超材料前沿研究一周精选 2019年11月18日-11月24日

近日，北京大学胡小永教授、北京理工大学路翠翠研究员在超小尺寸片上光源研究方面取得重要进展，基于介电常数近零材料与量子点实现了一个整体尺寸仅1.5微米的具有高度单向性的1550 nm片上光源。同时，实验中引入了纳米操纵技术，为复合纳米结构的精确制备提供了一种新的方案。相关成果以《Ultracompact and Unidirectional On-Chip Light Source Based on Epsilon-Near-Zero Materials in an Optical Communication Range》为题发表在国际期刊《Physical Review Applied》上。[Phys. Rev. Applied, 12, 054021 (2019).]

片上光源作为集成光子芯片的一个重要组成部分，一直以来是研究的重点。为了提升器件的集成度，需要在减小单个器件尺寸的同时还能保证高的性能。迄今为止，基于金属纳米线结构、超材料体系、多层膜纳米柱等结构所实现的单向发射光源，往往受到单向性差、耦合效率低、结构复杂、尺寸大、加工困难等多种不利因素的限制，难以在实际的器件集成中应用。

研究人员基于介电常数近零（ENZ）材料设计出具有超小三维尺寸（直径仅1560 nm）的单向发射光源，工作波长为光通讯波段1550 nm，实验上测得光发散角仅有±3°，同时仿真结果显示收集效率最高可达92%。研究人员在ENZ材料薄膜上设计了一个旋转抛物面形的结构，并将量子点团簇放置于抛物面焦点附近，量子点发光将被ENZ抛物面反射后形成垂直于样品表面发射的光束，由此就可以实现一个单向发射的光源。实验上通过扫描电子显微镜/聚焦离子束刻蚀系统在掺铝氧化锌（AZO）薄膜上制备了出旋转抛物面纳米结构，通过系统的气体沉积注入系统在结构底部沉积了一层SiO₂，以提供纳米结构内量子点的支撑面。研究人员经过长期不懈的摸索，成功地利用高精度的纳米机械探针将PbS量子点（发光中心波长为1550 nm）团簇移动到抛物面的焦点附近，制备出红外波段的单向光源样品。这种片上单向发射光源既具有超小的整体结构尺寸，同时还保证了高的单向发射特性，并且由于设计中未引入共振效应，不仅对制备的精度要求降低，在理论上还能支持宽带的应用，因此可以被广泛用于各种集成光子芯片。此外，实验上引入的纳米操纵技术，成功实现了量子点和纳米结构复合体系的精确制备，这一技术可被用于实现更多复杂的纳米复合结构的精密制备。

北京大学硕士研究生吴攸为论文的第一作者，北京大学胡小永教授和北京理工大学路翠翠研究员为论文的共同通讯作者，论文的合作者还包括清华大学刘永椿副教授等。该工作得到了国家重点研发计划（2018YFB2200403），国家自然科学基金（61775003，11734001，91950204，11527901，91850111，91850117，11604378，11654003，11674390，91736106），和北京市科学技术委员会（Z191100007219001）等的支持。

样品制备过程，主要包括旋转抛物面结构刻蚀、SiO₂层沉积以及量子点操纵三部分。下图为实验样品的电镜图。

远场发散角的实验与仿真结果。

文章链接：You Wu, Xiaoyong Hu,* Feifan Wang, Jinghuan Yang, Cuicui Lu,† Yong-Chun Liu, Hong Yang, and Qihuang Gong, Ultracompact and Unidirectional On-Chip Light Source Based on Epsilon-Near-Zero Materials in an Optical Communication Range, Phys. Rev. Applied, 12, 054021 (2019).

DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.054021

利用光操纵小物体已成为从物理学到生物学和医学等许多研究领域中不可缺少的工具。2018年诺贝尔物理学奖授予亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)，以表彰他在光镊方面的开创性工作。光镊彻底改变了人们仅用激光束远程捕获和操纵纳米尺度介电粒子的方式。关键的思想是，光束的场模式在目标粒子的位置产生的力具有特殊的应用，如细胞操纵、流体动力学、微机器人和基础物理测试。一个现存关键性的挑战，即如何在生物学和软物质方面的应用，源于这样一个事实，即目标常常嵌入在复杂的介质(例如组织)中，这些介质会散射入射的光束，从而破坏捕获或有效操纵目标所需的场模式。为了克服不必要的散射过程所带来的困难，研究人员开发了波前整形技术以及一些优化算法，虽然取得了一些进展，但不适用于无序环境中的目标。

近日，维也纳工业大学理论物理研究所Stefan Rotter等人演示了如何在任意形状的目标和复杂的环境(如无序的媒体)中以最优水平实现微操作。该方法是在远场设计波前并且在近场具有最佳的目标操控特性，以施加最大可能的力、压力或扭矩，并在目标内部实现最有效的聚焦。这种非迭代方法仅依赖于由系统散射矩阵建立的简单特征值问题，其依赖于特定目标微小参数的变化(不需要接近目标的近场)。为了说明这一概念，研究人员在微波环境中进行了原理验证实验，充分证实了该预测。该工作对于于打破无序介质对光学工具在其中操作的适用性问题具有重要意义。相关研究发表在《Nature Photonics》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Michael Horodynski et,al. Optimal wave fields for micromanipulation in complex scattering environments, Nature Photonics(2019).

    https://doi.org/10.1038/s41566-019-0550-z.

