超材料前沿研究”一周精选 2019年5月6日-5月10日- 大数跨境

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超材料前沿研究”一周精选 2019年5月6日-5月10日

两江科技评论

2019-05-12

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及高度透明的紧压金属超材料、制备多层摩天楼结构微芯片的飞秒激光技术、利用二氧化钒嵌入式超构材料主动控制太赫兹波、高强度聚焦超声诱导合成弹性体的机械

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及高度透明的紧压金属超材料、制备多层摩天楼结构微芯片的飞秒激光技术、利用二氧化钒嵌入式超构材料主动控制太赫兹波、高强度聚焦超声诱导合成弹性体的机械化学转变等敬请关注！

索引

1、高度透明的紧压金属超材料

2、制备多层摩天楼结构微芯片的飞秒激光技术

3、利用二氧化钒嵌入式超构材料主动控制太赫兹波

4、高强度聚焦超声诱导合成弹性体的机械化学转变

5、太赫兹频率可调连续波随机激光器

6、基于微纳光子学的人工神经网络

1、高度透明的紧压金属超材料（Extraordinarily transparent compact metallic metamaterials）

——密堆金属纳米颗粒阵列组成的高度透明的低损耗电介质。

早期的超材料包括所谓的人造电介质，由厘米级的金属颗粒阵列组成，能够像电介质一样引导和聚焦无线电波。最近，人们对使用纳米级金属颗粒阵列为可见光和红外光谱构建有效电介质非常感兴趣，并且消色差光学元件的设计也需要具有高透明度和低色散的材料。但是已有的实验设计均假设不考虑损耗，也没有针对透明度进行优化，阻碍了这种材料的进一步应用。近期，来自伦敦帝国理工学院的研究团队提出了一种由密堆金属纳米颗粒阵列组成的高度透明的金属超材料。实验表明，即使粒子是纳米级的，使得电场穿透粒子（因此不再被认为是完美的导体），并且紧密堆积导致颗粒之间存在强烈的相互作用，这种人造电介质依然可以对红外辐射保持高度透明性。实验还发现这些密集的金属纳米粒子阵列可以比锗更透明（锗以其红外波段的透明度而闻名），即使对于超过75％金属体积的阵列也是如此。尽管由高度色散的金属组成，但该有效电介质却几乎没有色散，能够用来设计中远红外波段的消色差光学元件。此外，可以通过改变纳米颗粒的尺寸、形状和间隔来调节局部有效指数。在阵列内，电场在金属纳米颗粒之间的间隙中增强。通过同时利用阵列的透明度、可调性和高金属填充率，实验设计了一种梯度折射率透镜，既可以在微观尺度上聚焦光，又可以“挤压”纳米级电场，从而产生“双重增强”（doubly-enhanced）电场热点，这些热点可以用于增强非线性过程，并且具有比基于共振的增强更低的损耗。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：

Samuel J. Palmer, Xiaofei Xiao, Nicolas Pazos-Perez, et al. Extraordinarily transparent compact metallic metamaterials, Nature Communications 10: 2118 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09939-8

2、制备多层摩天楼结构微芯片的飞秒激光技术

近年来，微流控芯片因其在化学实验、环境监测、生物检测、组织工程、医学诊断等基础科学和实际应用方面的能力，为人们提供了便携、环保、安全、高效的实验平台。现有的技术，如光刻技术、纳米压印光刻技术，已经能很好地制备出二维平面微流控芯片。尽管这些微芯片在很多领域中都有广泛的应用，但这些技术仅具备二维制备能力，因此很难将更复杂的组件集成到更复杂的应用场合中，包括粒子分离、混合和定点诊断。如果能够构制备出具有真正意义上的三维结构的微流体芯片，那么流体就能够在三维环境中流动，从而减小了芯片的尺寸，提高效率。

近日，中国科学技术大学吴东等人提出了一种优化的混合处理技术来创建真正的多层微芯片, 该芯片的加工是通过飞秒激光辅助湿蚀刻 (FLAE)和双光子聚合(TPP)技术实现的。实验过程中他们在玻璃基板上创建多层不同深度微通道(顶层距离上表面200 μm, 底层与底层直接间距为200 μm)，该结构具有高均匀性,激光功率密度保持在13~16.3 TW/cm²之间，以优化制造不同的层结构。为了同时完成各层的刻蚀，保证高均匀性非常重要，因此科研人员在纵向通道的上端制备了控制层(非激光暴露区)。此外通过用不同染料的溶剂来验证每一层是否都与其他层分离。通过对TPP中预焙时间(18~ 40 h)、激光功率密度(2.52~2.94TW/cm²)、显影时间(0.8~ 4 h)等实验条件的定量研究，以保证了高品质的集成性，并对不同深度形成的每个通道进行了优化。最后，成功制备了与聚合物微结构相整合的八层微流体通道，以证明这种技术的独特能力。相关工作发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。

文章链接：

Chaowei Wang, Liang Yang et al. Multilayered skyscraper microchips fabricated by hybrid “all-in one”femtosecond laser processing. Microsystems & Nanoengineering (2019) 5:17

https://doi.org/10.1038/s41378-019-0056-3.

