超材料前沿研究一周精选 2020年2月17日-2020年2月23日- 大数跨境

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超材料前沿研究一周精选 2020年2月17日-2020年2月23日

两江科技评论

2020-02-23

导读：今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及混响双光子多平面显微成像、平移变形的拓扑边界模式、金刚石微盘谐振腔实现全光调谐等敬请期待！

今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及混响双光子多平面显微成像、平移变形的拓扑边界模式、金刚石微盘谐振腔实现全光调谐等敬请期待！

索引

1.混响双光子多平面显微成像

2.亚毫米空间分辨率的光声脑刺激

3.时间调制热发射光子制冷

4.平移变形的拓扑边界模式

5.双曲超构材料中磁性可调的近场辐射热传递

6.金刚石微盘谐振腔实现全光调谐

7.对称性破缺诱导的等离基元奇异点和纳米尺度传感

8.基于同类偶极子激发的惠更斯超表面

9.具有四重简并类狄拉克点的三维声学双零常数介质

混响双光子多平面显微成像

大脑许多区域，如新皮质和嗅球，被垂直地包含在不同细胞类型的层内，不同细胞类型具有不同的活动轮廓，并投射到不同的下游目标。因此，在大深度上进行快速成像对于捕获分层环境中神经元种群的动态是必不可少的。多光子显微镜（MPM）在三维体成像的标准方法是用振镜进行x-y扫描，然后调整显微镜物镜进行z扫描，但这是一种缓慢而繁琐的方法。

通过有目的地降低图像分辨率可以提高成像速度，也可以通过使用更快的z扫描机制来实现，例如电调谐透镜、变形镜、语音线圈或可调谐声学梯度（TAG）透镜来实现。以上方法虽然快速，但是通常要牺牲轴向分辨率。轴向定位和分割可以在提取后计算，但需要计算模型或关于样本结构的先验知识。因此，这种涉及同时空间复用照明的解决方案最适合稀疏样本成像。高速检测电子设备的使用开辟了新的途径，通过将照明光束分成几个（最多四个）不同路径长度的光束，使用快速检测电子设备及时区分每个光束产生的信号。通过将每个波束聚焦到样本中的不同深度，可以从一次横向扫描中同时获得几个平面。然而，这样的空间速度复用随着波束数量的增加而变得技术上笨重，并且当光束的数量大于两个时会导致激光功率损失（除非焦平面在横向方向上倾斜）。

最近，来自美国波士顿大学（Boston University）的研究人员提出了一种简化的时空多路复用三维成像技术。通过执行近瞬时轴向扫描，同时保持三维微米尺度分辨率，实现了视频速率的多平面成像。该技术，称为混响显微镜，能够在大深度范围内监测神经元，并且可以作为传统设计的一个简单附加组件来实现。文章以Simultaneous multiplane imaging with reverberation two-photon microscopy为题发表在Nature Methods上。（短文作者：鲁强兵）

a、显微镜布局示意图。对于每一个输入激光脉冲，混响回路产生一个在空间和时间上分离的无限系列光束焦点，荧光在平面在第5个之后的样品表面自然终止。焦距之间的空间间隔（Δz）通过调节带有平移级的环路的路径长度来控制，甚至在成像过程中也可以实现。

b、脉冲光照明和相应荧光信号的序列和功率（例如使用4-ns荧光寿命）。这里选择的Δz使得所有平面都具有可比较的荧光。c、横向和轴向点扩展函数在每个平面具有90微米间隔。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41592-019-0728-9

DOI：10.1038/s41592-019-0728-9

亚毫米空间分辨率的光声脑刺激

超声调节是一种新兴的神经调节技术，具有非侵入性调节脑活动的潜力。使用高强度超声波进行神经调节的早期报道可以追溯到20世纪20年代。在过去的十年中，使用低强度、低频聚焦超声的神经刺激已经被证明能够直接激发啮齿动物、兔子、非人灵长类动物的动作电位，并通过非热机制调节人类的感觉/运动反应。超声神经调节所面临的一个主要挑战是，经颅超声的传输不可避免地会穿过颅骨，最终通过骨传导到达耳蜗，引发争议。此外，颅骨的存在会反射声波并破坏超声焦点，导致几毫米的空间分辨率，这对于小型啮齿动物特定区域的大脑刺激是不够的。

