超材料前沿研究一周精选 2022年5月16日-2022年5月22日

光学超表面是指将高折射率共振散射体以相应序列置于基底上，能够展示出物体各种各样的彩虹色和漫散射结构色。它的实际应用包括用于高分辨率显示器的超薄多色表面，其中共振散射体充当具有多种颜色特性的纳米像素。然而，由于纳米尺度的光学特性很难与宏观尺度的多种外观属性联系起来，光学超表面在外观设计中的潜力仍然没有得到充分的探索。实际上，视觉外观不仅仅是颜色，光泽和阴影依赖于散射光的漫反射和镜面反射成分之间的相互作用，对于人们的物体感知对来说，它们与颜色一样重要。物体的外观还取决于其宏观形状，以及光强和视角。例如，当物体或观察者移动时，可以更好地欣赏彩虹效果。所有这些方面在以前的光学超表面研究中都没有被考虑，在大多数关于自然和人工结构颜色的研究中都没有得到充分的研究。

纳米结构材料是近年来出现的一种很有前途的材料外观设计方法。研究主要集中在通过波干涉创建结构颜色，而忽略了构成物体视觉外观的其他重要方面，如镜面反射和漫反射的各自重量、物体宏观形状、照明和观察条件。近日，法国波尔多大学光子学、数字和纳米科学实验室（LP2N）的Kevin Vynck和PhilippeLalanne研究团队设计了一种无序光学超表面，通过亚波长干涉展现出令人惊艳的视觉外观。我们开发了一个多尺度建模平台，将纳米尺度的共振散射、中尺度的多重散射和宏观尺度的光传输相结合，用于在真实环境中预测渲染由超表面覆盖的宏观对象，并展示了如何使用纳米尺度共振和中尺度干涉来在光谱和角度上塑造反射光，从而在宏观尺度上创建特殊的视觉效果。并且，该团队用肉眼可见的宏观物体真实合成图像和厘米级样本验证了这一特性。该框架为美术和应用视觉艺术的多个分支开辟了新的视角。相关研究成果发表在《Nature Materials》上。（钟雨豪）

文章链接：

Vynck, K., Pacanowski, R., Agreda, A. et al. The visual appearances ofdisordered optical metasurfaces. Nat. Mater. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01255-9

物体识别是一种涉及计算机视觉和图像处理的计算机技术，用于检测、分类和标记数字照片中某类语义对象的实例。在现代社会，它已经渗透到我们生活的每一个角落，例如通过视频监控、目标跟踪、图像注释和分割。为了实现目标识别，传统的方法通常需要两个步骤：图像序列由摄像头捕获，然后使用数字计算机进行处理，并结合深度学习或其他模式识别算法。然而，随着大数据和物联网的指数增长，传统的两步程序可能被认为是不够的，并行信息收集和数据处理的光速要求很高。从本世纪初开始，超材料和光子学的出现促使科学家们从全新的光学角度重新审视已建立的物体识别技术。与传统的基于电子的实现相比，基于光子的计算被认为是很有前景的，尤其是在高通量、特定站点、实时任务中，并且提供了光速操作、低功耗和并行能力等竞争优势。迄今为止，取得的成果包括数学运算符、逻辑运算符等。关于光学成像，也有许多相关的发展，如计算成像、边缘检测和非视线成像。这些开创性的方法有效地完成了目标识别图像捕获的第一步——取代甚至改进了数码相机技术。然而，如果要继续进行目标识别任务的图像处理步骤，数字计算对于所需的操作（包括降维和特征提取）仍然是必不可少的，研究人员正致力于提高算法在复杂应用场景中的效率。另一方面，尽管物体识别（例如手写数字）经常被用作示例来演示各种光学神经网络架构，例如纳米光子深度学习电路和光电卷积混合神经网络，这些体系结构本质上完成了第二步图像处理，通过利用一系列预先准备好的数据集来取代甚至改进数字计算。因此，为了适应现场应用，应采用光到电子/电子到光的转换，以允许电子图像感知器和光学处理组件之间的实时通信。整个识别系统的速度最终受限于电子处理器的掩蔽率。由于处理器的能量消耗，处理速度很难提高，在摩尔定律的背景下变得越来越具有挑战性。考虑到所有这些因素，促进真实世界三维（3D）应用中的完全光学对象识别，从而充分利用光学技术的潜力，尽管具有挑战性，但至关重要。

