今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于片上衍射光学的光子机器学习，利用逆设计的硅光子学和微梳进行多维数据传输，二维磁性半导体中激子与杂化磁子的耦合调控，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.基于片上衍射光学的光子机器学习
2.利用逆设计的硅光子学和微梳进行多维数据传输
3.集成薄膜铌酸锂平台中的太赫兹波形合成
4.用微波阻抗显微镜对GHz声学拓扑边界模式进行成像
5.二维磁性半导体中激子与杂化磁子的耦合调控
6.利用可拉伸力学超构材料进行电磁重构
7.多稳态力学超构材料的拓扑可变性和可重编程性
8.突跳不稳定和互锁机构协同下的可重复、高效吸能结构材料
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基于片上衍射光学的光子机器学习
伴随着半导体技术和新型计算架构的重大进步，人工神经网络（ANN）相关的机器学习理论正在许多领域得到广泛应用，包括计算机视觉、自然语言处理、情绪检测、语音识别、医学图像分析和决策等。然而，为了及时解决复杂的任务，ANN需要大量的资源，包括计算速度和能耗。近几十年来，光学神经网络（ONN）因其低功耗和超高计算带宽的优势而引起了研究人员的极大兴趣，这是电子器件无法比拟的。目前，人们已经提出了ONN的几种实现方式，包括基于集成马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格的相干方法、使用微环调制器的波分复用（WDM）处理以及由相变材料（PCM）实现的可编程路由。然而，这些架构由于其计算规模有限，受到其巨大的占地面积和能耗的严重限制。最近，衍射光学神经网络（DONN）因其通过利用具有光学固有并行性质的大规模计算来提高光学计算能力和降低功耗水平的能力而受到越来越多学者的关注。这种方法可以将大量神经元和连接映射到光学上，提供比传统ONN架构更大的计算能力。然而，主流的DONN体积庞大，因为它们建立在分立的衍射元件上，导致将它们集成到紧凑的系统中存在很大困难。此外，离散设备之间的复杂校准可能会引入额外的误差。
近日，清华大学电子工程系陈宏伟教授团队提出了一种基于绝缘体上硅平台的片上DONN，以执行具有高集成度和低功耗特性的机器学习任务。为了验证所提出的DONN性能，研究人员制作了面积为0.15mm2和0.3mm2的1层隐藏层和3层隐藏层芯片上DONN，并通过实验验证了它们在鸢尾花数据集分类任务中的性能，准确率分别为86.7%和90%。此外，研究人员还设计了一个三层芯片DONN，用于对修改后的国家标准与技术研究所手写数字图像进行分类。作者表示在未来的工作中将考虑结合相变材料在芯片上实现非线性功能。此外，相对于其他ONN，所提出的片上DONN具有结构设计简单、全光无源操作和大规模神经元集成的优点。这种片上DONN架构是一种潜在的解决方案，可用于提高未来人工智能硬件的性能水平。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(丁雷)
文章链接：
Tingzhao Fu et al. Photonic machine learning with on-chip diffractive optics. Nature Communications(2023).https://doi.org/10.1038/s41467-022-35772-7.
