超材料前沿研究一周精选 2019年10月28日-11月03日

光学相位显微镜技术已被广泛用于透明样品的成像，如细胞。对于这些弱散射样品，相位信息表示光通过细胞的光程差，通常与细胞的形态和化学性质直接相关。此外，相位成像技术不需要造影剂，也避免了荧光显微镜所面临的几个问题，如光漂白和光毒性。虽然传统的相位成像方法，如相位对比和差分干涉对比度(DIC)显微镜只能捕获定性的相位信息，但定量相位成像(QPI)在过去的20年中得到了迅速的发展。例如，数字全息显微镜、层析QPI、傅里成像和无透镜成像等技术克服了定性相位成像方法的局限性，获得了定量相位数据。近几十年来，微型显微镜引起了人们极大的兴趣，因为它们使自由移动的物体体内和便携式生物成像成为可能。微型化成像系统仅被证明为不同形式的振幅成像模块，如单光子或双光子荧光显微镜。这主要是因为QPI系统通常需要一个干扰设置来获取相位信息，而这种设置需要复杂而庞大的光学系统。这使得在生物医学等各个领域都至关重要的微型QPI显微镜至今仍遥不可及。

近日，美国加州理工学院Andrei Faraon等人基于两个介电质超表面层设计了一个紧凑的定量相位梯度显微镜(QGPM)，其灵感来自一个经典的差分干涉对比度(DIC)显微镜。由于介质超表面的多功能性和紧凑性，QPGM可以同时捕获三幅DIC图像，从而在一次拍摄中生成定量的相位梯度图像。该超表面光学系统的体积约为1 mm³。不同相位分辨率样品的成像实验验证了其捕获定量相位梯度数据的能力，相位梯度灵敏度优于92.3 mrad μm⁻¹和单细胞分辨率。该研究结果展示了超表面在开发用于无标记细胞成像和微型化QPI系统方面的潜力。相关研究工作发表在《Nature Photonics》。（短文作者：丁雷）

文章链接：Hyounghan Kwon et al, Single-shot quantitative phase gradient microscopy

using a system of multifunctional metasurfaces, Nature Photonics,(2019).

doi.org/10.1038/s41566-019-0536-x.

在过去的几十年里，超材料因其非凡的电磁(EM)特性而引起人们极大的兴趣，该特性主要是由其亚波长结构和功能排列引起的。作为平面超材料的一种形式，超表面不仅克服了在体超材料中遇到的一些问题(如高损耗和难加工等)，而且通过波前整形、辐射控制和极化转换可对电磁波进行调控。由于这种多功能性，人们提出了各种超表面的应用，包括成像、隐身、反常反射和折射。从被动到主动，科学家已经设计出可编程的动态的和可任意操作电磁(EM)波场的超表面。然而，可编程的超表面需要手动控制来切换不同的功能。

近日，东南大学崔铁军等人提出了一个智能的超表面，它具有自适应的可重复编程功能，无需人工参与。该智能超表面能够通过集成额外的传感器感知周围环境，并能够通过无人传感反馈系统自适应调整其EM运作功能。超表面由三个主要组成部分:可编程单元、FPGA和传感器。其中传感器反馈系统由多个部件组成。在这种结构中，传感器只需要固定在超表面的边缘，因此，相互之间没有过多的干扰。作为一个示例，研究人员开发了一个与三轴陀螺仪集成的运动敏感智能超表面，它可以通过不同的超表面旋转自适应地调整电磁辐射光束。此外，该团队设计了一个在线反馈算法作为控制软件，使该智能超表面自适应地实现单波束和多波束转向等动态反应。作者表示可通过MEMS或液晶等纳米结构进一步扩展到更高的频率。该超表面的设计思路可应用到其他物理传感器，以检测湿度、温度、照明灯光等等。该工作为智能和感知超表面的设计应用开辟了一条新的路径。相关研究工作发表在《Light: Science & Applications》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Qian Ma et al, Smart metasurface with self-adaptively reprogrammable functions, Light: Science & Applications (2019) 8:98

doi.org/10.1038/s41377-019-0205-3.