3、利用二氧化钒嵌入式超构材料主动控制太赫兹波

目前，第五代（5G）无线网络在世界各地开始部署，这意味着加速对下一代无线网络，也就是（6G）技术的基础研究是很重要的，有报告指出，为u了满足系统带宽，容量，传输速率等要求，6G网络的工作频率范围会升级到140，220，340GHz，为亚太赫兹波段，此外，亚太赫兹波段频谱目前占用稀疏，适合未来的无线通信，所以，很多人对新颖的亚太赫兹源，功能设备，探测器的开发有着很大的兴趣。然而，亚太赫兹器件的开发条件仍不成熟，例如，源的功率太低而无法在自由空间中长距离传输信号，探测器在室内温度也不能达到很高的灵敏度，缺乏可调制的材料来控制亚太赫兹功能设备，物理上是传统的电子和光学方法设计的设备工作在相邻的微波和红外的频谱，不能轻易的扩展到太赫兹波段。

近日，来自南京大学的Biaobing Jin团队描述了一种使用二氧化钒嵌入式的杂化超构材料来主动控制太赫兹波的方法。二氧化钒在68°C左右会发生绝缘体-金属转变，导致其电导率发生五个数量级的变化，超构材料由两个与二氧化钒衬垫连接的金属结构周期性阵列组成，仿真表明，二氧化钒衬垫在导通状态下有高导电性，在相变范围有高动态导电性，这种性质在其他材料中很少观测到。这种模式切换除了利用热激发之外，还可以利用电激发，光激发，其中热激发和电激发的作用机理是相同的。这种不同方式的激发对于实现太赫兹的控制是十分有用的。相关文章近期发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.054016

4、高强度聚焦超声诱导合成弹性体的机械化学转变

近年来，高强度聚焦超声（HIFU）以其无创性、可穿透较深生物组织等特点，是一种远程干预治疗的理想能量源。通过将超声波聚焦到目标位置，高强度的超声波辐照会影响机械变形并引起空化，长时间超声辐射还可以用于局部加热。因此HIFU在肿瘤消融术，疼痛治疗，神经外科和药物输送等方面的应用均取得了临床成功。事实上，依赖热诱导释放机制的聚合物药物释放可以由长时间脉冲HIFU辐射触发。尽管如此，到目前为止，使用HIFU触发聚合物机械化学的研究仅在胶束系统中得到证实。

最近来自伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana−Champaign）的研究人员介绍了一种利用高强度聚焦超声（HIFU）作为远程能量源触发机械化学变化。发现在聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性网络中，HIFU通过机械变形触发聚合物机械化学的能力。该研究小组先前报道了萘酚吡喃（NP）是一种无色的机械载体，在经历了电环打开后，在机械力的作用下产生了一种橙色的花青素（merocyanine）。通过颜色变化来显示NP机械活化，为HIFU引发的聚合物机械化学的初步研究提供了一个简单的方案。第二个反应是证明HIFU辐射成功地触发了二恶烷发光，从而在焦点处产生局部可见蓝光。与常规刺激（如紫外线、热和单轴压缩/拉伸测试）不同，HIFU辐射通过有针对性但无创的超声能量沉积提供了对机械化学激活的时空控制。有针对性的远程光产生在生物医学应用中有潜在的应用，如光遗传学，其中光源被用来触发细胞反应。

文章链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/05/09/1901047116

DOI：10.1073/pnas.1901047116

5、太赫兹频率可调连续波随机激光器

THz频率量子级联激光器（QCL）自发明以来经历了快速发展，并且在过去几年中已成为在输出功率和差分效率方面表现最佳的紧凑型THz频率源，具有宽发射光谱，光束整形能力，频率可调性，低功耗等优异的性质。此外，光子学与新的谐振器概念相结合，使THz 量子级联激光器的性能得以灵活调控，从而为定制发射光谱提供了良好的平台。此外，还可以利用无序系统来设计光子器件。这种“随机”光学系统属于光子学中最复杂的结构，由于其固有的结构无序而显示出奇特的现象。在许多材料体系如半导体粉末、光纤、新型光子玻璃材料和生物组织等，随机光传播已在理论上和实验上得到广泛研究。无序系统会引起光波的强烈多重弹性散射，导致光学模式产生安德森局域化。通过改变谐振器的几何形状、边界和吸收条件以及散射尺寸/分布，并调整它们的空间和时间相干性，能够成功实现可调谐随机激光发射和场调制。

