基于表面晶格共振杂化的双频连续域束缚态
1. 导读
在基于超构表面的荧光增强、纳米激光、光传感、以及非线性光学等应用中，获得高品质因子（Q值）是改善器件性能的关键。表面晶格共振（SLR）和连续域束缚态（BIC）是两种获得高Q值的常用方法。近日，中国科学院深圳先进技术研究院李光元副研究员和安徽师范大学石建平教授的联合研究团队，基于中心颗粒位移的复合晶格结构，利用米氏SLR的杂化，提出并实验验证了一种实现双频BICs的新策略，在实验上获得了1240的超高Q值，而且双频准BIC的共振波长和Q值可以通过改变颗粒尺寸和晶格周期灵活调节。该工作不仅为实现BIC提供了全新的思路，也推进了超表面器件走向大面阵和高性能化。
2. 研究背景
光学BIC由于提供了一种实现高Q值的简单方法，在包括定向出射和超低阈值激光、非线性光学效应增强、超高灵敏传感等方面，显示出巨大的应用潜力。其中，由于对称性限制了对外辐射而形成的对称保护型BIC是最直接的BIC类型。现有的打破面内对称性的方法主要通过改变结构单元的对称性。
最近，将两个晶格复合，利用二者颗粒的大小不同来打破结构单元的对称性，通过SLR的杂化也可以实现对称保护型BIC。然而，该方法为了获得高Q值，颗粒的尺寸差异要求小于10%，这给纳米加工带来了极大的挑战。此外，该方法只获得了单频BIC。
3. 创新研究
(1) 复合晶格的中心颗粒位移可以诱发SLR杂化形成的双频BIC。将颗粒尺寸完全相同的两个晶格错位复合，使得等效单元的中心颗粒发生相对位移（见图1），由此打破结构单元的面内对称性，可以分别实现两个晶格中面内电四偶极SLR和面外磁偶极SLR各自的杂化，从而获得双频BIC。通过微纳加工，进行了实验验证，并且测得了高达1240的Q值（见图2）。
图1 基于中心颗粒位移的晶格杂化结构，分别利用面内电四偶极SLR和面外磁偶极SLR各自的杂化，实现了双频BIC。
图2 双频BIC的实验验证。
(2)利用SLR的可调性，实现了双频准BIC共振波长和Q值的灵活调节。由于SLR的工作波长和Q值可以通过改变颗粒大小和阵列周期进行调节，因此，基于SLR杂化而得的双频准BIC的这些性能指标也可以由此调节（见图3，图4）。
图3 改变颗粒尺寸，可以调节双频准BIC的共振波长和Q值
图4 改变阵列周期，可以调节双频准BIC的共振波长和Q值
4. 应用与展望
该论文报道的双频对称保护型BIC，通过改变中心颗粒的相对位移而非相对尺寸来打破对称性，极大地降低了微纳加工的难度。这种基于SLR杂化的方法，为实现超高Q值的准BIC提供了一种新的策略。利用SLR的灵活可调性和大面阵特性，该工作将准BIC超构表面器件走向实际应用推进了一步。
相关研究成果以“Dual-band bound states in the continuum based on hybridization of surface lattice resonances”为题在线发表在Nanophotonics期刊。
基于深度神经网络的高感知双共振全介电超表面比色传感器
近日，一支由韩国国立首尔大学和明知大学的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了基于深度神经网络的高感知双共振全介电超表面比色传感器的最新论文，该论文的研究成果可以为发展全介电纳米光子比色传感器奠定基础。
图1 论文所提出的比色传感器总体设计示意图
用于识别微观粒子的基于光学的无标记生物分子传感平台由于在实时监测、寿命和操作带宽方面的各种优势，已引起人们的广泛关注。在过去的几十年中，基于纳米光子换能器的生物分子传感在气体、溶液、核酸和蛋白质等各个领域的试验方面取得了爆炸性进展。其纳米级尺寸不仅有助于微型化和降低生产成本，而且有助于方便地集成到芯片实验室（lab-on-a-chip）平台中。