三维场景重建具有许多重要的应用，如自主导航、环境监测及计算机视觉等领域。虽然几何和反射率信息可以通过多种扫描方式获得(如RGB-D传感器、立体声成像或全波形激光雷达)，但单光子系统是近年来出现的一种极好新型技术。其中时间相关的单光子计数(TCSPC)激光雷达方法具有几个明显的优势:单光子探测器的高灵敏度特性允许使用低功率、安全的激光源;皮秒计时分辨率能够在远距离(几百米到几千米)保持极好的分辨率。最近，TCSPC技术已被证明能够成功地在极端环境中（例如雾天，凌乱的目标，高度散射的水下目标以及超过10公里的自由目标）重建高分辨率的三维图像。然而，这给数据处理带来了极大的挑战，在以上场景中，现有的方法要么太慢，要么鲁棒性不强。

近日，英国爱丁堡赫瑞瓦特大学Julián Tachella等人展示了一个新的计算框架，该计算框架用于从单光子激光雷达数据中实时重建三维(3D)场景。通过将统计模型与计算机图形学相结合，它能够使用非常少的光子或在存在虚假检测的情况下获得分布式场景的可靠估计。该方法对重建的三维曲面不做任何强假设，允许每个像素中存在未知数量的曲面。同时该算法将观测模型的先验信息(传感器数据、坏点、探测器灵敏度等)与计算机图形学中强大的点云去噪器相结合，优于单纯基于计算机图形学或图像处理技术的方法。研究人员演示了复杂户外场景的3D重建，处理时间为20毫秒，其中激光雷达数据是在白天从320米的距离获取的。该方法可对杂乱的场景进行目标检测和成像。这使得对复杂的移动场景进行鲁棒的、实时的目标重建成为可能，为实际的3D成像应用中以视频速率传输单光子激光雷达铺平了道路。相关研究工作近日发表在《Nature Communications》上。（短文作者：丁雷）

文章链接：Julián Tachella et al, Real-time 3D reconstruction from single-photon lidar data using plug-and-play point cloud denoisers. Nature Communications (2019) 10:4984.

doi.org/10.1038/s41467-019-12943-7.

自1992年被认识以来，携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束在光学操纵，成像，光与物质之间的相互作用和光学通信中进行了广泛研究。这种涡旋光束的螺旋波前由一个相位因子描述，其中是方位角，拓扑电荷是无限的整数或分数。由于无限制的维度空间，它为信息的复用提供了高度的自由度，从而无限地提高了光通信过程中的传输容量。

但是，由于分辨率的限制，在以前的方法中仅考虑拓扑电荷为整数的本征模。随着整数拓扑电荷值的增加，相位的奇异性增长和衍射效应极大地影响了涡旋光束的强度分布，极大地增加了在自由空间聚焦和在光纤中耦合的难度，这个问题限制了基于OAM的光通信的发展。因此，在具有更多OAM状态但具有较小相位奇异性的情况下，充分扩展通信容量至关重要。在这里，来自Shanghai Jiao tong University的Xianfeng Chen研究小组近期工作提供了提出了一种深度学习（DL）方法，以精确识别具有分数拓扑电荷的OAM模式。相邻模式之间识别的最小间隔减少到0.01，据我们所知，这是第一次实现这种超高分辨率。为了展示其在光通信过程中的效率，通过超高分辨率OAM复用系统传输爱因斯坦肖像。由于理论上可以通过最高无限大的数据来训练卷积神经元网络，这项工作展现出了巨大的潜力，可广泛应用于下一代基于DL的超精细OAM光通信，甚至可以应用于微波，毫米波和太赫兹OAM通信系统，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.123.183902.

