超材料前沿研究一周精选 2019年12月30日-2020年1月5日

光学相控阵技术提供了一种非机械的、鲁棒的波束控制方法；然而，由于嵌入的大量移相器的高功耗，其可扩展性受到了限制。为了实现广泛可控、低发散的输出光束，使自由空间通信系统和100米外范围内的物体可被激光雷达探测到，就需要一个大的发射区(或孔径)，其中包含数千个密集的移相器。这些移相器通常由耗能巨大的热光学移相器组成，它们消耗数十毫瓦的功率，导致整个阵列的总功耗达到数百瓦。总之，光学相控阵技术是超小型固态激光雷达和自由空间通信系统的波束控制技术。远程、高性能的阵列需要一个大的波束发射区域，密集地分布着数千个有源相控、耗电的发光元件。迄今为止，这种大规模的相控阵还无法实现。

近日，哥伦比亚大学电气工程系Steven A. Miller 等人设计了一种能集成到大规模相控阵中的多通光子平台，它将移相器的功耗降低了近9倍。多路结构在不以牺牲运行速度和光波带宽的情况下将热光移相器的功耗降低到1.7 mW /π。通过改进模态转换结构的设计，可以进一步降低其插入损耗，从而提高相移效率。其他相位调整机制可以嵌入到该多通道平台，以降低功耗和驱动电压。利用该平台，研究人员演示了一个包含512个主动控制元件的硅光子相控阵，该相控阵只消耗1.9 W的功率，同时在70^o×6^o的视场范围内进行二维光束控制。该研究结果证明了构建可伸缩的包含数千个有源元件的相控阵的方法的可行性。这些低功耗移相器构成了可扩展的大型相控阵的核心，可用于广角、远程激光雷达和自由空间通信系统。相关研究工作近期发表在《Optica》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Steven A. Miller et al , Large-scale optical phased array using a low-power multi-pass silicon photonic platform,Optica(2019).

doi.org/10.1364/OPTICA.7.000003.

气体和固体中束缚电子和自由电子的非线性光学响应是超快光学研究的一个重点。其中在各种频带中生成多倍频程，高能量超连续谱（SC）是在非线性光学前沿应用中最突出的亮点之一，这有助于扩大短脉冲激光技术的潜力，使其超出激光增益不可避免的带宽限制媒介，为发展皮赫兹光电技术铺平道路，为频梳技术，循环光波工程，以及超快光谱计时的新方法提供了急需的带宽。在由超短，中红外（mid-IR）脉冲驱动的快速电离介质中，结合了束缚电子和自由电子的光学非线性，产生了各种各样的超快非线性光学现象，产生了明亮的，光谱范围与紫外线（UV）和太赫兹（THz）不同的宽带辐射。鉴于其巨大的带宽，对这种非线性响应的定量实验分析绝非易事。

近日，莫斯科国立大学国际激光中心物理系A. M. Zheltikov等人通过跨光谱范围(从紫外到毫米波)的超宽带光谱测量，以及从THz到MMW波段的波束剖面分析和直接时域场波形表征来应对这一挑战。最引人注目的结果之一是由双色场驱动的快速电离气体的非线性响应，该场包含一个高峰值功率低于100飞秒的脉冲和对应的二次谐波，显示出能提供一个明亮的多波段超连续(SC)辐射源，其光谱范围跨度超过14个八度,从低于300 nm一直延伸到4.3 mm以上。直接测量结果表明，该SC的MMW到THz部分以半周场波形的形式发射，可以聚焦产生约5 MV/cm的场强。毫米波超连续谱中至少有1.5%的能量在毫米波范围内发射，从而使束腰区域的毫米波场强达到100 kV/cm。相关研究工作近期发表在《Optica》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：A. V. Mitrofanov et al, Ultraviolet-to-millimeter-band supercontinua driven by ultrashort mid-infrared laser pulses,Optica(2019).

doi.org/10.1364/OPTICA.7.000015.

近年来，研究人员通过粉末x射线衍射(XRD)分析发现了许多新型无机功能材料。这些材料包括用于固态照明的荧光粉和用于可充电电池的阴极。基于粉末XRD技术的材料发现过程中最常见的情况之一是对未知多相化合物的识别和定量。然而，即使是训练有素的专家，利用成熟的计算工具，也很难完成一个复杂的多相混合物样品的组成相位识别和随后的相位分数估计。