其中一种最具代表性的纳米光子生物传感器基于局部表面等离子体共振原理，利用了金属粒子和主体电介质界面上的光-金属相互作用。然而，由于其固有的欧姆损耗和等离子体振荡的性质，这些由贵金属制成的等离子体传感器存在一些固有的关键问题。首先，由表面等离子体的快速相移引起的共振线宽变宽是提高读出分辨率和效率的瓶颈。此外，由于金属的高导热率驱动的局部加热而导致的分析物的光热降解，一直是体内传感的障碍。为了解决这些限制，人们已经研究了高折射率和低损耗的全介电纳米结构作为替代方案。
在纳米光子学中，全介电纳米结构由于其以非凡而强大的方式操纵光的能力而成为有吸引力的解决方案。在各种组织机构中，由周期性纳米结构阵列构成的全介电超表面已被用于平面超光学（metaoptics）、高饱和颜色生成以及高质量因子折射和比色传感等应用。在传感方面，近年来，全介电超表面传感器正逐渐取代等离子体传感器。
然而，对环境变化相对较低的灵敏度推迟了它的商业化。为了解决这一问题，以前的研究试图利用光谱干扰共振特性，例如连续体中的束缚态或Fano共振，以增强近场和品质因子。然而，由于它们对几何参数的微小误差过于敏感，因此涉及到制造和测量过程的公差问题，从而导致产量降低。
另一方面，在比色传感方法的情况下，人们可以从不同于近场光学的角度来解决全介电纳米光子传感器存在的问题。比色法是可应用于纳米光子传感的方法之一，它可以通过分析物和换能器之间的相互作用产生的颜色变化来实现肉眼读出。由纳米结构阵列产生的纳米级结构着色已被用作比色检测的信号。由于其直接的检测过程，无需额外的测量设备，比色传感作为一种极具吸引力的传感平台一直备受关注，让人们看到超越实验室水平的即时诊断（point-of-care）的可行性。由于其传感性能取决于纳米粒子的结合对微小环境变化的响应而产生的显著颜色变化，因此可以通过在可见光区域形成特定的光谱线型来提高其灵敏度，该光谱线型表现出易于感知颜色变化的结构色。
因此，通过精心设计超表面结构，为光学操纵提供非凡的自由度，如果能够实现精确模拟光谱线型的反射光学响应，以实现色差最大化的优化，这将成为解决全介电纳米光子传感器中上述问题的一种新方法。此外，作为实现这一目标的一种手段，通过数据驱动机器学习的先进参数优化技术可以成为一种高效的设计方法，其中经过训练的深度神经网络（DNN）支持设计程序。
近年来，结合深度学习（deep learning）的逆向设计技术在纳米光学领域出现了各种应用，如精确结构色设计、宽带吸收器、光学滤波器和光学数据存储设备等。传统的设计方法是通过迭代全场电磁（EM）仿真来寻找满足所需光学响应的几何参数，随着多维表述的自由度的增加，这种方法通过遍历巨大的设计空间进行处理，需要大量的计算成本。这非常耗时，而且很难保证所获得的结果是否接近最优。然而，深度学习方法在通过EM仿真的一次性“投资”来更新DNN的权重后，会立即提出设计空间内的最优解。
在这篇论文中，研究人员通过引入前所未有的方法，利用由高折射率电介质制成的双洛伦兹共振超表面，提出了一种高感知的比色传感器。它通过提出一种特定的光谱线型来最大化色差，这与以前的研究方法不同，以前的研究只关注提高光谱或近场光学方面的单共振灵敏度。然后，他们从比色法和光谱学的角度分析了双共振光谱具有显著灵敏度的原因。此外，作为一种无误差地形成目标反射率的精确光谱线型的手段，通过“嫁接”深度学习逆向设计方法，他们成功地实现了均方误差（MSE）在0.005以内的目标。因此，所设计的全介电比色传感器可以通过暗示葡萄糖溶液浓度的变化，用肉眼检测折射率小于0.01的微小变化。这些研究成果可以为发展全介电纳米光子比色传感器奠定基础。
图2 论文所提出的比色传感器的传感性能
论文信息：
网页链接
