今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及双频梳状光声光谱法、机械超材料致动器的自动设计、铌酸锂光子晶体电光调制器等敬请期待！
索引：
1.阿秒相干衍射成像
2.无标度垂直跟踪显微镜
3.通过散射器编码的无透镜光场成像
4.利用神经网络的光子逆设计：可见中的不可见
5.双频梳状光声光谱法
6.铌酸锂光子晶体电光调制器
7.通过手性辅助的几何相位超表面实现的
四重极化通道的独立相位调制
8.基于压缩-近零折射率传播的声功率分配器
9.用于声能传递和信号通信的微摩擦电超声装置
10.机械超材料致动器的自动设计
11.纤维素高性能功能材料的力学设计
12.二氧化硅气凝胶的增材制造
自2001年阿秒脉冲的首次实现以来，因为超高时间分辨率，为探测原子和分子中的电子动力学打开了一扇新的窗口。随着时间脉冲宽度的不断减小和光子能量范围向X射线方向的趋近，阿秒激光的应用前景将更加广阔。然而，由于阿秒源的宽光谱特征，阿秒科学实验收到很大局限。对于阿秒脉冲，其能量带宽（△E）和时间脉冲持续时间（△t）基本上由不确定度原理（△E*△t≥ℏ/2）支配。例如，最近对53阿秒软X射线脉冲的实验演示达到了碳K吸收边（284 eV），也就是△E/E≈100%。这种宽光谱脉冲对任何基于透镜的成像系统都会造成严重的色差。克服色差的一个经典方法是使用消色差透镜。但这种方法对电磁辐射的全谱并不适用。
最近，来自加州大学洛杉矶分校（University of California，Los Angeles）和上海科技大学（ShanghaiTech University）的研究人员介绍了一种基于相干衍射成像（CDI）的新方法，它不仅可以消除光学透镜的色差，而且可以利用宽光谱同时重建17个不同波长的光谱、探针和图像。研究人员开发了一种先进的算法，称为光谱探针和图像重建（SPIRE），可以同时重建多个波长的光谱探针和光谱图像。SPIRE要求通过对穿过样品的受限探针进行二维扫描来收集一组衍射图案，为了满足测量强度点方程的个数大于样本未知变量个数的要求，相邻扫描位置之间需要有较大的重叠，然后算法在实空间和倒易空间之间迭代。该算法对初始输入不敏感，经过数百次迭代后收敛，具有较强的鲁棒性。这项工作为阿秒成像科学里一个未被探索的领域扫清了道路，它也可能会对不同学科产生深远的影响。工作以“Potential of Attosecond Coherent Diffractive Imaging”为题发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。(鲁强兵)
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DOI：10.1103/PhysRevLett.125.086101
海洋中微小的浮游植物，其中大多数肉眼看不见。正是这些微小的海洋生物直接影响这个星球上的碳循环，大球组分的平衡。为了更好地理解微型浮游生物在巨大垂直深度的分层情况，以及不同层上微生物之间的相互作用，就必须将相隔甚远的长度（从微米到公里）和时间尺度（从毫秒到天）桥接起来。跟踪在几百米的宏观生态尺度上自由移动的单个微生物或物体是一个很大的实验挑战，因为在光学分辨率和视场（FOV）之间存在固有的折衷。传统的显微镜通常设计成在水平面上成像，其视场只有几毫米。使用各种闭环跟踪方法将物体保持在光学视场内，或者使用恒定的向上流动的流体来悬浮下沉粒子，这种跟踪显微术为这个问题提供了一种可能的解决方案，然而，这些方法不适用于具有活跃行为的物体，而且观察轨迹长度远小于生态尺度大于10 m的需要。
最近，来自美国斯坦福大学（Stanford University）的研究人员提出了一种无标度的垂直跟踪显微镜的解决方案。它就像一个“流体动力跑步机”，沿着重力轴运动没有任何限制。利用这种方法建立空间尺度的桥梁，组装了一个非附着浮游细胞和生物体的多尺度行为数据集。此外，研究人员还展示了一个“单细胞虚拟现实系统”，其中细胞行为直接控制其周围环境参数，实现了定量行为分析。该种方法和结果是多尺度测量的一种新范式，在这种范式中，人们可以在微尺度分辨率下观察和探测宏观和生态相关的现象。在海洋环境之外，我们预计我们的方法将允许生物测量悬浮状态下的细胞和生物体，使它们摆脱盖玻片的限制。工作以” Scale-free vertical tracking microscopy”为题发表在《Nature Methods》上。(鲁强兵)
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https://www.nature.com/articles/s41592-020-0924-7