文章链接：

Chao Qian et al. Dynamic recognition and mirage using neuro-metamaterials. Nature Communications (2022) 13:2694

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30377-6

材料的非线性光学响应是建立频率转换、全光信号处理、分子光谱和非线性显微镜等应用的基础。当光由参数非线性相互作用（例如，谐波产生）产生时，所产生的输出光的传播方向由输入光束的性质决定。这种依赖性是由于动量守恒，也被称为相位匹配。不满足相位匹配条件的数量通过相位失配Δk来量化，即组成光束的动量之差。准相位匹配、双折射相位匹配、高阶模相位匹配等方法已被证明是实现相位匹配的手段。然而，这些方法的缺点是只能对参与波束的一种特定配置进行相位匹配，这种配置通常是沿着传播方向的共线波束，而且只适用于很窄的波长范围。这些限制对非线性光学的潜在应用构成了严重的限制，在非线性光学中，灵活性和紧凑性是非常必要的。

人们对使用超材料来消除这种限制和探索由此产生的新机制产生了极大的兴趣。超材料在光学材料的工程中提供了极强的灵活性，使许多不寻常和有趣的特性，包括负折射率。具有负折射率的材料已被用来演示非线性信号波与泵浦波传播时产生的二次谐波，称为反向相位匹配。在考虑零指数媒介时，可以进一步探讨这种独特的行为。

具有相干和高效光物质耦合的光子态的鲁棒单向输运是大规模片上量子网络的一个吸引人的课题。一般来说，单向光子发射是通过支持圆偏振偶极矩的量子发射体与具有相应的局部偏振方向（螺旋）的光子态的强耦合来实现的。由于自旋动量锁定，这导致了一个手性量子光学界面。然而，许多对这种手性界面的实际实现只表现出有限的自旋-方向耦合。这很容易受到无序和缺陷的影响。更重要的是，来自手性发射体的量子信息的明确自旋相关输运需要清楚地描述边界态的光学自旋密度分布的局部结构，以实现高定向耦合。

在鲁棒自旋相关输运的背景下提出的一类基于光子晶体的拓扑绝缘体的模拟系统，它模拟了量子自旋霍尔效应(QSHE)。它们的特征是在拓扑平庸晶格和非平庸晶格之间的界面上有两个对称保护的边界态。实验和数值实现表明，由于支撑体带的不同拓扑不变量，这两个边界态各表现出独特的赝自旋，这使得光子输运对缺陷和尖角具有鲁棒性。这种传输依赖于赝自旋与远场(FF)螺旋度的耦合，以确保和最大化光子的单向性。利用这些系统支持的螺旋度，丰富了量子纠缠和量子自旋电路的应用。然而，确定场螺旋度与边界态赝自旋之间的确切关系至关重要。

近日，荷兰代尔夫特理工大学的S. Arora等人研究了拓扑光子晶体(TPCs)中边界态的近场，以全面研究（局部）手性信息。利用基于孔径的相位和偏振分辨近场光学显微镜(NSOM)，作者使用外差检测方案收集电场的正交平面内偏振分量，并确定潜在的空间变化的自旋密度。作者通过实验验证了光自旋密度的不均匀性遵循晶格的布洛赫周期性。通过实验获取共同形成对称保护边界态的不同布洛赫谐波(BHs)，作者表明，对每个高阶布洛赫谐波的单独贡献打破了边界态的赝自旋和螺旋度之间的耦合。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（郑江坡）

文章链接：10.1103/PhysRevLett.128.203903

与其他成像技术相比，脉冲回波超声(US)在微观和宏观尺度上对材料和生物样本成像具有几个主要优势，包括易于使用、价格低廉和便携性强。由于其非电离性和非侵入性，US在生物学和医学上有广泛的适用性。利用超声在不同声阻抗介质中传播的时间差，可获得高空间分辨率的样本体积图像。传统脉冲回波技术的扩展包括声速成像、弹性成像和多普勒成像，这些方法利用衬度对比进一步从活体组织中提取有价值的功能信息。除了基于阵列的US成像用于生物医学应用外，扫描声显微镜(SAM)还被用于材料科学和工业应用，用于材料和部件的无损评估(NDE)，减少了生产和维护的时间和成本。在超声成像和声纳等其它声学传感应用中，换能器和被成像物体之间的多次反射自然会发生。发射波阵面与成像物体的重复相互作用传统上被认为是一种混响伪影，经常被误判为虚构的声学边界。

