超材料前沿研究”一周精选 2019年4月15日-4月21日- 大数跨境

超材料前沿研究”一周精选 2019年4月15日-4月21日

两江科技评论

2019-04-21

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及非线性超表面生成时空特性可调的太赫兹波包、疏水纳米晶体制剂的光-热转换动力学研究、多光束干涉的宽带超材料波片、微型化高度选择性聚焦声涡旋型声学“

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及非线性超表面生成时空特性可调的太赫兹波包、疏水纳米晶体制剂的光-热转换动力学研究、多光束干涉的宽带超材料波片、微型化高度选择性聚焦声涡旋型声学“镊子”等10篇前沿介绍敬请关注！

索引

1.非线性超表面生成时空特性可调的太赫兹波包

2. 疏水纳米晶体制剂的光-热转换动力学研究

3. 多光束干涉的宽带超材料波片

4. 微型化高度选择性聚焦声涡旋型声学“镊子”

5. 一种基于微光纤法布里-珀罗干涉的高灵敏温度传感器

6. 单激发诱导的多光学特性调制

7. 基于生物力学的局部神经活动快速成像

8. 磁调制接触共振对表面-声波色散的调谐

9. 基于混合方形/菱形微腔的可调谐单模激光器

10. 基于光学复合介质的通用可重构线性器件

1、非线性超表面生成时空特性可调的太赫兹波包（Generation of spatiotemporally tailored terahertz wavepackets by nonlinear metasurfaces）

——从工程化的非线性超表面生成结构化单周期太赫兹波包的新方法。

太赫兹（THz）光谱带（10¹¹-10¹³Hz）位于红外和微波之间。太赫兹波的产生和探测是人们非常需要的，因为它可以探测甚至调控低能量自由度，如分子中的旋转、分子晶体中的共振、半导体中的激子等等。由于许多材料对太赫兹辐射都是透明的，因此它也是通过光学不透明样品进行高分辨成像和光谱分析的绝佳工具。此外单周期太赫兹脉冲还可以进行时间分辨成像和深度分辨断层扫描，可用于重要的生物医学和安全应用。然而，由于缺乏有效生成、检测和调控太赫兹波的简单方法，太赫兹波的实际应用受到阻碍。最近的研究表明，均匀的非线性超表面（Nonlinear metasurface, NLMS）可以有效地产生宽带单周期太赫兹脉冲。

近期，来自以色列特拉维夫大学的研究团队展示了一种包含超表面的单发射器，可以对发射的太赫兹波包的时空特性进行前所未有的调控。实验证实了时空四极子的传播以及设计好角度色散的太赫兹脉冲的产生。这种非线性超表面可以取代太赫兹生成系统中的传统非线性晶体，在不牺牲效率的情况下提供新的功能，避免声子相互作用或相位不匹配的情况，并可能获得更大的太赫兹带宽。这种前所未有的功能克服了传统太赫兹生成和调控方案的一些局限性，为先进的太赫兹技术奠定了基础，例如光束多路复用、结构光太赫兹成像、单次射线光谱、太赫兹全息、粒子操纵和结构化太赫兹光物质相互作用等等。它还可以用于研究时空受限的结构场，例如所谓的飞行电磁环以及太赫兹贝塞尔光束和携带轨道角动量的脉冲。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：

Shay Keren-Zur, Mai Tal1, Sharly Fleischer, et al. Generation of spatiotemporally tailored terahertz wavepackets by nonlinear metasurfaces, Nature Communications 10: 1778 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09811-9

2.PNAS：疏水纳米晶体制剂的光-热转换动力学研究

在过去的十年中，无论是在基础研究还是应用研究，纳米晶的光热转换特性一直引人关注，其中，应用在癌症治疗上的光热疗法是最引人瞩目的应用。在这种疗法中，纳米晶受到光辐射后，将光能转换为热能，随着温度的升高，最终选择性地杀死癌细胞，并尽量降低对正常组织的侵入性损伤。

金纳米粒子是这一领域研究最多的纳米晶。理解纳米晶在光激发下的能量传递路径以及转换效率有利于开发下一代，更高效的光热转换纳米材料。由纳米晶产生的等离激元，光热转换的实现主要是一系列动态弛豫的级联。例如，电子-电子散射、电子-声子散射（以及随后的声子振动去相位）和声子-声子散射，后者在从每个纳米颗粒到其微环境的热传递中达到高大值。最近，一些作者制备了一些复合纳米结构，它们由疏水性无机纳米晶组成，由亲水性有机材料（囊泡、表面活性剂、胶体）包裹。纳米晶通常在干燥的结构中被广泛研究，但是这些结构在水溶液中很难稳定，这严重限制了基于纳米晶在光致热剂上的开发。