基于微透镜阵列的光场成像已经成为记录高维光信号的最常用的有效技术之一，其既可以检测空间信息，也可以检测角度信息。角度信息能够提供一系列由于常规成像的特殊功能，例如视点移动、深度感应、景深拓展等。然而，经典的光场成像需要在空间分辨率和角度分辨率之间进行权衡，其空间分辨率通常比使用的像素数小几十到几百倍。
近日，来自斯图加特大学和深圳大学的研究团队研究了散射器用于光场成像的新型装置。研究人员证明了散射器可以有效地将入射光线成角度地耦合至检测到的图像中，而无需任何的透镜。通过建立散射器编码光场的透射模型，能够以可调整的空间角度分辨率将光线从检测到的图像上解耦，而不受传感器分辨率的限制。该工作可以用于无透镜的四维光场记录，为利用散射介质来记录高维光信号提供了新的设计方案。文章于近日发表在《Light: Science & Applications》上。(田源)
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Cai, Z., Chen, J., Pedrini, G. et al. Lensless light-field imaging through diffuser encoding. Light Sci Appl 9, 143 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00380-x
近日，纳扎尔巴耶夫大学和康奈尔大学的研究团队将人工智能的概念用于推进对不可见粒子的探索，即寻找不会显著扰动背景电磁场的球形纳米粒子。通过适当选择多层纳米球的散射光谱来训练一个全连接的神经网络，将层壳的厚度作为输入，散射率作为输出进行学习。将强散射粒子从训练集剔除后，通过梯度下降优化和反向传播得到节点的权值，经过训练后，网络学习对此类散射体的光学响应进行近似。重要的是，当交换输入和输出的位置，即将散射率作为输入，壳层厚度作为输出，并通过向网络提供与特定粒子构型相对应而不是相反的散射响应来执行深度学习过程，逆设计会得到更好的结果。该方法在逆设计具有大量参数的复杂光子纳米结构方面显示了巨大的潜力，这是传统优化方法无法处理的。相关研究发表在近日的《Physical Review Applied》上。（赵涵）
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Arsen Sheverdin et al, Photonic Inverse Design with Neural Networks: The Case of Invisibility in the Visible. Physical Review Applied 14, 024054(2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.024054
光声光谱法（PAS）是对气体，流体和固体最敏感的非破坏性分析技术之一。它可以在任何波长下无背景操作，适用于微观甚至不透明的样品。在PAS中，调制光源的光吸收会导致样品的周期性加热，并产生可以由麦克风或等效换能器检测到的声波。由于检测依赖于声波（而不是光信号的弱衰减），因此光声检测可以是无背景的，具有高信噪比（SNR），并且重要的是，可以在任何波长的光下工作。PAS的这些特性已在环境研究、固态物理、化学过程控制、医学应用和生命科学等领域得到了广泛应用。为了实现宽带波长覆盖，研究者已将光声检测与傅立叶变换红外光谱仪（FTIR-PAS）相结合。但是，高分辨率的FTIR-PAS依赖于较长的机械扫描，这可能会限制采集速度并且需要机械稳定的设置。
近日，来自瑞士电子与微技术中心的Thibault Wildi等人显示了双频梳状光谱（DCS）以其无与伦比的精度、速度和波长覆盖范围的优势与光声检测的优势相结合的巨大潜力。通过双梳吸收在样品中产生声波干涉图，并通过麦克风进行检测，可以快速准确地采样出薄弱的气体吸收特征。长期的相干平均进一步提高了灵敏度。这种双频梳状光声光谱法（DCPAS）的新颖方法为在所有波长的光中进行快速灵敏的多种类分子分析提供了前所未有的机会。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
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Thibault Wildi et al. Photo-acoustic dual-frequency comb spectroscopy. Nature Communications (2020) 11:4164
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17908-9
