超材料前沿研究一周精选 2020年7月20日-2020年7月26日

在阿秒科学方面的最新技术进步为在最短的空间和时间尺度上跟踪电子过程带来了希望。然而，目前缺乏将阿秒时间分辨率与纳米空间分辨率相结合的成像方法。常规相干衍射成像是基于样品对准单色光的衍射，它与阿秒光谱极其广泛的性质本质上是不相容的。

近日，法国巴黎萨克雷大学Julius Huijts等人提出了一种利用宽带照明实现相干衍射成像的方法。该方法是基于数字单色化的宽带衍射图形通过正则化反演的矩阵向量问题，是应用相位恢复算法之前的一个独立步骤，其仅依赖于衍射辐射的光谱。在可见光和硬x射线照射下的实验结果表明了该方法的适用性。该方法可以应用于任何类型相干辐射的相干弹性散射技术。此外，由于该技术是应用在相位反演过程之前的一个步骤，单镜头相干衍射成像和层叠成像技术都可以从中受益。在无透镜成像中使用宽带照明的可能性将在阿秒科学中开辟广泛的机遇。此外，由于它的通用性和易于实现性，研究人员期望这种方法能在千兆赫兹电子或阿秒纳米磁学中得到广泛的应用。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）

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Julius Huijts et al, Broadband coherent diffractive imaging. Nature Photonics(2020).https://doi.org/10.1038/s41566-020-0660-7.

近年来,各种像海绵一样的材料,包括碳纳米管气凝胶、生物质气凝胶、石墨烯气凝胶、陶瓷纳米纤维气凝胶、碳纳米纤维气凝胶, 由于它们在大变形下具有高压缩性和回弹性，因此受到了人们的关注。其中，海绵陶瓷材料以其轻质、高比表面积、低导热性、优异的化学稳定性和热稳定性等特点引起了研究人员的广泛关注。由于这些特性，海绵陶瓷材料在保温、水处理、催化剂载体、能量吸收、高温空气过滤等领域得到了广泛的应用。然而，传统的海绵陶瓷材料通常是由陶瓷氧化物制备而成，如二氧化硅纳米颗粒、氧化铝纳米材料、氮化硼片等，陶瓷材料固有的脆性严重限制了其实际应用。因此，迫切需要开发柔韧性好、压缩性高、耐高温、耐低温的海绵陶瓷材料。而由于制备工艺的复杂性，海绵陶瓷材料的应用受到了严重的限制。

近日，清华大学材料科学与工程学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室伍晖等人提出了一种可大规模生产的简便方法，通过吹风纺丝和随后的煅烧海绵制备出高压缩性耐温SiO₂-Al₂O₃复合陶瓷。研究人员成功地生产了各向异性层状陶瓷海绵，具有大量堆积的超纤维层，密度低至10mg cm ^-3。各向异性层状陶瓷海绵，其具有很高的抗压缩疲劳性能、不依赖于应变的零泊松比、强大的耐火性能、在-196 ~ 1000摄氏度的温度不变的压缩回弹能力以及优异的隔热性能，导热系数低至0.034 Wm^-1k^-1。此外，层状结构也赋予了陶瓷海绵优良的吸声性能，是现有保温吸声材料的一种很有前途的替代品。相关研究发表在《Nature Communications》上。（丁雷）

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Chao Jia, et al, Highly compressible and anisotropic lamellar ceramic sponges with superior thermal insulation and acoustic absorption performances.Nature Communications,(2020) 11:3732.https://doi.org/10.1038/s41467-020-17533-6.

荧光显微镜是观察细胞、组织和生物体的重要工具。然而，阿贝衍射极限意味着荧光显微镜的空间分辨率只能达到入射光波长的一半。最近发展起来的显微技术，如STORM、PALM、结构照明显微镜（SIM）、STED等可以帮助克服这一限制，使生物过程的成像成为可能更高分辨率的细胞。SIM由于其光毒性低、帧速率高，在生物成像中获得光学超分辨率的优势尤为突出。为了从原始数据中计算未知频率，SIM需要三幅具有移动照明模式的图像来分离沿给定方向的混合空间频率。为了提高各向同性分辨率，该过程进行了三次，使用不同角度获得的照明图案，并且每个超分辨率（SR）SIM图像总共需要九个原始图像，这意味着样品需要反复曝光。因此，在SIM重建中减少原始图像的数量是近年来研究的热点。深度学习（DL）框架不显式地使用任何模型或先验知识，而是依赖于大型数据集来“学习”底层的反问题。卷积神经网络（CNNs）属于深度学习的范畴，可以在图像处理和计算机视觉任务中获得优异的结果。其结果有两个重要组成部分：首先，训练阶段的结果是一个CNN，它对应于一个合理的潜在映射函数，该映射函数将度量与解决方案相关联；第二，训练过的CNN可以用来进行“预测”。