微血管系统输送的氧气维持了细胞新陈代谢并维持正常生物功能。在血管的局部微环境中，氧从血红蛋白中释放出来，并随着氧分压(pO₂)的梯度从血红蛋白(红细胞)自由扩散到组织中，而氧分压的梯度决定了血红蛋白的氧饱和度(sO₂)。通过光学成像血氧饱和度(sO₂)测量为了解局部组织功能和代谢提供了一种非常重要的方法。尽管有不同的测量方式，但所有无标记光学成像血氧测量技术都利用了来自血红蛋白对氧气的依赖性吸收光谱这一相同原理。传统的sO₂定量方法通常依赖于光谱测量所拟合的解析模型。而实际上这些方法由于生物变异、组织几何、光散射、系统光谱偏差和实验条件的变化而存在不确定性。

近日，波士顿大学电子与计算机工程系Ji Yi等人提出了一种新的数据驱动方法，称为深度光谱学习法(DSL)，以实现对实验过程中的变化量具有高度鲁棒性的血氧测量，更重要的是，能够为每个sO₂预测提供不确定性量化。此外，为了证明DSL的鲁棒性和通用性，研究人员分析了用两种不同的可见光光学相干断层成像(viso-OCT)装置对小鼠视网膜进行成像的数据。研究结果表明，通过DSL进行的预测对实验的变化量以及与深度相关的后向散射光谱具有很强的适应性。同时测试了两种基于神经网络的模型，并与传统的最小二乘拟合（LSF）方法进行了比较。与LSF相比，DSL预测的sO₂的均方误差显著降低。该团队首次展示了视网膜血氧测量的全图和像素级的置信度评估。DSL克服了传统方法的一些限制，为体内无创无标记光学血氧测量提供了一种更灵活、更鲁棒、更可靠的深度学习方法。相关研究发表在《Light: Science & Applications》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Rongrong Liu,et al. Deep spectral learning for label-free optical imaging oximetry with uncertainty quantification, Light: Science & Applications (2019) 8:102.

https://doi.org/10.1038/s41377-019-0216-0.

太赫兹(THz)波能够探测各种各样的分子跃迁，小极性化合物的转动能级，或具有活性分子内或分子间模式的柔性分子的低能级振动能级。在气相和低压情况下，高分辨率太赫兹光谱显示出了其选择性，由于旋转跃迁的多普勒展宽从不超过数十兆赫，以及低频无振动特征，因此允许识别具有邻近结构的分子化合物，如构象物或同分异构体。射电天文学家已经使用THz波完成了广泛的研究，包括不稳定的物种，如自由基、阳离子和阴离子。具有强烈旋转特征的太赫兹光谱不仅有助于探测地球大气，而且有助于探测其他行星含有更奇异的分子组成和星际介质。如果具有足够的仪器灵敏度和光谱分辨率，就可以对呼吸成分和环境监测等应用进行分析。尽管科学家已经开发出一些能在THz频率上观察一些物理现象的器件，但与邻近的微波和红外领域相比，该光谱区域仍然缺乏先进的技术系统组件。比如，由于制造高精细度法布里珀罗腔存在一定的困难，诸如光腔增强技术和光腔衰荡谱等技术，因此其尚未在太赫兹频率上得到应用。

近日，法国敦刻尔克敦刻尔克大学大气物理实验室GAËL MOURET等人设计了一个太赫兹共振腔，该共振腔是在基于高反射光子镜的低损耗的超大尺寸的波纹波导基础上设计出来的，在620 GHz时精细度超过了3000。这些组件使法布里珀罗THz吸收光谱仪的等效相互作用长度为1公里，并且在室温下工作温度稳定。此外，腔内的光功率使得研究人员对在低功率发射情况的兰姆倾角效应进行研究；可以很容易地获得高于5 kHz的绝对频率精度，为旋转光谱学的研究提供了一种额外的解决方案。相关研究发表在《Optica》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：FRANCIS HINDLE，et,al. Terahertz gas phase spectroscopy using a high-finesse Fabry–Pérot cavity. Optica (2019).

