超材料前沿研究一周精选 2021年6月21日-2021年6月27日

近年来，时间在图像渲染和重建中的高级应用一直是许多科学研究的焦点。其研究动机来自于有限光速c给定的空间与时间的等价性，这种等价性导致了空间不同点电磁场时间演化的相关性。利用这种相关性的应用程序被称为飞行时间(ToF)和飞行中的光(LiF)照相机，在从无线电到最佳频率的各种状态下运行。飞行时间成像侧重于通过连续波、脉冲或伪随机二进制序列(PRBS)码测量延迟刺激响应来重建场景。飞行中的光成像，也称为瞬时成像，探索光的传输和探测。ToF和LiF的结合最近为重建过程带来了更高的精度和细节，特别是在非视线图像中，在建模中包含了更高阶的散射和物理过程。然而，这些方法需要场景的实验特征，随后是大量的计算开销，这些开销在光学系统中以低帧速率产生图像。在射频范围内，用256个宽带收发机阵列产生了30赫兹帧速率的3D图像。微波成像具有通过光学不透明介质(如墙壁)进行感测的额外能力。尽管如此，合成孔径雷达重建算法要求阵列中的每个收发器单独工作，从而为提高连续发射-接收捕获的图像帧速率留出空间。使用波束形成的结构也有类似的挑战，即使用天线阵列和调频连续波(FMCW)技术的窄聚焦波束扫描场景。

近日，来自美国国家标准与技术研究所的Fabio C. S. da Silva和来自美国科罗拉多大学博尔德分校的Grace E. Antonucci等人报告了一种微波成像系统，它使用一系列发射器和一个接收器，以连续发射-接收模式工作。捕捉需要几微秒，相应的图像覆盖几十平方米的空间范围，空间分辨率为0.1米。这些图像是重建矩阵和捕获信号之间的点积的结果，没有场景的先验知识。重建矩阵使用工程电磁场掩模在场景中的每个点创建唯一的随机时间模式，并将其与捕获的信号相关联以确定相应的体素值。他们通过实验室场景中的模拟和实验来报告系统的操作，还演示了穿墙实时成像、跟踪和观察镜面反射的二阶图像。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男） 

文章链接：Fabio C. S. da Silva et al. Continuous-capture microwave imaging. Nature Communications (2021) 12:3981

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24219-0

得益于变换光学的强大创造力，许多异常应用，如隐形斗篷，电磁(EM)场旋转器，集中器，弯曲波导被开发出来。在互补介质和折叠几何变换的概念下，变换光学在理论上被用来设计错觉光学器件。这些器件的关键是散射截面大于其几何尺寸的超散射体。超散射体有许多有趣的应用，如超吸收体和远距离斗篷。根据互补介质理论，实现这种超散射体需要非均匀各向异性负折射率超材料的壳层。虽然在理论上人们提出了不同的设计方案，但仍存在复杂的本构参数和材料损失等难点问题有待解决。该设计的改进之一是采用折射率为n = -1的均匀双负超材料(DNM)，可以简化超散射体的实现。同时，为了降低损耗，最近全介质超材料概念被提出。超散射体的一个引人注目的应用是隐形电磁通道。这样的通道可以阻止波在空气通道中的传播，其宽度远远大于相应矩形波导的截止宽度。利用电路模拟器对隐形通道进行了原理验证实验。它采用周期性电感电容网络模拟双负材料和常规材料，通过网络上的电压分布模拟通道内的波传播。虽然这个实验展示了隐形通道的原理，但据，目前还没有发现这种超散射效应，并对电磁波进行实时实验实现隐形通道的报道。

近日，南京大学电子科学与工程学院伍瑞新教授团队实现了一个大的超材料散射体，并通过场映射技术实验证明了它在微波频率下的超散射效应。证实了超散射是由表面等离子激元的激发引起的。通过与超散射体的集成实验，研究人员发现一个不可见的通道能够阻挡电磁波，其宽度远远大于相应矩形波导的截止宽度。该研究结果首次直接观测了双负超材料的超散射效应和电磁波的隐形通道。为未来其他错觉装置的设计搭建了一个理想的平台。相关研究工作发表在《Physical Review Letters》上。（丁雷）

文章链接：Kang-Ping Ye et al, Invisible Gateway by Superscattering Effect of Metamaterials,Physical Review Letters(2021).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.227403.

