交叉領域學術觀察【第1期】

/基礎研究類/

Electronic excitations at the plasmon–molecule interface|等離子體-分子界面的電子激發(fā)

Nat. Phys.

Date? : 2024-07-15

DOI : 10.1038/s41567-024-02537-6

概要：最近，等離子體材料在太陽能到化學能轉換方面的興起，使得人們關注金屬-分子界面上與電荷和能量流動相關的機制。理解這些效應之間的聯(lián)系以及它們在吸附分子的等離子體激發(fā)中的作用一直是一個挑戰(zhàn)。在這篇綜述中，我們努力提供一個基于電子散射概念的通用框架，涵蓋等離子體金屬-分子界面上最重要的效應。首先，我們使用吸附誘導表面電阻率的模型來理解電子散射過程的化學特異性。然后，我們通過電子散射模型的視角分析了等離子體學中兩個最突出的效應：化學界面阻尼和表面增強拉曼散射的化學模型。我們展示了大多數(shù)金屬-吸附物電荷或能量轉移相互作用如何可以映射到兩個主要類別——通過分子共振的電子散射和直接非共振電子散射。

Personal view from SemIsee:金屬納米結構在光催化、光電探測、表面拉曼增強、太陽能電池等諸多領域都有關鍵的應用，但是其物理機制尤其是微觀輸運機制一直是人們關注的話題，包括TNI態(tài)的形成，電子的散射與輸出、熱載流子的激發(fā)等等問題。

2.Hot Electrons in a Steady State: Interband vs Intraband Excitation of Plasmonic Gold|穩(wěn)態(tài)下的熱電子：金屬等離子體結構的帶間與帶內激發(fā)比較

ACS Nano

Pub Date? : 2024-07-12

DOI : 10.1021/acsnano.4c03702
概要：穩(wěn)態(tài)熱電子的等離激元金的帶間與帶內激發(fā)。理解由非輻射性等離子體衰變產(chǎn)生的"熱"、高能電子的動力學對于優(yōu)化光催化和能量轉換應用至關重要。本研究呈現(xiàn)了對等離子體金屬中電子動力學的分析，專注于連續(xù)波(CW)照明下的穩(wěn)態(tài)行為。使用非彈性光譜技術，我們在激發(fā)過程中量化了不同載流子群體的溫度和壽命。一個重要的發(fā)現(xiàn)是，隨著電子溫度的降低，熱電子壽命呈單調增加。我們還觀察到，在帶內激發(fā)期間，熱電子溫度比帶間激發(fā)增加了1.22倍，相應的載流子壽命增加了2.34倍。在帶間激發(fā)期間觀察到的較短壽命被假設為由非熱空穴和熱電子的直接復合導致，突出了穩(wěn)態(tài)動力學。我們的結果有助于彌合超快和穩(wěn)態(tài)光譜學之間的知識差距，為優(yōu)化等離子體應用提供了關鍵見解。

Personal view from SemIsee：熱載流子的運動過程是一個涉及非平衡態(tài)、準平衡態(tài)、平衡態(tài)的問題，這在前幾期也作為專題介紹過熱載流子的一些研究和應用。（點擊跳轉 ：二維材料熱載流子光電器件）。這篇文章研究了等離激元結構激發(fā)熱載流子的動力學過程，通過時間分辨的拉曼光譜測試和兩溫模型建立聯(lián)系，分析了熱載流子壽命和電子溫度之間的關系。熱載流子的時空分布和輸運關系目前仍有很多需要進一步研究的地方，尤其是光學測試結果和電學輸運之間如何建立聯(lián)系也是一個值得思考的問題。

3. Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy|原子尺度太赫茲時域光譜學

Nature Photonics?

Pub Date : 2024-07-04

DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2

概要：光波驅動的太赫茲掃描隧道顯微鏡 (THz-STM) 能夠以埃級分辨率 (10??10?m) 探索各種材料的超快動力學。掃描近場光學顯微鏡通過分析尖端散射的光子來獲取納米級的局部介電函數(shù)，與之相反，太赫茲-STM 使用強場單周期太赫茲脈沖來驅動超快電流穿過隧道結，從而探測電子態(tài)的局部密度。然而，太赫茲-STM 結中的太赫茲場也可能會因樣品的局部電磁響應而發(fā)生光譜改變。在這里，我們通過將波形采樣與太赫茲掃描隧道光譜相結合來研究單個砷化鎵表面缺陷，展示了原子級太赫茲時域光譜，該缺陷表現(xiàn)出強烈的局部太赫茲共振，并且類似于難以捉摸的 DX 中心。這些結果基于一種普遍適用且自洽的隧道結太赫茲近場波形采集方法，該方法可以區(qū)分局部樣品特性和太赫茲脈沖耦合造成的影響，從而實現(xiàn)原子尺度的全面近場顯微鏡。

