超材料前沿研究一周精选 2020年8月10日-2020年8月16日

在过去的30年里，双光子显微镜(2PM)彻底改变了体内的功能成像技术，实现了在脑中以前所未有的规模和深度进行高空间分辨率和神经生理学记录。虽然早在20世纪90年代中期，三光子显微镜(3PM)的概念就已经被构思和证明，但3PM的优势最初并没有被充分理解。与2PM相比，3PM需要更高的激发脉冲能量和更长的激发波长，再加上对组织加热机理的研究不够深入，导致科研人员对3PM后续开发的热情不够。除了扩大了飞秒激光的波长可及性之外，三光子激发荧光在深部组织成像中的应用直到2010年才被广泛关注。2013年的两项发现为活体3PM的新发现奠定了基础:(1)用于脑深部成像的最佳激发波长约为1300 nm和1700 nm，对于现有大多数荧光探针的2PE来说，这两个波长太长了；(2) 与2PE相比，高阶非线性激励提供了数量级的更高的激励约束，这对于散射生物组织深处的高对比度成像是必要的。总之三光子显微镜（3PM）已经越来越多地用于探测神经活动，超出了典型的双光子（2PM）成像深度。

近日，康奈尔大学应用与工程物理学院Tianyu Wang和Chris Xu发表综述。该综述中，研究人员通过与2PM进行比较，阐述了长波长3PM优点和缺点。并对1300nm的3P Ca²⁺成像的性能优化进行了详细的讨论。同样的定量分析也适用于1700 nm 三光子激发的电压指示剂和红移钙指示剂。基于三光子成像参数对钙成像质量的影响和对脑组织的扰动，对神经成像三光子成像参数的优化进行了系统总结。此外，回顾了现有的体成像技术，并讨论了它们在深部组织中尺度三光子成像中的应用前景。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

文章链接：

Tianyu Wang, Three-photon neuronal imaging in deep mouse Brain,Optica(2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.395825.

相干发射器阵列，例如相控阵天线，以及近来的超构表面，在从测距和遥感到自由空间通信和全息的广泛应用中起着重要作用。特别是，与RF天线阵列相对应的光学相控阵为LIDAR提供了紧凑而有效的解决方案，这对于自主导航至关重要。此外，这样的系统对于卫星和深空探测器之间的高带宽空间通信具有巨大的希望。作为同步亚波长散射体阵列的超表面的最新进展为全息和平面光学提供了机会。在此类系统面临的许多挑战中，与尺寸缩放相关的新兴现象变得越来越重要。 实际上，一个简单的估算表明，具有毫米大小孔径的近红外（λ≃1 µm）阵列将由数百万个发射器组成，所有这些发射器必须干涉才能产生一个所需的远场辐射方向图。尽管近年来已成功实现了非常大的无源阵列的设计和制造，但是对阵列中每个元件的可调控制却提出了重大的工程挑战。

可调光相控阵和超表面在从成像和遥感到通信和显示的各种应用中都发挥着重要作用。但是，随着可调元件数量的增加，所需的控制体系结构变得不可克服地复杂。近日，来自美国加州理工学院的研究小组讨论周边控制调谐的概念，以构成远区辐射。 研究者讨论了该方法在波束形成，全息术和图像投影中的应用。该项工作表明，通过适当的设计，可以显著地简化控制体系结构的复杂性。研究者进一步讨论了将该方法用于图像共享和全息分时的方法。这项概念适用于各种系统，包括相控阵光学天线和超构表面。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.14.024038

硅是现代电子工业中使用最广泛的材料。然而，由于其间接带隙，硅在光子学中的应用受到限制。将光子学与硅的优点相结合是一个期待已久的目标。硅光子学在集成光子学组件和全电介质元光学元件上具有巨大的潜力。一个主要的挑战是通过强的光子-光子相互作用（即光学非线性）实现主动控制，这在硅中本质上很弱。为了增强非线性响应，实际应用依赖于谐振结构，例如微环谐振器或光子晶体。然而，它们的典型足迹大于10μm。

