研究人员展示了"挤压"红外光的新方法

研究人员展示了"挤压"红外光的新方法研究人员已经证明，一种特定类型的氧化物膜可以比块体晶体更有效地限制红外光，这对下一代红外成像技术具有重要意义。这些薄膜膜在压缩波长的同时保持所需的红外频率，从而实现更高的图像分辨率。研究人员利用过渡金属钙钛矿材料和先进的同步加速器近场光谱，表明这些膜中的声子极化子可以将红外光限制在其波长的10%以内。这一突破可能带来光子学、传感器和热管理领域的新应用，并可能轻松集成到各种设备中。图片来源：北卡罗来纳州立大学YinLiu“薄膜膜保持了所需的红外频率，但压缩了波长，使成像设备能够以更高的分辨率捕捉图像，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授YinLiu说道。“我们已经证明，我们可以将红外光限制在其波长的10%以内，同时保持其频率-这意味着波长循环所需的时间相同，但波峰之间的距离要近得多。块状晶体技术将红外光限制在其波长的97%左右。”“这种行为以前只是理论上的，但我们能够通过我们制备薄膜膜的方式和我们对同步加速器近场光谱的新用途首次在实验中证明它，”该论文的共同主要作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授RuijuanXu说道。为了这项工作，研究人员使用了过渡金属钙钛矿材料。具体来说，研究人员使用脉冲激光沉积在真空室中生长出100纳米厚的钛酸锶(SrTiO3)晶体膜。这种薄膜的晶体结构质量很高，这意味着它几乎没有缺陷。然后将这些薄膜从生长它们的基底上取下，并放置在硅基底的氧化硅表面上。研究人员随后利用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的技术，在钛酸锶薄膜暴露于红外光时对其进行同步近场光谱分析。这使研究人员能够在纳米级捕捉到材料与红外光的相互作用。要了解研究人员学到了什么，我们需要讨论声子、光子和极化子。声子和光子都是能量在材料之间传播的方式。声子本质上是由原子振动引起的能量波。光子本质上是电磁能的波。可以把声子看作是声能的单位，而光子是光能的单位。声子极化子是准粒子，当红外光子与“光学”声子（即可以发射或吸收光的声子）耦合时就会产生。“理论论文提出了这样一种观点，即过渡金属钙钛矿氧化物膜将允许声子极化子限制红外光，”刘说。“而我们的工作现在表明，声子极化子确实限制了光子，并且还阻止光子超出材料表面。这项工作建立了一类用于控制红外波长光的新型光学材料，在光子学、传感器和热管理方面具有潜在的应用，想象一下，能够设计出使用这些材料通过将热量转化为红外光来散热的计算机芯片。”“这项工作也令人兴奋，因为我们展示的制造这些材料的技术意味着薄膜可以很容易地与各种各样的基底集成，”徐说。“这应该可以轻松地将这些材料整合到许多不同类型的设备中。”编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434557.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434557.htm

