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

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠一项基于先进照相技术的新技术展示了一种快速高效地重建纠缠粒子完整量子态的方法。渥太华大学的研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛-齐亚（DaniloZia）和法比奥-斯基亚里诺（FabioSciarrino）合作，最近展示了一种新技术，能够实时可视化两个纠缠光子（构成光的基本粒子）的波函数。用一双鞋作比喻，纠缠的概念可以比作随机选择一只鞋。当你辨认出一只鞋子的那一刻，另一只鞋子的性质（是左鞋还是右鞋）就会立刻被分辨出来，而不管它在宇宙中的位置如何。然而，耐人寻味的是，在观察的确切时刻之前，与识别过程相关的固有不确定性。波函数是量子力学的核心原理，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的"波函数"可以携带左右、大小、颜色等信息。更准确地说，波函数能让量子科学家预测对量子实体进行各种测量的可能结果，如位置、速度等。照片（从左到右）：AlessioD'Errico博士、EbrahimKarimi博士和NazaninDehghan。图片来源：渥太华大学这种预测能力非常宝贵，尤其是在飞速发展的量子技术领域，了解量子计算机产生或输入的量子态，将使我们能够测试计算机本身。此外，量子计算中使用的量子态极其复杂，涉及许多可能表现出强非局部相关性（纠缠）的实体。了解这样一个量子系统的波函数是一项极具挑战性的任务--这也被称为量子态层析成像或量子层析成像。采用标准方法（基于所谓的投影运算）进行全面层析需要大量测量，而测量次数会随着系统复杂度（维度）的增加而迅速增加。该研究小组以前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要几个小时甚至几天的时间。此外，结果的质量对噪声非常敏感，并取决于实验装置的复杂程度。量子层析成像的投影测量方法可以理解为观察从独立方向投射到不同墙壁上的高维物体的影子。研究人员所能看到的只是这些阴影，而从这些阴影中，他们可以推断出整个物体的形状（状态）。例如，在CT扫描（计算机断层扫描）中，可以从一组二维图像中重建三维物体的信息。不过，在经典光学中，还有另一种重建三维物体的方法。这种方法被称为数字全息术，其基础是通过将物体散射的光与参考光进行干涉而获得的单幅图像，即干涉图。由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术联合研究所（NexQT）联合主任、理学院副教授EbrahimKarimi领导的研究小组将这一概念扩展到了双光子的情况。重构双光子态需要将其与假定的众所周知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。对同时到达的两个光子进行成像被称为巧合成像。这些光子可能来自参考源，也可能来自未知源。量子力学指出，光子的来源无法确定。这就产生了一种干涉模式，可用于重建未知波函数。先进的照相机能以纳秒（1,000,000,000秒）的分辨率记录每个像素上的事件，使这项实验成为可能。论文共同作者之一、渥太华大学博士后AlessioD'Errico博士强调了这一创新方法的巨大优势："这种方法比以前的技术快了数倍，只需要几分钟或几秒钟，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响--这是解决投影层析成像中长期存在的可扩展性难题的一种方法。"这项研究的影响不仅限于学术界。它有可能加速量子技术的进步，如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387125.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387125.htm