超构材料是一类合理设计的复合材料，其可能的有效材料性能范围是天然材料不能达到的。电磁超构材料具有单位单元设计，旨在定制人工材料的等效电磁属性，例如从微波到光学领域的等效介电常数，磁导率和手性。通过设计电磁超构材料需要的属性，已经实现了包括隐形斗篷，亚波长分辨率成像，转换光学，双曲线响应和完美吸收等多种独特的现象和功能。超构材料的另一个显着特征是在它们的晶胞附近有很强的电磁近场约束效应。通过在超构材料晶胞中掺入量子材料，从微波和太赫兹波到光学波段已经被证实具有明显的非线性响应现象。。

来自Boston University的Xin Zhang研究小组近期报道了一种具有自适应响应并选择性放大磁场强度的非线性超构材料（NLMM）的开发。 NLMM的谐振响应于较高程度的射频激励强度而受到抑制，并在随后的低激励强度阶段恢复，从而通过被动地检测激励信号强度并做出相应响应来表现出智能或非线性的行为。 NLMM的非线性响应使我们能够将磁共振成像期间的信噪比提高到前所未有的程度。这些结果为构建由耦合谐振器组成的NLMM的新范式提供了一个角度，并为NLMM的利用铺平了道路，以解决许多实际的技术应用，相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201905461.

光子上转换过程具有独特的吸引力，相比一般的荧光，磷光等辐射现象，它可以吸收入射的低能近红外（NIR）光子，并且把这些低能量的光子转换成高能量的可见光甚至紫外（UV）光子。这种不寻常的反斯托克斯发射特性启发了许多重要应用，包括生物传感器、显微镜、深层组织成像、光触发纳米医药、光遗传学、全彩显示防伪安全墨水、太阳能收集和光催化等。 

除了非线性晶体中的二次谐波和荧光分子和纳米晶体中的多光子吸收外，产生光子上转换的主要途径有两种：掺杂镧系元素的上转换纳米颗粒（UCNP）和三重态-三重态湮没（TTA）系统。UCNP系统依赖于掺杂镧系离子的多种长寿命和梯状电子态，甚至可以进行2到6光子上转换过程，使大反斯托克斯从近红外激发转变为可见光和紫外辐射。但UCNP对光的吸收较差，其总的上转换效率通常低于5%，明显低于TTA系统。TTA是基于扩散介导的两个三重态激子湮没形成一个高能光子，具有大的吸收截面和接近于一的上转换效率。但TTA因为遵循双光子上转换过程，具有相对较小的反斯托克斯位移。此外，TTA系统还存在稳定性问题，特别是在氧气和水环境中。因此，上转换材料的目标是建立一个稳定的系统，该系统在光致敏化、能量转移和上转换发射方面具有高的效率，并且能够将宽带近红外光转换为可见光和紫外光，以满足上述应用的关键要求。 

最近来自悉尼理工大学（University of Technology Sydney），哥伦比亚大学（Columbia University），和韩国化学技术研究所（Korea Research Institute of Chemical Technology）等单位的研究人员综述了混合光子上转换纳米材料系统的最新进展，重点是无机-有机界面上能量转移的作用和机制。文章系统地阐述了能量转移上转换过程典型模型中的每一个关键因素如何调整，以提高用于传感、成像、光伏和光催化剂的发光纳米晶体的亮度和效率。此外，文章探讨了限制吸收效率、能量转移效率和上转换效率的关键因素，以及它们的化学和光学稳定性。这篇综述旨在将多学科的研究团体聚集在一起，并为将来更有效和稳定的上转换材料系统的定制设计开辟新的途径。文章以Future and challenges for hybrid upconversion nanosystems为标题发表在Nature Photonics上。（短文作者：鲁强兵）

有机-无机杂化纳米系统界面的能量转移。a，染料敏化UCNPs界面上有机染料向纳米粒子有效能量转移的关键因素。b，纳米颗粒敏化TTA系统界面处纳米晶向有机染料有效能量转移的关键因素。橙色和绿色箭头分别表示激发和发射过程在a中的黄色和绿色球体代表掺杂在UCNPs中的镧系敏化和发射。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0528-x#article-info 

DOI：10.1038/s41566-019-0528-x

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