超材料前沿研究一周精选 2020年3月23日-2020年3月29日

视网膜疾病是工业化国家致盲的主要原因。据估计，2020年全球有1.96亿人将受到年龄相关性黄斑变性的影响。虽然目前正努力开发新的治疗策略来挽救视网膜神经元和视网膜色素上皮(RPE)，但仍缺乏评估此类治疗效果的最佳方法。眼科诊所中用于常规眼底检查的仪器不能观察到疾病退化过程早期阶段细胞形态的微小变化。视网膜是由许多层组成的复杂组织。由于许多原因，单个细胞成像非常具有挑战性，例如，眼像差带来的横向分辨率的降低。另一个限制是，大多数进入瞳孔的光要么被吸收，要么被反射到感光细胞的界面上，干扰了从神经元或RPE细胞反向散射的微弱信号。对于进入瞳孔中心的照明光束来说，光感受器信号最大，当进入瞳孔边缘时，光感受器信号急剧下降。这种视网膜的角度依赖反射通常被称为光学斯泰尔斯-克劳福德效应(SCE)。在最近的研究中，人们提出了利用光学方法来观察神经视网膜和RPE细胞，这些方法包括:使用偏光圈的AO-SLO法、暗场法、自发荧光法、AO-OCT等，尽管获得了高质量的检测结果，但这些方法的视场非常小，图像清晰度不高，存在安全问题，或者获取时间太长，不适合临床使用。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Timothé Laforest等人提出了一种经巩膜光学相位成像方法，它依赖于视网膜的高角度倾斜照明，结合自适应光学，以增强细胞对比度。实验中，研究人员对11个健康志愿者的眼睛在没有瞳孔扩张的情况下进行了检查，结果显示这种方法能够在体内生成视网膜细胞的图像，从视网膜色素上皮到神经纤维层。该方法还可以生成高分辨率无标记的视网膜体外相位图像。4.4°×4.4°视野的活体图像在不到10秒的时间内被记录下来，该技术为探索健康和病变视网膜开辟了新的途径。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）

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Timothé Laforest,et al, Transscleral optical phase imaging of the human retina. Nature Photonics(2020).doi.org/10.1038/s41566-020-0608-y.

利用物联网(IoT)基础设施进行个性化和精准医疗，需要大规模部署健康和健康监测传感器，目前物理传感器已经广泛整合在商业化嵌入式平台跟踪用户的物理活动和监测生命体征。然而，为了深入了解人体的动态化学，电化学传感接口需要针对非侵入性提取的生物液体(如汗液)中的生物标记分子。为此，酶催化的、具有离子选择性的和电活性的电化学传感接口已被开发用于目标信息分析物检测，如代谢物和电解质。这些传感接口被嵌入到复杂的表皮微流体配置中并与无线电路板连接以实现系统级功能。然而，这种实现在很大程度上集中于单独优化各个模块。现有的系统依赖于平面内的互连和刚性连接器，使得它们易受设备故障(由于分层、滑动、脱落、金属互连开裂等)和外部干扰(如机械噪音)的影响，这两种情况都会导致数据保真度的损失。

近日，美国加州大学电子与计算机工程系Sam Emaminejad课题组通过检测生物标志物信息传递途径，并在基于微流体的传感模块中识别近零应变区域，设计了一个应变隔离途径来维持生物标志物数据的保真度。同时，在此基础上，开发了一种通用的、可自由使用的独立电化学传感系统(FESS)，该系统利用双侧附着，同时实现了传感和平面外信号的互连。FESS解决了可穿戴生物传感、运动状态下以及与消费电子产品集成的问题。并与日常使用的消费电子产品集成。为了说明这一点，FESS与一款定制开发的智能手表实现了无缝连接。它具有汗液采样、电化学传感和数据显示/传输等功能，所有这些功能都在一个独立的可穿戴平台上实现。验证了带有FESS智能手表的鲁棒性。此外，FESS的多功能性可以应用于多种生物标志物。该设计方法可等效地用于构建物理传感接口，以描述与汗液分泌相关的信息指标(例如，开始出汗、汗液分泌率和汗液流失量)。本文报道的主要是针对这款智能手表被用来监测在久坐和高强度运动环境下个人的汗液代谢情况的研究。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（丁雷）

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Yichao Zhao, et al, A wearable freestanding electrochemical sensing system. Sci. Adv. 2020.DOI: 10.1126/sciadv.aaz0007.