另一种产生超声波的方法是通过光声效应。在光声过程中，脉冲光照射在吸收体上，引起瞬态加热和热膨胀，并在超声波频率下产生宽带声波。近年来，光声效应在成像和医学领域受到越来越多的关注。利用内源性和外源性吸收剂，光声断层扫描和显微镜已经发现了广泛的生物医学应用。更具体地说，光声断层扫描可以对大脑结构进行成像，也可以以非侵入性的方式实现功能成像。

最近，来自美国波士顿大学（Boston University）和中国浙江大学的研究人员报道通过微型光纤光声转换器（FOC）进行空间受限的光声神经刺激。FOC直径为600微米，通过光声效应在光纤端部局部产生全向超声波。结果表明，FOC产生的声波能直接激活单个培养神经元，产生细胞内Ca²⁺瞬变。与传统的压电式低频超声换能器相比，FOC能激活纤维尖端周围500微米半径范围内的神经元，提供更高的空间分辨率。最后展示了直接和空间受限的小鼠大脑神经刺激和运动活动的调节。研究工作以Optoacoustic brain stimulation at submillimeter spatial precision为标题发表在Nature Communications上。（短文作者：鲁强兵）

a.通过FOC进行光声神经调节的概念。插入物是在立体镜下放大的焦点尖端。b.声波产生原理图。c. 用换能器记录的光声声波。d、e聚焦声波的射频频谱和角强度分布。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14706-1

DOI：10.1038/s41467-020-14706-1

时间调制热发射光子制冷

热辐射是自然界的一个基本现象，对能源技术至关重要。亚波长纳米光子结构的最新进展为控制热辐射提供了新的可能性，并使被动辐射冷却等新的应用成为可能。然而，现有的几乎所有热辐射控制方法都集中在被动系统上，因为根据热力学第二定律，热只能从高温物体流向低温物体。

Latella等人考虑两个物体之间的辐射热交换，并认为其中至少一个物体的温度在时间上振荡。当两个物体具有相同的时间平均温度时，他们观察到一种辐射穿梭效应，两个物体之间会有一个净热流。然而，在他们的系统中，物体在任何给定的时间都处于热平衡状态，瞬时热流总是从较热的物体流向较冷的物体。近年来，折射率随时间调制系统为光子的操控提供了令人兴奋的机会，如光隔离和发射与吸收之间对称性的破坏。虽然时间调制系统如电光调制器在光学信息处理中得到了广泛的应用，但这种调制的热力学意义还没有被发现。

最近，来自美国斯坦福大学（Stanford University）的研究人员发展了一种统计-时间耦合模式理论，证明了热光子系统的时间折射率调制可以用于将低温热源的热量泵送到高温热源，从而实现纯光子制冷机制。此外，通过严格的波动电动力学方法，验证了理论预测，并通过数值模拟光子制冷，计算了从一定温度下的时间调制结构到较高温度下的被动热发射体的传热。文章以Photonic Refrigeration from Time-Modulated Thermal Emission为题发表在PHYSICAL REVIEW LETTERS上。（短文作者：鲁强兵）

（a）利用时间调制耦合频率ω₁,ω₂的两个模式，在Tc的冷侧和Th的热侧之间工作的热光子制冷机的一般设置（紫色箭头）。（b）净冷却功率（蓝色曲线）和工作输入（红色曲线）在V=2γ，Th=300 K和Tc=290 K下两种模式频率比的函数。（c）制冷机的性能系数（COP）标准化为卡诺曲线。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.077402

DOI：10.1103/PhysRevLett.124.077402

平移变形的拓扑边界模式

在1930年代，科学家预测了电子在固体表面附近的局域态。多年后，肖克利提出了另一种基于原子轨道的能带反转产生表面态的机制。晶体内部的杂质和晶格缺陷也会产生局域态，这在掺杂半导体中起着重要作用。虽然首先研究了这种局域态的电子，但它们普遍出现在各种波动系统中，在电子超晶格，光子和磁光晶体，等离激元和声子晶体中已观察到零维局域态。拓扑绝缘体的最新发现为从拓扑角度理解各种波动系统的表面状态提供了新的思路。在时间反转对称下，绝缘体中能带的体电子态通常以Z2拓扑不变性为特征。

当周期性电势被缺陷扰动或终止于其表面时，局域态普遍出现。近日，来自日本东京大学的Yosuke Nakata研究小组在理论上和实验上演示了一种通过周期性电势的连续平移变形生成局域态的机制。研究者提供了变形下局域态出现的严格证明。该机制已在微波光子晶体中进行了实验验证，还演示了平移光子晶体反射波的拓扑相的弯曲。总而言之，研究者演示了一种场景，该场景通过类似于经典螺杆泵的平移变形产生局域态。该机制不限于特定的物理系统，相反，它对于任何波动系统都是通用的。现在，即使没有子晶格或反对称性，系统中的局部状态也被解释为拓扑边界模式。在空间边界处的终止被理解为设计的自由度，并且可以用于调整边界模式的空间定位。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.124.073901