最近，来自莱斯大学（Rice University）的研究人员结合超快光谱学和半经典模型研究了各种水溶性纳米晶制剂的光热特性。在可见光和近红外波段利用~100 fs时间分辨率进行的宽带泵浦-探针实验，揭示了它们的瞬态光学响应的复杂过程。通过跟踪整个过程的能量耗散路径，从单个纳米晶体的光吸收开始，然后是不平衡载流子的激发，接着是电子-声子平衡，这些过程只需要几微秒就可以进行，最后是在100 ps时间尺度上把热量释放到基体内。本文还使用二维有限元方法，模拟计算了纳米晶制剂在超快激光作用下的能量流动动力学模型。与此同时，多温度建模使我们能够确定这类纳米材料中光-热转换的关键机制。

（a）用于二维数值模拟的几何网格结构。插图显示了网格的放大，以突出显示单个AU区域。（b）在400 nm波长下吸收泵脉冲后的模拟功率密度。（c）由金属纳米晶（绿色）和有机基质（青色）制成的两相制剂示意图，以及用于模拟泵-探针实验的基本原理，四个动态变量中的每一个都对两相的介电常数产生单独的贡献。（d和e）在（d）短时间标度和（e）长时间标度上不同动态变量的温度-时间曲线。

文章链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/04/04/1817850116

DOI：10.1073/pnas.1817850116

3.多光束干涉的宽带超材料波片

在基础物理学和许多自由空间和集成光子学应用中，调控电磁波的偏振态非常重要。传统上，使用由天然双折射晶体和亚波长光栅制成的波片实现不同类型的偏振态之间的转换，但是由于有限的双折射率（Δn，通常小于0.3）限制，需要大的器件厚度来累积相位差。此外，由于双折射率对频率依赖，这种WP天然地表现出很窄的频域带宽。超材料为在亚波长尺度上对具有可控振幅、相位和极化的电磁波进行精准控制提供了前所未有的方法。迄今为止, 已经提出并展示了许多基于超材料的波片, 并在从微波到可见光频率的整个光谱系统中进行了演示。此外, 它们还具有许多优点, 例如紧凑性、灵活性和易于集成在芯片上, 这在传统的基于双折射晶体的波片中是无法实现的。

超材料在操纵光极化状态方面引起了相当大的研究兴趣, 但许多建议都存在带宽窄、传输效率低的问题。近日，来自华中科技大学的Lin Chen团队证明了一种经典的多波束干涉机制可以用来调节超材料中发射波的相位色散, 这促使建立一个通用的策略, 通过独立控制两个正交偏振的相色散。作者推导出一个标准, 在这个标准下, 在宽频带上, 超材料器件之间的交叉极化相位差可以保持在几乎恒定的值。共同设计的材料四分之一波板在宽频带上具有出色的偏振转换性能。采用全波模拟, 根据所建议的设计策略, 在通讯频率和太赫兹频率上演示宽带四分之一波片。研究结果可以引发基于不同频率域的各种超材料的高性能宽带光学器件的制作, 并影响众多光子设备的应用。相关研究发表在《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https//journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.044042

4.微型化高度选择性聚焦声涡旋型声学“镊子”

基于聚焦声学涡流的声学镊子可以实现对毫米级至亚微米级粒子，微生物和细胞进行无接触地精确地操作，并且具有前所未有的选择性和捕获力。然而，现在该技术受限于其当前系统性能、微型化和可集成等方面的影响，严重限制阻碍了它的广泛传播。近期来自的法国的里尔大学的研究人员，研发出一个平面、紧凑、成对的单电极聚焦声学镊子，通过该“镊子”可以产生聚焦声学涡流。聚焦涡旋声学镊子的实现主要依赖于平坦的压电基板上的螺旋型换能器，该换能器是获得涡旋声场的关键。论文中展示了这些镊子在标准微流体环境中具有以高度选择性抓取和取代微米物体的能力。该系统的简易性及其可在高频率的可扩展性，使其在微生物学，微机器人和显微镜方面具有很大的应用前景。该研究工作发表在《Science Advances》杂志上。

文章链接：

Michael Baudoin1, Jean-Claude Gerbedoen, Antoine Riaud, Olivier Bou Matar, Nikolay Smagin and Jean-Louis Thomas, Folding a focalized acoustical vortex on a flat holographic transducer: Miniaturized selective acoustical tweezers, Science Advances 12 Apr 2019: Vol. 5, no. 4, eaav1967.