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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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集成薄膜铌酸锂平台中的太赫兹波形合成
桥接“太赫兹间隙”依赖于在太赫兹域中合成任意波形，从而实现既需要窄带源传感，又需要用于经典和量子对象的少周期驱动器的应用。然而，由于在体晶体中对飞秒脉冲的光校正的灵活性有限，这些应用所需的定制波形的实现目前受到阻碍。
近日，苏黎世联邦理工学院的Alexa Herter教授团队通过实验证明，薄膜铌酸锂电路通过结合复杂集成架构、芯片上泵浦脉冲低损耗分布和高效光学整流的优点，为这种波形合成提供了一种通用的解决方案。该分布式脉冲相位匹配方案通过设计片上组件来塑造发射太赫兹场的时间、光谱、相位、振幅和远场特征。这规避了传统系统中相位延迟不匹配造成的限制，并放宽了对泵浦光繁琐的光谱预工程的要求。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35517-6
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用微波阻抗显微镜对GHz声学拓扑边界模式进行成像
拓扑电子态最突出的性质之一是边界态或表面态的形成。例如，在二维（三维）拓扑晶体中，即使费米能量位于能隙中，边界（表面）也会发生导电。这些异常特性，包括沿边界（表面）鲁棒的单向输运，被认为是拓扑电子态的标志。拓扑学的概念并不局限于电子态，而是与其他布洛赫态(Bloch state)一样，如光子，马格纳子和声子。对于这些玻色子，拓扑边界态作为低耗散波导，具有巨大的应用潜力。
目前对拓扑的研究主要集中在频率KHz范围内的空气声波。这主要是由于KHz声波的波长相对较长，因此可以制造出具有厘米尺度周期性的拓扑声子晶体。与这些低频空气声波相比，只有少数实验成功地实现了在MHz~GHz频率范围内工作的拓扑声学态。原因有二：其一是制造亚微尺度器件的难度很大，其二是具有高空间分辨率的高频测量技术不成熟。然而，实现高频拓扑声学非常重要，因为这些微波频率与商业电信应用是兼容的。
近日，日本东北大学的Y. Onose教授团队研究了在LiNbO3衬底上由金属纳米柱组成的蜂窝声子晶体中的声学拓扑边界模式。脉冲型微波阻抗显微镜实现了两个相互反转的拓扑声子晶体之间的GHz拓扑边界模式的清晰可视化。与频率相关的图像显示，由于能量带隙的形成，边界态随着体表面波模态的抑制而演化，这与拓扑性质一致。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上，并被选为边界推荐文章。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevApplied.19.014001
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二维磁性半导体中激子与杂化磁子的耦合调控
磁子作为自旋波输运的载体，是混合量子器件的重要组成部分，使得自旋器件可以在不产生焦耳热的情况下传输信号，另外由于没有电接触，还可以实现更简单的器件结构。为了将磁子引入混合系统，需要就将磁子与其他载流子通过相互作用进行有效耦合，例如激子(库仑束缚电子空穴对)和磁子(集体自旋激发)之间的耦合，通过调控载流子之间的交互作用，实现对信号的有效编写与处理。有研究工作表明，可以通过磁性材料磁致伸缩效应产生和调控磁子行为，这种利用外磁场的调控手段为磁子的原位调控提供了便利，非常适合混合量子系统中的可编程交互作用。某些磁性范德华材料具备室温下的稳定自旋组态，并具备丰富的调控手段，因此二维磁性半导体的出现为探索这些激子-磁子相互作用以及光自旋电子和量子输运应用提供了平台。
近日，美国华盛顿大学Xiaodong Xu等人证实了层状磁性半导体CrSBr中相干激子-磁子相互作用，并对其耦合作用实现精确控制。通过调节外磁场的方向改变了系统旋转对称性，不仅可以调控激子与亮磁子之间的直接耦合，而且还可以通过磁子杂交将激子耦合到光学暗模式。另外，研究还发现通过施加单轴应变可以进一步调控激子-磁子耦合行为，从磁子色散曲线中可以看出，在临界应变下出现了无色散的光学暗磁子带。该工作证明了二维磁性半导体CrSBr中电子、自旋和晶格自由度之间高度可调的相互作用，为基于二维磁性材料的混合量子系统的研究奠定了基础。相关工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（袁铭谦）
文章链接：
G. M. Diederich, J. Cenker, Y. F. Ren, et al. Tunable interaction between excitons and hybridized magnons in a layered semiconductor. Nat. Nanotechnol. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01259-1
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利用可拉伸力学超构材料进行电磁重构
