今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及铌酸锂纳米光子晶体中的高谐波光机械振荡，深度学习助力光学相位成像，用于表面波增强波前变换的双各向异性声学超表面等敬请期待！
索引：
1 圆顶超材料板
2 深度学习助力光学相位成像
3 近场光子路由的全电亚波长超源设计
4 用于表面波增强波前变换的双各向异性声学超表面
5 铌酸锂纳米光子晶体中的高谐波光机械振荡
6 连续体中的准束缚态控制Fano共振介电超表面成像
7 用于声全息摄影的具有独立振幅和相位的宽带可调谐损耗超表面
8 通过力学延迟线在基于彩虹的超材料中收集能量的放大实验
9 可见光辅助多机制设计韧性水凝胶
10 作为信息载体的光学框结
11 先进陶瓷材料的增材制造（综述）
12 超分辨率光学波动图像扫描显微镜
13 使用带隙工程技术抑制功能性纳米光子学在可见光和近红外范围内的材料损失
圆顶超材料板
传统材料的性质是由原子在纳米尺度上的排列和相互作用所决定的。超材料通过结构设计提供了性能控制，从而将设计空间扩展到传统材料的限制之外。将双稳态元素（如弯曲梁和板）结合到超材料的单胞中可以实现可大面积重构、自适应和变形的功能。通过在结构中提供局部能量极小值，这样的双稳态单元使得超材料可以承载较大的载荷，在结构中局部存储的弹性能生成多个稳定的可重构几何形状。这些功能已被用于设计可展开结构、减震器、机器人致动器、能量收集和微机械系统、波导系统、存储器和逻辑设备以及建筑结构中的变形元素。特别是，超材料的多稳定性允许对静态和动态属性进行编程，例如刚度自适应、可调带隙和量子谷霍尔效应。
近日，瑞士苏黎世苏黎世联邦理工学院材料系André R. Studart教授和普渡大学机械工程学院Andres F. Arrieta教授报道了一系列由软板组成的力学超材料，这些软板具有可重构双稳态圆顶阵列。这种超材料结构的圆顶可以在局部尺度上发生可逆地翻转，生成可编程的多稳态形状并在全局尺度上具有可调的力学响应。通过3D打印制备的机器人抓手，具备蓄能皮肤、可存储和计算空间分布的力学信号的结构。结果表明，这些超材料为新力学概念提供了一个有吸引力的平台，为机器人的结构、建筑结构和生物医学应用开辟新的设计。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
Faber, J.A., et al., Dome‐Patterned Metamaterial Sheets. Advanced Science, 2020.https://doi.org/10.1002/advs.202001955
深度学习助力光学相位成像
相位成像主要是在特定的应用场景下获得物体的空间相位分布，例如生物医学中的细胞显微成像和大气光学中的波前像差检测。特别是对于透明或具有均匀振幅透射比的物体，重建波前可以直观地显示厚度和折射率等有效信息的空间分布。然而，由于现有的光传感器只能记录信号的强度，因此需要巧妙地将相位信息映射到强度测量中。最典型的记录和恢复相位信息的方法被称为数字全息（DH），相干衍射成像（CDI）。深度学习作为一种快速发展的人工智能技术，在基于图像的波前传感、全息图像重建、相干衍射成像、多次散射反演等多种成像技术中显示出巨大的应用潜力。实验证明，DNN能够学习散射介质的输出散斑强度图与输入目标之间的非线性关系。
最近，来自东南大学，加州大学洛杉矶分校和上海航天电子技术研究所的研究人员在深度学习的支持下，提出了一种基于弱散射的相位成像方法，该方法只需使用一个低比特或二进制掩模图案就可以重建复杂目标。在图像传感器前面放置一个薄的扩散器作为预处理，将输入的波前信息隐式地编码到产生的散斑的畸变和局部变化中。通过训练后的网络，可以从分布在低位深模式中的离散颗粒中提取目标的相位轮廓。实验证实，利用单一的二值模式，重建的图像质量合理，并且验证了相位恢复强度测量中信息的高度冗余性。与现有的成像方法相比，除了效率和简单性的优点外，模型还为成像数据提供了显著的压缩性，因此可以促进低成本的检测和高效的数据传输。文章以“Learning-based phase imaging using a low-bit-depth pattern”发表在Photonics Research上。（鲁强兵）
