今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及梯度磁感应超构曲面中具有长振荡寿命的彩虹陷阱、布里渊集成光学、变迹硅基光栅耦合器实现模式转换、一种用于记录心电图的超柔性有机差分放大器、光学相干折射层析成像、半导体纳米晶体网络中的金属-绝缘体转变、不稳定触发的三重负模量机械超构材料等敬请期待！

索引 

1. 梯度磁感应超构曲面中

   具有长振荡寿命的彩虹陷阱

2. 布里渊集成光学

3. 变迹硅基光栅耦合器实现模式转换

4. 一种用于记录心电图的

   超柔性有机差分放大器

5. 光学相干折射层析成像

6. 半导体纳米晶体网络中的

   金属-绝缘体转变

7. 不稳定触发的三重负模量

   机械超构材料

01

 

梯度磁感应超构曲面中

具有长振荡寿命的彩虹陷阱 

彩虹陷阱可被视为这样一种现象，其中不同波长传播的波在空间上分离，类似当光透过棱镜时颜色的分离。自从超构材料中彩虹陷阱的第一个理论提议以来，许多超构材料被设计用于观察类似的有趣现象。除了理解基本属性之外，由于其潜在的应用，研究一直在探索这一主题：增强的波-物质相互作用特性可用于设计基于渐变结构的宽带光学吸收器以及非线性光学器件，频谱分裂特性为设计用于天线馈电网络的波分复用器提供了另一种方法，定位特性可能潜在地为波聚焦带来革命性的变化。

大多数先前的研究工作可以归类为色散工程，其中具有定制色散特性的波导是使不同波长的波在期望位置停止的关键。近日，来自Southeast University的Zhixia Xu研究小组提出了一种不同的策略，抑制不同位置的不同频率的反射和约束波来实现宽带彩虹陷阱，在微波波段报告了梯度超构曲面设计，作为实现“彩虹陷阱”目标的优雅方法，可以用于存储涉及波定位和吸收现象的波。纵向放置的共面波导在两侧加载有梯度表面，其中开环谐振器（SRR）是基本单元。沿横向排列相同的SRR以建立磁感应通道。不同频率的波在表面中的不同位置处耦合到相应的SRR。具有长振荡寿命的谐振陷阱增强了由材料的固有损耗引起的吸收，从而抑制了反射。模拟和测量均验证了“彩虹陷阱”的存在。所提出的策略增强了波与物质之间的相互作用，为进一步的组件设计开辟了道路，包括吸收滤波器，多路复用器和缓冲器。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.024043

02

布里渊集成光学

受激布里渊散射（SBS）是一种相干光声耦合过程，在激光物理和非线性光学领域有着广泛的应用。布里渊相互作用产生三阶光学非线性，其强度经常能够高于Kerr和Raman相互作用几个量级。布里渊散射相互作用源自GHz频率范围内的光场和声子之间的耦合，这种相互作用还可以被应用于实现新的激光光源、弹性测量、精密光谱等。此外，产生布里渊效应的光声耦合机制同时也可以产生线性声光相互作用，这是现代声光信号处理技术的基础。以往的布里渊散射往往局限于几十米长光纤实验中，具有固定的增益光谱。然而在过去的十年间，基于新型波导和光学集成平台的布里渊相互作用取得了长足的发展。布里渊增益能够成功的在光子晶体光纤、微米级波导边界等器件中成功实现。

集成布里渊应用中需要解决的核心问题是光波和声波的同时限制。例如，虽然SOI（绝缘体上硅）波导通过全内反射很好的限制光波，但是硅波导芯的高刚度限制了弹性波的传输。硫化物软玻璃平台是解决这一问题的一个有效方案，其高折射率和较低的刚度能够同时实现光波限制和弹性波传输。另一种方法是将光学波导芯与基板机械隔离。此外，还可以通过第损耗波导系统，不施加声学限制的方法实现。尽管过去的研究取得了很多成果，但是寻求能够在硅或者其他流行的半导体平台中共同限制光和高频弹性波的技术，同时能够具有易于制造和机械强度高等特点，仍然是一项关键挑战。

近日，来自伊利诺伊大学香槟分校的研究团队发表综述文章，概述了集成波导和谐振器中布里渊散射的概念。总结了受激布里渊散射中光声耦合、声场限制的重要性，计算和测量布里渊增益的方法以及在不同的材料平台和几何结构下布里渊散射的多样性。此外，该综述展望了布里渊散射在微波光子学、信号处理、传感等领域的新型应用和未来的发展方向。

文章链接：B. J. Eggleton, C. G. Poulton, P. T. Rakich, M. J. Steel, and G. Bahl, Nat. Photonics (2019). https://www.nature.com/articles/s41566-019-0498-z