一旦获得了原始的单分子定位显微镜(SMLM)数据并得到了发射器的位置，那么接下来如何有效地分析数据将是进一步的挑战。广域或共焦显微镜的图像是由像素阵列组成的，而来自SMLM的数据基本上是由坐标列表表示，每个坐标表示一个点发射器的空间位置。这个列表可以用传统的图像分析工具绘制，但是理想的方法是对原始坐标数据进行操作，而不需要对其进行转换。我们知道，量化单分子定位显微术数据中点的聚集程度对于理解底层样品中分子间的空间关系至关重要。许多现有的计算方法在处理大规模数据集、有效处理样本异构性或应用户要求从而定义的主观分析参数方面能力有限。

近日，英国伦敦国王学院David J. Williamson等人开发了一种有监督机器学习方法来进行聚类分析，该方法快速准确高效。该神经网络通过对各种模拟聚类数据的训练，可以从一个典型的单分子定位显微数据集中对数百万个点进行分类，并有可能包含额外的分类器来刻画聚类的不同子类型。具体来说，使用神经网络（基于来自每个点的最近邻距离的值序列）将来自单分子定位显微镜数据集的点分类为集群或非集群。该网络可以在这样一个序列中识别特征，这使得它能够对点进行高度可靠的分类。研究人员还展示了如何进一步处理由模型标注的数据集，使用点聚类状态的新信息将其划分到单独的集群中。这个过程可以在整个可用数据集上执行，而不需要减少数据或获取昂贵的计算资源。输出可以进一步细化，以测量集群的面积、形状和点密度。研究人员用人T细胞免疫突触中激酶Csk和PAG的模拟数据和实验数据证明了这一方法的可靠性。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

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David J. Williamson,et al, Machine learning for cluster analysis of localization microscopy data.Nature Communications(2020).doi.org/10.1038/s41467-020-15293-x.

在过去的十年中，拓扑光子学已经成为在光子学框架下快速发展的探索拓扑物理思想的领域。该领域的研究始于Haldane和Raghu的理论工作，他们基于磁光介质在光子晶体中构建了类量子霍尔的边界态，并观察了相应光子带隙内的拓扑边缘模式。不久之后，在微波范围内也报道了在磁光光子晶体中这种拓扑边缘模式的实验。

除了为基础科学带来的新观点外，拓扑光子学还为新型光子器件提供了广泛的潜在应用，因为其奇特的功能已经促使人们重新审视一些关于光操纵和传播的传统观点。例如，减少背反射是光波导中的主要挑战，在这种情况下，单向拓扑波导是集成光子学中的理想光传输设备，因为即使在存在固有结构缺陷的情况下，单向拓扑波导也可以传输光且不发生背散射。此外，拓扑光子学也导致了新型光子器件的发展，例如光隔离器，鲁棒延迟线，信号开关，非互易器件和拓扑激光器。

先前的大多数研究都集中在线性拓扑光子系统上。然而，拓扑物理学也能在非线性机制中发挥重要作用，可以导致先前未知的集体现象（collective phenomena）和光的强相关状态。例如，最近在非线性光子系统中实现了量子光的拓扑源，这为开发鲁棒的量子光子器件开辟了一条新途径。近日，来自University College London的研究人员展示了在静态磁场破坏时间反转对称性后，石墨烯超表面中受拓扑保护的四波混合（FWM）相互作用。特别地，由于在此类超表面上大的光学近场增强和石墨烯等离子体激元的长寿命，在小于10nw的超低泵浦功率下，拓扑带隙中等离子体边缘态的FWM相互作用可获得净增益。该器件一显着特征是有效非线性边缘波导系数异常大，为γ≃1.1×10¹³ W^-1 m^-1。据所知，该系数是迄今为止报道的最大的光导物理系统非线性光学系数。相关成果发表在《Science Advances》上。（张子栋）

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https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz3910

尽管基于梁的晶格在过去的二十年中一直占据着力学超材料的主导地位，但低的结构效率将其性能限制在Hashin-Shtrikman和Suquet上限的几分之一，即分别为各向同性蜂窝拓扑的理论刚度和强度极限的几分之一。尽管预计基于板的设计将达到上限，但是由于重大的制造挑战，实验验证仍然难以实现。

最近，通过计算预测，由与晶体结构的最接近堆积面相对应的板块组成的闭孔结构可以达到HS和Suquet的上限。然而，迄今为止，它们的制造复杂性阻止了任何实验验证。三维板格的闭孔拓扑使大多数常规制造路线（如组装技术）不切实际，并且使增材制造（AM）成为唯一合适的方法。

