今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及主动力学超构材料增材制造的最新进展、主动力学超构材料增材制造的最新进展、z分光棱镜助力3D多焦点显微镜等敬请期待！
索引：
1.用于模拟计算的超构材料（综述）
2.光子晶体拓扑转变的机器预测
3.消色差超振荡超表面通过优化的多波长函数用于亚衍射聚焦
4.一种全光子焦平面的波前传感器
5.z分光棱镜助力3D多焦点显微镜
6.使用光刻合成以及高级信息重建和纠错的低成本DNA数据存储
7.稀疏分解光场显微镜用于神经元活动的高速成像
8.主动力学超构材料增材制造的最新进展
用于模拟计算的超构材料（综述）
尽管数字信号处理器广泛用于高级计算任务，但由于昂贵的模数转换器，使得数字信号处理器的应用仍面临着一些限制，且运行低速、高功耗和复杂性。由于这些原因，最近人们对基于波的模拟计算产生了浓厚的兴趣，这种计算可以避免模数转换，并可以大规模并行操作。特别是基于人工设计的光子结构（即超构材料），是提出的基于波的模拟计算的新方案。这类计算系统称为计算超构材料，其速度可以与光速一样快、波长一样小，却可以对入射波包进行复杂的数学运算，甚至可以提供积分微分方程的解。这些备受关注的特性有望使新一代超高速、紧凑和高效的基于光波传播的处理和计算硬件成为可能。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院波工程实验室Romain Fleury教授发表综述文章，讨论了计算超构材料领域的最新进展，从描述基于波的模拟计算的不同方法开始，包括傅里叶光学法、格林函数超构材料法和超表面法。概述了波在各个物理领域（如光学和声学）的性质，提出了最新计算超构材料的设计和不寻常特性。考察了用于模拟计算的最先进的超结构，进一步描述了这些计算系统中的最新应用，包括图像处理、边缘检测、方程求解和机器学习。最后，对未来可能的研究方向和关键问题进行了展望。相关研究发表在《Nature Reviews Materials》上。（徐锐）
文章链接：
Zangeneh-Nejad, F., Sounas, D.L., Alù, A. et al. Analogue computing with metamaterials. Nat Rev Mater (2020).
https://doi.org/10.1038/s41578-020-00243-2
光子晶体拓扑转变的机器预测
得益于统计物理学的发展以及大数据和计算机科学的最新发展，基于神经网络（NN）的机器学习（ML）具有深远的影响，并在物理学的各个领域都有着广泛的应用。 值得注意的是，NN不仅可用于在不了解基本定律的情况下探索已知数据，而且在呈现物理定律或跨物理广泛分支（包括光学和凝聚态物理）的逆向设计宏观问题方面也具有相关作用。对于许多应用，特别是发现替代材料和反逆向设计，非常需要外推的能力。在监督学习中实现外推的基本挑战是模型复杂度和训练数据集大小之间的偏差-方差折衷。偏差代表给定模型的固有误差，可以通过增加模型的复杂性来减小，而方差是由采样噪声引起的误差，可以通过使用更简单的模型和大量训练数据来缓解。因此，对于给定的训练数据数量有限的问题，NN的预测能力由平衡偏差和方差的模型复杂性决定。
近日，来自华中科技大学的研究小组引入了操作参数空间和物理适应性神经网络的概念，以丰富输入训练数据的复杂性，从而显著提高了神经网络的预测能力，尤其是外推能力。在一维（1D）光子晶体（PC）中证明，在监督学习的方案内，在操作参数空间中训练的，适应物理学的NN能够以99.72％的准确率预测光子带的拓扑不变量。对于位于训练数据集物理参数空间之外的几何构型，该方法可以预测一维PC的拓扑相变，相对预测误差低于0.5％。此外，更复杂的物理神经网络可以检测物理参数空间中拓扑转换的边界，其中有目的地排除了该边界附近的一部分训练数据。所有这些表明，借助操作参数空间和物理适应性NN，具有不同物理参数但遵循相同物理方程的训练数据集和测试数据集之间的连接通过嵌入在操作参数中的基本物理定律得以恢复。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。(刘乐)
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.044032
消色差超振荡超表面通过优化的多波长函数用于亚衍射聚焦
传统的光学系统，如显微镜和望远镜，分辨率有限，这在根本上是由光的衍射引起的。衍射极限描述为0.5λ/NA的关系，其中λ和NA分别为系统的工作波长和数值孔径。提高光学系统分辨能力的常用方法是增加光学系统的NA值和缩短光学系统的波长。但是，NA在空气中的最大值是1;因此，有限分辨率约为0.5λ。
光学超振荡现象，发生在带限函数能够比其最高傅里叶分量振动快得多的区域，已经引起了大量的关注，并被证明在NA极限下的光学系统中提供非侵袭性的远场超分辨率图像。该方法可以有效地避免复杂的近场操作和特异性染料标记。超振荡焦点主要是由衍射光学元件、超表面等人工结构产生的经过特殊优化的相位和振幅分布的光的精细干涉产生的。然而，大多数报道的超振荡元件对入射波长的变化很敏感。2015年，提出了一种基于Pancharatnam Berry (PB)超表面的宽带超振荡结构，并在实验中得到了验证。所使用的纳米孔径可以提供整个可见波长的无色散相位剖面，并在不同波长下产生几乎相同光斑大小的亚衍射焦点。但在空气中传播时，由于不同的波长，焦平面会随着波长的变化而发生位移。为了校正轴向偏移，超振荡超表面滤光片和商用消色差透镜的组合被用于宽带超分辨率成像，但集成和小型化这样一个庞大的装置是非常困难的。利用固有物质色散来确定和计算不同波长的光响应。换句话说，一旦所用的材料被确定，就没有在不同波长分别调制相函数的自由度。