最近，来自深圳大学的研究人员提出使用一个基于深度学习的框架来重建SIM图像的方法。该方法所需的帧数比当前所需的更少，循环一致生成对抗网络（CycleGAN）通过三幅原始SI图像的单向相移即可重建超分辨率图像。由于CycleGAN的特性，A列和B列中的数据不需要一一对应。该网络可以在不使用配对训练数据的情况下进行训练，减少了所需的训练步骤，节省了时间。该方法无需参数，不需要用户的专业知识，易于在任何SIM数据集上实现，并且不依赖于样本结构的先验知识。工作以” Fast structured illumination microscopy via deep learning”为题发表在《Photonics Research》上。（鲁强兵）

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https://doi.org/10.1364/PRJ.396122 

用户交互显示器(UIDs)可以显示触摸、气味和声音等可感知但不可见的信息。在即将到来的超级互联社会中，各种各样的人机交互触摸显示屏已经可以演示压力、温度和湿度的局部变化。不同的光学元件被用于开发触摸交互显示器，包括发光二极管、电致变色、热致变色和摩擦带电器件以及交流驱动的电致发光器件。尽管UIDs技术取得了很大的进展，但大多数显示器都是基于光发射强度或色度反射强度的变化作为刺激响应的函数，随着刺激物的变化而改变颜色，从而使刺激物更加清晰可见。无接触平台对3D交互式触摸显示屏有很大的需求，其中刺激物的可视化可以在非接触模式下进行，并且颜色可以随着刺激物与平台的距离而变化。

最近，来自韩国延世大学(Yonsei University)，韩国高丽大学(Korea University)和美国赖斯大学(Rice University)等机构的研究人员使用自组装1D嵌段共聚物(BCP)的光子晶体(PCs)中产生结构色(SCs)。其层状的一维周期性微观结构在成膜后自发形成。可以通过多种不同的外力和环境力来调节各层的介电常数，从而获得一种三维无接触交互式显示技术。为了确保固态全可见光SC-BCP-PC，研究人员在BCP-PC之间填充一种自己开发的化学交联互穿水凝胶网络(IHN)层。此外，当非挥发性离子液体随后被吸收到互穿网络的畴中时，BCP-SC不仅受到一阶光子反射的控制，而且还受到二阶和三阶光子反射的控制，从而产生更丰富的可见光SCs。此外，研究人员通过使用离子液体作为喷墨打印墨水，可以立即产生各种全SC显示图像。因此，使用吸湿性离子液体墨水实现了可打印的3D触摸交互式显示器，该墨水允许随湿度变化而变化的SC。该技术展示了对人体手指发出的水蒸气的三维位置感测，实现非接触的三维交互感知。该工作以”3D touchless multiorder reflection structural color sensing display”为题发表在《Science Advances》上。（鲁强兵）

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https://doi.org/10.1126/sciadv.abb5769 

由于耦合的倏逝波，相隔小于热波长（即近场）的距离的材料之间的辐射传输超过了远场黑体限制。近场传输功率密度的增加和频率可调性的提高可能使诸如热光伏，热光子和热辐射装置以及红外传感等技术受益。利用精确的实验仪器已经实现了利用近场增强的概念验证方法，但是扩大这些方法仍然具有挑战性，作为替代方案，高折射率波导已被研究用于近场热提取。这样可以传输某些自由空间的倏逝波，因此增加了总辐射传输。

