超材料前沿研究一周精选 2020年6月1日-2020年6月7日

双光子显微镜因其在散射组织中较高的穿透深度和空间分辨率而被广泛应用于神经环路的研究。最近激光扫描技术的改进使得成像时间分辨率大大提高，但是清醒的动物肢体运动，甚至是呼吸和心跳也对成像提出了更高的要求。尽管事后图像处理可以纠正二维平面上的运动伪影，但这种方法速度慢，不能纠正轴向运动。为了补偿运动带来的图像失真，需要对感兴趣区域（ROI）的图像做到实时校正。当前，已经开发了在2D图像采集期间并行的逐帧运动校正算法；基于电动载物台和电可调透镜的在线轴向校正，但是这些方法对于实时校正来说还是太慢。

最近，来自英国伦敦大学学院（University College London）的研究人员为了应对这些挑战，开发了一个高速闭环系统，该系统基于声光透镜（AOL）的三维随机点扫描（3D-RAPS）和基于场可编程门阵列（FPGA）的并行处理去实时跟踪和校正三维组织运动。研究证明，这种实时三维运动校正（RT-3DMC）系统可以在高达1 kHz的频率下跟踪大脑运动，并以亚微米级的精度对行为动物进行成像校正。文章以Real-time 3D movement correction for two-photon imaging in behaving animals为题发表在Nature Methods上。（鲁强兵）

a两个时间点（t₁，t₂）运动造成图像信息缺失；b运动小鼠的大脑三维图；c功能成像（橙色平面）和参考对象（红色平面）的示意图；d基于FPGA进行横向（左）和轴向（右）质心分析的参考目标跟踪示意图；e成像周期的时间分布；f小鼠运动的功率谱；g、 带有1μm成像珠（绿色）和5μm参考珠（红色）的振荡级示意图；h在5 Hz横向振荡下，跟踪的4μm成像珠（蓝色）和IRD（红色）的位移；i不同横向正弦位移振幅下平均IRD与振荡频率的关系；j轴向正弦位移与i相同。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41592-020-0851-7 

DOI：10.1038/s41592-020-0851-7 

可以用作长期稳定，高性能的电子记录和刺激接口的大脑和神经系统其他部分的工程系统，具有跨宏观区域的细胞水平分辨率，也因此引起了神经科学和生物医学领域科学家的极大研究兴趣。总的来说，该工程系统是通过半导体组件的分布式集合实现的，这些半导体组件作为跨越时空尺度的电子/光学接口，材料科学的进步为微系统技术与生物体的无缝集成奠定了基础，以提供持久的、多模态的功能，应用于监测和调节心脏周期、绘制和刺激神经回路、再生感觉运动功能和许多其他方面。被批准广泛应用于人类的最成熟的设备，如深脑刺激器、耳蜗植入器、心脏起搏器等，都采用类似的工程设计。在这种系统中，电子模块被密封在坚固的外壳中，以与周围的生物隔离，通过绝缘电线连接到作为生物组织接口的金属电极上。然而，在生物相容性材料的开发和柔性植入物的设计方面仍面临挑战，最终的目标是使其性能属性接近传统晶片技术，并使操作时间达到人类寿命。

近日，美国西北大学生物集成电子中心Enming Song等人综述了这一领域的最新进展，重点介绍了在生物相容性、电子功能、生物体液长期稳定运行和体内使用可靠性等方面所必需的主动和被动成分材料、设计结构和集成方法。研究了能够在高时空分辨率下进行大区域多路电生理测绘的生物电子系统，特别关注那些在活体动物模型中已被证明具有慢性稳定性的生物电子系统，以及在人脑尺度上可扩展到数千个通道的生物电子系统。材料科学的研究将继续推动这一研究领域的进展。相关研究工作发表在《Nature Materials》上。（丁雷）

文章链接：

Enming Song et al, Materials for flexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces .Nature Materials(2020).https://doi.org/10.1038/s41563-020-0679-7.