近日，瑞士苏黎世大学医学院药理学和毒理学研究所Daniel Razansky等人报道了高阶反射脉冲回波(HOPE)超声，一种利用高阶反射来改善传统超声成像的方法。实验证明，HOPE可以突破采样极限来反演亚微米结构特征。高阶反射的主要对比度增强使得传统声学扫描显微镜无法发现的材料缺陷得以揭示。该方法主要受高反射阶数信噪比降低和耦合介质中的US衰减的限制。因此，只要能准确定位反射信号中的峰值，且对比度保持在噪声水平以上，更高的反射阶数就能改善图像质量。虽然HOPE超声比传统超声产生更大的数据集，导致更大的内存消耗和计算负担。然而，该方法不需要额外的硬件，而且很容易与现有的扫描声学显微镜系统集成一起，突出了其在生物医学成像、无损检测和其他声学传感应用中提高成像性能的潜力。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：

Urs A.T. Hofmann,et al,High-Order Pulse-Echo Ultrasound.Physical Review Applied(2022).

水下声学是一项重要的研究领域，对占据地球大部分表面的河流和海洋的地下勘探和目标成像至关重要。低频水声波的有效吸收尤其引起了人们的极大兴趣，特别是在水下传感和隐身技术中的应用。然而，尽管这一主题具有明显的重要性，但无论是空气中的可听声还是超声波，这一主题都没有得到如此深入的研究。后者代表了在医学应用中被广泛使用的水声波的高频分支。出现这种情况的一个原因是，由于水阻抗管所涉及的波长较大，且固体材料需要较大的阻抗失配，因此很难进行实验测量。因此，对水下吸收的大量研究仅限于理论分析和数值计算，其理想化假设在实际情况下可能不成立，而在水阻抗管中测量的几乎所有现有实验工作都基于小样本，可能无法反映复杂环境中的真实性能。目前还缺乏基于在水池中测量的大规模样本的研究工作。除了实验障碍外，设计水下吸收器本身可能是理论建模的一个挑战，因为固体弹性振动模式的多样性会导致难以集中于没有任何不需要的特征的吸收功能。此外，用于水下应用的常规材料的声能密度相对较低，这阻碍了声学薄样品中低频波的有效耗散。换言之，减少水下吸收体厚度的潜力尚未得到充分探索。

近日，香港科技大学沈平教授团队提出了一种具有结构阻抗匹配复合材料的新型超构材料吸收器，它可以解决上述水下吸收方面的挑战。其中复合材料包含分散在聚氨酯（PU）聚合物基体中的钨颗粒，几何结构为细长杆，因此能够将其视为一维固体。由于杆中的纵向速度由其杨氏模量E_c决定，因此对于PU基质，可以很容易地将其调整为低于水的体积模量B_w。同时，分散的钨粒子可以产生比水的质量密度ρ_w大得多的质量密度ρ_c。因此，这种结构化复合材料的特性阻抗可以很容易地调整到与水的特性阻抗相匹配。同时，这种复合材料的纵波速度比在水中的纵波速度要慢得多，从而意味着在低频下具有更大的声能密度。因此，当棒的背面是一个硬反射边界，法布里-珀罗（FP）共振可以实现比传统材料更薄的厚度。这种新型声学超构材料具有广阔的水下应用前景。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）

作为超材料的二维形式，超表面在推动各种技术发展上展现出强大潜力，包括但不限于光学、电磁学和天体物理学。超表面通过调制振幅或偏振，可以实现电磁吸收或偏振转换。通过调制相位，可以实现各种波前重建，如光束控制、多重散射、隐形、波聚焦。然而，大多数相位调制超表面基于广义斯涅尔定律和射线光学，它们仅提供线性相位分布，而反过来又无法有效地将入射波耦合到所需的空间谐波。相比之下，复振幅超表面（CAM）更适合重建更复杂的电磁波前，因为串联调制振幅和相位响应可以有效地选择和抑制特定的空间谐波。引入了偏振转换、惠更斯超表面、欧姆耗散等方法来实现与相位调制无关的振幅调制，并验证了波束形成、空间谐波选择和圆二色性裁剪等强大功能。然而，静态几何结构在很大程度上阻碍了这些被动结构的实际应用。

