超材料前沿研究一周精选 2020年4月27日-2020年5月3日

热探测器由于其光谱范围广，是红外和太赫兹探测技术的基石。而热红外/太赫兹探测器仍然是唯一覆盖从可见到远红外(THz)光谱范围的技术，在从光谱化学分析到安全和天文学领域有着重要的应用。因此，他们分别利用吸收的光热功率转换成电阻或电势的变化，如测辐射热计、热电动势计和热电偶这些探测器需要有效的吸收器，具有广泛的光谱响应和最小的热质量。一种常见的方法是基于阻抗——将薄金属膜片的阻抗匹配到自由空间阻抗的一半。因此，人们可以获得高达50%的非波长依赖型吸收率。然而，现有的吸收体薄膜通常需要几十纳米的厚度，这可能会严重影响热传感器的响应。

近日，奥地利传感和致动器系统研究所Niklas Luhmann等人设计了一种在氧化铜表面活性剂层上的超薄金片(2纳米)，该金片作为一种有效的红外吸收器。实验结果表明该探测器长期稳定的吸收效率高达47%，并且几乎非波长依赖性的范围为2μm~ 20μm。总的来说，考虑到可以忽略不计的小热质量和恒定的广谱吸收能力，因此这种合成的吸收器非常适合用于热红外和THz探测器的应用相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

文章链接：

Niklas Luhmann, et al. Ultrathin 2 nm gold as impedance-matched

absorber for infrared light. Nature Communications(2020).

doi.org/10.1038/s41467-020-15762-3.

利用体成像技术来观察完整小鼠脑组织中的神经元已成为一种广泛应用的技术。光片照明显微镜在一定程度上提高了活样本的空间和时间分辨率。同时组织清除方面技术的进步降低了在细胞分辨率程度上对完整器官和整个组织的障碍。相应地，人们越来越需要计算工具来分析在三维空间中生成的大型数据集。虽然科学家在对神经元的量化和成像方面已取得一些进展，然而, 在对整个大脑进行分割和量化轴突投射的软件设计方面研究较少。

近日，斯坦福大学生物系Drew Friedmann等人提出一种新的技术--TrailMap，这是一个三维(3D)卷积网络，通过光镜成像，用于从完整的小鼠大脑中提取轴突投影。TrailMap能够对大型复杂的3D结构轴突区域量化和投影。实验中，类似一个体素一样薄的轴突结构的识别得益于数据扩充，但也需要一个能容忍一定误差的损失函数。此外，一个在大脑所有主要区域训练了大量含血清素的轴突神经网络可以被推广到描绘和量化来自丘脑皮层、小脑深部和皮质投射神经元的轴突，验证了迁移学习算法作为一种工具，能够使模型适应轴突形态的新类别。在不需要专门的计算硬件的情况下，训练的速度、易用性和准确性都优于现有的计算工具。此外，鉴于最近在神经回路分析中强调了在基因和功能上对细胞类型的定义，TrailMap将有助于在整个小鼠大脑范围内从这些特定的细胞类型中自动提取和量化轴突，这是解密其连接性的一个重要组成部分。相关研究工作发表在《PNAS》上。（丁雷）

文章链接：

Drew Friedmann,et al, Mapping mesoscale axonal projections in the mouse brain using a 3D convolutional network. PNAS(2020).doi:10.1073.

从常规的单光子荧光显微镜发展到非线性双光子显微镜(TPM)，这过程带来了一系列重要的应用，例如，在大脑研究中，TPM具有更深的组织穿透能力和固有的三维切片能力的优势，从而能够实时记录活体神经元的活动情况。此外，荧光寿命成像(FLIM)技术可以探测分子的内部生化相互作用和外部环境，例如量化活细胞的细胞能量代谢。TPM强度的二次依赖性有利于激光扫描，因此通常用检流镜进行光栅扫描。然而，这些机械振镜的扫描速率通常小于20 kHz。这限制了成像帧率。我们知道，要想高保真快速记录神经元的活动情况，就必须要有更快的扫描帧率。因此，出现了快速声光扫描、多角度扫描、多焦点激励并行扫描、稀疏采样等新技术。