Personal view from SemIsee：STM可以實現(xiàn)直接獲取微區(qū)的電子態(tài)密度的探測，可以獲取材料能帶、表面缺陷等微觀量子特性信息，將其他外場引入STM過程是一個很好的思路，可以實現(xiàn)材料外場激發(fā)下微觀特性的探測，從而獲取材料原子尺度的原位分析。

4. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures|二維材料的外延生長及其同質結構

Nature Nanotechnology

Pub Date : 2024-07-10

DOI: 10.1038/s41565-024-01704-3

概要：二維 (2D) 范德華 (vdW) 材料的卓越物理性質已得到廣泛研究，推動了材料合成的進步。外延生長是一種重要的合成策略，可以生產(chǎn)與先進集成電路兼容的大面積、高質量的 2D 薄膜。典型的二維單晶，例如石墨烯、過渡金屬二硫屬化物和六方氮化硼，已經(jīng)在晶圓級外延生長。需要系統(tǒng)總結來為新興二維材料的外延提供戰(zhàn)略指導。在這里，作者重點介紹了兩個方向的二維 vdW 材料的外延方法：面內單晶單層的生長和面外同質結構的制造。

Personal view from SemIsee：二維材料器件近年來進展迅猛，在邏輯、傳感、射頻、存儲等多領域都表現(xiàn)出體材料不具備的很多優(yōu)異特性和功能，但是如何實現(xiàn)二維材料的晶圓級生長和集成一直是阻礙其走向量產(chǎn)和落地的關鍵挑戰(zhàn)，也是目前學界產(chǎn)業(yè)界在合力推動的重要方向之一。

/光電類/

5.Wafer-Scale Fabrication of Wearable All-Carbon Nanotube Photodetector Arrays|可穿戴的全碳納米管光電探測器陣列的晶片級制備

ACS Nano

Pub Date? : 2024-07-12

DOI : 10.1021/acsnano.4c01087

概要：可穿戴全碳納米管光電探測器陣列的晶圓級制造：隨著電子設備向便攜式和高性能可穿戴設備發(fā)展，復雜和濕法加工技術的局限性變得顯而易見。本研究提出了一種可擴展的光刻/無化學方法，用于制造可穿戴的全碳納米管（CNT）光電探測器設備陣列。激光輔助圖案化和干法沉積技術直接將氣相CNT組裝成柔性設備，無需任何光刻或剝離工藝。所得到的晶圓級全CNT光電探測器陣列展示了出色的均勻性、可穿戴性、環(huán)境穩(wěn)定性和顯著的寬帶光響應，具有高達44 AW?1的高響應度和同時檢測度為1.9 × 10^9 Jones。這項研究為制造可穿戴全CNT設備陣列提供了一種高效、多功能和可擴展的策略，使其在可穿戴光電子學和多功能傳感器中得到廣泛應用。

Personal view from SemIsee：可穿戴技術也是目前健康檢測領域的一大關鍵技術，柔性的可穿戴設備對提高用戶的佩戴舒適度，提高信號采集精度，降低噪聲等都要重要作用。CNT從工藝上說確實是一個可柔性集成的材料體系，并且相比IGZO等現(xiàn)有的柔性非硅基材料具有更高的遷移率。但是CNT依然有它需要解決的一些問題，比如大規(guī)模的生產(chǎn)和集成，暗電流的抑制，響應速度的提升等等。

6.All-optical polarization switching in ferroelectrics|鐵電中的全光偏振開關

Nature Photonics?

Pub Date : 2024-06-06

DOI: 10.1038/s41566-024-01452-9

概要：使用窄帶寬可調諧紅外激光脈沖的超快光學實驗使得 BaTiO3 中的鐵電極化在 epsilon 接近零狀態(tài)下實現(xiàn)非易失性全光切換。鐵電體是一種具有自發(fā)電極化的材料，可以通過施加電場來改變其電極化方向。然而，本文介紹了一種新的方法，即使用光場來實現(xiàn)全光極化開關。研究人員通過在鐵電體中引入光場，利用光場的自旋軌道耦合效應，成功地實現(xiàn)了光學極化的控制和切換。這種全光極化開關具有快速響應速度和低能耗的優(yōu)勢，有望在光計算和光信息存儲中得以應用。

7. Simple yet powerful|簡單但有用的光高維信息探測方案

Nature Photonics?