高速电光调制在许多领域拥有重要的应用，从光通信，微波光子学，频率计量到量子光子学。目前很多方法被用于电光调制，比如载流子等离子体色散、电吸收和Pockels效应。其中，Pockels效应在一个极宽频段内提供了超快和纯折射率调制，而没有引入额外的损耗。最著名的电光Pockels效应材料可能是铌酸锂(LiNbO3/LN)，它已广泛应用于电信领域。近年来，铌酸锂薄膜单片作为一种很有前景的实验平台，其低损耗、高质量的光子集成以及强大的Pockels效应促成了优越的调制性能，显示出作为光子集成电路和未来光子互连的优良介质的巨大潜力。能量效率对于电光调制器(EOM)的应用是至关重要的，它非常依赖于设备的物理尺寸。将电光调制器缩到较小的空间会降低器件电容，从而降低开关能量，而开关能量对于所有实际应用都是必不可少的。为此研究人员已经探索了多种方法，包括等离子体结构、开槽介质波导、光子微/纳米谐振器等。其中，凭借其在调控光局域以及光-物质相互作用的出色性质，光子晶体纳米谐振腔在这方面具有独特优势。尽管已经有很多工作研究LN光子晶体，但是器件质量不高，光电子集成性能差，严重限制了运行速度。到目前为止，在单片LN平台上实现波长尺度上的高速节能调制器仍然是一个开放的挑战。
最近，来自罗彻斯特大学的研究人员提出了一种高速度和高能量效率的LN光子晶体EOMs，它的电光模式体积只有~0.58μm3，在迄今报道的高速LN EOMs中是最小的。这个亚波长尺寸的EOM腔能够实现紧密的光电集成，不仅能达到远高于其他LN EOM谐振腔的高至16.0pm V-1（对应于1.98GHz V-1）的电光调节效率，还能实现一个17.5GHz的较大带宽，达到EOM腔光子寿命的极限。全片上设计实现了11.5 dB的全频消光比。该调制器能够在绝热和非绝热条件下高效率地实现高Q值光子腔模式的电光驱动，并能够实现11 Gb s-1的电光开关，而位开关能量低至22 fJ。在这个波长尺度上实现高效、高速的电光调制，为实现大规模LN光子集成电路奠定了重要基础，在数据通信、微波光子学、量子光子学等领域具有重要的应用价值。该工作以“Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator”为题发表在《Nature Communications》上。（华金国）
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17950-7
在过去的二十年中，工程化的超表面已经引起了人们极大的兴趣。由于具有对局域的幅度，相位和极化进行高度控制的独特能力，超构表面在从微波到可见域的频率范围中可以找到各种应用。特别是，相位梯度超表面已经成为波前工程的通用平台。与依赖于沿传播的相位累积的传统笨重光学透镜相比，超表面可以通过适当设计的结构在亚波长厚度内获得突然的相变，这些结构可以增强与波的局部相互作用，因此已经探索出构造小尺寸透镜，全息图，光束偏转器，自旋轨道角动量操纵，信息处理和模拟计算等的办法。
用于控制圆极化（CP）电磁波的波阵面的几何相位超表面受限于交叉极化模态。将几何相位与传播相位相结合可以进一步控制同极化输出通道，但是对于两个不同的圆极化入射光束，仅在两个同极化输出上解决了类似的功能。来自哈尔滨工业大学和巴黎第十大学的研究小组介绍了手性辅助相位作为自由度的概念，它可以使两个同极化输出解耦，因此是在所有四个CP输出通道中设计具有独特波前操纵特性的任意调制相位超构表面的替代解决方案。研究者演示了具有四个任意折射波阵面的两个超表面，以及具有四个独立拓扑荷的轨道角动量模式，展示了传输中所有可能的CP通道的完全独立的操纵。这种附加的相位寻址机制将导致新的组件，可以应用于宽带消色差设备和波前复用，例如可重构波束天线和无线通信系统。相关研究发表在杂志《Nature Communications》上。（刘乐）
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https://doi.org/10.1038/s41467-020-17773-6
近年来，由于在时间和空间上的分离性质，近零折射率超构材料在波操控中的非凡特性受到了广泛的关注。尽管大多数研究属于电磁学领域，但基于介电常数接近零，磁导率接近零或双接近零的介质，在等离激元，光子学和声学领域也对类似现象给予了关注。在电磁场和声场的近零折射率介质中，已经出现了几种现象，例如超耦合，不可逆发射和隐身现象。相关研究者基于这类现象还提出了许多应用并进行了实验验证，例如提高辐射体的方向性，实现单极电磁天线，具有宽边辐射的声泄漏波天线，电磁N端口串联功率分配器以及通用阻抗匹配。
