今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于多层光学矩阵理论的少层超表面逆向设计, 激光直写亚纳米聚焦和单分子成像,微机械谐振器中相干超高频振动的飞米振幅成像等敬请期待！
索引：
1.基于多层光学矩阵理论的少层超表面逆向设计
2.通过量子存储器的时频处理器实现光谱超分辨率
3.激光直写亚纳米聚焦和单分子成像
4.通过全局超表面重建实现原位定制错觉
5.球面四边形剪纸的相容性理论
6.微机械谐振器中相干超高频振动的飞米振幅成像
7.柔性力学超构材料使电子皮肤能够实时检测机器人操纵中不稳定抓取
1.基于多层光学矩阵理论的少层超表面逆向设计
超表面是由亚波长人工纳米结构组成的平面周期性或非周期性阵列，在光波的一维和多维操纵方面表现出了非凡的能力，为光学设备的小型化和集成提供了一个很好的替代方案。超表面的最大挑战之一是如何提高其工作效率，因为超表面之间的光-物质相互作用非常有限。解决方法之一是利用具有电共振和磁共振的介电超表面；另一种方法是使用少层设计。少层超表面不能被视为多个单层超表面的简单堆叠，层间光-物质相互作用机制导致薄金属纳米结构与光波之间的光-物质相互作用显著增强。因此，由多个功能层组成的少层超表面可以用于实现宽带或多带宽的高效光学功能。与单层超表面相比，具有很强的光波操纵能力和灵活性。但少层超表面丰富的设计自由度严重挑战了它们的设计和优化过程，与单层超表面相比，少层超表面具有更多的设计自由度，例如层数、层间距、结构对称性、组成材料和每层的结构配置。因此，利用数值模拟来设计和优化少层超表面要复杂得多，而且非常耗时。
近日，南开大学物理学院、教育部弱光非线性光学重点实验室的Shuqi Chen和澳大利亚国立大学物理与工程研究院的Duk-Yong Choi研究团队提供了一种基于深度学习技术的高效逆向设计策略，实现了具有不同光学响应的多层超表面快速逆向设计。通过将多层光学的矩阵理论与卷积神经网络（CNN）模拟器相结合，经过良好训练的算法以可接受的精度预测少层超表面的整个散射矩阵。更重要的是，CNN模拟器的训练仅使用单层元表面的数据集，这显著降低了数据收集的难度，使得该算法在频域中变得更具可伸缩性。通过进一步引入进化算法，可以解决一对多问题，实现具有不同光学响应的少层超表面的逆向设计，该算法不需要针对不同优化目标和不同层数对卷积神经网络进行调整和再训练。通过进一步的实验验证，他们证明了所设计的少层超表面是可制造的。该设计策略为快速设计具有所需光学响应的少层超表面提供了强大的平台，与基于反复试验过程的数值模拟方法相比，该方法显著降低了少层超表面的设计复杂性，并降低了结构优化的时间成本。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.024008
2.通过量子存储器的时频处理器实现光谱超分辨率
光谱是研究物质和光的不可或缺的工具，然而，所有最先进的方法，如基于光栅的和傅里叶光谱仪的分辨率都存在理论极限。在成像环境中，需要修改或利用光源、照明的相关性质才能突破瑞利极限，这通常是不可能实现的。此外，尽管瑞利极限最初是在光谱仪的背景下制定的，但超分辨率光谱很少，并且仅限于激光光谱仪。然而，荧光光谱截然不同：一个经典发射器在每个光谱空间模式中只提供一个小的光子数，这样才满足量子增强的条件。有研究人员发现量子Cramér-Rao界（Q-CRB）可用于识别光场中可用的最大信息，并在时域达到量子极限。将该方法应用于光谱存在诸多困难，尤其是在需要使用窄带光信号的情况下。然而，在核磁共振（NMR）光谱中，当用钻石色心进行感应时，量子存储器可以提高分辨率。
近日，波兰华沙大学量子光学技术中心的Mateusz Mazelanik和丹麦哥本哈根大学波尔学院的Michal Parniak联合研究团队将受到量子启发的超分辨率方法引入到光谱领域，并演示了一种能够以低于傅里叶极限的精度解决两个发射器频率差的设备。他们的方法利用具有内置时频处理能力的梯度回波存储器（GEM），通过编程实现脉冲分割时间轴反转（PUTTAI）干涉仪。该系统在超窄带域中运行，实现了15 kHz的分辨率，同时超分辨率增强因子为s=20±0.5，这意味着在相同的实验条件下，实现与直接光谱相同的分辨率所需的光子减少了约20倍。该工作不仅建立了一种新的超分辨率光谱方法，而且提供了高光谱分辨率的绝对值。从根本上说，这种超分辨率方法利用了光中已经存在的光谱信息，不需要光源的特定属性。通过使用自旋波量子存储器从光场中完全提取相位和振幅能够达到以上效果，这是由于记忆的长相干时间使得能够捕捉、处理和释放光线，从而实现最佳检测。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：