光学超表面(OMSs)在亚波长尺度上显示出了前所未有的多用途波前操纵能力，设计用于控制散射光场的局部相位和振幅，因此能够在亚波长尺度上操纵辐射波前。在过去的十年中，许多应用已经被证明，包括自由空间波前整形、多用途偏振转换、光涡旋产生和光学全息术，然而，到目前为止，大多数报道的OMS是静态的，具有定义良好的光学响应，由在制造过程中设置的OMS配置决定。对于更智能和自适应的系统，如光探测和测距(LIDAR)、自由空间光学跟踪/通信和动态显示/全息，开发具有外部控制可重构功能的动态OMS是非常有必要的。然而，动态OMS的实现具有一定的挑战性，因为高密度的阵列单元也是排列在纳米薄平面构型上的。目前研究的一种方法是使用动态控制单元，这些单元的光学特性可以通过外部刺激来调整，从而调整它们的光学响应并重新配置OMS功能。各种动态OMSs已被证明使用这些材料，包括液晶(LCs)，相变材料，二维(2D)材料等。例如，通过将OMS集成到LC单元中，通过以可寻址方式电旋转LC实现可重构波束转向。尽管在这些结构方面取得了某些进展，但仍有未解决的关键问题。

近日，丹麦南丹麦大学纳米光学中心Sergey I. Bozhevolnyi等人通过将薄膜压电式微机电系统(MEMS)与基于间隙表面等离子体的OMS相结合，开发了一种电驱动动态MEMS-OMS平台，通过精细驱动MEMS反射镜提供可控制的反射光相位和振幅调制。利用这个平台，研究人员演示了用于偏振无关的光束转向和二维聚焦的MEMS-OMS组件性能，结果显示，具有高调制效率(~50%)、宽带操作(在800纳米工作波长附近~20%)和快速响应(<0.4毫秒)。总的来说，研究人员相信利用所开发的MEMS-OMS平台可以实现多种具有动态可重构性能的功能，从而为成功实现高性能动态控制器件的研制开辟了广阔的空间，这些器件在未来的可重构/自适应光学系统中具有潜在的应用潜力。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（丁雷）

文章链接：Chao Meng et al, Dynamic piezoelectric MEMS-based optical metasurfaces.Science Advances(2021).

DOI: 10.1126/sciadv.abg5639.

量子空穴效应的经典类似物在物理学一直受到极大关注。光学黑洞（PBH）和声学黑洞（ABH）分别被认为是全方位吸收电磁能和声能的有效结构。Krylov和Tilman使用术语ABH来表示弯曲波在尖角中传播的行为，当弯曲波接近尖端时，弯曲波被捕获。后来，ABH的概念被扩展到梁和板的被动振动控制。虽然“振动声学黑洞”的命名更为恰当，但ABH一词已被科学界广泛接受。在流体背景中， ABH最初被命名为全向吸声器，其性能有数值模拟的支持。后来，Climente等人报道了一种实际实现的空气传播声音的ABH，它基于硬圆柱体的晶格，使用由高度堆积的声波晶体组成的超材料核心。对ABHs的研究不仅从基本的角度出发，而且由于其作为环境噪声汇在实际应用中的潜力而备受关注。快速成型机的快速发展使得可以制造先前描述的二维（2D）ABH结构，以及它们的三维（3D）对应物。ABH可以被认为是一种全方位宽带的吸收器，适用于需要消声的任意表面的覆盖结构。

近日，丹麦科技大学声学机械微系统中心的Vicente Cutanda Henríquez教授和西班牙瓦伦西亚政治大学电子工程系的José Sánchez-Dehesa教授研究团队对蜂窝形二维全向吸声器模型进行了深入研究，通过采用改进的边界元法计算了二维腔体中由于粘热损失引起的吸收光谱。为了解吸收核和梯度折射率透镜壳对总吸收的贡献，还分别分析了ABH的组成部分。二维边界元模拟预测的吸收光谱与前人报道的实验结果有很大的差异。质量因素的计算值总是小于测量值。他们将该差异归因于实验装置的伪影，其中表征室由于其不完善的制造而增加了额外的耗散损失。尽管存在与测量相关的不确定性，二维边界元模拟很好地再现了当裸核被ABH中的GRIN透镜包围时，裸核吸收能力的增加。该团队还证明了在ABH吸收芯中，粘滞损耗对总粘热损耗的贡献约为90%。并用均匀化方法研究了粘性耗散，并在这里得到了成功的验证。结果表明，用均匀化方法确定的有效参数能得到可靠的结果。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.064057