文章链接：
https://doi.org/10.1364/PRJ.398583
近场光子路由的全电亚波长超源设计
近场光子学已经成为信息通信和能量传输的重要桥梁之一，其实际应用从宏观信号处理器件到两个人工原子之间的量子相互作用。一个小型片上光子学装置需要高效的路由和在深亚波长尺度超快地切换近场波输入。这是一个开放的挑战，由于缺乏对近场光子学的对称性和几何的认识。到目前为止，这种亚波长近场路由通常是通过模拟光的局部偏振来实现的。一种行之有效的方法是利用光的自旋-轨道耦合和量子自旋霍尔效应，另一种是基于电场和磁场的相对相位延迟的组合。但是由于局部偏振对电偶极子和磁偶极子有严格的要求，模拟局部偏振并不容易实现。是否能从一个深刻和不同的角度，例如近场光子系统的对称性特征来实现光子路由是一个问题。
近日，同济大学物理学院的研究团队展示了在亚波长尺度下基于全电超源的有效对称控制的近场光子学路由，具有时间反演、空间反演和时空反演的三种超源能同时激发模及其对应的对称变换模。该超源仅由工作在亚波长区域的相位延迟电源元件，如电压端口或电偶极子组成。不同于基于偏振的方案，该方法的物理机制是环境与元源内禀自由度之间的对称变换不变性。又通过实验证明了在两种单负超材料组成的波导中实现了有效的近场光子路由。该工作进一步加深了对光学近场对称的理解和可行的定向耦合方法，推动了集成近场光子器件的发展。相关研究发表在近日的《Physical Review Letters》上。（赵涵）
文章链接：
Yang Long et al, Designing All-Electric Subwavelength Metasources for Near-Field Photonic Routings. Physical Review Letters 125,157401(2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.157401
用于表面波增强波前变换的双各向异性声学超表面
长期以来，人们一直希望能够完全控制声波的行为，目前控制波的输运行为是一个非常活跃的研究领域。在这方面，近年来超材料和超表面已成为主要方法。 超表面通过积累梯度的相移控制在小尺度平面内波的输运特性。已经报道了许多操纵横向相位的创新型小型装置，显示了这些表面结构在物理学和工程学中的巨大潜力。尽管早期用于波前工程的超构表面吸引了相当多的关注，但很快发现这些超表面受功率效率的限制。相移器件的效率从根本上受到反射和散射到不需要的方向或模式的限制。尽管如此，最近已经认识到，对于反射型和透射型超表面而言，相位约束设计方案都不能完全控制散射波。因此，这些超表面的功率效率受到限制。
近日，来自美国杜克大学的研究小组将自感应表面波引入到声学超表面中，以满足局域功率守恒的要求，并开发了一种设计用于各向异性光束的双各向异性超表面的方法，理论上功率效率为100％。 在以下四种情况下检查了设计策略：波束均分，以指定的强度比将波束分成两个不同的方向，异常反射以及同时控制反射和透射。仿真和实验均验证了该设计，只要适当设计表面波，就可以实现更复杂的功能。该研究显示了一个有趣且违反直觉的发现：设计透射型超表面时，通过控制反射场可以实现更高的效率；而对于反射型超表面，允许非零透射场是实现理想反射的关键。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.14.044012
铌酸锂纳米光子晶体中的高谐波光机械振荡
近几十年来，铌酸锂得到了广泛的研究和应用。由于其丰富的性质，铌酸锂已被用于演示许多片上光学器件。利用高非线性系数设计了高效的光子对源和倍频器。得益于高电光系数，铌酸锂调制器甚至已经被用于商业用途。光子晶体纳米材料在亚波长尺度上表现出优越的光约束能力，在光-物质相互作用中具有广阔的应用前景。最近，我们在铌酸锂平台上开发了高质量的一维光子晶体纳米梁谐振器，在保持~（λ/n）3的小有效模体积的前提下，光Q值可达105。在本文中，我们利用这类器件来演示铌酸锂光子晶体纳米梁中的非线性光机械振动。