二次谐波显微技术(SHGM)已成为一种非常有价值的无标记成像技术，并在生物医学应用领域，从活细胞成像到癌症诊断有着重要应用。由于非线性磁化率的非零值只存在于缺乏反转对称性的材料中，因此二次谐波场可以高特异性适用于花丝组织的分子。生物组织中的SHGM信号主要由特定类型的胶原纤维、肌肉纤维中的肌球蛋白和极性微管决定。选择性成像组织细胞外基质中的胶原蛋白的能力已被开发用于研究肿瘤微环境，作为表征癌症侵袭性的标志。传统的激光扫描SHGM依靠固有的光学切片能力，是由紧密聚焦的，短激光脉冲提供。这将SHG散射限制在射光脉冲的焦点的一个小体积范围内，SHGM成像依赖于基束的强度和相位的空间变化，也依赖于谐波团的空间分布和相位匹配。相干SHG散射过程的相位匹配常常使图像的定量解释变得含糊不清。传统成像需要扫描聚焦的基束，然后进行单点检测。

近日，美国伊利诺斯大学大学Gabriel Popescu等人提出了谐波光学层析成像(HOT)技术，该系统作为一种新的模态用于微观，非线性和非均匀物体成像。HOT的工作原理依赖于干涉测量复杂的谐波场，并使用逆散射模型重建三维谐波的分布。HOT通过时空宽带场的动量守恒从而具备强轴向切片能力。研究人员通过实验对硼酸钡晶体以及各种生物样品的重构来验证HOT的性能。原则上，HOT可以与线性衍射层析系统相结合，这样两种数据可以同时获得，彼此互补。作者表示虽然该结果涉及二阶非线性材料，但这种方法适用于任何相干非线性过程。相关研究发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）

 文章链接：

Chenfei Hu et al, Harmonic optical tomography of nonlinear

Structures. Nature Photonics(2020).https://doi.org/10.1038/s41566-020-0638-5. 

随着拓扑绝缘体概念的出现，大量的研究工作集中在进一步支撑这种非平庸系统的理论理解和材料实现上。在过去的两年中，考虑到晶体对称性的作用，在对拓扑带结构进行系统分类上取得了具体进展。另一个活跃的研究领域是将机器学习（ML）技术应用于物理学。有许多应用，例如在材料科学和密度泛函理论中提供蒙特卡洛采样的波函数加速的变化表示，以及检测相变。关于后者，已经确定，由于缺乏局部有序参数，拓扑相变通常比对称性破缺相变更难捕获。尽管已经取得了一些进展，但是大多数学习拓扑相的方法都依赖于监督学习（需要标记数据）和/或手动特征工程，同时考虑了关于拓扑相的先验知识。然而，J. F. Rodriguez-Nieva等人提出了一种无监督的机器学习方法来基于原始数据的拓扑特性对样本进行分类。关键思想是将样本视为图上具有节点对的节点。图的全局结构可以表示为由扩散图构造的低维嵌入；反过来，这揭示了不同的拓扑类别。

近日，来自哈佛大学的研究小组将拓扑能带领域的最新进展与机器学习的发展相结合，引入了一种无监督的机器学习方法，该方法搜索和提取哈密顿量之间的绝热变形路径，从而根据它们的拓扑特性对其进行聚类，该算法是通用的，因为它不依赖于哈密顿量的特定参数化，并且很容易应用于任何对称类。研究人员在一个和两个空间维度上使用几种不同的模型，并针对具有和不具有晶体对称性的不同对称性类别展示了该方法。 因此，还展示出了与一般指定的平庸绝缘体相比，如何区分平庸和拓扑相。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.124.226401