最近研究者在理论上和实验上证明，基于接近零的波导通道的有效压缩率，声波可以表现出接近零折射率的传播。反过来，当通道横截面比馈电线大得多时，这允许隧穿具有几乎无限波长（或等效地，均匀相位）的声波。近日，来自洛桑联邦理工学院和德克萨斯州大学奥斯汀分校的研究小组表明可以利用这些概念来实现声功率分配器和多路复用器，从而将声音传输到任意数量的输出端口，相移等于0°或180°，并且对端口位置的变化具有稳定的响应。研究者提供描述该器件特性的解析和数值模型，并研究在器件尺寸缩放时存在损耗的情况下发生的局限性和相关权衡。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.14.024057
摩擦电纳米发电机（TENG）是一种将机械能转化为电能的新兴技术，可以实现低功率的声能传递（AET）。由于AET通常需要超声范围内的频率，但当谐振频率达到超声波范围时，设备尺寸将接近亚毫米，常规的制造方法几乎不能满足要求。此外，芯片大小的集成是另一个重要问题。由于微机电系统（MEMS）技术可以轻松地制造尺寸从几微米到毫米不等的复杂结构，因此可以利用（MEMS）声传感器具有小型化、批量生产过程以及与其他电子系统更容易集成的优势来解决这一问题。然而，将TENG与MEMS器件集成以解决小型化和高精度问题仍然面临着巨大挑战。
近日，来自苏州大学功能纳米软材料研究所的Chen Chen等人基于TENG和MEMS的耦合技术，开发了一种微结构摩擦电超声器件（µTUD）。硅和氧化硅分别充当摩擦电对，并建立了真空腔以消除周围环境的负面影响。据我们所知，这是TENG首次通过MEMS工艺制造并进入微尺度范围。µTUD的工作频率为1.17MHz，这在超声波范围内是没有先例的。此外，他们对通过油和声音衰减介质进行的AET进行了演示，分别获得了16.8mV和12.7mV的输出电压。还进行了脉冲实验，获得了20.54dB的信噪比（SNR），表明甚至可以从发射端调制信号。值得注意的是，通过理论分析，µTUD的能量转换效率可能高达33％。最重要的是，这项工作极大地提高了TENG的小型化和集成度，并展示了摩擦电器件设计的新途径。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
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Chen Chen et al. Micro triboelectric ultrasonic device for acoustic energy transfer and signal communication. Nature Communications (2020) 11:4143
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17842-w
机械超材料是一类新型人工材料，它具有传统材料难以媲美的特殊性能和响应特性。它们的刚度、强度-重量比、弹性响应、泊松比、能量消耗和抗断裂性能都可以调整到与标准材料相匹配或超过标准材料。近年来，随着3D打印和自动化装配等数字制造技术的发展，人们对超材料的兴趣日益浓厚，这些技术能够快速制造出这种材料结构，消除了许多在规模和几何方面的限制，成本也在逐步降低。超材料的特性并非源于固有的散装材料的性质，而是来源于其人工设计的由多个子单元组成的内部几何结构，这些子单元通常以重复的规则模式排列。最近的研究也证明了在不损失效率的情况下引入机械超材料的无序程度增加的可能性。由于单元结构可以以多种不同的方式设计和放置，由此产生的结构具备多种自由度的能力，从而产生各种不同寻常的物理特性，这些特性随后在工业设计中得到了广泛的应用，如建筑的设计或纺织品、梁和其它物体的强化模式。尽管该领域进展迅速，但仍然需要有效的策略来优化各种超材料的功能设计。
近日，意大利米兰大学物理系Stefano Zapperi等人提出了一种机械超材料驱动器自行设计的计算方法，该方法结合了强化蒙特卡罗方法和离散元模拟。通过对所选机械超材料驱动器的3D打印表明，机器生成的结构可以达到高效率，超过了人类设计的结构。此外，研究人员通过训练一个深度神经网络，从而能够从一个结构的图案预测其功效并识别其功能区域，从而表明设计出有效的致动器是可能的。通过设计可以将该致动器组合在一起生成任意复杂度的超材料机器，从而用于各种工程的应用。相关工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）
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Silvia Bonfanti et al, Automatic design of mechanical metamaterial actuators. Nature Communications(2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-17947-2.