近日，韩国首尔世宗大学纳米技术与先进材料工程学院Kee-Sun Sohn等人提出了一种基于深度学习技术的快速、便捷方法来解决复杂多相无机化合物中繁杂的相鉴别和定量问题。模拟了Sr-Li-Al-O四种元素组成的170种无机化合物的粉末x射线粉末衍射(XRD)图谱，这其中就包括最近发现的一些有广阔应用前景的发光二极管荧光粉。最后，将170个无机化合物的模拟粉末XRD图谱混合，制备出1,785,405个合成XRD图谱。卷积神经网络(CNN)模型的建立以及对这个大的XRD数据集进行训练。经过充分训练的CNN模型能够快速准确地识别复杂多相无机化合物的组成相。虽然CNN使用模拟的XRD数据进行训练，但是使用真实的实验XRD数据进行测试，相位识别的准确率接近100%。作者表示，目前的数据驱动方法是一个前所未有的尝试，虽然这些结果似乎是在有限的合成空间内取得的小成功，但是验证了深度学习算法在XRD图谱分析中的巨大潜力。此外，现有的方法在某一特定的组成体系中已经很好地建立起来，可以推广到任何其他的组成体系。作者声称他们有信心在几周内建立一个可靠的基于深度的XRD分析仪，可以在任何特定的组成体系中工作。相关研究近日发表在《Nature Communications》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Jin-Woong Lee et al, A deep-learning technique for phase identification in multiphase inorganic compounds using synthetic XRD powder patterns, Nature Communications, (2020) 11:86

doi.org/10.1038/s41467-019-13749-3.

最近对奇异的物质拓扑相的研究进展不仅彻底改变了我们对波的理解，而且提供了以前所未有的方式操纵声波、振动和光的解决方案。许多不同的二维拓扑相的实验已经成功证实，分为量子霍尔（QH），量子自旋霍尔（QSH）和量子谷霍尔（QVH）拓扑绝缘体。此外，类马约拉纳声子的实验实最近已经被证明。对于声波，循环流体被利用来模拟一个合成规范磁场，负责打破时间反转对称性（TS），并在声学Chern晶格中诱导QH效应。此外，能谷自由度被认为是实现拓扑保护的声传输的另一种方法，通过逆向对称（IS）在C_3v声子晶体中破缺提出。QH和QVH绝缘相的拓扑过渡主要源于由某些特定的对称破缺机制引起的Dirac点的退简并提升。在此基础上，在引入TS和IS破缺机制时，可以将Chern和能谷物理归纳到一个统一的模型中。

物质，声，光和振动的拓扑相能够从一条全新的路线以高还原度定向和控制信号。 陈（Chern）绝缘体在抵抗晶体缺陷和缺陷方面的耐用性胜过其他互易系统。近日，来自的马德里卡洛斯三世大学的John Christensen研究小组提出了Chern绝缘体和基于能谷-霍尔（Valley-Hall）的配置的组合，并探索了新颖的能谷-陈（Valley-Chern）相，该相既可以实现不可逆的频带反转过程，又可以扩展谷极化的单向界面态的带宽。有趣的是，由两个相邻的绝缘子组成的Valley-Chern系统，其中一个仅破坏了时间反转对称性，从而使完全鲁棒的波导在数量上等效于经典的Chern绝缘体。除了所介绍的丰富的物理之外，这项发现可能会激发声波导和控制方面的新研究。相关研究发表在杂志《Physical Review B》的快讯上。（短文作者：刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.020301

作为最重要的半导体之一，硅已被用于制造电子设备，波导，检测器，太阳能电池等。然而，由于其间接带隙，实现高效的基于硅的发射器仍然是一个巨大的挑战。尽管已经证明了来自硅的小于10 nm的量子点，但它们很难集成到基于硅的波导中。因此，非常需要特征尺寸为大约200nm的有效的基于硅的光子发射器，其可以使用硅芯片的当前制造技术来制造，并且可以与其他器件集成到光子电路中。

在硅纳米粒子的米氏（Mie）共振处实现的强局部电场能够产生大的载流子密度，这提供了通过光学注入致密的电子空穴等离激元来操纵硅纳米粒子的线性和非线性光学性质的机会。近日，来自华南师范大学的Sheng Lan研究小组表明，在硅纳米粒子中产生的致密电子空穴等离激元显着地改变了硅的复介电常数，这反过来导致了磁偶极子共振中的波长偏移和振幅变化。证明通过利用硅纳米粒子发出的热电子发光可以揭示出磁偶极子共振的最大波长偏移，硅纳米粒子充当具有宽带宽和短寿命的内置光源。通过注入致密的电子空穴等离激元，可以将硅纳米粒子的热电子发光的量子效率提高5倍以上。更有趣的是，在高载流子密度下发现了辐射复合过程的加速。这项发现有助于理解由致密的电子空穴等离激元在硅纳米粒子中引起的Mie共振的改变，并且对于设计基于硅的光子器件非常有用。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.014003

了解单个结构单元的散射特性对于声学超构材料的研究十分重要。散射的强度可以用散射截面(SCS)所描述，可以严格证明，对于亚波长的散射体，二维情况下SCS的最大值为2λ/π，三维情况下为3λ²/2π，称为单通道极限(single-channel limit)。如果一次能够同时激发多个共振模式或通道，则能够突破单通道极限，从而实现更强的散射效应。

中国地质大学与武汉大学的研究人员提出了一种深亚波长的迷宫状柱结构，用于实现声波的超散射。迷宫状的柱结构可以支撑围绕柱表面传播的局域声表面波模式，这些具有不同角动量的声表面波模式在频率上接近简并，可以同时对散射过程做出贡献，因此可以实现较大的散射截面。 此外，由于内部通道为迷宫结构，具有高的有效折射率，因此可以实现很低的共振频率，从而在深亚波长范围内实现了超散射效果。该研究提供了一种增强声与物质相互作用的有效方式，能够应用在声学天线、吸声以及声传感等领域。相关研究发表在《Physical Review Applied》杂志。（短文作者：葛浩）