近日，来自湖南大学的Long Chen等人提出了一种同时优化多个波长相关相位函数的多波长消色差超振荡金属材料。超表面由几何尺寸不同的高纵横比亚波长二氧化钛(TiO2)纳米粒子组成，可以在不同波长下提供不同的、独特的色散。通过电磁仿真进一步证明了消色差超振荡金属的存在，并在设计波长下在同一轴向平面上精确地形成亚衍射焦点。为了进一步证明提出的方案的可行性，他们还设计了一个带宽为100nm的宽带消色差超振荡金属材料，并以同样的策略进行了演示。本文提出的多波长可控方法有望为彩色全息术、显微术和摄影术的应用开辟一条道路。相关工作发表在《Optics Letters》上。（郑江坡）
文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.404764
一种全光子焦平面的波前传感器
由于星空穿过时地球大气层造成的模糊，自适应光学（AO）已成为现代天文学发展的中心，包括太阳系外行星成像、新形成的行星系统、垂死的恒星和活跃的银河中心。并且也在自由空间光通信、遥感、体内成像和活细胞操纵等领域有着关键优势。但是，当前的AO系统受到其波前传感器的限制，这些波前传感器必须处于与科学图像不同的光学平面中，并且对某些波前误差模式不敏感。
近日，来自悉尼大学物理学院和天文研究所的Barnaby R. M. Norris等人提出了一种有焦平面WFS（FP-WFS），它可以直接测量图像的相位和强度，而无需任何线性近似或主动调制。他们还展示了一种基于光子灯笼光纤模式转换器和深度学习的波前传感器，可以将其放置在与科学图像相同的焦平面上，并且是单模光纤注入的最佳选择。通过测量单模输出阵列的强度，可以重构入射波前的相位和幅度信息。他们通过仿真和实验的实现来演示了该概念，且实现了从焦平面测量中恢复Zernike波前误差到5.1×10-3π弧度均方根误差的精度。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Barnaby R. M. Norris et al. An all-photonic focal-plane wavefront sensor. Nature Communications (2020) 11:5335
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19117-w
z分光棱镜助力3D多焦点显微镜
基于标准相机的光学显微镜仅提供单个二维平面的清晰聚焦成像，失焦样品结构变得越来越模糊，焦点清晰度也越来越高。对于厚样本，这种离焦模糊会产生背景，削弱聚焦结构的对比度和信噪比（SNR）。为了使显微镜能够在扩展的深度范围内产生清晰的图像，已经开发了几种策略。为了获得扩展体积上的瞬时（单帧）成像，可以考虑不同的策略。准三维或扩展景深（EDOF）成像可通过超快聚焦扫描或点扩展函数（PSF）工程通过单个二维投影获得成像，完整的三维信息可以通过结合计算技术和深度相关的PSF来实现，尽管轴向分辨率有所损失。然而，这通常需要样本稀疏性或其他先验信息。对于厚或密集标记的样品，由于PSF的展宽和来自不同焦平面的多幅图像的空间叠加，这种二维投影技术会因图像对比度的损失而受到损害。在这些情况下，进行物理或数值的离焦背景抑制是有益的。
最近，来自美国波士顿大学（Boston University）的研究人员提出了一种多焦点成像策略，它基于一个简单的z-分光棱镜，它可以由现成的组件组装而成。z-分光器将探测光路分成一系列指向一台摄像机的多条路径，这样每个探测路径都共轭不同的焦平面。以这种方式，在单个照相机帧中同时成像样品中沿轴向分布的焦平面序列。利用图像采集的体积特性，研究人员进一步引入了一种新的扩展体积三维反褶积策略，以抑制远离焦的荧光背景，从而显著提高记录图像的对比度，使得系统具有准光学切片的能力。该技术基于标准的宽场显微镜，可以很容易地应用于除荧光之外的各种成像模式，例如相位对比度和暗场成像。由于它的简单，多功能性和性能，相信该系统将在生物医学成像中广泛应用。文章以“High-contrast multifocus microscopy with a single camera and z-splitter prism”发表在Optica上。（鲁强兵）
文章链接：
https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-7-11-1477&id=441827
使用光刻合成以及高级信息重建和纠错的低成本DNA数据存储
由于其寿命长和巨大的信息密度，将DNA用于档案存储的的介质是非常具有吸引力的。 DNA数据存储系统当前的障碍（包括成本和速度）都是综合性的。为了打破这项工作中所遇到的瓶颈，其关键思想是从几乎在当今系统中仅采用的低错误和昂贵的合成技术，转向更便宜、可能更快、但具有高错误率的合成技术。