近日，来自University of California的研究人员介绍了一类由闭孔平板结构构成的纳米晶格。该碳板纳米晶格通过双光子聚合直接激光写入（TPP-DLW）以及随后的热解来制造设计的立方+八边形组合结构，并通过原位机械压缩，纳米计算机断层扫描和显微拉曼光谱测试，显示其各向同性弹性刚度和强度达到Hashin-Shtrikman和Suquet上限。这项研究证明了该纳米晶格比散装钻石有更好的特定强度，并且与最佳的束法纳米纤维相比，平均性能提高了639％。该研究与最新的基于梁的设计相比，基于板的拓扑结构将带来巨大的性能提升，并提供了关键的制造见解，以实现高性能板格材料的增材制造。相关成果发表在《Nature Communications》上。（张子栋）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-15434-2

多年来对电磁，声波和弹性波控制的人工周期和局域共振介质的研究为这些结构（称为超构材料）在多个领域和规模的广泛应用奠定了基础。在弹性动力学的背景下，人们特别感兴趣的是由亚波长共振单元组成的结构，因为它们具有低频的带隙（即，受抑制的波传输的频率范围），并且与声子晶体相反，它们不依赖周期性。在许多机械和土木工程实际问题中，在减轻振动的背景下，已经利用了通过共振引起的带隙来减轻波和振动的能力，其中提出了超构材料设计的浪潮。尽管在尺寸和目标频率方面存在差异，但大多数提议的设计还是依赖于结构组件（梁或板）与一系列力学谐振器之间的耦合。在部件内部传播的波会在亚波长范围内引起带隙，例如，在土木工程中，埋在土壤表面（通常称为弹性超构表面或集成在建筑物基础中）的大型力学谐振器阵列提出的目的是使基础结构免受地面振动甚至可能是地震波的干扰

近日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的研究小组通过实验和数值仿真研究了在未固结的颗粒介质中横穿局域共振型超构表面的水平极化剪切波的物理性质。超构表面由嵌入在由二氧化硅微珠制成的颗粒层中的亚波长水平机械谐振器的布置组成。超构表面支撑由谐振器的平移模式引起的频率可定制的衰减区。实验和数值结果表明，当所有谐振器具有相似的谐振频率时，超构表面不仅会部分散射能量，而且还会使谐振器下方的波前重定向，从而导致表面水平的幅度衰减很大。当使用以所谓的分级设计布置的谐振器时，例如，在整个超构表面上谐振频率增加或减小时，出现更复杂的画面。与在双层介质中观察到的机理不同，位于粒状材料表面的剪切波不会转换为体波，尽管发生了与表面的分离，但颗粒状介质的深度相关的速度分布阻止了模式转换，水平极化偏振的剪切波前返回表面。该研究的结果有助于理解嵌入垂直非均质土壤中的共振超构材料中波传播的动力学，因此，对于改进地面振动和地震波遏制的工程设备的设计可能是有价值的。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.034055

 超构表面是经过工程设计的纳米结构界面，包括处于亚波长厚度的等离激元或电介质材料薄层，可通过空间排列的结构单元操纵光的行为。这些结构单元可以直接改变光的性质，例如相位，振幅和偏振，从而扩展了天然材料的光子行为。超构表面提供了不寻常的光学现象，例如光学磁性，负反射，电磁感应的透明性，各向异性和Fano共振。特别地，超构表面通过穿过纳米结构阵列以引起相位和光偏振的快速变化而实现光学控制。这些结构还可以改变感应光的角动量，自旋或量子态，可以提供在平面透镜，全息图，隐形钟表和光子器件中的应用。

然而，由于光刻技术的局限性，当前的制造方法既昂贵又费时，并且小活性区域再现性较低，在这种情况下，感测纳米级稀有生物靶需要宽的活性表面积才能有效结合和检测。来自土耳其毕尔肯大学的研究小组介绍了一个基于塑料模板的可调超表面，该表面具有较大的有效面积和周期性的金属介电层，以激发等离激元的Fano共振跃迁，从而为蛋白质和病毒等小型生物靶标提供多模式和多重感测。通过化学蚀刻步骤可以实现超构表面的可调Fano共振特性，以管理具有等离激元层和周围介电介质的塑料模板的纳米周期。这种与微流体结合的超构表面进一步增强了广泛传感区域的光-物质相互作用，通过跟踪实时生物分子结合事件将数据收集从3D扩展到4D。总体而言，这项工作解决了与成本和复杂性相关的大规模制造难题，并提高了生物传感应用中检测的多层灵敏度。相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1002/adma.201907160