光腔光学力学是研究光信号与机械运动相互作用的一个很有吸引力的领域。由光子的动量传递而提高的辐射压力，即所谓的光镊，在捕获介电粒子方面表现良好。此外，近年来基于光力学的应用已经得到了广泛的应用，如微腔冷却、腔体光力学弹簧的生物传感、灵敏位移传感器等。
近日，来自上海交通大学的Haowei Jiang等人展示了测量的光学力学性质铌酸锂光子晶体纳米腔。随着铌酸锂器件内腔功率的增大，在铌酸锂光子晶体纳米密度中不仅出现了机械共振位移和升温，还出现了14阶的谐振。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi: 10.1063/5.0016334
连续体中的准束缚态控制Fano共振介电超表面成像
共振型超表面由于其尖锐的光谱特征和非凡的场增强作用而受到广泛关注。 由介电层和金属膜组成的早期共振超表面由于金属固有的高能量耗散，在光学范围内表现出相对较宽的共振峰和较低的透射率。近年来，具有高折射率的全电介质超表面已经成为纳米光子学的替代选择，这是因为它们的低耗散损耗，与半导体制造的兼容性，以及与同类金属相比具有捕获电介质纳米结构内光学模式的能力。连续体中的束缚态（BICs）是位于连续体内同时保持完全局部无辐射的状态，这可以促进介电超表面的共振激发。根据其机制，BICs可以分为对称保护的BICs，偶然BICs，可积性保护的BICs等。
近日，来自贵州民族大学的研究小组研究了由连续谱中的准束缚态（BICs）控制的Fano共振硅基超表面的成像功能。首先，通过破坏纳米磁盘平面内的对称性，随着尖锐的Fano共振的出现，对称保护的准BIC受到了激发。研究者分析了超表面的近场分布，多极贡献和辐射方向图，以揭示这种共振的机理和特征。 此外还调查了相变材料Ge2Sb2Te5（GST）辅助的Fano共振超表面的成像功能。 通过从a-GST到c-GST的不同单位的选择性修改，产生的透射图像很好地重建了目标字母。该发现可能为实现高效的基于超表面的成像和快速的空间调制提供途径。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.14.044009
用于声全息摄影的具有独立振幅和相位的宽带可调谐损耗超表面
声学全息(AH)的出现是为了重建和可视化所期望的复杂声场，它为超声波处理和粒子操纵提供了卓越的能力。直接实现AH的方法通常依赖于带有多个独立控制传感器的相控源阵列。这些源可以主动调节成像场，但通常也很笨重和昂贵，需要仔细的校准电路系统。随后，作为一类人工超材料，声学超表面(AMs)被提出用于操纵来自单一源的均匀信号，并被动地实现具有超薄结构厚度的低成本声学全息图。传统的基于单相位调制的声全息图像超表面处理方法的优化过程非常复杂，在许多目标场的控制区域外会产生严重的杂波。近年来，具有独立振幅和相位调制(APM)的声超表面被用于产生高保真的声全息图。在完全声学调制的背景下，振幅和相位都是同时操纵。额外的自由度导致了声学全息设计过程的显著简化。声学全息可以通过将目标场反向传播到结构平面，然后在该平面上创建共轭场(即时间反演技术)来实现，而不用复杂的优化算法。
然而，上述采用单相调制方法的声学超表面只能在一个或四个设计频率下工作，因为它们通常是由其几何形状预定义的，一旦设备制造后不能改变。近年来，设计并实验实现了一种用于声学图像可控投影的非对称编码超表面。编码元件的切换方式可以通过使用非对称入射波来实现。目前还没有关于可调、可重构或可编程的声超表面实现宽带声全息的研究报道。此外，在固定的声超表面结构的末端使用多孔泡沫材料来吸收泄漏的声波，这可能是声损失的不确定性。