近日，来自苏黎世联邦理工学院化学与应用生物科学系的Philipp L. Antkowiak等人展示了一种依赖于大规模平行光导合成的DNA存储系统，该系统比常规固相合成便宜得多。但是，当针对速度进行优化时，该技术具有较高的序列错误率。他们证明，即使在这种高错误率的情况下，通过开发用于编码和重建信息的算法管道，也可以可靠地存储信息。在他们的实验中，他们存储了一个包含莫扎特乐谱的文件，并显示了从低合成保真度DNA进行完美数据恢复的过程。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Philipp L. Antkowiak et al. Low cost DNA data storage using photolithographic synthesis and advanced information reconstruction and error correction. Nature Communications (2020) 11:5345
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19148-3
稀疏分解光场显微镜用于神经元活动的高速成像
利用荧光指示剂对神经元活动进行光学成像已成为记录神经元群体活动来研究神经回路动力学的流行方法，这是因为该方法具有低侵袭性、高空间分辨率和潜在的可扩展性。然而，在体内高速成像仍然是一项具有挑战性的任务，部分原因是大多数光学成像系统一次只能成像一个平面，而大脑是三维的。换句话说,大多数荧光显微镜方法开发容积成像是基于时间多路复用(如序列逐层成像)，因此固有的低时间分辨率通常比二维成像慢。神经元活动可以以50~100 Hz或更高的速率发生，以及解析不同神经元事件的时间顺序—这对理解信息在大脑回路中是如何被处理的很重要，这需要更高的时间分辨率。此外，最近开发的基因编码电压指示器开启了直接测量大脑容量动作电位的可能性，这就需要进一步的光学技术发展。
近日，麻省理工学院Young-Gyu Yoon等人提出了一种基于光场显微镜的计算成像技术—稀疏分解光场显微镜(SDLFM)，它利用光场显微镜的高时间分辨率和峰值固有的时间稀疏性的算法优势来提高有效的空间分辨率和信噪比。随着有效空间分辨率和信噪比的提高，单细胞水平上的神经元活性可以在大容量上恢复。实验中，研究人员通过对斑马鱼幼鱼整个大脑的神经活动进行体内成像，在体积成像率高达50 Hz的情况下，横向和轴向分辨率分别约为3.5 μm和7.4 μm，证明了SDLFM的单细胞成像能力。此外，研究人员还发现，SDLFM提高了成年果蝇的神经成像质量。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：Young-Gyu Yoon et al, Sparse decomposition light-field microscopy for high speed imaging of neuronal activity.Optica(2020).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.392805.
主动力学超构材料增材制造的最新进展
近些年来，随着基于仿真和机器学习辅助设计的发展，超构材料的结构变得越来越复杂。几何复杂度的增加，对制造而言是个严峻的挑战，传统的减材制造已不再适合，特别是在微/纳尺度上。因此，研究人员已经利用增材制造或3D打印来实现其他方法无法制备的几何形状，先进的增材制造工艺可以制造超出以前能力范围之外的亚微米特征。此外，一些增材制造技术能够制备混合材料组件（或多材料增材制造），与传统的制造方法相比，这提供了更广阔的设计空间。在增材制造方面的最新发展也允许制造刺激响应材料，制造出可以改变其几何形状、性质或功能的结构。这通常被称为4D打印，第四维为时间。4D打印还用于制造主动力学超构材料（或刺激响应型力学超构材料），其结构以及性能可以根据不断变化的环境条件进行自动调整。主动力学超构材料已经制造出来，能够响应各种刺激，如温度、磁场、电流和化学物质（水和pH值）。此外，将智能或刺激响应材料用于主动力学超构材料的增材制造，提供了对力学、声学或其他功能特性进行编程的新功能。主动力学超构材料研究是一个令人兴奋的领域，它具有创造更强大、更智能、更通用的材料的潜力，这些材料将成为下一代工程结构的基础。
近日，佐治亚理工学院Qi, H. Jerry教授发表关于主动力学超构材料增材制造综述文章，概述了主动力学超构材料在增材制造方面的最新进展。首先讨论了目前在力学超构材料研究中使用的主要增材制造技术，包括熔丝制造、直接墨水书写、喷墨印刷、还原光聚合和粉末床熔合。对于每一种技术，回顾在力学超构材料领域内的应用，重点是主动力学超构材料。还介绍其他几个新兴的增材制造方法，这些方法可以进一步扩展力学超构材料的设计/制造空间。还介绍了增材制造支持的一些前所未有的结构和设计，利用不同刺激（如溶剂、热和磁场）的主动力学超构材料设计。另外，还包括主动材料系统在创建变形力学超构材料方面的一些功能应用。最后，提供了该领域未来研究的前景和挑战。相关研究发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。（徐锐）
文章链接：
Montgomery, S.M., et al., Recent advances in additive manufacturing of active mechanical metamaterials. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2020. 24(5)
https://doi.org/10.1016/j.cossms.2020.100869
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿作者文责自负，两江仅致力于搭建优异的分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