03

变迹硅基光栅耦合器

实现模式转换

现代网络的容量需求不断增加，空分复用（SDM）技术在光通讯研究中得到了越来越多的关注。多模光纤的使用已经成为一种实现SDM技术的极具吸引力的解决方案，该方案能够通过将不同的数据流分配到不同的模式来增加单根光纤承载的信息量。与此同时，硅光子学被广泛用于通信应用，为实现高性能集成器件提供了经济高效的途径。在硅光子学与少模光纤（FMF）技术相结合的应用中，两个基本模块至关重要：高效的FMF到绝缘体上硅（SOI）接口和集成多模复用器。其中，FMF-SOI接口可以通过精确设计尺寸的光栅耦合器实现。集成多模复用技术可以通过使用多模波导技术实现，或者使用电光移相器和多个小尺寸光栅，将部分模式转换操作转移到波导-光纤接口，这些光栅适当地定位以照射相对较大的FMF横截面上的不同位置，从而激发高阶线性偏振（ LP）模式。

模式转换操作是多模复用器所需的基本功能。近日，来自南安普顿大学光电子研究中心的研究人员报道了一种片上集成的模式转换器。这种光栅耦合器能够将TE₀波导模式到双模光纤LP₁模式的转换，并且不需要额外的移相器组件。这种设计方法完全在FMF到SOI耦合阶段实现模式转换功能，并专注于优化转换过程的效率以及耦合效率。对于商用双模光纤其耦合损耗为3.1dB，其中包括1.3dB的转换损失。

文章链接：Iosif Demirtzioglou, Cosimo Lacava, Abdul Shakoor, Ali Khokhar, Yongmin Jung, David J. Thomson, and Periklis Petropoulos, "Apodized silicon photonic grating couplers for mode-order conversion," Photon. Res. 7, 1036-1041 (2019) https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/91D84761-9CC1-84E2 BFEACA1633F85E40_416718/prj-7-9-1036.pdf?da=1&id;=416718&seq;=0&mobile;=no

04

一种用于记录心电图的

超柔性有机差分放大器

灵活的、可穿戴的、符合人体和器官等表面曲线特性的电子传感器在健康监测、可植入的神经记录和刺激系统以及人机界面等方面具有潜在的用途。最近在材料和微/纳米结构方面的研究使我们能够获取广泛的生物信息，包括血氧浓度和化学代谢等。到目前为止，这些传感器系统大多集中在信号传感的材料和结构上的进步，而用于信号处理和操纵的电子电路仍然依赖于传统的硅基刚性芯片，这些芯片位于信号位置之外。基于有机薄膜晶体管(OTFTs)的差分放大器由于其信号放大和噪声消除能力，可以用于对人体生命特征的监测因而具有很大的吸引力。然而，与硅晶体管相比，制造出来的OTFTs的品质差异很大，因此限制了能够记录微弱生理电位的有机差分放大器的发展。

近日，大阪大学科学与工业研究所Tsuyoshi Sekitani等人研制了一个2 μm厚的超柔的有机差分放大器，可以直接贴在皮肤表面，而不会给用户带来不适等症状，在处理生理信号的时候能保持高信号完整性和高灵敏度。该方法使用了电路设计和补偿技术，能处理几个毫伏的生理电信号，将OTFTs之间的失配抑制到不到几个百分点。这就导致了共模噪声衰减系数低于-12 dB。使用该柔性放大器对心电图信号进行监测，在放大的过程中，将60 Hz的谐波噪声功率降低约60倍，产生的心电图信号信噪比为34 dB。此外，由于研制的差分放大器具有很高的共模干扰消除功能，研究人员成功地监测了受试者运动(步)过程中的心电信号。使用这种超柔性有机差动放大器，可以在日常生活中实时监测人体运动，具有高信号完整性和高鲁棒性。当应用于人体皮肤时，该放大器同时放大信号和降低噪声。这一概念不仅适用于生物医学电子领域，也适用于基于物联网的领域，如结构健康监测和智能农业。此外，柔性差分放大器有可能应用于智能元件中作为滤波电路、运算放大器和模数转换器。相关研究工作近期发表在《Nature Electronics》上。

文章链接：Masahiro Sugiyama，et al, An ultraflexible organic differential amplifier for recording electrocardiograms. Nature Electronics (2019).doi.org/10.1038/s41928-019-0283-5.