科学家实现利用脂肪组织进行3D生物打印

科学家实现利用脂肪组织进行3D生物打印一种使用脂肪组织的新型3D生物打印方法可以打印分层的活体皮肤和毛囊，有望改善重建手术和毛发生长治疗的效果。这项专利技术在老鼠身上进行了成功的测试，可以彻底改变治疗皮肤损伤和增强美容手术的方法。该团队的研究结果发表在《生物活性材料》上。美国专利商标局于二月份授予该团队一项在本研究中开发和使用的生物打印技术的专利。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学、生物医学工程和神经外科教授易卜拉欣·T·奥兹博拉特(IbrahimT.Ozbolat)表示：“用于纠正因受伤或疾病而造成的面部或头部创伤的重建手术通常并不完美，会导致疤痕或永久性脱发。通过这项工作，我们证明了生物打印的全层皮肤具有在老鼠身上生长毛发的潜力。这距离实现更自然、更美观的人类头部和面部重建又近了一步。”他领导了开展这项工作的国际合作。虽然科学家之前已经对薄层皮肤进行了3D生物打印，但Ozbolat和他的团队是第一个在术中打印多个皮肤层（包括最底层或皮下组织）的完整生命系统的。研究人员表示，术中指的是在手术期间打印组织的能力，这意味着该方法可用于更立即、无缝地修复受损皮肤。顶层——作为可见皮肤的表皮在中间层的支撑下自行形成，因此不需要打印。皮下组织由结缔组织和脂肪组成，为头骨提供结构和支撑。宾夕法尼亚州立大学博士后研究员MijiYeo检查3D打印机上的生物墨盒，该打印机专为术中打印皮肤层而开发。图片来源：米歇尔·比克斯比/宾夕法尼亚州立大学“皮下组织直接参与干细胞变成脂肪的过程，”奥兹博拉特说。“这个过程对于包括伤口愈合在内的几个重要过程至关重要。它还在毛囊循环中发挥作用，特别是促进头发生长。”皮肤生物打印的突破研究人员首先从宾夕法尼亚州立大学健康米尔顿·赫尔希医疗中心接受手术的患者身上获取人体脂肪或脂肪组织。合作者迪诺·J·拉夫尼克(DinoJ.Ravnic)是宾夕法尼亚州立大学医学院整形外科系的外科副教授，他带领他的实验室获得了用于提取细胞外基质的脂肪——细胞外基质是分子和蛋白质的网络，为细胞提供结构和稳定性。组织——制造生物墨水的一种成分。Ravnic的团队还从脂肪组织中获得了干细胞，如果提供正确的环境，干细胞有可能成熟为几种不同的细胞类型，从而制造另一种生物墨水成分。每个组件都被加载到生物打印机的三个隔室之一中。第三个隔室充满了凝血溶液，有助于其他成分正确地结合到受伤部位。“这三个隔室使我们能够在精确控制下共同打印基质-纤维蛋白原混合物和干细胞，”Ozbolat说。“我们直接打印到损伤部位，目标是形成皮下组织，这有助于伤口愈合、毛囊生成、温度调节等。”他们获得了皮下组织和真皮层，表皮在两周内自行形成。“我们在大鼠身上进行了三组研究，以更好地了解脂肪基质的作用，我们发现基质和干细胞的共同传递对于皮下组织的形成至关重要，”Ozbolat说。“它不能仅对细胞或基质有效地起作用——它必须同时起作用。”他们还发现皮下组织含有向下生长，这是早期毛囊形成的初始阶段。研究人员表示，虽然脂肪细胞不直接参与毛囊的细胞结构，但它们参与毛囊的调节和维护。“在我们的实验中，脂肪细胞可能改变了细胞外基质，以更有利于向下生长的形成，”奥兹博拉特说。“我们正在努力推进这一目标，以控制密度、方向性和生长的方式使毛囊成熟。”奥兹博拉特表示，在创伤的受伤或患病部位精确生长毛发的能力可能会限制自然重建手术的表现。他说这项工作提供了一条“充满希望的前进道路”，特别是与他实验室的其他项目相结合，包括打印骨骼和研究如何匹配各种肤色的色素沉着。“我们相信这可以应用于皮肤科、毛发移植以及整形和重建手术——它可能会带来更加美观的结果，”奥兹博拉特说。“凭借全自动生物打印能力和临床级兼容材料，这项技术可能会对精确重建皮肤的临床转化产生重大影响。”编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423855.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423855.htm

日本科学家利用巧妙装置构建复杂的三维有机体

日本科学家利用巧妙装置构建复杂的三维有机体该装置有可能彻底改变我们测试药物的方式，还能让我们深入了解组织是如何发育的，并带来更好的人造器官生长技术。长期以来，科学家们一直在努力创造类器官--在实验室中培育的类似器官的组织--以复制实际的生物发育过程。制造与真实组织功能相似的类器官对开发药物至关重要，因为有必要了解药物是如何在各种组织中移动的。器官组织还能帮助我们深入了解发育过程本身，是培育出能帮助病人的完整器官的垫脚石。实验中使用的立方体之一。资料来源：理化学研究所然而，事实证明，要制造出栩栩如生的器官组织并不容易。在自然界中，组织的发育是通过精心设计的舞蹈进行的，其中包括化学梯度和物理支架，它们引导细胞形成特定的三维模式。与此相反，实验室培育的类器官通常是通过让细胞在均匀条件下生长--创造简单的相似细胞球--或者通过使用三维打印或微流体技术（这两种技术都需要复杂的设备和技术技能）来形成的。显示立方体系统和用途的示意图。资料来源：理化学研究所但现在，理化学研究所先锋研究小组在《先进材料技术》（AdvancedMaterialsTechnologies）上发表的一篇论文中宣布，他们开发出了一种新的创新技术，只需使用一个移液管，就能在空间上控制基于立方体的细胞群周围的环境。这种方法是在立方体培养容器内封闭多层具有不同物理和化学特性的水凝胶（主要由水组成的物质）。在这项研究中，使用移液管将不同的水凝胶插入支架，并根据表面张力固定到位。细胞既可以插入立方体中的单个水凝胶中，也可以以颗粒的形式移动到不同的层中，这样就有可能创造出一系列的组织类型。控制有机体在立方体系统中的位置。资料来源：理化学研究所在发表于《通讯生物学》（CommunicationsBiology）的第二篇论文中，研究小组还展示了重现所谓体轴模式化的能力。从本质上讲，脊椎动物在发育过程中会出现头/后背/腹部的细胞分化模式。尽管这对创造忠实再现实际生物体内情况的有机体非常重要，但在实验室中却很难实现。在这项工作中，研究小组利用基于立方体的系统重现了这种模式化，使用模帽将一组诱导多能干细胞（iPSC）精确地播种在立方体中，然后让细胞暴露在两种不同生长因子的梯度中。他们甚至"招募"了一名实验室助理和一名初中生来成功完成这项工作，这表明细胞播种并不需要很高的专业水平。研究小组还证明，由此产生的组织可以切片成像，并仍能保持梯度方向的信息。立方体系统中的细胞播种控制。资料来源：理化学研究所萩原说："我们对这些成就感到非常兴奋，因为新系统将使研究人员能够快速、无障碍地再造更接近实际生物体器官发育方式的类器官。我们希望广大研究人员能够利用我们的方法创造出各种新的器官组织，为不同器官系统的研究做出贡献。最终，我们希望它还能有助于了解我们如何才能制造出真正的人造器官来帮助病人。"有机体的分化、切片和分析过程。资料来源：理化学研究所...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376289.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376289.htm