近日，来自北京交通大学的Shi-Wang Fan等人提出一个可调谐的有损声超表面(TLAM)的设计方法，同时实现振幅和相位调制和宽带不含泡沫。因此，声学全息技术可以投影任意预先设计的图像，这些图像在连续的频率范围内工作，而不是在孤立的或离散的频率上。该可调谐有耗声波超表面单元由光栅通道和具有四分之一波长共振的可调内部吸收器组成。分离其中一个可调谐参数来独立地调制振幅损失，以实现振幅和相位调制。通过理论分析和数值模拟得到了任意相位和振幅的组合。在此基础上，他们还设计了一种用于无散射异常反射的可调平面有损声超表面，该超表面能沿期望方向反射入射平面波，而不会在任何不希望的方向产生寄生散射，进一步扩展了可调的三维可调有损声超表面的可调性，以产生多平面或不同频率的高保真声全息图像。这可以通过使用相同的可调有损声超表面来持续地工程声场更实际。相关工作发表在《Smart Materials and Structures》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1088/1361-665X/abaa98
通过力学延迟线在基于彩虹的超材料中收集能量的放大实验
在力学中实现新型超材料的方法引起了研究人员的极大关注。在弹性波的背景下，由于涉及振动的技术相关性的大量应用，人们开始转向于研究新颖的波控制机制，例如无损检测、隔声、吸声以及波的增强和操纵。通常将超材料组合使用以创建多物理场材料，该材料利用机械变形与通过压电耦合的电刺激之间的能量转换现象，来获得多功能设备。对于声学超材料而言，能量的聚焦和镜像已经成功地用于弯曲波并扩展到使用压电材料的振动能量收集。还有一种操纵弹性表面波的通用方法是利用渐变的超表面，这种超表面是结合了放置在表面上或内部的共振元素的轻微变化的结构。
近日，米兰理工大学土木与环境工程系J. M. De Ponti教授团队通过数值和实验方式对波场和设备的实际采集性能进行了全面研究。通过引起边沿结构的波数变换，使用谐振杆的渐变阵列来控制波传播。一方面，这种效果能够放慢波浪的作用，并实际上增加了波浪与固定在结构上的收割机之间的相互作用时间。另一方面，波数变换伴随着波导中振幅的减小以及杆内部的强烈放大。利用这两个效应的相互作用，即谐振器中的放大和主光束的减速，他们说明了，在足够长的激发时间下，机械延迟线能够在单个收割机收集到六倍于单收割机的能量固定在相同的结构和相同的位置。相关研究成果发表在《Applied Physics Letters》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0023544
可见光辅助多机制设计韧性水凝胶
韧性水凝胶由于其独特的机械性能而引起的广泛关注，它在各领域具有广阔的应用前景，例如可穿戴电子产品、组织工程和蛋白质/细胞输送等领域。通常，韧性水凝胶具有相互渗透的刚性和软弹性网络，从而使它们具有较高的机械强度和承受应变的能力，以保持其结构完整性。负载时，刚性网络会通过不同的耗散机制迅速耗散机械能，这可以有效防止灾难性裂纹在水凝胶中传播。释放应变后，变形的水凝胶可以借助其柔软的弹性体网络恢复到原始状态。然而，由于在一个系统中的并联多网络，韧性水凝胶难以像具有单个网络的传统水凝胶一样被制造。目前大多数报道的制造工艺是通过长时间的紫外线照射或在高温下加热并分多个步骤进行的，这限制了它们的生物学和工业应用。
近日，西北大学化学与材料科学学院的于游教授团队报导了一种在温和条件下开发坚韧水凝胶的多机制、直接简单的一步设计法。在可见光照射下完成整个制造过程仅需几十秒钟，引发剂的快速分解使其具有生物相容性，适用于细胞封装和增殖。该方法使用典型的金属离子和常用的合成聚合物与藻酸盐形成坚韧的水凝胶。这种软水凝胶具有良好的机械强度和相当高的韧性。多机制设计可提高水凝胶的弹性，减少其塑性变形，并在各种环境下保持高韧性。此外，这种光辅助机制与许多不同的光刻技术兼容，可用于制造高分辨率2D/3D微结构（约100μm）。这一方法为在材料化学，组织工程和柔性电子学领域激发高性能水凝胶的设计和应用开辟了视野。相关研究成果发表在《Nature Communications》（钟雨豪）
文章链接：