5. 一种基于微光纤法布里-珀罗干涉的高灵敏温度传感器

温度作为一个典型的物理参数，在临床医学、生化反应、工业生产、航空安全等诸多领域必须进行精确的测量和控制。近年来，光纤温度传感器因其与电传感器相比具有远程监测能力、灵敏度高、抗电磁干扰性能、固有安全性等独特优势，引起相关领域科研人员的极大兴趣。目前研究人员通过光学耦合技术的共振增强效应、多模干涉、光倏逝场、光时域反射和不同光纤结构产生的光衰技术，制备各种光纤温度传感器。但是仍有一些关键性的问题有待解决。例如，虽然微/纳米纤具有优异的性能，但是基于它们的传感器探头直径很小、对环境敏感等特点，因此制造难度较大，而且考虑实际应用的话加工成本又高。

近日，东北大学李晋等人采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将微光纤封装在一根空心(HCF)内，设计了一种微型法布里-珀罗温度探头。微光纤端部和普通单模光纤端头作为法布里-珀罗干涉仪的反射面。实验结果表明，该传感器的灵敏度为11.86 nm/ ℃，并且在43到50 ℃温度范围内线性效应非常好。这种高灵敏度依赖于PDMS具有较大的热膨胀系数。由于PDMS物理化学特性，该温度传感器的工作温度不能超过200 ℃。然而由于其低成本、快速的制造工艺、紧凑的结构和低于10^-⁴ ℃的温度分辨率等优点，使其在探测具有超高温度灵敏度和精度等领域具有很大的应用前景。

文章链接：

Zhoubing Li, Yue Zhang et al. A High Sensitivity Temperature Sensing Probe Based on Microfiber Fabry-Perot Interference(2019).

DOI:10.3390/s19081819.

6. 单激发诱导的多光学特性调制

智能光学材料在有源光学、显示、传感、能量转换、军用伪装和人工智能等领域中具有很大的应用前景。通过外部刺激对光信号的实时调制也一直是人们研究的热点，这也促进了不同类型智能光学材料（SOM）的发展，例如液晶显示器（LCD），它基于电响应液晶的光调制特性；响应光子晶体，它依赖于衍射波长或强度的刺激控制调谐。尽管SOM的研究取得了许多进展，但大多数系统仅允许调制单个光学特性，这极大地阻碍了它们在许多领域的应用。因此，开发一种新的策略来调整同一材料的多种光学特性，尤其是通过单一的刺激来实现，可显著减少冗余制造过程和成本，这也成为一个新兴的研究热点。

苏州大学何乐教授、张晓宏教授和多伦多大学Geoffrey A. Ozin教授合作，以核壳结构Fe₃O₄@SiO₂纳米棒的晶体胶体阵列(CCA)为基础，研制了一种新型多磁光响应的智能光学材料。小角度X射线散射研究表明，这些纳米棒在浓缩悬浮液中形成了独特的单斜晶体。这种独特的系统结合了磁响应光子晶体(MRPCs)和磁响应液晶(MRLCs)的特性，以光子带隙和双折射的形式表现出光学各向异性，因此仅通过单一刺激即可调制结构颜色和透射率两种光学特性。施加低至50高斯的磁场，开关速率可以达到50Hz。作为概念验证，他们还展示了一种双功能显示器和防伪器件的制造，其反射颜色和透明度可以通过外部磁场动态调控，同时开关率可基于磁场方向进行调制。这种材料具有巨大的应用潜力，例如增强防伪安全性、同时具有反射和传输模式的显示和写入器件，以及可在透明和不透明状态之间快速可逆切换的智能窗口。相关工作于近日发表在《Advanced Materials》期刊上。

文章链接:

Hai Li ,Chaoran Li ,Wei Sun ,Yuzhu Wang ,Wenqiang Hua ,Jingjing Liu ,Shumin Zhang ,Zhijie Chen,Shenghua Wang ,Zhiyi Wu ,Qishan Zhu ,Rujun Tang ,Jia Yu ,Le He ,Geoffrey A. Ozin,Xiaohong Zhang , Single‐Stimulus‐Induced Modulation of Multiple Optical Properties.Adv.Mater.https://doi.org/10.1002/adma.201900388