欲穷千里目，更上一层楼。
[玫瑰][玫瑰][玫瑰][玫瑰][玫瑰][玫瑰]
英汉数字，价值财富。
如何把数学变成金山。
吾浅析。
仁者见仁智者见智。
一，数字与六十甲子。
不变应万变，
万变不离其中。
悟透，八字，奇门遁甲，紫微斗数，
铁板神数，
循序渐进，大道至简，共振。
知己。
二，数字，特码。与全球股市。
一剑封喉。
一生一世，一生所爱。
苦海与金山。
一本万利，
资料价值！
八方来财，众人拾柴火焰高。
互助，渡人渡己，
一技之长。
知己知彼，笑在最后
三，数字艺术，方寸天地。
传承传统文化精华。
手书六十甲子股市全息图，
手书六十甲子万年历。
上电脑就不灵，
一人一世界！
收藏价值。
笑孔子弟子三千。
术业有专攻。
冰冻三尺非一日之寒。
莫道桑榆晚，
为霞尚满天。
中国农业农村科技发展高峰论坛
暨中国现代农业发展论坛在京举行
12月16日，中国农业农村科技发展高峰论坛暨中国现代农业发展论坛在京举行，农业农村部党组成员、中国农业科学院院长吴孔明出席论坛并讲话。
吴孔明指出，党的十八大以来，在党中央的坚强领导下，我国农业科技事业取得了长足进步，农业科技水平整体进入世界前列，科技已成为农业农村经济发展的首要驱动力。贯彻落实党的二十大关于全面推进乡村振兴、加快建设农业强国的总体部署，必须在农业科技装备领域实现新的突破。要抢占农业基础前沿创新高地，加快实现关键核心技术自主可控；发挥新型举国体制优势，提升农业科技创新整体效能；强化企业科技创新主体地位，促进科技与产业深度融合；持续深化体制机制改革，释放农业科技创新强大潜能，让农业科技自立自强与农业农村现代化同频共振，奋力开创农业强国建设和乡村振兴新局面。
论坛发布了《中国农业科学重大进展》《全球农业研究热点前沿》《中国农业科技论文与专利全球竞争力分析》《中国涉农企业创新报告》《中国农业农村重大科学命题》和 《中国农业农村重大新技术新产品新装备》等6份专题报告，宣传推介了太谷国家现代农业产业科技创新中心。举办了智慧农业创新院士论坛，7位国内外院士专家作了专题报告，来自行业主管部门、地方政府、科研单位、智慧农业应用场景、智慧农业企业、创投公司的专家代表进行了高端对话。
#我国地下最深实验室新发现#【#我国地下最深实验室揭示最古老恒星钙丰度起源#】我国科研人员依托锦屏深地核天体物理实验装置（简称JUNA），于直接测量了关键核天体反应——氟辐射俘获质子的突破反应截面，将测量范围推进到世界最低能区并发现了一个新共振，解释了宇宙中已知最古老恒星的钙丰度起源问题。该结果支持了第一代恒星的弱超新星爆模型，揭示了古老恒星的演化命运。相关论文于北京时间10月26日刊发在《自然》期刊上。（科技日报）
#我国地下最深实验室新发现#【#我国地下最深实验室揭示最古老恒星钙丰度起源#】我国科研人员依托锦屏深地核天体物理实验装置（简称JUNA），于直接测量了关键核天体反应——氟辐射俘获质子的突破反应截面，将测量范围推进到世界最低能区并发现了一个新共振，解释了宇宙中已知最古老恒星的钙丰度起源问题。该结果支持了第一代恒星的弱超新星爆模型，揭示了古老恒星的演化命运。相关论文于北京时间10月26日刊发在《自然》期刊上。（科技日报）
太专业了，真看不太懂
Jim博士核科学与技术专业博士
