今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及用于多路复用光学加密的时空调制全偏振光发射，超构表面驱动的宽带多维光电探测器，渗透诱导的PT对称性破缺等,敬请期待！
索引：
1 用于多路复用光学加密的时空调制全偏振光发射
2 超构表面驱动的宽带多维光电探测器
3 渗透诱导的PT对称性破缺
4 具有非对称Peierls相位的非互易声学器件
5 固有多稳态空间连杆
6 可重构非线性动态超构材料的自动化发现
在时空上控制光的全部自由度是提高传递和存储信息密度的关键因素。尽管液晶材料传统上用于切换液晶显示器中光的线性偏振，但由于偏振器的吸收，这种方法会导致光源强度降低50%。因此，未来的设备必须努力实现对全偏振光的有效时空调制，覆盖整个庞加莱偏振球，而无需借助有损偏振器。偏振发射和吸收纳米材料和组件具有多种优势，包括低成本、可扩展性和高偏振质量。然而，将这些材料和组件集成到当代制造技术中以创建用于控制偏振光的功能设备仍然是一项艰巨的挑战。人们已经提出了各种设计方案，例如采用有机发光二极管的偏振电致发光、采用混合有机-无机钙钛矿或 II-VI 半导体量子纳米棒的偏振发光二极管，以及将荧光染料掺入胆固醇液晶中产生的偏振发射。然而，这些尝试受到偏振态有限、偏振度低、功率效率低以及缺乏偏振态的时空调制的阻碍，阻碍了这些器件的实际应用。
近日，韩国科学技术院的Junil Choi教授团队和首尔大学的Ki Tae Nam教授团队，通过集成 LED 设备的时空调制、纳米材料自组装实现的精确偏振控制以及通过3D打印实现的可编程图案化和定位，制造出基于六偏振元素像素的设备。通过量子纳米棒与超薄无机纳米线的模板化对准，实现了超过0.8的高偏振度。印刷无机纳米线薄膜中相位延迟的精确管理能够产生圆偏振发光，其各向异性因子达到 1.1。通过采用每个像素的开关状态的线性组合，作者生成了多种偏振状态。作为概念验证，作者展示了可见光通信(VLC)中的加密，这是由超低响应时间和有效的偏振状态调制实现的。为了解决VLC中的安全性和内部特异性问题，作者展示了通过全面的时空偏振调制，利用手性偏振调制器在光通信中实现极高的物理层安全性。此外，作者提出了多通道显示器的概念，该显示器通过新颖的偏振维度将平面信息转换为立体图形。这种方法可以显著提高编码能力、提高能源效率并实现加密通信。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52358-7
2 超构表面驱动的宽带多维光电探测器
光可以携带多维信息，如强度、偏振和光谱。传统的光信息提取需要将检测区域划分为多个“一对一”功能像素，并使用离散光学元件进行信息处理。利用单片集成探测器对高维光信息进行宽带光探测是目前研究的热点，也是巨大的挑战。
近日，来自东南大学吕俊鹏教授，新加坡国立大学仇成伟教授，南洋理工大学高炜博教授团队提出了一种高维自旋光谱仪，这种探测器采用了机器学习技术辅助设计的协作式多端口超构表面，可以在极宽的波长范围(1-8 μm)内，同时检测和区分宽带光的各种偏振状态和波长，波长预测精度为0.5 μm，可通过对具有不同极性和振幅的矢量光电流进行编码来对多维信息(包括极化和波长)进行解耦，实现精确的自旋波长区分。该工作为光信息提取与处理提供了一种高度紧凑的高维光谱-偏振协同探测方案。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(李治含)
文章链接：
Jiang, H., Chen, Y., Guo, W. et al. Metasurface-enabled broadband multidimensional photodetectors. Nat Commun 15, 8347 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52632-8
3 渗透诱导的PT对称性破缺
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.136602
4 具有非对称Peierls相位的非互易声学器件
声学中的非互易性在许多实际应用中具有至关重要的意义，已通过非线性介质、流动流体或时间调制等方式得到了实验实现，但这些方法存在体积大、功耗高、难以集成以及不可避免的振动或相位噪声等问题。在现代哈密顿理论中，系统互易性的破坏可以通过非对称的 Peierls 相位来实现，这通常涉及非厄米性或时间反演对称性的破缺。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.136601