近日，美国加州大学洛杉矶分校电子工程与计算科学系Sebastian Karpf等人提出了一个高速非线性显微镜，通过使用脉冲调制、快速波长扫激光器和通过角色散方法的无惯性光束控制实现了千赫兹的帧率。与高带宽、单光子敏感探测器相结合，这使记录荧光寿命的速度达到每秒8800万像素。实验过程中，研究人员展示了高分辨率，多模态双光子荧光和荧光寿命(FLIM)显微镜以及成像流式细胞术与数字可重构激光，成像系统和数据采集系统。该技术为活体成像中的高速图像捕捉提供了一种新的方法。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

文章链接：

Sebastian Karpf, et al. Spectro-temporal encoded multiphoton microscopy and fluorescence lifetime imaging at kilohertz frame-rates. Nature Communications, (2020) 11:2062.

doi.org/10.1038/s41467-020-15618-w.

随着衍射光学元件的不断发展，传统的较笨重、具有较大体积的光学元件逐渐被薄而轻的新型光学元件代替。纳米光子学超表面是由密集的金属或半导体纳米结构阵列构成的平面光学结构，这种结构有助于利用等离子体共振或Mie共振等机理来有效地控制局部光散射的相位和振幅。这两种类型的共振有助于实现具有多功能、极高数值孔径、较小像差、非线性光学和光场控制的小尺寸光学。尽管超表面研究取得了令人印象深刻的进展，但超表面函数在很大程度上仍然是静态的。对于新兴的应用如光探测和测距（LIDAR）、动态全息、计算成像和传感等领域，寻找电调谐超表面和动态控制的实现方法是一个亟待解决的难题。一种可行的方案是利用激子共振的方式实现电调谐。具有激子共振的材料能够与等离子体谐振腔和Mie谐振腔相结合，利用强耦合来实现调谐。研究人员通过图案化多层过渡金属二卤化(2D-tmdc)、多层石墨烯和200nm厚的氧化石墨烯，甚至小面积单层tmdc，实现了多种无源光学元件。然而，激子在光学波前处理中的关键作用尚未阐明，因此，原子级薄光学元件的主动调制仍是一个悬而未决的难题。

近日，来自斯坦福大学、比利时微电子研究中心、美国中佛罗里达大学的研究人员展示了一种具有大面积、主动可调谐、具有原子级厚度的薄光学元件。其中，单层WS₂在可见光范围内表现出强烈的激子共振。研究人员利用激子共振成功提高毫米级图案化WS₂波带片透镜的聚焦效率。此外，通过电子门控能够完全打开和关闭激子共振，从而将聚焦效率调节33%。这一成果为可调谐平面光学器件开辟了全新的设计策略。（朱学艺）

文章链接：

van de Groep, J., Song, J., Celano, U. et al. Exciton resonance tuning of an atomically thin lens. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0624-y

随着先进光学加工技术的进步，人们能够利用微纳结构对光进行调控，从而达到定制结构光的目的，这在高带宽光通信、高维量子态、成像和增强显微分辨率等方面都具有广泛的应用价值。手征光是结构光家族的重要成员，手征光能够携带自旋角动量或者轨道角动量(OAM)。轨道角动量的特点是具有与方位角相关的螺旋相位。利用几何相位或者动态相位的方式能够成功构建包括自旋角动量和轨道角动量的矢量组合，但是如何从光源这一源头上控制光的手性、自旋和轨道角动量是一个挑战。一方面是因为基于几何相位和拓扑光子学的方案会受到基本对称性的限制，另一方面则是由于光学元件物理尺寸和空间分辨率的限制。

近日，来自南非威特沃特斯兰德大学、哈佛大学、新加坡国立大学等单位的研究团队报道了一种超表面增强激光。研究人员设计了自定义超表面用以构建任意OAM与线性偏振态的耦合，通过超表面内腔结构使得激光中直接产生新的手征态。基于这种设计，研究人员演示了高纯OAM态，量子数达到了  l= 100，非对称矢量涡旋光束同时在独立的OAM态上发出，间隔高达90。这种新型激光器可以方便地输出可见光OAM态，从而提供了一种低功耗和紧凑的手征结构光光源。（朱学艺）

文章链接：

Sroor, H., Huang, Y., Sephton, B. et al. High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z