有网友来信提到“关厂长”爆料有一个光刻机突破。我看了一下，“关厂长”所述的资料，与4年前报道成都中科院光电子所做的表面等离子体共振超分辨光刻十分接近。但这并非“光源算法”，大致情况如下：1，表面等离子体共振超分辨光刻的核心能力，并非所谓的“分辨率”，而是是否支持半导体制程！所以目前谈论是不是22纳米，7纳米，5纳米为时尚早！目前没有任何资料证明，表面等离子体共振超分辨光刻能完成目前的DUV光刻机的基本光学曝光能力。2，我把的表面等离子体共振超分辨光刻报道图片摘抄出来（图2），图2左侧放大（图3），我们可以看到，这是表面等离子体共振超分辨光刻曝光的线宽22纳米、周期44纳米的直线条纹。当然，原理上，根据周期性结构的叠加，可以获得各种周期性图案。但是，没有任何资料讨论是否可以根据光刻掩模进行比例缩放的能力。3，表面等离子体共振超分辨光刻本质上是干涉光刻，而目前采用EUV干涉光刻，可以获得的分辨率是6纳米半间距（瑞士PSI实验室，图4），这个EUV干涉光刻可以达到的分辨率甚至超过ASML 2亿欧元的高NA EUV光刻机，但是它只能完成各种周期性结构（图5），所以即便是6纳米半间距的EUV干涉光刻也不可能作为 EUV光刻机的“弯道”超车替代物。我浏览了的博士论文（图7-9），目前也还没看到表面等离子体共振超分辨光刻有实现DUV光刻机基本光学曝光能力的证据。
上海微系统所等实现硅基异质集成的片上量子点发光
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所硅光课题组研究员武爱民团队/龚谦团队与浙江大学副教授金毅课题组合作，在硅基衬底上研制出超小尺寸的包含InAs量子点的纳米共振结构，基于准BIC原理实现了O波段的片上发光。7月28日，相关研究成果以Heterogeneously integrated quantum-dot emitters efficiently driven by a quasi-BIC-supporting dielectric nanoresonator为题，在线发表在Photonics Research上，并被选为当期Highlight文章。
硅光集成技术具有大带宽、低成本、低功耗和高集成度等优势，应用于电信和数通的光互连，且在激光雷达（LiDAR）和医疗传感及智能运算领域也颇具潜力。然而，由于硅是间接带隙半导体，不能直接发光，硅基光源是行业亟待解决的关键难题。模组和系统中的光源仍利用III-V材料来实现，工业界成熟的技术主要是利用高精度封装将外部光源与硅光芯片耦合成组件。多材料体系的混合集成光源是行业发展的核心方向，以下方案备受关注：Flip-Chip混合集成、异质键合以及硅基异质外延。微系统所硅光团队深耕硅光Flip-Chip光源领域，在集成芯片上开展高性能的应用示范，近期合作提出结合异质集成和InAs量子点的亚波长尺寸片上光源实现方法。量子点是纳米尺度的零维结构，不仅对位错缺陷比较钝感，而且具备低阈值电流密度和高工作温度等潜在性能。
基于多级共振原理的单粒子共振器具有丰富的共振方式，但光场局域能力弱且Q值不够高，难以实际应用于片上激光器。准连续域束缚态（Quasi bound states in the continuum，QBICs）具有高局域性，为实现小尺寸以及阵列化的硅基发光器件开辟了新路径。合作团队通过MBE（分子束外延）生长了包含InAs量子点和应变缓冲/释放层以及GaAs包层的复合结构，利用剥离和异质键合将复合结构转移到硅基衬底上（SiO2层上），结合准BIC的物理机制，利用微纳加工工艺实现了亚波长尺度的O波段的片上发光。
科研团队将III-V量子点外延和异质键合技术相结合，消除了晶格失配的同时也避免了硅基外延的复杂多层缓冲层结构，对于大规模片上光集成更有利，具体工艺流程见图1。图2（a）为结构示意图，纳米盘结构中包括了2.2原子层厚度的InAs量子点，上下分别是2 nm和6 nm的应变缓冲层和应变释放层，还包括上下的GaAs包层和AlAs牺牲层。InAs量子点位于盘的中心位置，以匹配准BIC模式的场分布，保证光与物质充分的相互作用，该体系结构可以增强量子点与准BIC之间的耦合，从而增强光致发光；图2（b）为不同尺寸谐振器的PL谱结果，结果表明，纳米谐振器半径尺寸在420 nm时支持准BIC态，此时Q因子为68（理论值达到229），相比未达到准BIC态时最高提升了11倍，这使光致发光强度最高提升了8倍。通过提高复合外延层的质量以及优化膜转移工艺可以进一步增强发光性能。该研究为实现硅基集成的片上光源提供了颇有前景的解决方案，对于大规模的光集成提供了超小尺寸的新器件，进一步实现电致发光的片上光源则有望为硅基发光提供更有实用价值的解决方案。