Wang, C., Zhang, P., Xiao, W. et al. Visible-light-assisted multimechanism design for one-step engineering tough hydrogels in seconds. Nat Commun 11, 4694 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18145-w
作为信息载体的光学框结
现代光束整形技术已使生成具有大量结构特征的光场成为可能，如三维拓扑（如莫比乌斯、带状和结状）等结构。但是，迄今为止，与更简单结构的光束类型不同，这些光场的拓扑属性仍然有许多未知等待人们去探索，而且其功能也与现代技术中可以应用的功能相反。由于它们对外部的干扰保持了很好的稳定性，因此物理系统中的拓扑不变量越来越多地被视为编码信息的一种手段。因此，具有拓扑特性的结构光也有这类应用的潜力。
近日，来自美国麻省理工学院电子工程与计算机科学系的Hugo Larocque等人在实验上实现了在光偏振场内一种被称为框架结的结构。他们进一步开发了一种协议，在该协议中，将框架结的拓扑特性可以与质因子分解一起使用来编码信息。这种方案可通过将其应用于更复杂的打结结构进行研究，例如通过实验生成的八字形结。此外，通过使用非近轴结构对结的框架进行进一步的工程设计，可用于含有不同数量的半捻的结。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Hugo Larocque et al. Optical framed knots as information carriers. Nature Communications (2020) 11:5119
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18792-z
先进陶瓷材料的增材制造（综述）
由于陶瓷材料的极端特性，因此，要有效地制造出无缺陷的接近最终形状的三维先进陶瓷零件并非易事。事实上，先进陶瓷材料的极高熔化温度和低延展性使其从熔融液态进行加工极具挑战性，而当成形参数和温度处理不够理想时，它们差的耐热冲击性通常会导致形成裂纹和气孔。此外，其高硬度和脆性通常使得难以加工烧结部件而不产生缺陷和表面微裂纹。机械加工也非常昂贵，这主要是由于使用了金刚石切割和磨削工具，据估计，这将占总制造成本的70％以上。
增材制造（AM）为先进陶瓷部件制造提供了新机会，不需要昂贵的模具的，从而降低了生产成本和交货时间，增加了设计自由度，从而有可能颠覆陶瓷行业。尽管陶瓷增材制造的发展和实施要比在聚合物和金属行业中慢，但现在人们对开发能够生产无缺陷、完全致密的陶瓷组件的增材制造工艺产生了极大的兴趣。各种各样的增材制造技术都可以用于陶瓷成形，但迄今为止取得的结果不尽相同。为给定的应用选择正确的增材制造工艺不仅取决于零件的密度、表面光洁度、尺寸和几何复杂性方面的要求，还取决于要加工的特定陶瓷的性质。
近日，英国诺丁汉大学工程学院增材制造中心Ruth Goodridge教授发表了先进陶瓷材料增材制造综述文章，通过系统评估每种增材制造技术的功能，详细介绍了先进陶瓷增材制造的最新技术，并着重于最终密度、表面光洁度和机械性能方面的报道。此外，还对每种增材制造技术加工高级陶瓷所带来的机遇、问题、优势和限制进行了深入分析。相关研究发表在《Progress in Materials Science》上。（徐锐）
文章链接：
Lakhdar, Y., et al., Additive manufacturing of advanced ceramic materials. Progress in Materials Science, 2021. 116.https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100736
超分辨率光学波动图像扫描显微镜