光学器件设计具有模块化的特点，许多不同的光学元件组合在一起以实现复杂的功能。模块化的特点使得光学器件设计更加直观和高效。最近，纳米加工工艺的发展使得具有亚波长特征的单个光学元件也可能具有多功能组合的模块化特点。例如，超透镜设计能够同时实现偏振分离和光谱分离。由于光学设计空间是一个三维空间，具有亚波长折射率分布的三维光学元件提供了广阔的光学设计空间，可用于多功能自由空间光学器件，从而最大限度地利用自由度。然而，三维光学折射率分布设计是一个非常具有挑战性的难题。在高对比度极限下，光学散射函数包含多个散射事件，很难通过基于傅里叶变换的方法加以逆向设计。一种可行的方法是利用拓扑优化。利用全波模拟和伴随方法对折射率变化下器件性能的变化进行评估，然后通过梯度下降法迭代和更新设计，从而实现特定的散射功能。即使在三维光学器件中没有已知的等效原件，这种方法也可以将任意函数组合成一个单一的集成单元。

近日，来自加州理工学院的研究人员利用这种方法设计了一种三维介电光学器件。这种器件横向尺寸为几个波长，能够根据颜色和偏振度对光进行分类和聚焦，其效率大大超过了二维吸收和衍射滤波器。该元件可作为图像传感器上的滤色器阵列，在保持高颜色对比度的同时提高灵敏度。这种器件是通过基于迭代梯度的优化设计，既考虑了多个目标函数，又能同时确保与现有纳米制造工艺的兼容性。该方案为设计新型高灵敏度图像传感器提供了一个新的可行的方案。（朱学艺）

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Philip Camayd-Muñoz, Conner Ballew, Gregory Roberts, and Andrei Faraon, "Multifunctional volumetric meta-optics for color and polarization image sensors," Optica 7, 280-283 (2020) DOI: https://arxiv.org/abs/2002.12890

振幅、相位和偏振是描述光波的基本参数。目前大多数光电探测器仅对光的强度敏感，而偏振和相位参数的探测系统则相对复杂、体积庞大、难以集成。超表面是具有亚波长特性的超薄二维超材料平面，可以灵活地控制光的振幅、相位和偏振。在过去的几年里，超表面已经成为一个多功能的波前调控平台，被广泛应用于紧凑型光学器件如偏振器件、全息和超透镜等。与传统透镜相比，超透镜具有更小的体积和无球面像差的优点。因此，对超透镜的研究正成为超表面光学领域最热门的研究方向之一。相对于等离基元超表面而言，介电超透镜损耗更小，因而更适用于可见光和近红外波段。介电平面超透镜制造简单，并且更容易集成，可以作为传统衍射器件和折射器件的替代或补充，促进了高性能光学器件和系统的发展。

近日，来自华中科技大学、上海交通大学和中南大学的研究人员报道了一种用于1550nm波段的介电超透镜阵列，能够应用于多参数探测。超透镜的基本单元由椭圆硅柱组成。硅基超透镜阵列的每个像素由一个2×2的亚微米阵列组成，它们可以将不同的偏振光汇聚到焦平面上。通过检测聚焦点的位置和强度，可以测量入射光束的相位梯度和偏振态。这种结构具有较高的空间分辨率，有利于在光学成像和光学检测中的应用。此外，通过设计并优化每个超透镜的单元尺寸，能够获得较高的透射率，平均聚焦效率能够达到48%。在实验中，研究人员首先用阵列的一个像素精确地描述了22种不同入射偏振光的偏振态。理论结果与实验结果的平均相对误差为4.24%。接下来，研究人员检测了两个具有非恒定偏振态的普通光束（径向偏振光和方位偏振光）和一个具有螺旋波前的涡旋光束，证明这种设计也适用于具有复杂偏振态和波前的光束。（朱学艺）

文章链接：

Yuxi Wang, Zhaokun Wang, Xing Feng, Ming Zhao, Cheng Zeng, Guangqiang He, Zhenyu Yang, Yu Zheng, and Jinsong Xia, "Dielectric metalens-based Hartmann–Shack array for a high-efficiency optical multiparameter detection system," Photon. Res. 8, 482-489 (2020)

DOI: 10.1364/PRJ.383772

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