成像革命：科学家用超成像新方法突破光学衍射极限

成像革命：科学家用超成像新方法突破光学衍射极限超级透镜在实频和合成复频激励下的成像示意图。同一物体在不同的实频照明下通过超级透镜成像时，会产生不同程度的模糊图像，没有一个实频图像能辨别出物体的真实外观。将多个单频图像的场振幅和相位组合起来，最终就能获得清晰的图像。资料来源：香港大学成像在生物学、医学和材料科学等许多领域都发挥着重要作用。光学显微镜利用光对微小物体进行成像。然而，传统显微镜最多只能分辨光波长数量级的特征尺寸，这就是所谓的衍射极限。为了克服衍射极限，伦敦帝国理工学院的约翰-彭德里爵士提出了超透镜的概念，超透镜可以由负指数介质或银等贵金属制成。随后，香港大学现任校长张翔教授与他当时在加州大学伯克利分校的团队一起，利用银薄膜和银/电介质多层堆栈实验证明了超成像技术。这些工作广泛推动了超级透镜技术的发展和应用。遗憾的是，所有超透镜都不可避免地存在光学损耗，它会将光能转化为热能。这严重影响了超透镜等光学设备的性能，因为它们依赖于光波所携带信息的忠实传递。字母"H"的多实频和复频成像图案。资料来源：香港大学过去三十年来，光学损耗一直是制约纳米光子学发展的主要限制因素。如果能解决这个问题，包括传感、超成像和纳米光子电路在内的许多应用都将受益匪浅。论文通讯作者、港大物理系临时系主任张爽教授解释研究重点时说："为了解决一些重要应用中的光学损耗问题，我们提出了一个实用的解决方案--利用新颖的合成复波激励获得虚拟增益，然后抵消光学系统的固有损耗。作为验证，我们将这种方法应用于超级透镜成像机制，从理论上显著提高了成像分辨率。我们使用双曲超材料制成的超透镜在微波频率范围内和偏振子超材料制成的超透镜在光学频率范围内进行实验，进一步证明了我们的理论。"论文第一作者、香港大学博士后关复新博士补充说："不出所料，我们获得了与理论预测一致的出色成像结果。"克服光损耗的多频方法在这项研究中，研究人员采用了一种新颖的多频方法来克服损耗对超成像的负面影响。复频波可用来提供虚拟增益，以补偿光学系统中的损耗。复频是什么意思？波的频率是指波在时间上的振荡速度。将频率视为实数是很自然的。有趣的是，频率的概念可以扩展到复数域，在复数域中，频率的虚部也具有明确的物理意义，即波在时间上放大或衰减的速度。因此，对于复频波来说，波的振荡和放大是同时发生的。对于虚部为负（正）的复频，波在时间上会衰减（放大）。实频波（a）、复频波（b）和截断复频波（c）的电场剖面图。由多个实频的线性组合合成的截短复频波（d）。资料来源：香港大学当然，理想的复频波并不符合物理原理，因为当时间达到正无穷大或负无穷大时，复频波就会发散，这取决于其虚部的符号。因此，任何现实中的复频波都需要在时间上截断，以避免发散。直接基于复频波的光学测量需要在时域中进行，这将涉及复杂的时间门控测量，因此迄今为止尚未在实验中实现。研究小组利用数学工具傅立叶变换，将截断的CFW分解为不同实际频率的多个分量，从而大大方便了CFW在超成像等各种应用中的实现。通过以固定间隔对多个实际频率进行光学测量，就可以通过数学方法将实际频率的光学响应组合起来，构建出系统在复数频率下的光学响应。使用在光频下工作的碳化硅超级透镜进行超级成像。复频测量的空间分辨率远高于实频测量。SEM图像显示了物体的性能。资料来源：香港大学作为概念验证，研究小组首先使用双曲超材料进行微波频率的超成像。双曲超材料可以携带波矢非常大（或波长非常小）的波，能够传输特征尺寸非常小的信息。然而，波矢越大，光波对光损耗就越敏感。因此，在存在损耗的情况下，这些小尺寸特征的信息会在双曲超材料内部的传播过程中丢失。研究人员的研究表明，通过适当组合在不同实际频率下测量到的模糊图像，就能在复杂频率下形成具有深亚波长分辨率的清晰图像。研究小组将这一原理进一步扩展到光学频率，采用了一种由碳化硅声子晶体制成的光学超级透镜，其工作波长为10微米左右的远红外线。在声子晶体中，晶格振动可以与光耦合，从而产生超成像效果。然而，损耗仍然是空间分辨率的限制因素。虽然在所有实际频率下成像的空间分辨率都受到损耗的限制，如纳米级孔洞的模糊图像所示，但利用由多个频率分量组成的合成CFW，可以获得超高分辨率成像。这项工作为克服纳米光子学中的一个老大难问题--光学系统中的光损耗提供了解决方案。该论文的另一位通讯作者、香港大学校长兼物理与工程学讲座教授张翔教授说："这种合成复频方法很容易推广到其他应用领域，包括分子传感和纳米光子集成电路。他称赞这是一个了不起的、普遍适用的方法，这可以用来解决其他波系统的损耗问题，包括声波、弹性波和量子波，将成像质量提升到一个新的高度。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389571.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389571.htm