由于超材料和超表面的发展，隐身器件的设计引起了科学家和工程师的广泛关注。变换光学提供了一种在物体周围调控电磁波的方法，使物体无法被电磁波检测到，这种变换技术也在声学领域进行了研究，进行了基于各向异性声学传输线网络的声斗篷水下超声实验。对于超材料而言，采用线性变换，摆脱了对材料参数的严格要求，放置在反射面上的物体可以用声学斗篷隐藏，并通过空中和水下实验验证。由于斗篷的尺寸通常与隐藏物体的尺寸相当，因此已经有研究者提出并通过实验验证了基于超表面的声学斗篷，通过调制反射波阵面，斗篷在波长方面很薄。此外，与变换方法不同的是，还提出了散射抵消来消除隐藏物体的散射，其中可以使用各向同性材料设计斗篷外壳，并允许声能穿透物体。虽然上述两种策略，变换技术和散射消除可以提供完美的隐形效果，但仍然存在一些局限性。 

水下声隐身对于隐藏目标具有重要意义。由于超表面声学斗篷实现的完美隐身可能仅适用于静态目标，近日，来自中国海洋大学的Gaokun Yu研究小组提出了一种宽带2比特编码超表面，通过不同的散射波之间的相消干涉来减少物体的散射截面 (SCS)。通过在钢板上钻方孔，开发了一种简单易行的制造设计方案。利用晶胞的四个方孔之间的耦合引起的反共振，研究者实现了大约 95.62% 的声隐身带宽，并且 SCS 降低到-10dB 以下，这已被理论预测和实验测量证实。与之前通过变换声学提出的水声斗篷相比，相消干扰大大扩展了SCS 的带宽。此外，模拟表明，所提出的超表面也可能适用于具有非平面表面的物体。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.064064

对半导体电流的空间和时间控制构成了现代电子和信息处理的基础。在金属氧化物半导体电路中，电流控制来自于局限于固定金属特征表面的电场。最先进的光刻技术使电子在纳米尺度上实现三维路由，但每个局部漂移电流元件的方向是由导线或电极在空间上的方向预先决定的。此外，传统电力互连的损耗和电容将电流的操纵速率限制在几千兆赫的数量级。或者，电流可以通过电子跃迁中的量子干涉、光导开关、光电效应、位移电流或强场光激发过程进行光激发，使太赫兹下的光电控制达到佩太赫兹速率。一个尚未被探索的非常吸引人的技术问题是，电子元器件甚至整个电路是否可以通过光激发动态地引入半导体中，使它们独立于光刻定义的结构。这种灵活性将使外部操作或优化电路的功能，并可以缓解长期存在的技术挑战，如传统电线的充电时间。

使用可见到中红外光对半导体电子跃迁的量子干涉是一种概念上简单但非常强大的电流控制方法。当半导体被光脉冲照射时，从价带到导带的晶体动量相关的跃迁速率共同依赖于电子带结构和时变的电场激发。双色光或宽带光可以在某些晶体动量下引入两个或两个以上的平行跃迁通道，使量子干涉成为一种相干控制的形式。现代光学技术在光的空间、矢量和时间特性方面提供了巨大的灵活性。传统相干控制的一个自然扩展是对半导体应用空间结构的激光模式来控制激发电流的空间排列。最近的工作表明激发和测量了类似于光学模式的电场的电流模式，但只有一个固定模式的可用性阻止了电流布置的任何灵活性。对复杂电流模式的动态控制将需要来自许多空间模式的贡献，或对光的空间调制。

近日，来自加拿大渥太华大学的K. Jana, K. R. Herperger等人将编码到光束波前的信息转换为半导体中的电流排列。该文章表明，通过控制双色场的一个分量的相位和极化，显示技术提供了完全自由地在方向和相位延迟之间的一对一映射中确定当前方向的逐像素。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-021-00832-9

光子生物传感器是生命科学和医学诊断不可缺少的工具。例如，商业表面等离子体共振(SPR)仪器被广泛用于通过表面等离子体激元(SPP)在金膜中的倏逝波来测量受体配体相互作用的结合动力学和亲和力。这种实时、无标记的传感能力对于抗体、药物、适配体、靶标-药物相互作用以及病毒-宿主细胞受体相互作用的功能和定量表征至关重要。表面等离子体共振产生了宝贵的时间分辨动力学数据，这些数据不能通过使用目标标记的传统终点结合分析，如酶联免疫吸附分析(ELISA)或放射免疫分析来获得。最先进的表面等离子体共振仪器可以达到与ELISA相当的检测极限(LOD)，它们正越来越多地应用于患者生物素的临床分析，以检测与各种疾病相关的蛋白、微RNA、药物和小分子。SPR的折射率(RI)传感转导机制消除了标记和清洗步骤的需要，提供实时动力学信息，速度快，有利于临床应用。