近日，东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室的崔铁军和新加坡国立大学电气与计算机工程系的仇成伟联合研究团队设计了一种可重编程非线性相位光栅超表面，该超表面与复振幅超表面类似，能够通过调制相位实现对多个空间谐波的实时和多功能控制。通过对超表面界面处的非线性相位分布进行精细和即时的编程，可以重新配置多个空间谐波的产生和抑制，以及定制每个空间谐波的反射角度和反射强度，实时重建所需的电磁波前。为了验证这种设计，该团队通过实验展示了多重空间谐波的产生和抑制、强度裁剪和反向反射。这项工作为实现各种电磁波前的动态重建提供了一种实时有效的方法，并可进一步应用于其他潜在场景，如全息、成像和无线通信。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（钟雨豪）

文章链接：Tian, H.W., Zhang, X. G., Jiang, W. X., Li, X., Liu, Y. K., Qiu, C.-W., Cui, T. J.,Programmable Controlling of Multiple Spatial Harmonics via a Nonlinearly-PhasedGrating Metasurface. Adv. Funct. Mater. 2022, 2203120.

https://doi.org/10.1002/adfm.202203120

经过数百万年的进化，产生生物矿化材料的生物在自然界中极为广泛。这些矿化生物材料通常是其宿主生物不可缺少的结构，其成分为矿物复合物（如碳酸钙、磷酸钙和二氧化硅）和有机大分子（如蛋白质和聚合物）。典型的结构（如鲍鱼壳），其棱柱层和珠光层均由矿物构件和有机界面组成。贝壳的珠光层和交叉层状结构，仅存在百分之几的有机大分子，但是这些材料表现出比其矿物相高几个数量级的韧性。这些材料具有多种生物功能，包括机械支撑和保护、晶状体、浮力装置、光反射器，矿物储存，重力/声音/平衡/磁传感器，为功能复合材料的仿生设计提供了灵感。其力学性能和其他功能性能是其分级微观结构和生物成分的协同作用的结果。在力学性能方面，生物矿物成分通常比地质矿物成分更强、更坚韧，甚至可以在纳米尺度上表现出显著的可恢复变形。这与小尺寸和材料层级增韧机制有关，包括有机掺杂物、无机元素替代、非晶态相、孪晶、晶体织构等。目前对生物材料结构的了解主要基于2D成像，这常常阻碍对材料复杂的3D微观结构及其力学、功能和仿生设计的全面和准确理解。断层扫描、增材制造和4D测试等3D技术的发展为全面研究3D生物材料开辟了道路。

近日，美国弗吉尼亚理工大学助理教授李灵及其团队讨论了应用3D技术如何为生物矿化材料提供新的见解。文章专注于生物矿化材料的3D结构，这是其优异的力学性能和多功能性的主要因素。通过控制3D材料结构来获得功能是显着的，因为与控制材料成分相比，它提供了新的机会并且通常更少的限制。在生物矿化材料中，使用有机物和生物矿物可以“打印”致密的复合材料结构以增强力学性能，而“打印”多孔微结构以减轻重量、光子着色、液体输送和浮力。其卓越的力学性能是由于生物复合材料的软有机相适应变形，而硬矿物相提供刚度和强度，即硬相和软相的协同作用保持了高刚度和强度，增强了韧性和能量耗散。这种鲁棒性的改进与所谓的外在增韧或裂纹尖端屏蔽机制有关，主要作用于裂纹的尾迹以抵抗裂纹扩展。显然，生物矿化材料的功能与其3D材料微观结构密切相关，因此，理解3D微观结构-性能关系是开发其合成类比的基础。文章以珍珠为例，以展示从2D到3D的知识进展如何为理解生长机制、生物力学和仿生设计带来实质性的改进。讨论了最先进的多尺度3D断层扫描技术，重点是它们与3D几何量化、4D原位实验和多尺度建模的集成。展望了研究合成-结构-功能-仿生学关系的新兴方法。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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