图1 异质集成的InAs量子点发光器件的工艺流程
图2 异质集成量子点发光的实验结果。（a）准BIC态的片上量子点发光实验示意图，包括样品的SEM图；（b）不同半径尺寸的InAs量子点的共振器在通信波段的光致发光光谱结果；（c）不同半径的共振器对应的Q因子，蓝色虚线对应准BIC出现。
论文链接：网页链接
北化吕超教授团队：化学发光共振能量转移效率与供体-受体距离定量关系
近日，北京化工大学管伟江副教授、吕超教授团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表题为“Chemiluminescence Resonance Energy Transfer Efficiency and Donor–Acceptor Distance: from Qualitative to Quantitative” (Angew. Chem. Int. Ed.,)的全文研究文章。
化学发光共振能量转移（CRET）是将化学反应产生的供体分子激发态能量转移到受体分子的能量转移过程。由于化学发光供体不需要外部激发光源、没有自发荧光和光漂白，因而在分析检测等众多领域表现出优异的性能。然而，学界对于CRET过程的理解还停留在其遵循Förster共振理论的假设上（能量转移效率与供体-受体距离的六次方成反比），缺乏有效的实验数据来证实CRET效率与CRET供体-受体距离之间的定量关系。
基于此，研究团队通过将四苯基乙烯（TPE）共价连接到与十二烷基三甲基溴化铵（C12TAB）阳离子头基相邻的第四、第八和第十二个甲基上，设计合成了三种聚集诱导发光（AIE）型阳离子表面活性剂：C8-TPE-C4TAB、C4-TPE-C8TAB和TPE-C12TAB。它们具有相近的表面活性（临界胶束浓度约为45 μM）与光学性质（发射波长约为485 nm），能够在水溶液中形成粒径相近的球形胶束。同时，TPE在胶束中聚集后会产生强烈的荧光，是性能优异的能量受体。另一方面，鲁米诺作为化学发光供体在碱性水溶液中形成鲁米诺阴离子，通过静电相互作用锚定到AIE型阳离子胶束的表面，此时供体-受体距离约等于阳离子头基-TPE距离，分别为11.9 Å、17.3 Å和22.4 Å。通过测定不同胶束条件下的鲁米诺化学发光光谱，获得相应的CRET效率。利用Förster公式（E = R06 / (R06 + r6)，其中R0是Förster距离、r是供体-受体距离）计算出对应的Förster距离分别为26.3 ± 0.3 Å、26.9 ± 0.1 Å和26.3 ± 0.1 Å，表明鲁米诺与TPE组成的供体-受体对具有相同的Förster距离；进一步地，通过共振能量转移公式E = (R0/r)j / [(R0/r)j + 1]（其中R0是E = 50%时的供体-受体距离，j是距离依赖系数）计算出距离依赖系数j = 6.0 ± 0.1，证明了CRET效率与供体-受体距离的六次方成反比，与Förster共振理论一致。
综上，这项工作设计并制备了一系列发光团位置可调的AIE型阳离子胶束，成功用于测量CRET效率与CRET供体-受体距离之间的定量关系。为验证化学发光供体与受体之间的Förster共振能量转移过程提供了一种可行的方法，本研究将会对CRET机理的深入理解和CRET跨学科应用起到促进作用。
来源：北京化工大学
论文链接
网页链接
