超材料前沿研究一周精选 2022年6月20日-2022年6月26日

近日，来自英国格拉斯哥大学物理与天文学学院的Hugo Defienne等人介绍了一种基于测量空间纠缠光子的全空间分辨联合概率分布（JPD）的像素超分辨率技术。在不移动光学元件或使用先验信息的情况下，他们的技术将成像系统的像素分辨率提高了两倍，并能够检索由于欠采样而丢失的空间信息。他们展示了它在使用光子对的各种量子成像协议中的应用，包括量子照明、启用纠缠的量子全息术以及N00N态量子全息术的全场版本。JPD像素超分辨率技术可使任何受传感器空间分辨率限制的全场成像系统受益，包括所有已经建立和未来基于光子相关的量子成像方案，使这些技术更接近实际应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

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微波光子电路的片上集成因其具备实现高级功能的潜力，克服电子器件的限制，包括散热和功率损耗等优势吸引了科研人员的研究兴趣。在芯片上集成光子电路也提供了小尺寸和强光学非线性效应的新机遇。在各种非线性光学中，光子与高频声子在相位匹配条件下的相干相互作用，即布里渊散射，通过将声学作为功能信息载体加入到微波光子系统中，具备实现前所未有的性能的潜力。高频布里渊散射激发的声波在MHz ~数十MHz范围内具有较窄的带宽，这非常有利于对射频信号处理。各种基于布里渊散射的器件已经被相继报道，包括超窄带射频光子滤波器，相移器和高度稳定的微波源。最近，基于硅基光子平台，采用光子-声子控制器-发射-接收(PPCER)的主动声波控制系统被报道出来。在PPCER系统中，声波干涉通过前向受激布里渊散射过程发生在光驱动声波之间，该过程通过调节输入射频信号的相位来控制。因此，发射信号的布里渊增益被声波干扰放大或抵消。该PPCER系统展示了主动声波控制的新应用，但该演示仅限于简单的开关功能和仅使用Stokes组件，这需要复杂的系统来检测信号。

近日，韩国浦项科技大学物理系Heedeuk Shin等人提出了一种利用光驱动声波干涉主动控制的任意射频信号整形的新方法，提供了MHz线宽，GHz载波频率范围的新的光子声子微波信号处理方案。演示系统由两个悬浮光波导和一个非对称曾德尔马赫干涉仪组成。这两个波导在3.3 MHz带宽、3.03 GHz载波频率下产生声波，其中一条非对称干涉仪路径受到声波引起的相位调制。然后，干涉仪利用多个光包络线的线性组合将相位信息转换为形状复杂的射频信号。通过衰荡实验得到声波的时域分析结果，其上升和下降时间分别为68 ns和96 ns。这种射频信号整形方法将为微波光子学的光机械系统开辟新的应用领域。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

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Hyeongpin Kim, et al. On-Chip RF Signal Shaping by Coherent Control of Optically Driven Acoustic Wave Interference. ACS Photonics(2022).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00253.

由于超声是非电离辐射可以深入生物组织，并以比其他成像方式更低的成本提供更高的分辨率，因此，超声是最具生物相容性的治疗方式之一。高强度聚焦超声（HIFU）是各种非侵入性肿瘤治疗的有力工具，将声能集中在身体焦点处以消融肿瘤、粉碎肿瘤靶点并打开血脑屏障以将药物直接输送到大脑靶点的方法。HIFU信号集中在其强度达到更高水平的小焦点区域。当超声波束穿透特定体积的组织时，主声场的部分能量被组织局部吸收并转化为热量。高强度聚焦超声用于许多生物医学应用，如声空化、经颅高强度超声手术、冲击波碎石术等。然而，HIFU很少用于治疗脑肿瘤。这是因为颅骨的存在抑制了由于大阻抗失配导致的两种生物材料界面处非侵入性超声在大脑中的强反射。由于声学特性的不匹配，压电发生器、检测器和传播介质之间的波耦合具有挑战性。声学超构材料的最新发展提供了通过异常层进行无创超声传输的可能性。如声学超构材料可用于消除或掩盖像差层，允许声波通过该层而不会损失能量。然而，传统的伪装策略压缩了空间，将物体隐藏在封闭的空间中，与外界没有互动。

近日，上海交通大学蒋伟康教授和吴海军副教授团队开发了一种阻抗匹配的声学材料，以提高超声通过像差层的穿透力。传统的超声层匹配材料称为耦合剂，它只能增强超声对软骨、肌肉等软生物介质的传输，而不能穿透骨骼等硬介质。该团队提出了一种基于阻抗匹配原理的相位调制互补声学超构材料，使超声能够穿透骨骼，并利用声学超构材料的等效参数技术进行参数设计。通过3D打印进行超声层调整，纠正骨像差。通过数值模拟和实验，研究了几种非反射槽结构。具体而言，骨匹配层可针对特定骨厚度和超声探头的特定工作频率进行优化设计，从而放大超声以穿透匹配层和骨骼。实验和仿真结果表明，所提出的声学超构材料可以提高超声通过像差层的传输效率。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

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L. Li, Y. Diao, H. Wu, et al. Complementary Acoustic Metamaterial for Penetrating Aberration Layers[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2022.