05

光学相干折射层析成像

光学相干层析成像（optical coherence tomography, OCT）是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的三维层析成像技术。OCT基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，其信号对比度源于生物组织或材料内部光学反射（散射）特性的空间变化，目前已成功应用于多个医学专业病理诊断和治疗监测。典型的OCT系统以牺牲横向分辨率来获得较长的聚焦深度，从而获得较好的轴向分辨率。这种非均质的分辨率掩盖了一些细小的超微结构特征。此外，传统的OCT存在由折射引起的图像畸变的问题。

近日，美国杜克大学Joseph A. Izatt 等人开发了光学相干折射层析成像(OCRT)技术，该技术将轴向分辨率拓展到横向分辨率，从具有角分集的多幅常规图像中合成了无畸变的截面图像。在校正由折射引起的畸变以构建OCT图像时，OCRT还实现了空间分辨率的折射率成像。在组织超微结构成像方面，横向分辨率提高了三倍，同时在一定程度上抑制了相干斑点的生成。总之，OCRT是一种利用多角度OCT图像计算得到增强分辨率重建的技术；而这对于传统的OCT来说是无法实现的，此外，研究人员已在各种生物样品中证明了OCRT相较于OCT有很大的优势，并且发现在OCRT重建过程中有一些超微结构看的很明显，但在传统的OCT图像中却缺失了。随着光学设计的进一步优化，将角分集纳入临床仪器的设计中，与传统的OCT相比，OCRT可以作为一种新型增强的技术得到广泛应用。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。 

文章链接：Kevin C. Zhou et al. Optical coherence refraction tomography Nature Photonics (2019).doi.org/10.1038/s41566-019-0508-1.

06

半导体纳米晶体网络中的金属-绝缘体转变

通常半导体纳米晶体（NCs）的应用，例如热电发生器和透明导体，都需要跨NC网络的金属（非激活）电荷输运。金属态的特征在于电荷离域和电荷输运没有能垒。因此，可以通过测量电导率σ的温度依赖性来确定金属，并确定σ（T）在极限T→0时外推到非零值。在大多数材料中，金属-绝缘体转变（MIT）是由物理调谐参数（例如掺杂水平）驱动的连续量子相变。在先前对半导体NC网络中电荷输运的实验研究中，通过杂质掺杂或光掺杂增加了自由电子密度n，并且通过烧结或在连接的NC上共形沉积附加半导体材料来增加粒子间接触半径ρ 。各种NC材料（包括ZnO）的研究已经出现了金属或近金属输运的迹象。然而，这些报告缺少2 K以下的σ数据，也没有完全证明σ（T→0）> 0。

在这项工作中，美国明尼苏达大学Benjamin L. Greenberg教授和Uwe R. Kortshagen教授合作，通过操纵自由电子密度n和粒子间接触半径ρ可以在半导体NC网络中实现金属-绝缘体转变(MIT)。他们研究了氧化锌ZnO NC网络的电导率σ对温度的依赖性，数据表明在ZnO NC网络中，MIT是一个连续的量子相变，在临界点具有接近σ∝T^{1/ 5}的异常幂律。他们通过非热等离子体合成和超音速冲击沉积来产生NC网络，所有网络都采用相同的光子烧结和ALD处理。通过霍尔效应和局部表面等离子体共振（LSPR）的测量估算了临界区域的nρ³，并与简单的NC表面耗尽模型进行对比。他们观察到明显的金属行为，并且电导率σ仅比完全致密的多晶ZnO薄膜低两倍，这为结合体相电荷输运和纳米结构优势的NC材料带来了光明前景，例如，利用这些ZnO NC网络的透明度和纳米孔隙率可以产生具有高界面面积和尺寸可调光学性质的导电纳米复合材料。该工作于近日发表在《Science Advances》上。

文章链接：Greenberg et al., Sci. Adv. 2019;5: eaaw1462（DOI: 10.1126/sciadv.aaw1462）

07

不稳定触发的三重

负模量机械超构材料

杨氏模量（E），剪切模量（G），体积模量（K）和泊松比（ν）是表征材料机械性能的基本材料参数。常规材料具有正材料参数，而超构材料则具有负参数。具有负泊松比的材料（拉胀材料）在压缩时横向收缩，而具有负刚度的材料在与施加的力相反的方向上变形。负材料参数不仅因其丰富的物理特性而且还因其替代应用和出色的机械性能而备受关注。例如，拉胀材料可以生产具有无界剪切的体积模量和高耐久性的复合材料。另一方面，负刚度材料可以提供高能量吸收，并产生具有无界阻尼和无界刚度的复合材料。

近日，来自State University of New York at Stony Brook的Lifeng Wang研究小组报告了一种三重不稳定性触发的机械超构材料，它同时具有负刚度，负体积模量和负泊松比。该超构材料是粘合剂-壳元素的周期性排列。结合数值模拟和微观力学分析，表明薄球壳在压缩下向内凹陷，这导致负泊松比。基于Riks方法的模拟预测了穿透不稳定性，揭示了超构材料表现出负增量刚度。负体积模量是负刚度和负泊松比的结果。有趣的是，增量刚度和增量泊松比在回弹发生时在位移控制载荷下接近负无穷大。进一步表明，三重负超构材料可以满足强椭圆率条件，提供一种机制，即使在发生材料软化时也能防止形成局部变形带。所提出的三重负超构材料也可以用作极端阻尼复合材料，极端刚性复合材料和机械致动器等应用的结构元件。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.024040

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两江科技评论编辑部

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