Pub Date : 2024-07-08

DOI: 10.1038/s41566-024-01470-7

概要：結合了透鏡和薄膜元件實現(xiàn)偏振和光譜調制的高維光電檢測系統(tǒng)能夠在深度神經(jīng)網(wǎng)絡的幫助下實現(xiàn)高緯度多模態(tài)信息采集。

Personal view from SemIsee：高緯度信息采集的一直是光電成像和探測領域的研究熱點，這一塊在前面的幾期專題里討論的比較多了?？梢苑謩e在傳感器、光學系統(tǒng)、光學元件層面做光的多維度信息調制、采集，配合對應算法和網(wǎng)絡，實現(xiàn)高維度、高通量、高速成像或探測。

8. Direct observation of atmospheric turbulence with a video-rate wide-field wavefront sensor|用視頻率寬場波前傳感器直接觀測大氣湍流

Nature Photonics

Pub Date : 2024-07-01

DOI: 10.1038/s41566-024-01466-3

概要:?湍流是一種復雜而混亂的流體運動狀態(tài)。地球大氣層內的大氣湍流由于其在時間和空間尺度上的快速演變，給遙感、自由空間光通信和天文觀測等應用帶來了根本性挑戰(zhàn)。研究大氣湍流的傳統(tǒng)方法由于其透明度和各等面性而在捕獲湍流的寬場分布方面面臨障礙。該文章中作者開發(fā)了一種基于光場的即插即用寬場波前傳感器（WWS），有助于直接觀測 30 Hz 下超過 1,100 角秒的大氣湍流。實驗測量結果與馮·卡門湍流模型一致，并使用差分圖像運動監(jiān)視器進一步驗證。連接到 80 厘米望遠鏡后，我們的 WWS 能夠對高度低于 750 米的三層進行清晰的湍流剖面分析，并無需額外的可變形鏡即可進行高分辨率像差校正成像。 WWS 還能夠使用具有寬場測量的卷積循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡來預測 33 毫秒內湍流動力學的演變，從而在自由空間光通信期間對湍流引起的誤差進行更準確的預補償。動態(tài)湍流波前的廣域傳感為研究大氣光學廣闊領域中的湍流演化提供了新的機會。

Personal view from SemIsee：微透鏡MLA陣列在諸多光學成像中都有重要作用，比如商用的波前探測器常用的就是MLA+sensor結構，此外在光場相機、合成孔徑、3D成像等系統(tǒng)中MLA都有重要作用。如何在成像系統(tǒng)中巧用MLA并用以解決實際場景和問題是一個值得思考的點。

/類腦計算和AI智能/

9. Fully nonlinear neuromorphic computing with linear wave scattering|線性波散射的全非線性神經(jīng)形態(tài)計算

Nat. Phys.

Pub Date? : 2024-07-09

DOI：10.1038/s41567-024-02534-9

概要：該文章中，作者提出了一種神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的方案，該系統(tǒng)依賴于線性波散射，但實現(xiàn)了具有高表現(xiàn)力的非線性處理。關鍵思想是在影響線性散射過程的物理參數(shù)中編碼輸入過程引入非線性。此外，作者展示了訓練所需的梯度可以直接在散射實驗中測量。團隊提出可采用集成光子技術來實現(xiàn)這一方案，尤其是利用具有高連通性的賽道諧振器。這種設計能夠在減少波導交叉的同時，實現(xiàn)網(wǎng)絡的高度密集連接。此外，該研究成果還適用于多種線性系統(tǒng)，如模擬電路、光學、微波射頻等。

Personal view from SemIsee：這篇文章小編也和朋友討論過幾次，很有意義的工作。該文章的關鍵價值在于思路的轉換，傳統(tǒng)思路一直在考慮直接構建一個非線性傳輸過程，而這篇文章提出的方案提供了一個線性系統(tǒng)做非線性的思路，雖然散射這一物理過程是線性的，但是散射矩陣的參數(shù)控制具有非線性性。

10. Towards edible robots and robotic food|可食用機器人和機器人食品

Nature Reviews Materials

Pub Date : 2024-05-28

DOI: 10.1038/s41578-024-00688-9

概要：可食用機器人和食品：具備感知、處理和響應刺激能力的食用系統(tǒng)為醫(yī)療、環(huán)境管理及健康飲食提供了新機遇。它們可用于精準藥物輸送、體內健康監(jiān)測、緊急營養(yǎng)供應、減少農(nóng)業(yè)浪費、野生動物疫苗接種，以及創(chuàng)造新型美食體驗。本文從機器人設計角度出發(fā)，識別了可作為可食用機器人組件的功能性食用材料，包括主體、執(zhí)行器、傳感器、計算和能源部件，并探討了集成實例與該領域的挑戰(zhàn)。