双曲超构材料中磁性可调的近场辐射热传递

辐射热传递是最普遍的物理现象之一，在凝聚态物理，光子学等学科中具有许多基础和技术意义。因此，对它的深入了解对于涉及光-物质相互作用的许多不同领域具有重要意义，包括辐射能收集，辐射冷却和红外隐身。众所周知，当两个黑体之间的真空间隙的宽度大于热波长时，热通量由著名的普朗克定律描述。由于倏逝波在近场状态中的巨大贡献，可以通过将物体置于足够接近的位置（小于热波长）来显著克服该定律。这种现象最初是由Polder和Van Hove在理论上使用波动电动力学的框架预测的，并已在各种配置中进行了实验证明。

由于其令人兴奋的应用潜力，主动控制辐射传热处于活跃状态。近日，来自华中科技大学的Qiang Cheng研究小组提出了使用外部磁场在两个多层双曲超构材料（由磁光材料和电介质的交替组成）之间动态可调近场辐射热传递（NFRHT）的理论演示。研究者表明，磁化双曲线模式在辐射热传递中起着重要作用，并允许高度可调的热通量。此外，本征和磁化双曲线模式的混合显著增强了辐射传热。特别是，发现由于非零对角元素而导致的极化转换使TE极化的光谱传热系数与TM极化的光谱传热系数一样大，这与两个紧密间隔的磁光板的情况大不相同。此外，为了定量表征热调制，在该系统中显示出负的热磁阻效应，当磁场强度达到10 T时，其接近−59.6％。这项发现对于纳米级的主动非接触式热管理可能是有益的，并有助于从NFRHT角度更深入地了解磁光双曲线超材料的机理。介绍了相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024054

金刚石微盘谐振腔实现全光调谐

金刚石是一种具有广泛应用的光学材料，无论是单晶形式还是具有色心的金刚石都具有极大应用价值，其应用范围涵盖高分辨率磁力分析到量子信息处理等多个领域。单晶金刚石(SCD)能够用于光场限制，从而在集成光子技术中也具有重要价值，在强光-物质相互作用下能够应用于拉曼激光、purcell增强单光子发射器、光力学和非线性光学等。然而，可用的单晶材料的样品尺寸小，并且其光学性能难以调节，是金刚石集成光子技术规模化的障碍。这两个问题都可以通过使用高精度的微装配方法将微米级金刚石器件集成到片上光子集成光路上加以解决。

近日，来自英国斯特拉斯克莱德大学、沃里克大学、格拉斯哥大学工程学院的联合研究团队提出了一种在微型组件的基础上将高质量SCD设备与预制光子集成电路（PIC）集成在第二材料平台上的方法。金刚石微盘谐振器与标准的单模绝缘体上硅波导集成在一起，在一系列空间模式下的平均品质因子为3.1×10⁴，最大品质因子为1.05×10⁵。通过创建可转移的整体式金刚石器件，消除了SCD基板尺寸的限制，从而实现了金刚石按需混合光学系统设计。此外，金刚石微谐振器可通过无胶工艺直接印刷到二氧化硅上。这在金刚石与其主体硅衬底之间产生了高热阻界面，从而允许使用毫瓦级光学泵在450 pm范围内实现显著的热负载和连续谐振波长调谐。这种灵活的金刚石集成技术为具有大尺寸光子电路耦合的可调谐设备铺平了道路。(短文作者：朱学艺)

文章链接：Paul Hill, Charalambos Klitis, Benoit Guilhabert, Marc Sorel, Erdan Gu, Martin D. Dawson, and Michael J. Strain, "All-optical tuning of a diamond micro-disk resonator on silicon," Photon. Res. 8, 318-324 (2020)

对称性破缺诱导的等离基元奇异点和纳米尺度传感

开放系统中系统发生自发对称破缺的状态叫做奇异点（exceptional points），奇异点可以由两个或多个非厄米哈密顿量的本征值简并形成，对应的特征向量也发生简并。奇异点与厄米光学简并点的不同体现在对于系统微扰的响应特性。在厄米光学简并点处施加微扰，其光谱本征值变化强度与微扰强度成正比。而在非厄米系统奇异点处对光学系统施加微扰，其本征值变化与微扰强度的关系为，其中N 表示奇异点的简并次数。因此，当系统的微扰足够小时，在奇异点处所造成的本征值变化会比常规的光学简并点本征值变化更大，这种奇异点的特殊性质在传感器方面具有极大的应用价值。但是到目前为止，对EPs的观察仅限于受衍射极限限制的尺度范围。