超构表面的出现激发了平面光子学领域的大量研究活动。在这样的系统中，可以对入射光波前施加逐渐的相移，从而得到斯涅尔定律的广义形式。超构表面通过表面约束的亚波长纳米特征控制入射光的相位，偏振和角动量的固有能力，使得这种人工结构在许多应用中引起了极大的兴趣，这些应用旨在可扩展的折射或衍射光学组件。近年来，利用时空对称（PT）控制光子的布局也已成为广泛研究的主题。这种PT对称概念最初是在量子场理论中构想的，它提供了一类构造替代非厄密哈密顿量的方法，该类能够展现完全实数的本征值谱。假设在光学中，复折射率起着量子力学势的作用，那么可以得出结论，在光子环境中，PT对称性要求满足以下条件：。换句话说，折射率的实部必须是位置的偶函数，而表示增益或损耗的虚部必须是反对称的。这种相同的对称性意味着复数介电常数满足。

近年来已经对诸如光学超构表面的平面亚波长系统进行了深入研究。这种结构通过设计各向异性的纳米天线来施加在入射光束上的突然但可控的相移。近日，来自佛罗里达大学的研究小组提出并演示了一种完全不同的方法，通过采用双原子时空（PT）对称的布拉维晶格拓扑来操纵光流，该晶格仅包含透明且有损耗的光学组件。在这方面，研究者采用了蜂窝状结构，其主要对称性通过特定的几何变换逐渐被破坏。相邻衍射元素之间复杂的近场耦合相互作用会导致在可见光中很宽的波长范围内，沿特定方向在远场中出现明显的增强或衰减。在这项工作中，研究者报告了在柔性聚酰亚胺衬底上实现全无源PT对称光学超构表面，该表面能够实现选择性定向散射。该研究在表面拓扑结构和辐射方向性之间建立了清晰的联系，可以系统地利用它来观察平面和弯曲空间的PT晶格中的非常规传输效应。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.13.064005

通常，波在均匀介质（如自由空间）中的传播与非均质介质（如复杂介电结构）的传播非常不同。当波通过非均匀介质时，由于多次散射，它们通常会发生衍射并产生复杂的干涉图样。通过“变换光学”的思路，可以设计非均匀的介电介质，引导光线沿着弯曲的轨迹行进，从而可以使物体隐形。

近日，来自克里特大学和维也纳工业大学的研究团队提出了一种方法，可将均匀空间中的二维Helmholtz方程的解映射到具有空间调制增益和损耗的非均匀介电环境中。基于该方法设计的光学结构对于外部观测者来说是单向不可见的，而且还支持光束在其内部的无散射传播。抑制物体产生背向反射和散射的关键因素是增益和损耗的适当分布，该分布会增加其介电功能。该方法为新颖的介电结构的设计提供了新的思路，它的关键不依赖特殊的材料参数，如负折射率或接近零的介电常数，而是量身定制的增益-损耗分布。相关工作于近日发表在《Optica》上。（田源）

图 高斯光束通过无序介质的散射

文章链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.390788

弹性超材料是一种人工设计的结构材料，它可以具有自然界中前所未有的波传播特性。通过弹性超材料的平台，已有研究人员研究了弹性声波的负折射、声隐身和拓扑保护的边界态等相关物理效应。另外，弹性超材料的设计往往依赖于局域共振，这些局域共振会引起亚波长带隙，可用于低频声波的衰减调控。目前，大多数的共振超材料只具有固定的带隙，缺乏可调性。可调的弹性超材料可以丰富材料性能，更具多功能性，对其研究非常重要。

近日，来自美国佐治亚理工学院和科罗拉多大学博尔德分校的研究团队研究了一类可编程的弹性共振超材料。该系统将弹性波导连接至有源器件-阻抗电路，通过数字调节电路的阻抗，其共振带隙的中心频率可以调控在一个宽频范围内。这一频率范围涵盖了多种振动模式，是固定带隙带宽的45倍。此外，带隙的阻尼衰减和带宽也可以通过外部编程，进而精准地控制超材料的动态响应。该工作促进了主动式超材料及超材料时空调制的研究，为数控可编程超材料提供了新的设计方案。该工作于近日发表在《Physical Review Applied》上。（田源）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.061001

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