研究人员开发出对抗疟疾抗药性的新方法

研究人员开发出对抗疟疾抗药性的新方法疟疾仍然是全球最致命的传染病之一。抗药性疟原虫的出现要求我们不断开发新的药物。SvetlanaB.Tsogoeva教授领导的埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学（Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg，FAU）的研究小组现已将抗疟疾药物青蒿素与香豆素（与青蒿素一样，香豆素也存在于植物中）结合在一起，并从这两种生物活性物质中开发出一种自发荧光化合物。这种自发荧光尤其具有优势，因为它可用于活细胞成像，并能以精确的时间顺序显示药物是如何起作用的。工作小组还发现，自发荧光的青蒿素-香豆素混合物能够消灭一种名为棕榈疟原虫的抗药性疟疾病原体。他们将研究结果发表在《化学科学》杂志上。青蒿素是从一种名为黄花蒿（ArtemisiaannuaL.）的植物中提取的一种高效、常用的疟疾药物成分。香豆素是一种次生植物化合物，存在于多种植物中。在开发抗疟疾药物的过程中，活性物质会被贴上荧光标签，以便利用成像技术，按照精确的时间顺序确定它们是如何对疟疾病原体发挥作用的。青蒿素已经使用了这种荧光标记。不过，使用荧光物质标记的一大缺点是会改变药物的作用方式。例如，这意味着在某些情况下，感染疟疾的细胞在荧光标记后对青蒿素等药物的吸收与之前不同。药物的溶解度也会发生变化。自发荧光混合物的开发避免了这一问题，这种混合物由两种或两种以上的基本化合物组成，本身具有荧光，其作用模式可通过成像技术精确观察。有机化学教席的Tsogoeva教授领导的团队决定将青蒿素与生物活性香豆素结合起来，因为香豆素衍生物也具有抗疟疾特性。香豆素衍生物还可以很容易地进行化学变化，使其具有极强的荧光性。研究人员发现，在感染了恶性疟原虫的活红细胞中，不仅可以观察到这种首创的自发荧光青蒿素-香豆素混合物的作用模式，而且还可以观察到青蒿素-香豆素混合物的生物活性。BarbaraKappes教授（巴西联邦大学化学与生物工程系）和DiogoR.M.Moreira博士（巴西巴伊亚州Fiocruz市GonçaloMoniz研究所）共同发现，这种活性制剂在体外（试管内）对恶性疟原虫菌株非常有效，而这些菌株对氯喹和其他疟疾药物具有抗药性。最重要的是，这种新化合物在小鼠模型体内对疟疾病原体也非常有效。随着首个自发荧光青蒿素-香豆素混合物的问世，FAU的研究人员希望他们已经为开发更多治疗疟疾的自发荧光药物奠定了基础，并在克服治疗疟疾的多重抗药性方面取得了重大进展。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398819.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398819.htm

研究人员开发出快速可靠的COVID-19检测新方法

研究人员开发出快速可靠的COVID-19检测新方法从采集拭子到获得结果，整个过程只需两个小时。研究小组认为，这种方法可以很容易地用于识别其他病原体，有可能成为管理未来流行病的重要工具。新方法需要鼻腔或咽喉拭子。在用质谱仪进行分析之前，需要对样本进行制备，这只需要几秒钟的时间。在MALDI-TOF质谱仪中，使用激光脉冲将样品转移到气相中，然后测量各个成分的质量。"这使我们能够直接、明确地测量冠状病毒的单个病毒颗粒。因此可以排除假阳性结果，"MLU药学院专门从事质谱分析和蛋白质研究的AndreaSinz教授说。她的团队已于2020年7月证明，质谱仪一般都能检测出SARS-CoV-2。不过，当时这种方法仍很耗时，而且需要非常高端的设备。新方法的优势在于，MALDI-TOF质谱仪已被许多实验室和诊所用于诊断细菌或真菌感染，因此很容易获得。这些设备甚至可以区分病毒的不同变种。不过，这种方法的灵敏度还不及聚合酶链反应（PCR），后者是迄今为止最灵敏的电晕检测方法。这意味着，当病毒载量很低时，并非所有感染都能被检测出来。另一方面，这种方法更快、更灵活。"在急性期，这种方法是对PCR的理想补充，因为我们可以快速分析大量样本。快速而可靠的结果可能更容易遏制疾病的爆发，"该研究的第一作者莉迪亚-科尔霍夫解释说。此外，这种方法还可以非常容易地应用于未来大流行病中的其他病原体，并作为PCR检测的补充。哈勒的科学家们希望与莱比锡大学医学中心合作，进一步优化这种方法。之后，该方法将通过认证程序，以便在临床上使用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377955.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377955.htm