等离子体是一种自由电子与光子耦合的集体振荡模式，能够将光的波长缩小到分子甚至电子尺度。近日，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究团队报道了一种对称性破缺诱导的等离基元奇异点，并在室温下成功观测到了这一奇异点。该等离子体奇异点是基于多层等离子结构中失谐共振杂化结构。当结构中共振和损耗率相等时，在纳米天线阵列之间能够达到临界的共振耦合速率。研究人员利用这一器件成功构建了抗免疫球蛋白（人血清中最丰富的免疫球蛋白类型）传感器。这一成果为基于奇异点探测增强的新型纳米器件、传感器和成像器件开辟了道路。(短文作者：朱学艺)

文章链接：

Park, J., Ndao, A., Cai, W. et al. Symmetry-breaking-induced plasmonic exceptional points and nanoscale sensing. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0796-x

基于同类偶极子激发的惠更斯超表面

近年来，超表面已被用于实现对波传播的多功能操纵：例如光束异常转向，聚焦，偏振控制，全息照成像等。通过调制波的振幅和相位，超表面可以重塑波前以使其符合惠更斯原理。超表面最初由广义斯涅尔定义来描述，并通过等离激元纳米谐振器的交叉耦合来实现。之后，超表面被推广用于实现高效率的异常反射以及针对不同偏振的波前调制工程。由于其强大的功能和紧凑的尺寸，超表面正受到越来越多的关注。

然而，效率和带宽一直是超表面的两大难题，特别是对于透射超表面而言。为了增加透射率，应尽可能减少反射和吸收。对于抑制反射，通常通过通过引入多层混合等离子体电介质纳米谐振器来实现阻抗匹配。另一方面，采用介电纳米谐振器来最大程度地减小吸收。然而，电和磁模式之间本质的区别和色散的差异大大限制了这一类超表面的带宽。

近日，来自暨南大学的Tianhua Feng研究团队构建了一种利用同质偶极子对线性偏振光的激发来实现高效宽带的全介电双偶极子阵列：通过调节偶极子之间的幅度和相位关系，可以实现完全透射和2π的相位变化。更进一步，研究人员利用硅基双纳米盘（dual-nanodisk）光学超表面对其模拟结果进行了验证，实现了高效率、宽带的光束偏转和聚焦。该工作对高效宽频的超表面波前调制器件的研究和设计有一定的指导意义，发表在《Physical Review Applied》上。(短文作者：王济乾)

DOI：10.1103/PhysRevApplied.13.021002

具有四重简并类狄拉克点的三维声学双零常数介质

波在一个或多个固有参数消失的介质中传播不会积累任何相位延迟，利用这一特性可以以独特的方式实现波的操纵，例如：波前调制、物体的隐身、波隧穿、非对称传输以及光子掺杂等。单零常数的介质，只有一个固有参数接近于零，通常会与背景产生很大的阻抗失配，这不利于实际应用。双零常数介质(DZIM)由于其有效阻抗有限，固有参数均接近于零，则可以克服这一障碍。在过去的十年中，已经报道了几种方法来实现二维双零常数介质，包括类狄拉克锥色散、单一零常数介质的掺杂以及利用PT对称性。

然而，二维双零常数介质仅限于对面内波的操控。三维双零常数介质可以突破这一限制并实现更高级的功能。可是在二维双零常数介质中被广泛采用的策略，例如偶极和单极模的简并，在三维体系中是不适用的，这使得三维双零常数介质的实现成为一个挑战。

近日，来自阿卜杜拉国王科技大学、香港浸会大学的研究人员及其合作者利用金属棒立方晶格第一次实现了三维声学双零常数介质。通过在在布里渊区中心构造一个四次简并的锥状色散点，使得材料的等效质量密度和劲度（compressibility）系数同时接近于零。为了演示这种新介质的性能，研究人员以“潜望镜”的形式制作了三维双零常数介质的声学波导，并观察到了垂直入射的平面波通过波导后，在波导出口处产生的无畸变平面波前。该研究填补了可实现声三维双零常数介质研究的空白，对声波传播的控制具有很大的实用意义。文章于近日发表在《Physical Review Letters》上。(短文作者：王济乾)