Mazelanik, M., Leszczyński, A. & Parniak, M. Optical-domain spectral super-resolution via a quantum-memory-based time-frequency processor. Nat Commun 13, 691 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28066-5
3.激光直写亚纳米聚焦和单分子成像
单分子显微镜极大地扩展了我们对细胞环境中蛋白质复合物的结构组织、功能构象和动力学的理解。单分子成像方法在提高空间分辨率、穿透深度和活细胞成像能力方面取得了显著进展。具有高空间分辨率的单分子成像方法都采用了轴向聚焦锁定（如全内反射模式下的红外激光器）和横向校正方法（如荧光标记物）的组合。即使在分析后处理，不准确或缓慢的主动校正也会导致漂移降低定位精度和降低原位分辨率。
通过结合光学捕获和优化单个发射体的x/y位置和宽度(z)，可将纳米精度的实时聚焦锁应用于离体样品。然而，当在>5µm的深度成像时，这些方法都没有被证明能显著改善商用的轴向聚焦锁，这些轴向聚焦锁通常具有~20nm的精度（即尼康完美聚焦），并且提供有限的横向补偿。因此，尽管荧光成像技术能够具有较高的定位精度和较高的穿透深度，但它们对3D成像的一般适应性仍然有限。因此，一种具有活细胞兼容性、跨微米范围的绝对三维定位和比以前报道过的任何单分子方法的光子限制定位精度更好的聚焦方法是非常可取的。
近日，澳大利亚新南威尔士大学医学院的Simao Coelho等人通过使用双光子激光直写来控制样品的三维结构和基准的位置来解决这些聚焦限制。在此过程中，作者可以重复地实现跨细胞体积的所有维度的实时亚纳米聚焦。通过获得三维单分子获取和具有纳米精度的活细胞单粒子跟踪，证明了该方法的多功能性。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28219-6
4.通过全局超表面重建实现原位定制错觉
视错觉可以从视觉上把一个物体变成另一个物体，最终产生主动攻击或被动防御的伪装。光学错觉最早是利用变换光学理论提出的，然而，其在实际应用中面临一个关键的瓶颈，即材料成分既具有各向异性又具有不均匀性。另一方面，要实现视错觉，一个关键的前提是获得具有所需光学响应的高性能超材料/超表面。尽管具有挑战性，但克服这些瓶颈对于许多潜在的应用（如幻觉伪装和虚拟现实）是至关重要的。在自然界中，视错觉作为一种通过自然进化产生的优越生存能力，尤其普遍存在。如赫摩里奥普雷斯毛虫会模仿蛇的形状，以吓跑捕食者。通过全局重建其生物成分，这种毛虫可以在几秒钟内完成整个过程。受到这种自然错视和全局分量重建的启发，人工光学错觉可以以类似的方式发展，其目的是将错觉设备的散射模式转换为给定对象的散射模式。作为一种强大的数据驱动方法，深度学习算法最近成为一种重要的工具，可以加速按需结构设计并减少传统方法的缺陷。然而，基于变换光学的主流视错觉在实践中受到超材料组成的极端要求的限制，并且由于其庞大的计算量而受到不利的限制。
近日，浙江大学钱超研究员、蔡通博士和陈红胜教授团队提出了一种智能光学错觉，它由一层无形状的超表面而不是传统的大块超材料板实现。无形超表面是通过深度学习范式进行全局控制的，该范式由两个特定的卷积神经网络（CNNs）组成，旨在解决远场和近场两个典型的光学任务。以曲面共形超表面为例，经过训练后，从雷达散射截面（RCS）和近场分布分别获得了90%和87%的逆结构设计精度。作为概念验证，该设计在实验中得到了很好的验证。此外，为了模拟真实世界的场景，建立了一套完整的智能系统，并进行了一个新的光学错觉实验，在这个实验中，共形超表面产生了与另一个物体相似的散射特性。与传统的基于转换光学的超材料错觉（等效介质理论）相比，这项工作通过在界面上引入不连续的相移实现了超表面错觉，并提高了智能化和实用性。更重要的是，这项工作为下一代智能超设备铺平了道路，这些设备可以自适应动态环境，并满足现场定制需求。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Jia, C. Qian, Z. Fan, et al. In Situ Customized Illusion Enabled by Global Metasurface Reconstruction[J]. Advanced Functional Materials, 2022.