5 固有多稳态空间连杆
机械可重构性是机器人和超构材料的理想特性，可通过不同的几何构型实现不同的功能。多稳态变形结构可在多个预定构型下自稳定，具有以下优点：在工作状态下自锁定，不需要持续驱动；能量图中的吸引域中，允许使用较少的不精确/轻量级驱动器，如智能材料；与过度受限的机构相比，扩展了设计空间；由于结构不稳定性，形状可快速转换，可以应用于某些快速驱动的机器人中。目前大多数多稳态单元都是平面结构，而空间联动结构可以产生复杂的3D运动，具有更广阔的应用前景。
近日，武汉大学李洋教授团队提出了一种通用方法来设计具有多个可预定义构型的内在多稳态空间（IMSS）连杆，这些构型在结构上是兼容的，并且在这些状态下是自然稳定的。文章揭示了所有超约束机制都可以用同样的设计方法转化为多稳定结构。设计了具有内在非对称稳定状态的单环双稳态4R和四稳态6R空间连杆模块，这些模块是由Bennett连杆和Bricard连杆等基本运动学连杆机构单元转化而来的，以说明基本思想和与普通方法相比的优越性。通过这些IMSS连杆模块进行的多回路组装显示出了实际应用的潜力，而这正是重构的可展开性和冲动性所要求的。为了验证这种适用性，通过实验展示了两个初步设计案例，一个是可展开管，另一个是脉冲抓手。此外，这种IMSS连杆的设计方法有望为具有轻质驱动、高形状精度、高刚度和规定脉冲3D运动的变形平台铺平道路。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
T. Zhou, C. Huang, Z. Miao, et al. Intrinsically Multi‐Stable Spatial Linkages[J]. Advanced Science, 2024.https://doi.org/10.1002/advs.202402127
6 可重构非线性动态超构材料的自动化发现
在弹性脉冲能量收集、冲击缓解和机械信号处理等方面，有效控制材料结构的非线性行为对各种动态任务至关重要。力学超构材料已成为实现此类控制的理想平台。然而，大多数提出的设计都是在线性范围内运行，并针对单一功能进行了优化。最近的研究凸显了柔性超构材料在控制非线性波方面的巨大潜力，如展示出单向信号传播、即使在存在耗散和冲击缓解的情况下也能进行远距离传播等功能。然而，对柔性力学材料非线性动力学的探索和合理控制仍处于早期阶段。优化是自动设计的一个极具吸引力的原则，在识别具有理想力学响应的超构材料方面，它已取得了很大成功。尽管存在众所周知的局部收敛限制和计算梯度的额外计算成本，基于梯度的方法仍被广泛应用于结构设计问题。在力学领域，梯度提供的额外信息已被证明能有效指导设计弹性-塑性结构以抵抗冲击、调整有限应变下的泊松比、优化非线性共振框架结构。尽管这些工作表明基于梯度的优化技术在解决非线性问题方面具有巨大潜力，但非线性力学超构材料中丰富的动态行为空间，尤其是瞬态行为，相对来说仍未得到充分研究。
近日，美国哈佛大学Katia Bertoldi教授团队介绍一种逆向设计框架，用于发现具有目标非线性动态响应的柔性力学超构材料。通过完全可微分仿真环境驱动的逆向设计方法，对全尺寸超构材料几何形状进行优化调整，从而对所需的动态任务进行编码。通过采用这种策略，力学超构材料可实现能量聚焦、能量分离、动态保护和非线性运动转换。此外，该设计框架还可以扩展到自动发现能够在不同动态任务之间切换的可重编架构。例如，在单一架构中编码两个强烈竞争的任务——能量聚焦和动态保护，使用静态预压缩在这些行为之间切换。对所发现的设计进行了物理实现和实验测试，证明了工程任务的鲁棒性。这种方法开辟了一条尚未开发的途径，使设计材料具有量身定制的类似机器人的可重新编程功能。相关研究发表在《Nature Materials》上。（徐锐）
文章链接：
G. Bordiga, E. Medina, S. Jafarzadeh, et al. Automated discovery of reprogrammable nonlinear dynamic metamaterials[J]. Nature Materials, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02008-6
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