? /生物醫(yī)療類/

11. A magneto-mechanical genetics toolbox for in vivo neuromodulation|體內神經(jīng)調節(jié)的磁機械遺傳學工具箱
Nat. Nanotechnol.

Pub Date? : 2024-07-15

DOI : 10.1038/s41565-024-01701-6

概要：神經(jīng)調節(jié)技術對于研究神經(jīng)元連接和大腦功能至關重要。磁神經(jīng)調節(jié)提供了無線和遠程深度腦刺激，這在光遺傳學和有線電極基礎工具中是缺乏的。然而，由于對工作原理理解有限以及磁操作系統(tǒng)設計不佳，早期的磁方法尚未得到應用。此外，盡管在神經(jīng)科學研究中非常重要，但細胞類型特異性的磁神經(jīng)調節(jié)一直難以實現(xiàn)。在這里，我們提出了一種基于納米材料的磁遺傳學工具箱，結合Cre-loxP技術，通過納米磁致動器產(chǎn)生的扭矩，選擇性地激活目標神經(jīng)元群體中的基因編碼Piezo1離子通道，實現(xiàn)體外和體內的激活。我們展示了這種細胞類型靶向的磁方法，用于遠程和時空精確控制深度腦神經(jīng)活動在多個行為模型中，例如雙向飲食控制、長期神經(jīng)調節(jié)以控制肥胖小鼠的體重以及在同一物理空間中多只小鼠的社會行為的無線調節(jié)。我們的研究展示了細胞類型特異性磁遺傳學作為生命科學研究中有效且可靠的工具的潛力，特別是在無線、長期和自由行為動物中。

Personal view from SemIsee:外場與腦神經(jīng)信號的控制調節(jié)一直是一個神經(jīng)領域和腦研究領域的熱點，如何通過光、電、磁實現(xiàn)對神經(jīng)活動的調節(jié)，對神經(jīng)信號的解讀、對細胞活動的調控是實現(xiàn)包括：神經(jīng)治療、腦活動研究、腦機交互、靶向作用的領域的關鍵。

12. A machine learning tool for spatial multi-omics|空間多組學的機器學習工具

Nat. Methods

Pub Date? : 2024-07-05

DOI : 10.1038/s41592-024-02358-8

Deciphering spatial domains from spatial multi-omics with SpatialGlue|利用SpatialGlue從空間多組學中解密空間域

Pub Date? : 2024-06-21

DOI : 10.1038/s41592-024-02316-4

摘要：空間轉錄組學的出現(xiàn)對生物醫(yī)學研究是一個巨大的福音。它結合了保留測量特征的空間背景的好處和組學實驗的廣泛特征覆蓋。本文提供一用于空間多組學的機器學習工具--SpatialGlue，旨在從單個組織切片獲取的空間多組學數(shù)據(jù)中破譯空間域。它采用具有雙重注意機制的圖神經(jīng)網(wǎng)絡來完成測量特征和空間信息的組內集成，然后是跨組集成。

在分析空間組學數(shù)據(jù)時，學習數(shù)據(jù)的低維潛在表示（即簡化模型）是后續(xù)分析的關鍵步驟?；趫D神經(jīng)網(wǎng)絡（GNN）的模型非常適合學習空間分布數(shù)據(jù)的任務，例如STAGATE、SpaGCN和GraphST等工具，它們是為空間轉錄組學開發(fā)的3。SpatialGlue的開發(fā)借助了作者在GNN方面的先前經(jīng)驗并增加了在深度學習中使用的雙注意力機制，以實現(xiàn)測量特征與空間信息的模態(tài)內整合，以及不同數(shù)據(jù)模態(tài)的跨組學整合。

Personal view from SemIsee:生物的信息特征和模態(tài)復雜多樣，如何建立基因組、轉錄組、蛋白組之間的聯(lián)系，并與個體的疾病發(fā)展建立聯(lián)系一直是生物醫(yī)學領域的一個研究重點，也是實現(xiàn)精準醫(yī)療的關鍵技術之一，由此發(fā)展的一個研究領域就是空間組學?？臻g組學（Spatial
Omics）是一種結合了空間信息和組學數(shù)據(jù)的生物技術。它利用先進的成像和測序技術，能夠在組織或細胞的特定位置解析出基因表達、蛋白質表達、代謝物或其他分子的分布。

13. Neuroprosthetic contact lens enabled sensorimotor system for point-of-care monitoring and feedback of intraocular pressure|神經(jīng)假體隱形眼鏡使感覺運動系統(tǒng)用于即時監(jiān)測和反饋眼壓

Nat.?Commun?

