超材料前沿研究一周精选 2020年7月13日-2020年7月19日

在过去的十年中，自加速艾里光束的发展重新激发了人们对非衍射波的研究兴趣。作为近轴波方程的精确解，艾里光束在长距离传播时没有发生明显的衍射，在散射介质中被遮挡后自愈，同时，在传播过程中发生横向位移，形成弯曲的自加速轨迹。这些独特的性质迅速引起了人们对从光学操作、激光丝化、微加工、非线性光学到非衍射波形(如电子束、等离子体波、声波和量子粒子)的产生等领域的研究兴趣。值得注意的是，在许多应用中，近年来出现了艾利光束光学成像，如超分辨率显微镜中单分子的精确三维定位，以及光片显微镜中视场和图像质量的增强。然而，这些方法主要是将艾里光束作为显微镜系统的静态点扩散函数(PSFs)，而在整个三维空间中用于生物标本体积成像的高度可调艾里轨迹仍有待充分探索。

近期，哈尔滨工业大学物理学院Jian Wang等人设计了一种艾里光束层析显微镜(ATM)，该显微镜能对生物样本进行高分辨率，无惯性体积成像。利用了三维空间中高度可调的艾里轨迹，改变了传统需要样本或焦平面扫描来获取三维信息的远心宽场成像方案。结果显示，与宽视野显微镜相比，在扩展成像深度10倍的范围内，具有一致的近衍射极限的3D分辨率。对于未来对厚样本进行成像，一方面可以使用重叠采集来对数据集进行过采样，另一方面可以控制沿加速轨迹的强度分布，以减少轴向范围之外可能产生的模糊。研究人员期望这一设计方案不仅能为3D光学显微镜提供一个有前景的范例，而且可以很容易地转换成其他非光波形，如声波、等离子体波和电子波。相关研究发表在《Optica》上。（丁雷）

文章链接：

Jian Wang et al, Airy-beam tomographic microscopy.Optica(2020).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.389894

当人们在心理或生理上受到压力时，肾上腺就会分泌一种叫做皮质醇的类固醇激素，这被认为是一种应激激素。当肾上腺受到促肾上腺皮质激素的刺激时，这种分泌就会发生，促肾上腺皮质激素是下丘脑分泌促肾上腺皮质激素时垂体分泌的。这种连续的皮质醇分泌系统被称为下丘脑-垂体-肾上腺轴，它受到慢性应激的影响，导致皮质醇分泌异常。皮质醇异常分泌引起的皮质醇积累增加了脂肪和氨基酸的浓度，可导致多种严重疾病(如:库欣病、自身免疫性疾病、心血管并发症、2-型糖尿病)和神经障碍(如抑郁和焦虑障碍)。因此，开发实时监测皮质醇水平的医疗保健系统在过去十年中被广泛探索，作为压力水平定量分析的关键。虽然各种努力导致皮质醇的发展传感器,但传统方法需要笨重的外部设备，这限制了它们作为移动医疗系统的广泛使用。

近期，韩国延世大学材料科学与工程系Minjae Ku等人设计了一种使用智能手机实时检测眼泪中皮质醇浓度的柔软、智能隐形眼镜。使用石墨烯场效应晶体管形成的皮质醇传感器可以测量皮质醇浓度，其检测极限为10 pg/ml，这足以检测到人类眼泪中的皮质醇浓度。此外，这种软性隐形眼镜只需要将皮质醇传感器与透明天线和无线通信电路集成，就可以让智能手机成为远程操作隐形眼镜而不妨碍佩戴者视线的唯一设备。值得注意的是，活体家兔试验和人体试验证实了该透镜作为一种无创、可移动的医疗方案，具有良好的生物相容性和可靠性。相关研究发表在《Science Advances》上。（丁雷）

文章链接：

Minjae Ku et al, Smart, soft contact lens for wireless immunosensing of cortisol, Sci. Adv. 2020;

均衡，也就是调整宽带信号的频率响应，是信号处理中的重要概念。它已经广泛地应用于电信和各种声学应用，包括音频设备，室内声学和水下通信。所得的滤波器设备称为均衡器（EQ）。声音均衡器设备可以调整宽带声音信号的响度曲线，以改善音频的质量，因为声音的音色受不同频率成分的影响。在室内声学中，不同的复杂声学环境将影响频率响应的均匀性，因此声学均衡可用于再现声音信号或实现主动噪声控制。类似地，在水声声学中，复杂的环境使得水下声通信中必须进行声音均衡处理，另一方面，在过去的十年中，人们对声学超材料进行了积极的研究，为各种声学设备提供了不同的设计策略。例如，已经提出了声学超材料来主动控制特定有趣的声学现象，例如鸡尾酒效应，声学混响和声学全息图。声学超材料也用于水下通信。为了进一步减小声学共振单元的厚度，人们提出了声学超表面的概念来设计非常规的超薄声学装置。

声学均衡是调整宽带声音信号的频率响应的过程，该过程广泛用于通信系统和音频声学中。近日，来自法国洛林大学的研究小组介绍了一种声学超构均衡器的概念，即一种基于无源声学超材料的滤波器，它在输入声音信号时超宽带范围（200 Hz–20 000 Hz）内具有可调的频率响应。通过使用两种声学谐振元件，即亥姆霍兹谐振器和法布里-珀罗谐振器，研究者实现并演示了集成结构中的超宽带和可调滤波器。与信号处理中的传统均衡器概念类似，研究者在数字上，分析上和实验上演示了通过设想的声学超构均衡器实现信号再现和声音效果控制的功能性滤波器。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.14.014038