由热机械环境输入引起的巨大形状变化是许多现代通信系统所固有的。因此，研究主要集中在机械变形与天线功能之间的关系。另外，通过调整性能来对变形做出反应的系统已经被提出，从而创造出响应其环境的设备。对于天线而言，导体的几何形状与其性能有着本质的联系，使得研究人员可以改变器件的频率、辐射方向图或极化特性，甚至完全改变天线类型以响应机械负载。频率选择表面采用了类似的策略来实现薄板的在飞性能可重构，这些薄板可以拒绝或通过所需的电磁频率。为了在此类应用中实现所需的导体变形，人们提出了多种方法。可穿戴电子器件主要依赖于涂覆有导电薄膜或嵌入导电粒子的软聚合物薄膜的柔性织物。这种方法在实现导电表面的大尺寸变化（高达1000%）的同时，牺牲了机械性能，无法扩展到结构应用。在另一种技术中，由放置在可折叠折纸和剪纸的刚性面或具有嵌入式柔顺机构的基板上的辐射单元的周期性阵列组成的电磁超构材料可以重构通信天线、滤波器甚至光学特性。这些例子中的超构材料为只进行刚体运动的导体提供了机械支撑。在更大的尺度上，通信和雷达应用的天线重构依赖于刚性工程机制、智能材料或折纸技术。再次，观察到导体柔性、机械性能和系统物理尺度之间的权衡。因此，各种技术的适用范围有限。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Maria Sakovsky团队展示了力学超构材料用于天线中的可拉伸导体和电介质。超构材料允许导体拉伸高达30%，基底材料拉伸模量从26 MPa到44 GPa。通过几种天线设计表明，力学超构材料在拉伸时可以实现与单片导体相似的频率降低，同时提供小型化效果。此外，导体图案化提供了机械拉伸和电磁重构之间耦合的控制。该方法能够通过超构材料几何结构来设计可重构天线功能，以响应从体适应电子学到空间飞行器等应用中出现的需求。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
M. Sakovsky, J. Negele, J. Costantine. Electromagnetic Reconfiguration Using Stretchable Mechanical Metamaterials[J]. Adv Sci (Weinh), 2023: e2203376.
https://doi.org/10.1002/advs.202203376
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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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突跳不稳定和互锁机构协同下的可重复、高效吸能结构材料
吸能材料广泛应用于航空航天飞行器、汽车、运动防护装备和商品包装等冲击防护领域。理想的吸能材料需要在吸收尽可能多的能量的同时，将最大应力保持在需要保护的人或物体所能承受的安全阈值以下。人们设计了许多材料和结构来通过各种机制耗散能量。在所有吸能材料中，由金属、陶瓷、塑料和复合材料制成的泡沫和点阵材料已经被长期使用。这类材料的突出特点是比强度高、吸能能力强。然而，它们通过材料的塑性变形或断裂来耗散能量，具有不可逆性。因此，它们只为一次性使用而设计。而在很多情况下，可重复使用的吸能材料更加可取。为了使吸能材料能够重复使用，研究人员提出了利用结构材料的结构不稳定性来耗散能量的概念。能量吸收器一般由倾斜或弯曲的梁和约束构件组成。受约束的倾斜或弯曲梁在压缩载荷作用下可能从一种构型跳变到另一种构型。当多层梁串联堆叠在一起时，随着梁层数的增加，位移控制的加载-卸载曲线表现出滞后性，并趋近于力控制情况。在这种设计中，需要大量的层梁串联来耗散能量，使得吸能器笨重且效率低下。
近日，西安交通大学王正锦团队开发了一种由弹性倾斜梁和梯形互锁结构（ILSs）组成的新型结构材料，通过跳变失稳和互锁效应的协同作用增强了能量吸收能力。倾斜梁在受压时，先承受荷载。当压缩力达到最大后，梁向下弹跳并与互锁结构接触，然后倾斜的梁被挤入ILSs之间，压缩力随之下降后上升。随着负载的移除，由于倾斜梁的反弹力与ILSs提供的反作用力之间的平衡，该架构释放了一点，并锁定在其变形构型。在这个加载循环中，外部能量转化为梁和ILSs的弹性应变能，以及摩擦和跳变运动产生的热量。为了将梁从ILSs中拉出并恢复其原始形状，需要施加大于该能量的能量。该方法解决了减震器承载能力与双稳定性之间的矛盾。对倾斜梁进行调节，以增加其所能承受的最大载荷，而不必担心其双稳态，并精心设计ILSs，以提升压缩下的最小力并锁定倾斜梁。与不含ILSs的倾斜梁组成的吸能器相比，该策略拓展了吸能建筑材料的设计空间，大大提高了吸能效率。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
文章链接：
Z. Hou, C. Duan, Y. Yu, et al. Reusable and efficient energy-absorbing architected materials via synergy of snap-through instability and inter-locking mechanism[J]. Extreme Mechanics Letters, 2022.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2022.101948
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