波前塑形：天文技术用于更清晰的医学成像

波前塑形：天文技术用于更清晰的医学成像加州理工学院医学工程系的研究人员通过使用受天文学启发的波前整形在医学成像方面取得了重大进展。波前整形是一种用于纠正天文成像中由地球大气层造成的光学失真的方法。与地球大气层类似，生物组织也会散射光线，使血管、神经和癌细胞的显微图像出现失真。资料来源：加州理工学院描述这项研究的论文最近发表在《自然-光子学》上，题目是"通过散射介质进行高增益和高速波前整形"。在天文学中，到达望远镜的光线被地球的大气层扭曲，导致行星、卫星和其他宇宙物体的图像模糊不清。地球的大气层是所谓的散射介质；它散射光线，使图像显得不集中和混浊。波前整形是一种通过扭转由大气层造成的光学失真来产生聚焦光的方法。在这种方法中，一个反射装置，如镜子，"塑造"光波以抵消失真。这类似于一个人戴着主动降噪耳机来对抗环境噪音。生物组织也是一种散射介质。在拍摄血管、神经、甚至癌细胞的显微图像时，血液的运动、呼吸的运动和心脏的不断抽动会产生快速变化的失真，或浑浊。正如天文学家可能使用波前整形来消除地球大气层造成的失真，医学工程的研究人员已经探索使用波前整形来消除生物组织造成的失真。"当光穿过像一块组织这样的散射介质时，它将简单地散射到各处。这意味着我们不能直接将光聚焦到组织深处，"布伦医学工程和电子工程教授、该论文的通讯作者王丽红说。"散射有一个累积效应。散射的光子越多，我们看到的失真就越多。通过使用波前整形，我们可以减轻散射效应，并更深入地聚焦到生物组织。王的实验室采用了一种光折射晶体作为"魔镜"，抵消了由组织引起的光的扭曲。这个过程是这样的：如果你盯着一个标准的浴室镜子，你会看到一个清晰的、不扭曲的自己的图像。在你自己和镜子之间拿一个玻璃瓶对着你的眼睛，你会看到一个扭曲的、模糊的自己的形象。这是因为瓶子使光波在到达镜子和从镜子返回到你的眼睛的途中发生扭曲。魔镜"的"魔力"是通过扭转它所经历的扭曲来保持波的形状（称为波面）的能力。换句话说，返回的光线在前往镜子的路上和返回你的路上都经历了同样的扭曲，但却被逆转了，导致扭曲被自我抵消了。当这些波前再次通过瓶子时，结果是你自己的清晰图像，就像瓶子不在那里一样。然而，使用波前整形来捕捉更清晰的生物组织图像必须满足三个关键指标。以前的方法还不能满足这三个指标。第一个关键指标是速度。由于生物组织是活的，而且是移动的，整个波前整形过程必须在一毫秒内完成。Wang说："只有当你在时间逆转过程中让同一物体在同一位置处于同一状态时，我们才能消除波前失真。"他也是AndrewandPeggyCherng医学工程领导小组主席。第二个关键指标是所谓的"控制自由度"。与你早上穿衣服时可能使用的传统镜子不同，用于波前整形的"魔镜"是由许多小镜板组成的。面板越多，研究人员对调整和塑造光波的控制就越多，以消除失真。第三个关键指标，也是对王和团队最具挑战性的指标，是镜子的亮度或反射率--所谓的"能量增益"。对于在高速波前整形中使用的具有高控制自由度的"魔镜"，反射率往往过于暗淡而无法发挥作用。研究小组在激光的产生方式中找到了一个解决方案。当光波通过一种具有允许其放大光的特性的材料--也称为增益介质--时，增益介质中的电子以额外光的形式释放能量。这个过程放大了光波，形成了以直线传播的光--被称为激光。同样地，激光增益介质被用来放大到达魔镜并从魔镜上反射的散射光波，这种增益介质使我们能够使魔镜更加闪亮；可以说，它擦亮了镜子。魔镜本身保持不变，而进出魔镜的光线则被放大和变亮。在天文学中，波前整形可以将一个模糊的圆球变成一个遥远星球的更清晰图像。转化到医学工程中，这种新的医学波前塑形过程有可能使组织锐利地聚焦，以检测皮肤下的癌症。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358425.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358425.htm

