种正交性使模分复用（MDM）对光链路的带宽产生了乘法影响。
近日，斯坦福大学的Jelena Vučković教授团队提出了一种多波长、多模式的片上到片上间的互连通信方案。利用光子逆设计，作者实现了一个低串扰，全无源硅MDM，支持并行WDM信道超过15THz频谱带宽。使用该器件，作者演示了使用微梳作为多波长激光源在硅光子电路上的1.12TB/s无像差数据传输。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35446-4
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基于元器件的点云投影单次三维成像
三维成像是光探测、自动驾驶汽车、手势识别、机器视觉等应用的关键信息采集技术。然而，传统的投影设备的尺寸有限，因为折射透镜和越来越多的组件给精确的系统构建带来了更大的问题，这为实现紧凑的设备带来了技术和制造上的挑战。衍射光学元件(DOE)由于其像素尺寸相对于光波长较大，只能在相对较小的视场内生成点云。同时，不同平台的三维重建算法需要根据精度、速度和数据容量的要求，与相应的硬件进行严格的结合设计。因此，单发三维成像既需要简单的器件，又需要相应的重建算法。
超表面作为一种亚波长尺度的二维阵列，具有极大的设计自由度，可以灵活地控制光波前。超表面具有较大的视场和强大的功能，这使其在光学器件方面具有广阔的应用前景。将超表面与激光源集成可以极大地提高紧凑性和可扩展性，是实现多功能片上光电器件的一种极其有效的途径。
近日，北京理工大学的黄玲玲教授团队提出了一种基于单层超表面的平面光学器件，将编码点云投射到傅里叶空间，并探索了一种复杂的匹配算法来实现3D重建，为单次检测提供了完整的技术路线图。实验证明，在测量距离为300 mm时，该系统的深度精度小于0.24 mm，这说明了亚毫米测量平台的可行性。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
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超快电荷转移引起的二维异质结构中的双向声子发射
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CrI3/MnBi2Te4异质结交换偏置效应和覆盖依赖性界面耦合
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多稳态力学超构材料的拓扑可变性和可重编程性
力学超构材料已被证明具有负泊松比、负压缩性和可编程非线性等奇特的力学性能。Maxwell晶格是一类力学超构材料，由于其接近于机械不稳定性和有趣的拓扑边缘软磁模式和自应力状态（SSSs）得到了广泛的研究，并出现有趣现象和应用，如聚焦应力和断裂保护、声子波导、声子二极管和可调谐稳定性。扭曲的kagome晶格作为典型的Maxwell晶格之一，由于其在各种拓扑状态下具有丰富的力学性质是广泛研究的焦点。通过调节晶胞的几何形状，扭曲的kagome晶格可以在动量空间中表现出受相容性矩阵拓扑保护的奇特力学行为。研究表明，通过改变单个几何参数，即单胞中两个三角形之间的夹角来改变kagome晶格的拓扑相位是可行的；这种转变是利用晶格固有的均匀软应变来实现的，称为Guest-Hutchinson模式。这种软应变诱导的拓扑转变导致晶格表面刚度的剧烈变化，这对于从冲击缓解到非互易波传播的许多应用是可取的。然而，这种软应变转换的实验实现一直具有挑战性，因为这些晶格接近力学不稳定性，这导致了变形的不均匀性以及转换过程中晶格几何的非线性屈曲。这一挑战使得Maxwell晶格很难成为实用的多功能材料和潜在的创新可重编程力学超构材料（ReMM）。
近日，美国密歇根大学Mao Xiaoming和美国布列根和妇女医院和哈佛大学医学院Zi Che团队创建了一个具有双稳态单元的Maxwell晶格，以实现拓扑态之间的同步跃迁，并在理论上和实验上演示了晶格在拓扑相之间转换时显著不同的刚度。通过将多稳态与拓扑相变相结合，该超构材料不仅表现出快速可逆变化的拓扑保护力学性能，而且为创新机械计算架构和可重编程的神经形态超构材料提供了丰富的设计空间。此外，利用多材料3D打印设计并制备了拓扑Maxwell晶格，并展示了通过增材制造实现微型化的潜力。这些设计原则适用于可变换拓扑超构材料，用于可切换的能量吸收、冲击抑制、波剪裁、神经形态超构材料和可控变形系统等多种任务。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。（徐锐）
文章链接：
H. Xiu, H. Liu, A. Poli, et al. Topological transformability and reprogrammability of multistable mechanical metamaterials[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2022, 119(52): e2211725119.
https://doi.org/10.1073/pnas.2211725119
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从阻塞固体到力学超构材料：简要回顾
力学超构材料不仅可以控制机械波在弹性介质中的传播，还可以实现一些反直觉的力学特性。各种力学超构材料不断发展，包括刚度可调超构材料、负泊松比超构材料、五模超构材料、折纸/剪纸超构材料以及拓扑力学超构材料。值得注意的是，以前的许多方法都严重依赖于构建单元的具体设计来实现某些功能。最近，具有无序结构的弹簧网络才凭借无序固体的特殊结构和力学特性，开始展示其在实现各种类型的力学超构材料方面的巨大能力。从表面上看，有序和无序是材料的两个极端。事实上，许多材料的结构可以变得有序或无序，这取决于材料加工的方式。例如，通过不同的冷却或压缩速率，液-固转变可以产生不同的固体结构。在足够慢的速率下，固体是长程有序的结晶。相反，足够快的速率通常会导致玻璃态，一种典型的无序固体。无序固体在自然界中普遍存在。除了上述提到的分子玻璃，无序固体在由介观和宏观颗粒组成的体系中很容易形成，如晶粒、泡沫、胶体悬浮液、乳液等。由于缺乏明确定义的单胞，无序固体的理论理解仍然是凝聚态物理的主要挑战之一。然而，各种无序固体通常表现出一些不同于其晶态固体的共同特征。有趣的是，这些特殊的特性，特别是与阻塞跃迁相关的特性，可以用来形成力学超构材料。
近日，中国科学技术大学徐宁教授团队回顾了起源于或与边缘阻塞固体密切相关的力学超构材料的近期研究。不同于以往主要集中于设计构筑单元来形成周期性超构材料的方法，这种超构材料的设计和实现利用了阻塞固体的无序性和等静压性两个特殊方面。由于无序性，堵塞固体的每一个键都是唯一的。这种键的独特性有利于灵活调节由阻塞固体产生的无应力弹簧网络的全局和局部弹性响应，从而产生具有负泊松比的增韧材料和仿生超构材料，实现变构现象和流量控制。这种无序性也会导致被堵塞固体在载荷作用下的塑性失稳。因此，阻塞网络本质上是具有拉胀性、负压缩性和能量吸收等多功能的超构材料。利用等静压性，类似于拓扑绝缘体等电子材料的拓扑力学超构材料也被实现，而阻塞网络则内在地占据了这类拓扑特性。无序的存在极大地挑战了对阻塞固体的理解，但同时也为设计力学超构材料提供了更多的自由度和机会。相关研究发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。（徐锐）
文章链接：
J. Huang, J. Zhang, D. Xu, et al. From jammed solids to mechanical metamaterials : A brief review[J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2023, 27(1).
https://doi.org/10.1016/j.cossms.2022.101053
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