超构材料已经进行了数十年的广泛研究，包括负折射和超透镜，它们需要在光学频率下具有电和磁响应。开口环谐振器（SRR）是超构材料产生圆形感应电流的关键元素，导致在光频率下产生共振磁响应，这在天然材料中是无法实现的。尽管已进行了广泛研究，但传统的贵金属的SRR性能受到高损耗，不好的电磁波约束以及缺乏有效频谱响应调谐方法的阻碍。近来，具有令人感兴趣的特性，包括高迁移率，强光-物质相互作用和优异的化学稳定性的石墨烯已被认为是设计SRR的替代材料。石墨烯具有两种独特的特性，可用于SRR：（i）石墨烯的载流子密度可以进行电，化学或光学调节，并且（ii）与贵金属相比，相对较低的石墨烯载流子密度导致更强的模式约束。这样的优点已经使石墨烯成为承载可调太赫兹（THz）等离激元的理想平台。尽管上述基本性质和一些模拟研究已经证实了使用石墨烯SRR在太赫兹频率下表现出可调磁响应的可行性，但实验研究仍然难以捉摸。

尽管对基于贵金属的开口环谐振器已经有了广泛的研究，但迄今为止，还没有实验证明由石墨烯（一种新兴有趣的等离激元材料）制成的开口环谐振器。近日，来自复旦大学的研究小组通过实验证明了在太赫兹状态下具有深亚波长（大约为激发波长的百分之一）的磁偶极子响应的石墨烯开口环谐振器。同时，取决于入射光的偏振，观察到四极子和电偶极子。可以通过化学掺杂或堆叠多个石墨烯层来调整所有模式。与SiO2衬底的表面极性声子的强相互作用也显着地改变了响应。有限元频域仿真很好地再现了实验结果。该研究朝着多功能石墨烯超构材料迈进了一大步，超越了仅具有电偶极子共振的简单石墨烯丝带或磁盘阵列。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.13.041006

微粒，细胞和生物的动态操纵是各种微技术和纳米技术（例如显示技术，生物医学传感器，成像设备和诊断工具）的基础。非接触式操纵的杰出技术之一是声学镊子设备，该设备具有生物相容性，无创性且无标签，并且在相同的驱动力下，能够使捕获力比其光学对应物大几个数量级。声镊基于声动量的传递并施加声辐射力（ARF）来控制微粒的运动。声镊装置中使用了驻波和声束，它们将粒子固定在固定点上，即静态定位。但是，实时动态地操纵微粒需要时变声场，当前，对微粒的动态操纵是基于相控源阵列产生的驻波，其中通过电子控制引入相移或脉冲延迟以移动节点，从而转移陷于压力节点或波腹的粒子。

可以实时调整和调节的声辐射力对粒子和细胞进行非接触式操纵在各种应用中变得非常重要。这些应用包括显示技术，生物医学传感器，成像设备和诊断工具。声子晶体具有许多特性，对于微流体通道中的可调操作可能是有益的。来自中国科学院深圳先进技术研究院的研究小组使用声子晶体来调节微流体通道中的声场，以便对微粒和细胞进行可控的操纵。实验证明了颗粒和细胞沿通道中预定路径的任意停走运动。分析和计算模型揭示了声子晶体的共振如何调整声场和辐射力，以进行所需的操纵。这些概念和在微流体通道中对粒子进行动态操纵的实现，推动了用于动态声学操纵技术的微流体通道的发展，尤其对可调谐的细胞分析很有益，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.13.044077

二维层状材料中的层间扭转角提供了一种奇异的自由度，使各种新奇物理现象的出现成为可能，为扭转电子学（twistronics）的研究开辟了方向。为了实现扭转电子学的实际应用，很重要的一点是在大尺度上控制层间扭转角。近日，来自中国科学院物理研究所的Mengzhou Liao等人，将晶片规模高度定向单层MoS₂生长技术和水辅助转移法相结合，实现了厘米级堆叠的多层MoS₂同质结中层间扭转角的精准调控。从光致发光谱的峰值位移可以看出，通过对层间扭转角的控制，可以对同质结的间接带隙带宽进行连续调节。此外，研究还发现改变层间扭转角对同质结的电学属性存在影响，扭转角为30°时可以获得迁移率的最大值。该工作为扭转电子学的发展奠定了基础，为研究二维材料中的“魔角”现象提供了思路。相关成果发表于近期出版的《Nature Communications》杂志上。（狄琛）

多层MoS₂同质结的层间扭转角调控方法示意图与实物图

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16056-4

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）。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。

亲爱的读者，请点击在看，多多支持我们呦！