在不使用纳米级真空间隙的情况下利用近场功率密度的一种有前途的方法是通过双曲线超材料（HMM）波导。当放置在热库和冷库之间时，理想的HMM可以传输几微米的表面波，从而扩展了近场增强功能。但是，考虑到由于波导内实际吸收水平而引起的传输损耗时，在较宽的间隔处，增强效果明显降低。近日，来自密歇根大学的研究小组调查了非等温HMMs中内部源的作用。研究者证明，在某些情况下，HMM的辐射占据传递给接收器的总辐射热的90％以上，并且这些额外的源可以在很大程度上补偿与从发射器到接收器的传输减少相关的光学损耗。最后，实验人员研究了一个现实的三体系统中的光谱传输，该系统在边界（发射器和接收器）与波导（HMM）之间具有不匹配的光学特性。该模型表明，即使主要的辐射贡献来自波导，近场的热输运仍对边界具有光谱选择性。这项工作可以实现非等温发射器-波导-接收器系统的设计，该系统可以在较宽的间隔内传输近场功率电平。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.14.014074

在过去的几年中，大量的努力集中在研究使用微结构表面（称为超表面）控制波传播的可能性上。对超表面的研究涵盖了波传播理论，制造技术，甚至包括声学或电磁学等不同学科或应用领域。超表面已经显示出在透射和反射中操纵波的巨大潜力。特别地，已经开发出用于控制反射的超表面，用于实现后向反射器，反常反射器，分束器和聚焦装置。

近日，来自芬兰阿尔托大学的研究小组从声学和电磁学角度对能流共形超表面进行了多学科分析。基于所揭示的类比，研究者发现创建同时充当电磁波和声波的各种反射器的超构表面的可能性。研究者提出了三种简单的超构单元拓扑结构，这些结构使研究者能够随意设计和控制电磁和声响应。所考虑的示例功能包括两个波的高效（理论上完美）回射和异常反射。由于采用了解析公式，因此设计过程非常简单，不需要进行数值优化。这项工作中介绍的示例可以扩展到更复杂的场景，包括操纵多个波（例如，一种性质的波的分束器和另一性质的波的后向反射器）或需要研究者定义的考虑到沿z轴的变化的表面轮廓的三维转换。如果问题的数学复杂性不允许获得表面轮廓的封闭形式的表达式，则可以使用数值方法来找到与能流相切的表面。这种多学科的方法为集成了两个波形功能的设备设计开辟了一条道路。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.14.014076

在过去的几十年中，回音壁模式（WGM）微谐振器取得了举世瞩目的发展。WGM微谐振器具有超高的品质因数和小模式体积，作为创新型传感器，在精密检测中表现出出色的性能。其多应用于温度和湿度折射率监测，生物传感，甚至测量单个纳米颗粒的尺寸。WGM微谐振器的传感机制通常可以分为色散传感和耗散传感。色散传感用于探测共振波长偏移，而色散传感旨在记录由于目标的额外损耗而导致的共振峰的线宽波动。在实际应用中，由于激光源的不稳定性或热波动引起的波长漂移噪声会影响色散传感的精度，而耗散传感对于低噪声水平的频率噪声则具有较强的敏感性，可用于实现更好的传感性能。基于色散机制的几乎所有类型的传感实验都可以在耗散传感系统上执行。然而，当前的很多器件都是在芯片上制造的，其传感臂的长度和耦合间隙将在制造前经过严格的计算和设计。一旦完成，就无法调整几何参数，并且任何与制造的微小偏差都会影响应用性能。

近日，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的谈宜东团队提出了一种由光纤锥耦合的自由空间自干涉微谐振器装置。与芯片上具有类似结构的耗散传感器不同，它受益于微腔和光纤传感之间的结合，其耦合方式是可调的，并且可以从耦合区域中分离出一个传感区域。该方法使得优化检测中的耦合效率大大提高并扩大了耗散传感的应用范围。传输光谱在传感臂的长光路下表现出独特的现象，包括准正弦调制和轮廓分裂。在此基础上，通过理论对传输特性进行了分析，随后的实验与理论相吻合。此外，他们估算了该设备的感测性能，并且在理论上使用1m的感测臂探测折射率变化，其灵敏度可以达到-4.76dB/(10^-7RIU)，比之前报告的数据大了一个数量级。除了可调节，尺寸小和高效等优点外，该设备在精密测量中显示出巨大的潜力，并扩大了类似结构的适用测量领域，例如使用总线直波导无法检测到的拉压力。相关研究结果发表在《Applied Physics Letters》上。（钟雨豪）

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Mingfang Li et al.  Free-space self-interference microresonator with tunable coupling regimes. Appl. Phys. Lett.117,031106 (2020).

https://doi.org/10.1063/5.0017300.

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