Pub Date : 2024-07-05

DOI :?10.1038/s41467-024-49907-5

概要：可穿戴式隱形眼鏡能夠連續(xù)監(jiān)測眼內壓（IOP），有助于青光眼、術后近視等眼病的及時和早期醫(yī)療治療。然而，無論是在沒有神經(jīng)反饋組件的情況下進行預治療用藥，還是推遲治療過程，都無法實現(xiàn)準確診斷或有效治療。本文報道了一種可入眼佩戴的神經(jīng)形態(tài)隱形眼鏡，該隱形眼鏡由眼壓-溫度雙模態(tài)傳感器和數(shù)據(jù)傳輸/顯示系統(tǒng)組成。得益于高性能敏感材料（2D Ti?C?Tx?MXene）的選用和蛇形電極結構的惠斯通電橋設計，所制備的眼壓傳感器具有12.52 mV/mmHg的高靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了眼壓的實時監(jiān)測和預警。動物實現(xiàn)表明，通過突觸激活下游肌肉，引起腿部抽搐，從而可以形成眼壓信號產(chǎn)生-神經(jīng)感知-運動反饋的閉環(huán)回路。

Personal view from SemIsee:?可穿戴電子器件的意義在于可以實現(xiàn)生理情況的實時監(jiān)測。隱形眼鏡作為一款已經(jīng)被大量使用的產(chǎn)品，在原本無源的隱形眼鏡上增加有源傳感，實現(xiàn)眼壓檢測、眼動跟蹤確實是一個有應用價值的思考方向。但是如何保證在功能上做加法的同時實現(xiàn)隱形眼鏡的高生物兼容性、高佩戴舒適度、和有效的通信供電系統(tǒng)是未來需要考慮的一大問題。

14.?AI-based differential diagnosis of dementia etiologies on multimodal data|基于多模式數(shù)據(jù)的癡呆病因的人工智能鑒別診斷

?Nat Med

Pub Date : 2024-07-04

DOI :?10.1038/s41591-024-03118-z

概要：癡呆的鑒別診斷在神經(jīng)學中仍然是一個挑戰(zhàn)，因為不同病因的癥狀重疊，但這對于制定早期、個性化的管理策略至關重要。在這里，我們提出了一個人工智能（AI）模型，該模型利用廣泛的數(shù)據(jù)，包括人口統(tǒng)計學、個人和家族病史、用藥情況、神經(jīng)心理評估、功能評估和多模態(tài)神經(jīng)影像學，來識別導致個體癡呆的病因。該研究基于9個獨立、地理分布不同的數(shù)據(jù)集中的51,269名參與者，促進了10種不同癡呆病因的識別。它將診斷與類似的管理策略對齊，確保即使在數(shù)據(jù)不完整的情況下也能進行穩(wěn)健的預測。

Personal view from SemIsee:?我們知道AI依賴于大量數(shù)據(jù)的收集，醫(yī)療相關的數(shù)據(jù)量及其龐大，其收集和利用對應推動醫(yī)療行業(yè)發(fā)展有重要意義。母親啊正在興起的數(shù)字醫(yī)療正在迅速發(fā)展，并且隨著技術的進步，其應用范圍和影響力不斷擴大。AI在制藥、病理分析、輔助診斷等方面也扮演著越發(fā)重要的作用

15. Graphene oxide electrodes enable electrical stimulation of distinct calcium signalling in brain astrocytes|氧化石墨烯電極能夠電刺激腦星形膠質細胞中不同的鈣信號

Nature Nanotechnology

Pub Date : 2024-07-10

DOI: 10.1038/s41565-024-01711-4

概要：氧化石墨烯電極能夠電刺激大腦星形膠質細胞中的獨特鈣信號傳導。星形膠質細胞負責通過鈣信號傳導維持體內平衡和認知功能，這一過程在腦部疾病中會發(fā)生改變。該文章指出通過使用氧化石墨烯和還原氧化石墨烯涂層電極對星形膠質細胞進行電刺激，實現(xiàn)了對細胞內鈣信號的精確控制。該方法能夠分別引發(fā)緩慢的外部鈣流入反應和劇烈的內部鈣釋放反應。研究表明，電極的電導率差異可以調節(jié)電場，影響體外和離體的信號傳導。這項技術為神經(jīng)科學和生物電子醫(yī)學領域提供了一種選擇性控制腦星形膠質細胞鈣信號的新途徑。