为了使SPR传感器小型化并进一步提高性能，研究人员利用自上而下的光刻和自下而上的合成，通过设计传统SPR的扁金薄膜，形成纳米颗粒、纳米孔或称为各种形状的“超表面”的“纳米波离子体”传感器。这种纳米结构和超表面可以将共振扩展到更广泛的频率范围（即从可见红外到近红外或中红外），并表现出光学现象，如局部表面等离子体共振(LSPR)、辐射耦合和特殊的光传输等。虽然纳米等离子体结构增加了制造的复杂性和成本，但它们可以提高多路复用容量、小型化和灵敏度，同时也提供了相当大的设计灵活性。早期的演示旨在通过减少感知区域的足迹来提高传统SPR的性能，以为护理点(POC)应用程序提供可移植性和/或提高高吞吐量筛选的并行检测。

低维范德华尔斯(vdW)材料可以利用紧密约束的极化子波，为纳米光子生物传感提供独特的优势。与依赖于金属薄膜中表面等离子体共振的传统纳米光子器件相比，vdW材料的降维性，如二维石墨烯，可以大大提高等离子体场约束，提高灵敏度和效率。此外，vdW材料中介质屏蔽的减少使不同极振子模式的静电可调谐，包括等离子体激元、激子和声子。一维vdW材料，特别是单壁碳纳米管，具有独特的具有限制激子的形式因子，以使单分子检测和体内生物传感。近日，来自美国明尼苏达大学的Sang-Hyun Oh等人综述了基于vdW材料的基本传感原理，其次是技术挑战，如表面化学、集成和毒性等。最后，该综述强调了利用vdW材料来演示新的传统金属/介电传感器的传感功能方面的进展。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23564-4

改变形状和功能的能力是许多机械系统的基本行为，例如可展开结构、自适应运动和自主机器人系统等。快速结构重构的一种策略是采用支持多个稳定构型的多稳态机构。通过这些离散状态之间的转换，多稳态系统被用来展示对简单力学负载的复杂响应，如动态重构、机械存储和逻辑运算。特别是存储和处理简单信息的能力，提出了如何将力学超构材料应用于需要某种程度的可编程、自主响应的应用中的问题。机械系统能否感知、计算并响应其环境中的机械和非机械变化，调节可展开结构和软体机器人的行为？刺激响应材料在热、光或其他非机械信号下会变形，为对环境信号作出反应的驱动、功能和信息状态提供了机会。尤其是液晶弹性体（LCE），因其能够响应温度而改变形状的能力以及通过3D打印的可编程性而备受关注。虽然LCE和其他刺激响应材料可以单独用作执行器，但驱动时间和长度尺度通常受到扩散、制造和力学性能的限制。多稳态结构可以与刺激响应材料相结合，以加速、放大或离散化形状变化，这使得可重构、运动和二进制逻辑能够响应环境信号。然而，在设计可重构机械系统时，将活性材料引入到多稳态结构中会产生许多问题。即使没有刺激响应材料，多稳态力学超构材料也表现出复杂的非线性力学行为，如不稳定性和分叉。添加刺激响应材料，其力学性能会随着环境的变化而发生很大的变化，这进一步使这些系统中设计可控可重构性的过程复杂化。

近日，美国宾夕法尼亚大学Jordan R. Raney团队将液晶弹性体（LCE）与多稳态结构相结合，以允许在局部温度变化时自动重新配置。液晶弹性体设计成仿剪纸结构，其中方块的顶点由液晶弹性体-硅双分子层组成的小铰链连接。当温度高于室温时，这些材料会弯曲和软化。通过选择铰链的几何参数，使得稳定性中存在分岔点，温度的充分升高可以触发从单稳态或三稳态到双稳态的转变，从而消除结构在能量分布中的最小值。另外还演示了温度诱导的过渡波的传播，使局部结构变化能够自主传播并影响结构的其他部分。这些效果可以应用于界面控制、可重构结构和软体机器人。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接：

L. M. Korpas, R. Yin, H. Yasuda, et al. Temperature-Responsive Multistable Metamaterials[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021.

https://doi.org/10.1021/acsami.1c07327

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