衍射极限是远场荧光显微镜的一个基本障碍。生物样品标记、单分子光谱学和显微镜装置技术的不断发展，现在可以获取比衍射极限小10倍的物体的图像，例如，亚细胞细胞器。非常成功的技术，如受激发射损耗显微技术(STED)和定位显微镜，提供可观的增强分辨率，如一种具有较长图像采集时间或更复杂的成像装置。另一种稍微不同的方法是在不延长曝光时间或增加实验复杂度的情况下，稍微提高分辨率。图像扫描显微镜(ISM)和超分辨率光学波动成像(SOFI)可以看作是后一类的例子。这类技术在一般的显微镜设备中更容易被采用，因此可以提供一种介于广泛共焦激光扫描显微镜(CLSM)和要求更高的分辨率实现方法之间的折中方法。超分辨率光学显微术在生物学的多个分支中得到了应用。几种超分辨光学显微镜已经成为生命科学成像的常用工具。ISM是超分辨率工具箱中最近增加的一项功能，以一种稳健和直接的方式使得横向分辨率提高了两倍。
为了进一步提高ISM的三维分辨率，近日，波兰华沙大学物理学院实验物理研究所Aleksandra Sroda等人提出并实验证明了超分辨率光学波动ISM (SOFISM)。通过测量ISM体系结构中的荧光涨落对比度，获得了超过衍射极限的2.5倍的横向分辨率图像，并使用已商业化的量子点来提高固定细胞样品的轴向分辨率。ISM技术的内在时间平均使得能够在毫秒尺度的像素停留时间内获取 图像波动相关对比度。因此，使用标准荧光标记物和合理的采集时间，SOFISM可以提供一种强大的手段，使得能够在稍作修改的共聚焦显微镜内获得高分辨率图像。相关工作发表在《Optica》上。（丁雷）
文章链接：Aleksandra Sroda et al, SOFISM: Super-resolution optical fluctuation image scanning microscopy.Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.399600.
使用带隙工程技术抑制功能性纳米光子学在可见光和近红外范围内的材料损失
陷光在许多光子应用中至关重要，比如激光器、传感、以及谐波的产生。高质量谐振器以约为2Q /ω0的时间以局部谐振模式的形式促进光捕获，其中Q是模式的品质因数，ω0是其本征频率。功能纳米光子学需要光定位，因此在亚波长光谐振器中需要高Q因子。但是，这些纳米谐振器的Q因子受辐射和材料损耗的限制，在可见光范围内不超过几十倍。尽管可以通过调整弱散射状态（例如连续体中的束缚状态（BIC））来抑制辐射损耗，但是材料（耗散）损耗需要一种根本不同的方法。全介电纳米结构由于其强大的光学共振以及在近红外范围内的低材料损耗，最近为功能纳米光子学带来了令人兴奋的机遇。它们较大的吸收系数阻碍了将这些概念推向可见光范围，从而促使人们寻找纳米光子学的替代电介质。
近日，来自纽约市立大学先进科学研究中心的Mingsong Wang等人采用带隙工程技术来合成氢化非晶硅纳米粒子（a-Si:H NPs），为功能纳米光子学提供了理想的功能。他们观察到由氢化引起的带隙重整化导致可见光范围内a-Si:H NPs的材料损失受到显著抑制，在单个NPs中产生强的高阶共振模，Q值在可见光和近红外范围内高约100。他们还通过将a-Si:H NP耦合到光致变色螺吡喃分子上来实现高度可调谐的全介电亚原子。他们还演示了在低入射光强度下，高阶共振模式下光散射的大约70％的可逆全光调谐。他们的结果促进了高效可见纳米光子器件的开发。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Mingsong Wang et al. Suppressing material loss in the visible and near-infrared range for functional nanophotonics using bandgap engineering. Nature Communications (2020) 11:5055 https://doi.org/10.1038/s41467-020-18793-y
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