随着人们对具有高强度、高韧性、轻量化、耐腐蚀等优异力学性能的多功能器件的需求不断增加，对高性能材料的需求也一直伴随着人类社会的发展。在自然资源（例如木材）中发现了丰富的纤维素，以及以微纳级的粒子和纤维形式存在的纤维素纳米材料具有广泛的结构多样性，这激发了科研人员极大的兴趣，他们希望利用纤维素的机械性能来设计高性能的功能材料，其中纤维素的结构-力学关系至关重要。
近日，美国马里兰大学李腾教授团队报告了各种力学设计策略对纤维素基功能材料优异的机械性能的核心理解，包括氢键的关键作用、结构界面对空间氢键密度的依赖性、纳米纤维尺寸和取向对断裂韧性的影响，描述了纤维素的起源和结构特征，将结构特征与工程机械性能联系起来对其理解至关重要。讨论了改变结构、操纵各向异性以及界面和拓扑工程等实验设计技术的最近研究进展。这些方面的进展使纤维素有望在一系列新兴的可持续应用中得到实现，并被制造成既坚固又坚韧的高性能结构材料，相关进展发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
RAY U, ZHU S, PANG Z, et al. Mechanics Design in Cellulose-Enabled High-Performance Functional Materials[J]. Adv Mater, 2020: e2002504.
https://doi.org/10.1002/adma.202002504
气凝胶是一种具有高比表面积（500-1000m2·g-1）和低密度（0.001-0.200 g·cm-3）的介孔溶胶-凝胶材料，由于其超低导热性（低至12 mW·m−1·K−1）而被称为超级绝缘体。其中，二氧化硅气凝胶是目前研究和应用最多的一种气凝胶，在隔热、催化、物理、环境修复、光学器件和超速粒子捕获等领域具有广泛的应用前景。隔热保温是二氧化硅气凝胶最具市场前景的应用之一，在工业和建筑保温材料中被大量使用，每年约有2.2亿美元的市场。
尽管气凝胶具有极高的强度/重量比，但二氧化硅气凝胶非常脆，限制了其在隔热领域的进一步发展。在工业和建筑领域的大体积隔热保温中，可以使用纤维增强剂和粘合剂来解决二氧化硅气凝胶脆性问题，但其较差的机械可加工性和精准制造小型物体的能力限制了二氧化硅气凝胶微型化的潜力。增材制造（又称3D打印）在构建气凝胶物体方面独具优势，目前已经在石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、纤维素等气凝胶领域得到了良好的验证。但是，对于纯二氧化硅气凝胶而言，3D打印依然充满挑战，可谓“实验太困难，几乎不可能适用于二氧化硅气凝胶。”
近日，瑞士联邦材料科学与技术实验室Shanyu Zhao和Wim J. Malfait等人提出了一种直接墨水书写3D打印方案，可以从稀释的二氧化硅纳米颗粒悬浮液（溶胶）中的二氧化硅气凝胶粉浆中生成微型化的二氧化硅气凝胶。由于凝胶颗粒的体积分数很高，油墨表现出剪切稀释行为。结果，在打印过程中它们很容易流过喷嘴，但在打印后它们的粘度迅速增加，从而确保了打印物体保持其形状。打印后，硅溶胶在氨气氛围中形成凝胶，以便随后加工成气凝胶。打印的气凝胶物体是纯二氧化硅，并具有典型的二氧化硅气凝胶的高比表面积（751 m2·g-1）和超低导热率（12 mW·m-1·K-1）性能。此外，他们还证明了可以简便地与功能纳米颗粒结合。打印的二氧化硅气凝胶可用于热管理，作为微型气泵和降解有挥发性有机化合物，说明了此方案的潜力。这种用3D打印的方案制备二氧化硅气凝胶物体的新方法，从而为微型化的二氧化硅气凝胶规模化应用打开了新方向，相关研究发表于《Nature》上。（徐锐）
文章链接：
ZHAO S, SIQUEIRA G, DRDOVA S, et al. Additive manufacturing of silica aerogels[J]. Nature, 2020, 584(7821): 387-392. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2594-0
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