由于表面声波（SAW）设备对不同的化学和物理刺激敏感，因此具有出色的传感器功能。将磁致伸缩材料添加到SAW结构中使磁性SAW（MSAW）通过磁致伸缩应变探测磁场并改变弹性常数。利用不同的弹性波提高磁场灵敏度的研究已取得了进展。但是，这些研究没有考虑热效应。当解调传感器的输出信号时，对多种刺激的敏感性会相互影响，这是相互复杂的。磁场测量中的主要挑战在于SAW设备的频率温度系数（TCF）大。从MSAW器件的应用角度来看，这不仅在温度变化很大的情况下，而且在温度波动的环境中都变得极为有害。除了TCF以外，控制外加磁场下磁化响应的磁各向异性也可能与温度密切相关。通常，温度升高会由于其熵的增加而导致铁磁材料的内部能量增加，因此会导致各向异性常数的降低。磁晶各向异性，应变感应各向异性和磁场感应各向异性都在强度或方向上强烈依赖于温度。结果，MSAW响应可以通过多种方式受到温度的强烈影响。因此，如果打算开发一种在实际较宽的温度范围内能真正补偿温度的MSAW传感器，那么就必须消除温度对磁性和TCF的影响。

近日，来自法国洛林大学的研究小组制造了一种基于表面声波（SAW）设备的多功能传感器。它允许独立测量温度和施加的磁场。多层器件结构的优化导致Love波共振的温度系数频率降低到零。通过施加Co-Fe-B层的磁致伸缩来获得对施加的磁场的灵敏度。通过使用形状各向异性，大大减小了固有磁各向异性随温度的变化。一方面，以Love波共振频率解调该设备所允许我们提取施加的磁场，而与[130–370 K]范围内的温度无关。另一方面，瑞利波或渗漏波对所施加的场较不敏感或不敏感，但具有较高的频率温度系数。因此，以瑞利共振频率解调器件使我们能够独立于磁场提取温度。另外，使用的谐振器几何形状为将来进行无电池化和无线解调提供了可能。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.14.014053

纸是日常生活中随处可见的材料，因其具有柔性、环境友好的特点，存在作为柔性电子系统载体的可能。将其与二维材料相结合，在可穿戴电子产品、智能包装等物联网领域存在潜在的应用场景。

近日，来自University of Pisa的研究团队，利用“通道阵列”法在纸上制成了高性能的MoS₂场效应晶体管。该方法将化学气相沉积与喷墨印刷相结合，先沉积具有预定图案的MoS₂层，再印刷介电层、触点与连接以完成晶体管和电路的制造。通过这一方法制备的场效应晶体管具有8×10³(最高5×10⁴)的I_ON/I_OFF与5.5 cm²V^-1s^-1(最高26 cm²V^-1s^-1)的迁移率。同时，作者利用这一器件实现了全功能集成电路的数字与模拟模块，证明该方法在柔性电子产品领域的潜在应用前景。相关成果发表于近期出版的《Nature Communications》杂志上。（狄琛）

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-17297-z

超表面作为一种超薄的人工结构材料，为自由空间的光传播提供了强有力的调控方式。它通过引入亚波长结构单元来实现光传播的局部突变，进而操纵光的传播，可以实现许多新颖有趣的功能，例如光束偏转、光聚焦、光全息、轨道角动量光束等。但是超表面往往需要自由空间光的驱动，使得讲它们完全集成到芯片上变得困难。

近日，来自宾夕法尼亚州立大学的研究团队结合了集成光子学和超表面的技术，研究了波导驱动的超表面用于实现复杂的自由空间光调控。研究人员将亚波长的结构单元放置在光子集成组件的顶部，同时超表面将波导内的波与自由空间的波桥接在一起，进而引导自由空间的光场。该技术使光子集成器件在亚波长范围内具有灵活的自由空间光可控性，还使超表面能够被波导直接驱动，从而有可能实现更高密度和更高水平的片上集成。文章于近日发表在《Science Advances》上。（田源）

文章链接：

G. Mao et al, Molding free-space light with guided wave–driven metasurfaces, Science Advances (2020).

DOI: 10.1126/sciadv.abb4142

纳米光子学的快速发展催生了突破性的概念和设计原理，以创建适用于各种光学应用的功能器件。特别是，超表面的出现彻底改变了纳米光子学，带来了各种机遇。超表面包括超薄层中的亚波长光学天线，对光的传播具有出色的控制能力，包括动态光束转向、聚焦以及光学旋涡、成像和传感。目前的很多设计主要局限于不能同时调谐所有超表面天线的谐振频率或幅度。

近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所李健雄团队发现通过在可见频率处对几何相位和传播相位进行调制来调整其动态频率以实现动态光学超表面的方法。并且他们展示了用于光投射显示器的电控数字超表面设备（DMSD）。DMSD由M×N阵列中的超表面像素组成。每个超表面像素都包含排列成矩形格子的金纳米棒。在某些预选（奇数或偶数）列中，纳米棒被电介质材料覆盖。随后将样品封装在薄液晶（LC）单元中。通过在毫秒时间尺度上通过LC电控制相邻奇数和偶数列之间的相对相位，可以启用超表面像素的动态功能。这样的光学设备包括独立可调的超表面像素，其容量可以扩展到很大，且每个像素占据的面积非常小，具有高对比度，毫秒级的快速切换速率以及出色的可逆性。它不仅适用于LC，而且适用于在电，光，热或其他外部刺激下表现出折射率变化的多种活性材料。相关研究成果发表在《Nature Communications》。（钟雨豪）

文章链接：Li, J. et al. Electrically-controlled digital metasurface device for light projection displays. Nat Commun11, 3574 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17390-3.

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