信息安全是任何现代社会可持续增长和发展的关键，在这个物联网（IoT）的新时代，任何现代社会的繁荣都依赖于全球互联。如今，信息由物联网传感器和边缘设备持续收集、存储和通信，这些传感器和边缘设备遍布我们的家庭、工作场所、工业制造厂、运输、卫生部门、农业领域等。然而，随着对边缘设备的需求不断增加，不可信的当事人篡改或物理侵犯隐私的威胁不断升级。虽然最先进的密码系统提供了基于复杂加密算法的强大安全解决方案，可使用硬件加速器实现，但由于硬件和能源有限，物联网边缘设备在计算能力方面有许多限制。此外，低成本设计需求、大规模部署以及物联网传感器的异构性限制了传统安全解决方案的直接采用，包括广泛使用的公钥方案。由于安全性不足，智能汽车和智能家居中使用的物联网设备最近表现出极大的脆弱性。认识到这些局限性，美国国家标准与技术研究所（NIST）提出了一项多年的工作，即轻量级加密（LWC）标准化过程，以使用高效的软件模块确保数据的机密性、完整性和真实性。然而，这种努力强调软件解决方案，而不是提供基于硬件的技术解决方案。因此，开发需要较少计算资源并与物联网边缘传感器集成的片上密码原语是及时的

近日，来自宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学学院的Akhil Dodda等人提出并实验演示了一种“一体式”8×8阵列，该阵列由坚固、低功耗和仿生的加密引擎组成，与基于二维（2D）存储器晶体管（MEM）的物联网边缘传感器集成在一起。每个引擎包括五个2D膜晶体管，以完成传感和编码功能。加密后的信息被证明是安全的，不会被资源有限的窃听者窃取，可以防止资源有限的窃听者访问深度神经网络。他们的硬件平台共由320个完全集成的单层MoS₂基膜晶体管组成，消耗的能量在数百皮焦范围内，并提供接近传感器的安全性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

通过合理的结构设计，力学超构材料可以实现超高刚度、负膨胀和负泊松比等特性。泊松比的符号和大小可以通过晶胞的几何参数（如角度）进行编程。对于角度小于90°的可重入单元结构，可重入单元结构在拉伸变形时打开，得到负泊松比。当角度大于90°时，这种行为是反向的，导致在拉伸变形过程中，支柱聚集在一起的正泊松比。这些精心设计的结构材料中的大多数都由单一材料组成，但这种材料会影响最终的力学行为。通过高于T_g（玻璃化温度）的拉伸或压缩变形以及随后内部结构的固定，实现了制造后力学行为的结构重新编程。可切换的拉胀材料已通过功能梯度液晶弹性体（LCE）的直接墨水书写来制造。通过分布驱动与非驱动LCE支柱形成连续的晶胞晶格，当环境温度从室温增加到100°C时，拉伸变形下的打印结构的泊松比可以从负转换为正。然而，在拉胀超构材料的结构设计中实现泊松比反转的一般规则没有被推导出来，并且没有讨论对泊松比的角度依赖性的进一步见解，并且有待阐明。

近日，德国弗莱堡大学Viacheslav Slesarenko和德国古腾堡大学Andreas Walther团队介绍了一种完全基于水凝胶的变形力学超构材料方法，该方法是将热响应驱动水凝胶支柱与其他被动的可重入单元结构相结合，形成一种材料的连续晶格。致动器在其弹性环境上施加力，从而改变晶胞角度。被动和主动水凝胶的使用至关重要，因为在整个几何结构中单独使用活性材料只会导致具有恒定晶胞角的各向同性收缩。展示了如何将角度大于90°的蜂窝结构重新配置为角度小于90°的重入蜂窝结构，并且可以通过热控制对中间角度进行编程。此外，这种结构形状变形会导致对施加的机械力产生不同的响应，也就是说，所产生的泊松比可以通过结构角度的后加工改变从负值到零值调整为正值。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

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