https://doi.org/10.1002/adfm.202109331
5.球面四边形剪纸的相容性理论
剪纸由于其灵活多变的构型已经成为开发柔性可穿戴电子和智能系统、新型医疗设备、软体机器人、超材料以及可变结构等前沿研究的一个强大的工具。然而，目前的研究主要借助剪纸技术将二维平面通过拉伸、旋转和弯曲构建成三维结构。这样，在平面上设计剪痕，通过大变形贴合目标曲面。然而，这种方法依赖于面片的细分与柔性变形，只能近似贴合曲面，限制了剪纸结构的设计方法与应用场景。
另外，平面四边形剪纸结构可以有无数个连续的相容构型。基于相容性原理，平行四边形剪纸结构的某一展开构型与未展开无应力构型之间存在分片等距变换，物理上等价于展开构型是无应力构型，即处于零应变能状态的稳定构型。与平面四边形剪纸截然不同的是，球面四边形剪纸结构最多有两个相容构型，通过合理的剪痕设计，可以得到双稳态球面四边形剪纸结构。然而，基于曲面的非欧几何的剪纸理论还是一片空白，也是一个挑战。这样，通过设计曲面剪纸的折痕分布便可以得到不同的目标曲面形貌进而实现目标的曲面功能特性。这种通过变形的手法来改变目标对象的性质、形式，可以为剪纸提供更加丰富的状态。
近日，北京大学工学院王建祥教授课题组与段慧玲课题组合作构建了一种基于相容性性理论构建了一种球面四边形剪纸设计理论。该研究基于非欧几何的剪纸理论，在曲面上设计剪纸结构，构建了一种非欧剪纸设计和铺展的系统方法，为解决球面机构折展的问题提供了一种全新的思路。相关工作以“Theorem on the Compatibility of Spherical Kirigami Tessellations”为题发表于《Physical Review Letters》。（何玉龙）
文章链接：
Xiangxin Dang, Fan Feng, Huiling Duan, and Jianxiang Wang. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035501 [J]. Physical Review Letters, 128: 035501（2022）
6.微机械谐振器中相干超高频振动的飞米振幅成像
在微波频率下，机械谐振器中飞米位移振动的动态测量对包括5G无线通信和量子态产生、存储和传输在内的许多新兴高冲击技术至关重要。然而，连续波激光干涉成像最常用的方法，振动波场的分辨率，仅限于几千兆赫的振动振幅。这对于这些技术来说是不够的，因为振动振幅随着频率的增加而急剧降低。
近日，美国国家标准与技术研究所的Lei Shao等人提出了一种用于相干超高频振动传递的频闪光学采样方法。当频率高达12GHz时，噪声地板为55fm/√Hz，与之前的工作相比，该工作同时实现了更高的带宽和显著更低的噪声地板。利用该方法测量了谐振率大于10GHz、位移小于70fm的声微谐振器，揭示了复模叠加、色散和各向异性传播。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28223-w
7.柔性力学超构材料使电子皮肤能够实时检测机器人操纵中不稳定抓取
为机器人提供触觉感知能力的电子皮肤已被广泛研究。然而，在实际的机器人抓取操作中，它们的实用性非常受限。目前还没有一种基于阵列传感器信号的高效抓取检测方法。超构材料对设计和制造具有显著功能和性能的器件具有重要价值。力学超构材料利用机械运动、变形和应力来实现不寻常的特性和功能，如形状转换、可重构性、非互易性和多稳定性。力学超构材料可以对拉伸、旋转、屈曲和断裂响应，柔性力学超构材料已经被探索出新的应用领域，如可伸缩基底上的光学调谐、基于超构材料纺织品的可穿戴身体传感器网络、具有可调节应力-应变曲线的软材料。特别地，柔性力学超构材料由于具有可编程的复杂运动形状变换特性，在软机器人驱动领域具有广阔的应用前景。然而，基于力学超构材料的柔性传感器制造困难。拉胀超构材料（负泊松比材料），即在施加载荷时向各个方向扩张或收缩的材料，是很有前途的例子，尤其是用于柔性应变传感器。虽然先进的制造技术可以促进力学超构材料的制造，但由于相对复杂的器件结构，实现功能传感器仍然是一个挑战。
近日，复旦大学李卓研究员和华中科技大学吴豪研究员团队报道了一种基于柔性拉胀超构材料的高性能电子皮肤应变传感器，与不采用该结构的传感器相比，该传感器能够在较宽的范围内同时测量压缩应变（40%）和拉伸应变（>80%），并具有较高的灵敏度。利用传感器采集的感知数据，建立了一种通用的机器人抓取不稳定实时检测方法。该方法将处理大规模阵列传感器信号的复杂问题简化为两个指标的计算，同时提取信号的时域和频域特征。总检测时间（包括传感器测量响应和数据处理）可短至100 ms，与人体皮肤对滑移感知的响应一致。提出了各种抓取和操作任务的实时精确检测方法，展示了传感器和检测方法在机器人感知和灵巧操作中的重大价值。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
X. Huang, W. Guo, S. Liu, et al. Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real‐Time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation[J]. Advanced Functional Materials, 2022.
https://doi.org/10.1002/adfm.202109109
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