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.064063

光学神经网络计算为实现人工神经计算提供了一种新的途径。与数字神经网络计算相比，它具有一些潜在的优势，例如超快的速度和超低的能耗等。基于集成硅基光子学、衍射光学和纳米光子随机结构等的光学神经网络计算架构已经得到证实。

近日，来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队报道了一种基于超表面来实现人工神经计算的新型平台。研究人员构建超表面光学结构用以实现相位控制，而光学超表面结构则是由平面上纳米级散射体阵列的共振散射来实现的。这种光学结构与当今的纳米加工工艺兼容，并且允许低成本批量生产。诸如手写数字之类的对象被平面波照亮。然后，由多层纳米结构超表面构成的多层神经网络负责处理散射光。通过精确设计超表面的几何参数，研究人员可以成功控制散射光的振幅和相位，这使得穿过超表面的光波信号被成功调制。在多层超表面的联合作用下，输出光成为聚焦光束，其聚焦位置在空间上与手写数字的值相对应。每一层超表面的结构参数和厚度可以作为训练的参数，可通过类似于随机伴随优化的训练过程来学习。研究人员使用这些纳米级散射体执行神经计算，从而利用平面光学平台成功实现了高密度集成化的神经网络计算。（短文作者：朱学艺）

文章链接: Zhicheng Wu, Ming Zhou, Erfan Khoram, Boyuan Liu, and Zongfu Yu, "Neuromorphic metasurface," Photon. Res. 8, 46-50 (2020)

https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-8-1-46&id=424643

光遗传学可以对复杂的神经回路和大脑功能进行时间上的精确控制，给神经科学研究带来革命性的影响。然而，光遗传学需要在活体动物脑内置入光源，通常涉及头皮和颅骨的部分去除。有报道称，由于有创性开颅和植入手术导致界面慢性胶质增生和神经组织永久性损伤，内源性神经和胶质活动受到干扰。 不仅仅是光源的侵入性传输，由于脑组织对光子的散射和吸收，光子在脑中组织穿透深度受到极大限制。为了应对这一挑战，具有红移激活光谱和双光子激活的视蛋白已经在活体动物的完整大脑中实现了光遗传神经调节。另一个策略是在颅内注射上转换纳米颗粒，吸收高穿透深度的近红外（NIR）光并发出可见光，通过从放置在颅骨外的光纤传送NIR辐射到小鼠大脑进行深部脑光电刺激。尽管取得了这些进展，这些方法要么需要部分切除头皮和颅骨，以提供更深的穿透力，要么需要在颅内将发光剂输送到深部脑组织中。在不进行任何手术的情况下实现活体内的光遗传学刺激仍然是一个挑战。 

为了应对这一挑战，最近来自斯坦福大学（Stanford University）的研究人员提出了新的解决方法。他们将具有400纳米光激发特性的ZnS纳米颗粒与Ag⁺和Co²⁺掺杂离子掺杂，以储存光激发能量，直至被FUS触发，从而实现声诱导发光。当光通过完整的头皮和头盖骨被聚焦超声（FUS）触发时，它可以作为大脑的局部光源。机械致敏纳米粒可以通过静脉注射进入血液循环，在循环过程中由浅表血管中的400纳米光激发光“充电”，并由FUS开启，在完整的大脑中重复发射470纳米光进行光化学刺激。与传统的光纤植入的“外-内”光遗传学方法不同，我们的方法提供了一种“由内而外”的方法，通过内在循环系统传送纳米级的光发射器，并在任何时间和在大脑中感兴趣的位置打开和关闭它们，而无需通过微创超声接口进行外渗。（短文作者：鲁强兵）

（A）示意图显示了超声触发血液循环中的ZnS:Ag，Co@ZnS纳米颗粒的光发射进行的声-光-神经调制。（B） 超声触发ZnS:Ag，Co@ZnS纳米颗粒发光的机理。在这张图中，电子陷阱是由Co²⁺掺杂离子在ZnS的主体材料中产生的，导致光激发电子在吸收400 nm激发光后被捕获。FUS使被捕获的电子将能量转移到Ag⁺掺杂离子产生的发光中心，从而产生470 nm的光发射。（C） 显示ZnS:Ag，Co@ZnS纳米颗粒血液循环的示意图，将浅表血管的400纳米光激发能量传输到深部脑区的470纳米发射中，以进行光化学刺激。（D） ZnS:Ag，Co@ZnS纳米粒子的典型TEM图像和高分辨率TEM图像（插图）。（E） DLS测量揭示了ZnS:Ag、Co@ZnS纳米颗粒在PBS（蓝色）和DMEM中的水动力直径分布。

文章标题：Sono-optogenetics facilitated by a circulation-delivered rechargeable light source for minimally invasive optogenetics

文章链接：

https://www.pnas.org/content/116/52/26332

DOI：10.1073/pnas.1914387116

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