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型"

科学家研制出世界上首个3D打印"大脑模型"在维也纳医科大学和维也纳工业大学的一个联合项目中，开发出了世界上第一个三维打印的"大脑模型"，该模型以脑部纤维结构为模型，可以使用一种特殊的磁共振成像（dMRI）进行成像。由维也纳医科大学和维也纳工业大学领导的科研团队在一项研究中表明，这些大脑模型可用于推进神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。这项研究成果发表在《先进材料技术》（AdvancedMaterialsTechnologies）杂志上。磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的诊断成像技术，主要用于检查大脑。核磁共振成像可在不使用电离辐射的情况下检查大脑的结构和功能。在磁共振成像的一种特殊变体--扩散加权磁共振成像（dMRI）中，还可以确定大脑中神经纤维的方向。然而，在神经纤维束的交叉点很难正确确定神经纤维的方向，因为不同方向的神经纤维会在那里重叠。为了进一步改进流程以及测试分析和评估方法，一个国际团队与维也纳医科大学和维也纳工业大学合作开发了一个所谓的"大脑模型"，该模型是利用高分辨率三维打印工艺制作的。带有微通道的小立方体维也纳医科大学的研究人员作为核磁共振成像专家，维也纳工业大学的研究人员作为三维打印专家，与苏黎世大学和汉堡大学医疗中心的同事密切合作。早在2017年，维也纳工业大学就开发出了一种双光子聚合打印机，可以实现升级打印。在此过程中，还与维也纳医科大学和苏黎世大学共同开展了脑模型的使用案例研究。由此产生的专利构成了脑模型的基础，该模型现已开发完成，并由维也纳工业大学的研究与转让支持团队负责监督。从外观上看，这个幻影与真正的大脑并无太大区别。它要小得多，形状像一个立方体。它的内部是非常细小的、充满水的微通道，大小与单个颅神经相当。这些通道的直径比人的头发丝还要细五倍。为了模仿大脑中精细的神经细胞网络，第一作者迈克尔-沃莱茨（MichaelWoletz）（维也纳医科大学医学物理和生物医学工程中心）和弗兰兹斯卡-查鲁帕-甘特纳（FranziskaChalupa-Gantner）（维也纳工业大学3D打印和生物制造研究小组）领导的研究小组使用了一种相当不寻常的3D打印方法：双光子聚合。这种高分辨率方法主要用于打印纳米和微米级的微结构，而不是打印立方毫米级的三维结构。为了为dMRI制作合适尺寸的模型，维也纳科技大学的研究人员一直在努力扩大三维打印工艺的规模，以便能够打印出具有高分辨率细节的更大物体。高比例三维打印为研究人员提供了非常好的模型，在dMRI下观察时，可以确定各种神经结构。MichaelWoletz将这种提高dMRI诊断能力的方法与手机相机的工作方式进行了比较："我们看到，手机相机在摄影方面取得的最大进步并不一定是新的、更好的镜头，而是改进所拍摄图像的软件。dMRI的情况也类似：利用新开发的大脑模型，我们可以更精确地调整分析软件，从而提高测量数据的质量，更准确地重建大脑神经结构。"改进dMRI分析软件因此，真实再现大脑中的特征神经结构对于"训练"dMRI分析软件非常重要。使用三维打印技术可以创建可修改和定制的各种复杂设计。因此，大脑模型描绘的是大脑中产生特别复杂信号并因此难以分析的区域，如交叉的神经通路。因此，为了校准分析软件，需要使用dMRI对大脑模型进行检查，并像分析真实大脑一样分析测量数据。由于采用了三维打印技术，模型的设计是精确可知的，分析结果也可以检查。作为联合研究工作的一部分，维也纳医科大学和维也纳理工大学已经证明了这一点。所开发的模型可用于改进dMRI，从而有利于手术规划和神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。尽管概念得到了验证，但团队仍然面临着挑战。目前最大的挑战是扩大这种方法的规模："双光子聚合的高分辨率使得打印微米和纳米范围的细节成为可能，因此非常适合颅神经成像。但与此同时，使用这种技术打印一个几立方厘米大小的立方体也需要相应的时间，"Chalupa-Gantner解释说。"因此，我们不仅要开发更复杂的设计，还要进一步优化打印过程本身"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424851.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424851.htm

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）--一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：YunZhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频--一种将高频信号转换为低频信号的方法--是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至1平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生16GHz的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425719.htm