随机激光器（RL）与传统激光器有很大不同，传统激光器包括封闭在光学腔中用以产生正反馈的增益介质。尽管随机激光器也需要增益介质，但由于反馈机制源于高度无序结构中的多个弹性散射，因此不再需要将其嵌入特殊设计的腔体中。在RL中，发射的光子可以在增益介质中被放大和散射多次，从而保持小波的相位关系。内在无序和随机有源介质的非线性之间的复杂相互作用还会产生许多有趣的物理现象，例如增益竞争和光学模式的非线性波混合。

近日，来自意大利的研究团队展示了使用电泵浦量子级联激光增益介质的连续波随机激光器，其中气孔的二维（2D）随机分布被图案化到顶部金属波导中。这种结构在3 THz时获得高度准直的垂直发射，带宽为430 GHz，器件工作频率高达110 K，峰值（脉冲）功率为21 mW，CW发射功率为1.7 mW。此外，该研究证明了用可移动镜形成的外腔可用于调谐随机激光，从而获得11 GHz以上的连续频率调谐。该研究为设计电驱动基于安德森局域化的太赫兹随机激光器提供了新的设计思路。

文章链接：

S Biasco, H E Beere, D A Ritchie, L Li, A G Davies, E H Linfield, and M S Vitiello, Frequency-tunable continuous-wave random lasers at terahertz frequencies, Light: Science & Applications 8 (1): 43 (2019)

DOI: 10.1038/s41377-019-0152-z.

6、基于微纳光子学的人工神经网络

人类大脑是宇宙中最复杂的生物器官，对我们来说几乎仍然是未知的。一些国家已经启动了大脑科学的大型研究项目，旨在理解人类大脑如何运作并为治疗与大脑相关的疾病提供可能的解决方案。这些项目还将启发神经网络计算方面的研究，从而满足对人工智能的不断增长的需求，创造能够模仿人类行为的智能机器。

为了更好地理解大脑，已经广泛开展了生物神经网络（BNN）的研究，以研究大脑的生物学结构和功能特征。一种研究方法是使用先进的电生理学和成像技术来绘制和研究BNN的活动，包括：微电极、脑电图（EEG）、磁共振成像、计算机断层扫描、电子束显微镜和超分辨率荧光显微镜。这种研究方法能够利用BNN研究获得的大量数据通过自下而上的方法理解大脑的操作。另一类BNN研究侧重于构建可以模拟BNN的生物学结构和功能特征的人工神经网络（ANN）。该类别使用简化和可控模型来测试从BNN数据中获得的脑功能的新理论，并测试与脑相关疾病的新药物。人工神经网络还可以为人工智能提供类似大脑的计算平台，并提高效率。

纳米光子学主要着眼于研究光的行为和纳米尺度的光-物质相互作用，对于实现基于硬件的人工神经网络非常重要。事实上，纳米光子学和人工神经网络之间的相互作用已经催生了新的研究领域。基于软件的人工神经网络在纳米光子学中的应用已经实现了自动光学传感、自动光学显微镜成像和光子器件的逆向设计等。纳米光子学是一种非常有前途的工具，用于研究光学成像和光遗传学的BNNs。此外，光子是人工神经网络的重要信息载体，与电子相比，具有宽带宽和低透射散射。基于纳米光子器件的人工神经网络的发展开辟了一条新的途径，与基于电子学的现有解决方案相比，在计算速度和能耗方面实现了数量级的改进。

近日，来自墨尔本皇家理工大学的研究人员发表综述文章，他们讨论了用于开发人工神经网络的纳米光子技术的最新进展，这些技术模拟和研究了BNN的结构，功能和生物学特征。文章描述了基于纳米光子学的间接人工神经网络，包括用于人工神经网络的电子设备的激光写入和用于人工神经网络的纳米光子器件的开发。之后，文章简要总结了基于具有受控拓扑的生物神经元建立人工神经网络的最新进展。最后，文章总结了用于基于生物神经元的人工神经网络成像和信号检测的纳米光子技术。