使用功能材料塑造声能的流动是一个研究领域，最近引起了大量工作。作为功能性声学材料的一员，声学超构表面由于其在声音控制方面的先进能力以及较小的尺寸而成为波动控制的独特选择。常规的透射型或反射型声学超构表面通过调制其有效折射率的实部进行操作，通常被视为无损系统。但是，由于深亚波长单元中存在共振或狭窄区域，自然会出现损耗，从而使折射率的虚部变为非零。固有损耗可能会损害声学超构表面的性能，而传统观点认为应将其影响降至最低。但是，非厄密(No Hermitian)物理学的出现为损耗的作用提供了崭新的前景。

之前的研究已尝试将损耗对反射型和透射型声学超构表面的影响降至最低。近日，来自同济大学的Li Yong 研究小组通过将声学超构表面视为非Hermitian系统并利用损失，可以发现无损超构表面中不存在的非常规波动行为。具体来说，我们在理论上和实验上演示了一个非Hermitian声学超构表面反射镜，在异常点处具有极不对称的反射。例如，超构表面镜被设计成当波来自一侧时具有高效的回射，而当波来自相反侧时具有近乎完美的吸收。这项工作将常规的梯度指数超构表面与No Hermitian系统中的特殊点相结合，并为识别波操纵的新机制和功能铺平了道路，相关研究以《Extremely Asymmetrical Acoustic Metasurface Mirror at the Exceptional Point》发表在杂志《Physical Review Letters》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.123.214302.

当检测到电磁信号（无论是发射的还是散射的）并将其与背景噪声区分开时，我们就会看到一个物体。为了减少物体的可见性，我们需要最小化在检测器方向上传播的波能。传统上，这是通过使用吸收性涂层材料吸收入射的电磁波，或通过对物体的几何形状或涂层材料的形态进行精心设计来重定向散射波来实现的，在典型的雷达检测过程中，在频域中分析对象的散射信号，并可以从多普勒频谱特征中检索其距离和运动信息。

在过去的几十年中，使物体对于检测器不可见的可能性已经成为人们相当感兴趣的话题。迄今为止，大多数研究都集中在通过重整空间域中的电磁散射来降低可见度，近日，来自Australian National University的IIya V.Shadrivov研究小组报道了通过在时域中控制电磁散射，还可以减小物体的可见性的超构表面，重要的是，与之前对相控屏和时变超表面的研究不同，由于色散共振，该效应较窄，因此对于微波频率范围，他们引入了集成有p-i-n二极管的宽带可切换超表面。在76％的分数带宽上，超构表面的反射相位可以改变大约π。通过在时域中准随机地调制超构表面，入射的窄带信号在反射时会散布成类似白噪声的光谱，从而产生光谱伪装。提出的这种时变超表面的宽带功能可以为各种应用提供实用的借鉴，包括雷达隐身和超宽带无线通信。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12. 054052

光声成像（PAI）是一种基于光声效应（PA）的生物医学成像技术，利用分子吸收激光并产生热能引起的瞬态热膨胀进而产生超声波。光声成像中，光分辨光声显微镜（OR-PAM）无需任何造影剂的就可以成像，优于传统的光学显微镜技术。正是OR-PAM的独特特性，它能够在生物、肿瘤学、神经学、眼科学、皮肤学和病理学等各个研究领域对动物和人体进行解剖、功能和分子成像。 

OR-PAM的最大时间分辨率在理论上受限于组织中产生的PA波的传播速度。然而，在技术上，成像速度取决于激光的脉冲重复率（PRR）和系统的扫描机制。为了实现理论上的时间分辨率，几种快速激光系统得到应用，但是开发的保持高信噪比的同轴和共焦对准的扫描机构还没有达到它们的最大潜力和最佳扫描条件。典型的基于机械扫描的OR-PAM系统的横截面B扫描速率为1 Hz/mm，横向分辨率为2.5 μm，扫描范围为3 mm，1200像素，激光重复速率为5 kHz，这对于临床应用来说太慢了。为了克服这种时间分辨率低的问题，快速音圈级、微机电系统（MEMS）扫描器、六角镜扫描器和振镜扫描方法。在不使用任何机械扫描的情况下，可浸没的MEMS扫描仪将B-扫描速率提高到一轴的时候400Hz和两轴的时候100Hz。然而，这些水浸式MEMS扫描仪在长期使用过程中易受损坏，导致采集到的PA图像严重失真。 

最近，来自韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）的研究人员提出了一种新的基于振镜的无造影剂的定位PAM系统（L-PAM-GS）。新系统保持振镜垂直放置，使振镜主体保持在水外，而镜子部分保持在水内。这种布置使扫描器能够同时控制激发光束和发射声波。在扫描范围为2.4 mm，500像素，激光重复率为500 kHz的情况下，利用增强型振镜扫描仪，可以将时间分辨率提高到500 Hz，横向分辨率提高到7.5 μm。文章以Super-resolution localization photoacoustic microscopy using intrinsic red blood cells as contrast absorbers为题，发表在Light: Science & Applications上。（短文作者：鲁强兵）

a．L-PAM-GS系统的配置。b扫描部分的近距离视图，由扫描部分的交流照片中的红色虚线框勾勒出来。BS，分束器；OL，物镜；PD，光电二极管；GS，振镜扫描仪；UT，超声换能器；MS，马达；OAC，光声合成器；M，镜子；

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-019-0220-4#Abs1

DOI：10.1038/s41377-019-0220-4

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