7.基于生物力学的局部神经活动快速成像

无创伤，非侵入的方法实现对神经元活动的成像技术对脑科学的发展至关重要。传统上功能磁共振成像（fMRI）通过测量血氧水平或者血流速度的变化来反映神经活动的强度。然而，神经活动引起血流速度的变化和血氧水平的变化是一个缓慢的过程，这就极大地限制功能磁共振成像瞬间捕获神经活动的能力，目前截止频率约为0.1赫兹。事实上，许多高层次的认知过程在10到100 ms的时间尺度上演变。

与神经血管对神经元活动的反应缓慢相反，细胞水平的机械变化可非常快快。在~5 ms的时间尺度上观察到神经纤维在动作电位期间的“膨胀”。通过体外培养神经元研究发现，当电刺激神经元时，由离子和水的跨膜流动或细胞骨架形状变化将会引起神经纤维束物理上的位移和肿胀，在动作电位激发停止后又回到基线。当脊柱尺寸约为1μm时，收缩幅度约为5%至10%。迄今为止，这些先前的研究仅限于体外工作，主要是侵入性检测方法。

近期来自马萨诸塞州波士顿布里格姆妇女医院（Brigham and Women’s Hospital），哈佛医学院（Harvard Medical School,）等机构的研究人员提出了一种非侵入性的空间可视化方法，用于测量由神经元活动引起的快速局部化刚度变化（stiffness changes）。这项技术使我们能够表征在重复的电刺激开/关周期中的小鼠大脑刚度变化的时空演化过程，该周期覆盖两个数量级的时间尺度，最小可以到100 ms。研究发现，在0.1到10赫兹的两个频率级上，对小鼠后爪的重复电刺激，大脑的刚度变化约为10%。在小鼠身上证明了刚度调制的区域模式与刺激开关同步，并随频率变化。对于非常快的刺激（100毫秒），机械变化主要位于丘脑，传入皮质输入的中继位置。本研究结果证明了一种快速无创跟踪大脑功能活动的新方法。

（a）剪切波位移场二维数值模拟。（b）：（a）中沿橙色线的位移图，显示了刚性椭球中波长的增加和介质摩擦力导致的波衰减。（c）适应鼠头部摇动式MRE系统。青色双箭头指示可移动前部的旋转方向。（d）t2加权的解剖图像。（e）在一个时间点通过切片方向测量的位移场。（f）在后肢放置电刺激针。（g）总诱发位移幅度（μm）。（h）重建过程后产生的复数剪切模量中实部的剪切模量。

文章链接：

Samuel Patz1, Daniel Fovargue, Katharina Schregel et al.Imaging localized neuronal activity at fast time scales through biomechanics. Science Advances (2019).

DOI: 10.1126/sciadv.aav3816.

8.磁调制接触共振对表面-声波色散的调谐

控制表面声波的传播可以提供一个独特的机会来设计截然不同的尺度的设备，从微米，纳米尺度的通信系统中的紧凑型无线电组件，到地球物理尺度的地震斗篷和波屏障。这些应用需要设计结构化的表面层, 例如声子晶体和超材料, 它们可以与表面声波相互作用并控制其色散特性。例如, 弹性基板上微观孔的周期性结构可用于设计用于表面声波和波导的滤波器。

近日，来自加州理工学院的Antonio Palermo提出并演示了一种表面声波操作策略, 该策略涉及通过外部磁场控制的基于接触的铁磁谐振器。其桌面实验设置包括一个薄板, 作为一个二维模型, 配备了一系列铁磁谐振器在板的边缘。紧凑型设置用于实验测量板边缘波的调谐, 其色散特性类似于半无限介质中的表面声波。通过改变第二个永磁阵列的位置来调整铁磁珠的共振, 从而改变杂化带隙发生的频率范围，该谐振器与薄的永磁体接触, 并位于弹性板的自由边缘。另一组磁体, 放置在控制珠子和改变距离, 用来改变接触刚度和固有频率的谐振器上。利用谐振来通过边缘波杂化来打开大频带间隙, 并实施调谐策略来改变它们的频率范围，通过数值模型预测了杂化边缘波的调谐色散特性, 并通过激光振动测量对其进行了实验重建, 得到了很好的一致性。利用磁相互作用和接触力学作为表面声波系统的调谐策略, 可以为传感和电子元件的可编程器件铺平道路。虽然我们使用这个平台来演示带隙的移动, 但同样的方法可以无缝地扩展到其他波的操作效果, 比如亚波长波导或透镜成像。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https：//journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.11.044057