一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察

一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察圆环状光束从具有规则重复结构的物体上反弹产生的散射图案。资料来源：Wang等人，2023年，"Optica"（光学）。功能最强大的无透镜成像技术被称为"层析成像"，其工作原理是用类似激光的光束扫描样品，收集散射光，然后利用计算机算法重建样品图像。虽然层析成像技术可以观察到许多纳米结构，但这种特殊的显微镜在分析具有非常规则的重复图案的样品时会遇到困难。这是因为在扫描周期性样品时，散射光不会发生变化，因此计算机算法会感到困惑，无法重建良好的图像。面对这一挑战，刚刚毕业的博士研究员王斌和内森-布鲁克斯与JILA研究员MargaretMurnane和HenryKapteyn合作，开发出一种新方法，利用具有特殊涡旋或甜甜圈形状的短波长光来扫描这些重复表面，从而产生更多不同的衍射图样。这使得研究人员能够利用这种新方法捕捉到高保真的图像重建，他们最近在《光学》（Optica）杂志上发表了这篇论文。这项成果还将在《Optica》杂志的《光学与光子学新闻》（OpticsandPhotonicsNews）2023年光学年度要闻中重点介绍。这种新的成像方法对于纳米电子学、光子学和超材料的应用尤其具有影响力。Murnane解释说："将可见激光束结构化（或改变其形状）为甜甜圈和其他形状的能力彻底改变了可见光超分辨率显微镜技术。现在，我们有了将这些强大功能应用到更短波长的途径，这非常令人兴奋"。雕刻涡形高次谐波束为了在台式装置中产生类似激光的短波长光束，JILA小组使用了一种称为高次谐波发生（HHG）的过程。当超高速激光脉冲击中一个原子时，高次谐波发生器会将一个电子拉走，然后将其驱回母体原子重新结合。原子在接触时，会将电子的动能转化为极紫外（EUV）光。如果数以百万计的原子都同步发出极紫外光，那么这些光波就会产生类似激光的明亮极紫外光束。为了给重复图案成像，JILA的研究人员需要找到一种改变HHG光束的方法，这样当EUV光束在样品上扫描时，散射光就会发生变化。为了达到这一效果，研究人员将HHG光束从圆盘状转变为涡旋状或甜甜圈状，这就是所谓的轨道角动量（OAM）光束。这种不同的形状对于实现周期性样品的无透镜成像至关重要。当科学家们用漩涡状的HHG光束照射显微镜时（见附图），会产生更复杂的散射图案，这些图案会随着样品的扫描而变化。这些变化编码了样品重复图案的信息，使算法能够提取精确的图像。除了这一令人兴奋的结果之外，与扫描电子显微镜相比，这种新型涡流束无透镜成像技术对脆弱样品的损伤也更小。由于许多软性材料、塑料和生物样本都很脆弱，因此有一种精确而温和的方法来对它们进行成像是非常关键的。此外，涡流束无透镜成像比扫描电子显微镜更能检测出纳米图案中的缺陷，因为扫描电子显微镜往往会融化脆弱的样品。对于为下一代纳米、能源、光子和量子设备制造图案化材料的科学家来说，这一进步能够在不破坏高周期结构的情况下对其进行高分辨率成像。正如Kapteyn所说："未来，这也有可能以高空间分辨率对微妙的活细胞进行成像"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424145.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424145.htm