近日，台湾大学物理系的Yi-Shiou Duh等人的研究表明100nm的硅纳米谐振器表现出了巨大的光热非线性特性，在低激发强度下，线性散射响应产生90％可逆和可重复的调制。基于三重共振增强的吸收和在热隔离纳米结构中的高效加热使得等效的非线性指标比整体的非线性指标大五倍。此外，纳米级热弛豫时间达到纳秒。这种大而快速的非线性特性使得在硅的纳米级和超分辨率成像中进行GHz全光控制方面具有巨大潜力。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Yi-Shiou Duh et al. Giant photothermal nonlinearity in a single silicon nanostructure. Nature Communications (2020) 11:4101 https://doi.org/10.1038/s41467-020-17846-6

波导作为传输电磁波并在两个端点之间传递能量的重要传输线系列，被广泛用于实现许多微波或光学组件，包括滤波器，耦合器，隔离器，谐振器，天线和功率分配器，这显示了其在低传输损耗，宽带宽和高功率处理能力的优势。最初，单模运行对于实现高传输效率和稳定的系统性能至关重要，在这种情况下，需要付出巨大的努力来抑制高阶模并提高单模带宽。然而，随着波导技术的飞速发展，高阶模式越来越受到人们的关注，并见证了成功的应用，例如功率组合，大功率电子设备，微波加热和毫米波天线。

矩形波导中的单模操作非常重要，因为多模的存在可能会由于模态色散而引起所载信号的失真。高阶模态是指在横截面中具有多个场周期，具有与主导模态不同的电磁特性。尽管提出了许多方法来在波导内实现模式选择，但是它们仅允许特定的高阶模式在频率范围内存在，但是单模操作自由控制带宽仍然是一个巨大的挑战。近日，来自东南大学的研究小组提出了一种用于高阶模式生成的方法，其中所需模式在其他模式的带隙中运行，并且可以通过减小波导中加载的周期性金属脊的对称性来独立设计工作带宽。研究者演示了两个示例，其中仅TE₂₀和TE₃₀支持模式。仿真和测量结果表明TE_n0模式的唯一性和带宽的可调性，这适用于需要消除模式或生成模式的各个领域。所提出的方法还可以应用于将来生成其他高阶TE模式，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.14.024040

金属有机骨架（MOF）是一类具有极高表面积的多孔晶体，已被预示为可用于各种气体存储和分离应用的有前途的材料。通过适当调整MOF可以改善氢存储、天然气存储和碳捕获等能源方面的应用。若想让MOF成为实用的工业气体吸附剂，其必须同时具有最佳的气体吸附和热输运性能。但是，相对于气体吸附，对于如何调整MOF中的热导率我们了解得很少。此外，关于吸附如何影响MOF的热导率一直是一个悬而未决的问题。这个特殊问题对于评估MOF在气体存储和分离中的潜在用途至关重要。

近日，来自美国加利福尼亚大学伯克利分校化学系的Hasan Babaei等人报告了在各种液体吸附物水、甲醇和乙醇存在的情况下，通过在单晶和薄膜上实验热反射法的测量以及分子动力学模拟的理论预测，观察了金属有机骨架HKUST-1中热输运的结果。他们发现，由于吸附物的不同，HKUST-1的热导率会降低40 – 80％，这一结果无法通过有效的介质近似理论来解释。他们的发现表明，被吸附物在HKUST-1中引入了额外的声子散射，因此特别缩短了低频声子模式的寿命。因此，系统的热导率降低的程度大于通过增加附加的传热通道所带来的热导率增加的程度。他们的结果表明，通过吸附，热扩散率比热导率降低得更多。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Hasan Babaei et al. Observation of reduced thermal conductivity in a metal-organic framework due to the presence of adsorbates. Nature Communications (2020) 11:4010

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17822-0

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