9.基于混合方形/菱形微腔的可调谐单模激光器

波长可调的半导体激光器对高速、大数据量光通信互连具有重要的意义。现有的技术包括分布式反馈（DFB）激光器阵列、分布式布拉格反射（DBR）激光器、采样光栅DBR激光器、超结构光栅DBR激光器和数字超模DBR激光器等都被用于实现波长调谐半导体激光器。此外，基于Vernier效应的耦合腔激光器，例如蚀刻槽和解离耦合腔激光器、Y分支激光器、V型耦合腔激光器和耦合环激光器等都能够被应用于单模和可调谐半导体激光器。最近，据报道，基于蚀刻槽的激光器和多通道干涉激光器在波长调谐范围和侧模抑制比方面实现了良好的性能。此外，已经证明了由方形微腔和法布里 - 珀罗（FP）腔组成的混合方形/矩形激光器，用于模式因子控制和单模操作。然而，混合方形/矩形激光器的FP腔中的耦合模场模式是基本横向模式和对称高阶模式的混合，这会降低其在单模光纤中的耦合效率。为了改善这种耦合腔的性能，有必要优化模场图形并增加FP腔中基本横模的比例。

近日，来自中科院半导体所的科研团队报告了一个由正方形/菱形微腔和FP腔组成的混合方形/菱形激光器，用于改善FP腔中的模场图形。利用数值模拟分析了混合微腔激光器的模场分布和远场模式，结果显示FP腔中近基态 - 横模分布和远场模式的改善。混合微腔用作FP腔的波长选择反射器，其有效反射率与混合微腔中的模式有关。结果表明，精确设计参数的方形/菱形微腔与方形微腔相比具有更稳定的模式选择性质。通过调节混合方形/菱形的尺寸可以在激光器中实现超过45.3dB的侧模抑制比，从而实现单模操作。此外，通过改变进入正方形/菱形微腔和FP腔的注入电流能够有效的实现波长调谐。

文章链接：

You-Zeng Hao, Fu-Li Wang, Min Tang, Hai-Zhong Weng, Yue-De Yang, Jin-Long Xiao, and Yong-Zhen Huang, "Widely tunable single-mode lasers based on a hybrid square/rhombus-rectangular microcavity," Photon. Res. 7, 543-548 (2019).

10.基于光学复合介质的通用可重构线性器件

利用光学器件实现光波信号的线性操纵是光子学领域的基本要求，其中包括光学通信中的信号处理和空间复用，以及光学模拟计算等等。对于光学人工神经网络等新兴应用，实现线性光信号处理器件的可重构至关重要。与电子器件类似，传统光子器件一般被设计为用于执行一个给定的操作。因而，器件的制造缺陷和外部环境条件的变化都会影响光子器件的性能，因而传统光子器件很难具备可重构的能力。传统光子学器件的设计方法也与可重构的思想背道而驰。

现阶段实现光子器件可重构的方案主要包括可编程相干光路、复合介质的波前调控等。对于可编程相干光路而言，虽然已经实验证实了其可重构的功能，但是集成性差、工艺复杂，难以应用于复杂多通道的光学线性操作。复合介质波前调控的方法是指利用时域或空间域调制对系统加以复合调控，从而实现入射波的波前整形。例如混沌腔、无序波导或者随机散射系统等。这种调制对于波前的整形作用是确定的，因此系统可以用线性传输矩阵来描述。这是一种很有潜力的技术，但是控制复杂介质中的波传播以执行线性变换却很少受到关注。特别是，迄今为止仍未探索实施大规模可重构线性变换的可能性。

近日，来自法国的科研团队报道了一项新的研究成果，他们能够在光学复合介质中执行复值线性运算。此外，他们通过实验证明了利用无序光学系统（多模光纤或散射介质）作为波前整形的计算平台，来执行多自由度的线性操作。通过给定介质中光传播的随机传输矩阵，能够找到合适的输入输出从而得到期望的线性算子。这种方法实现了一种强大且易于制造的可重构线性光学模拟计算单元，从而为复杂线性光学计算提供了新的思路。

文章链接：

Maxime W. Matthès, Philipp del Hougne, Julien de Rosny, Geoffroy Lerosey, and Sébastien M. Popoff, "Optical complex media as universal reconfigurable linear operators," Optica 6, 465-472 (2019).