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/基础研究类/
Electronic excitations at the plasmon–molecule interface|等离子体-分子界面的电子激发
Nat. Phys.
Date : 2024-07-15
DOI : 10.1038/s41567-024-02537-6
概要：最近，等离子体材料在太阳能到化学能转换方面的兴起，使得人们关注金属-分子界面上与电荷和能量流动相关的机制。理解这些效应之间的联系以及它们在吸附分子的等离子体激发中的作用一直是一个挑战。在这篇综述中，我们努力提供一个基于电子散射概念的通用框架，涵盖等离子体金属-分子界面上最重要的效应。首先，我们使用吸附诱导表面电阻率的模型来理解电子散射过程的化学特异性。然后，我们通过电子散射模型的视角分析了等离子体学中两个最突出的效应：化学界面阻尼和表面增强拉曼散射的化学模型。我们展示了大多数金属-吸附物电荷或能量转移相互作用如何可以映射到两个主要类别——通过分子共振的电子散射和直接非共振电子散射。
Personal view from SemIsee:金属纳米结构在光催化、光电探测、表面拉曼增强、太阳能电池等诸多领域都有关键的应用，但是其物理机制尤其是微观输运机制一直是人们关注的话题，包括TNI态的形成，电子的散射与输出、热载流子的激发等等问题。
2.Hot Electrons in a Steady State: Interband vs Intraband Excitation of Plasmonic Gold|稳态下的热电子：金属等离子体结构的带间与带内激发比较
ACS Nano
Pub Date : 2024-07-12
DOI : 10.1021/acsnano.4c03702
概要：稳态热电子的等离激元金的带间与带内激发。理解由非辐射性等离子体衰变产生的"热"、高能电子的动力学对于优化光催化和能量转换应用至关重要。本研究呈现了对等离子体金属中电子动力学的分析，专注于连续波(CW)照明下的稳态行为。使用非弹性光谱技术，我们在激发过程中量化了不同载流子群体的温度和寿命。一个重要的发现是，随着电子温度的降低，热电子寿命呈单调增加。我们还观察到，在带内激发期间，热电子温度比带间激发增加了1.22倍，相应的载流子寿命增加了2.34倍。在带间激发期间观察到的较短寿命被假设为由非热空穴和热电子的直接复合导致，突出了稳态动力学。我们的结果有助于弥合超快和稳态光谱学之间的知识差距，为优化等离子体应用提供了关键见解。
Personal view from SemIsee：热载流子的运动过程是一个涉及非平衡态、准平衡态、平衡态的问题，这在前几期也作为专题介绍过热载流子的一些研究和应用。（点击跳转 ：二维材料热载流子光电器件）。这篇文章研究了等离激元结构激发热载流子的动力学过程，通过时间分辨的拉曼光谱测试和两温模型建立联系，分析了热载流子寿命和电子温度之间的关系。热载流子的时空分布和输运关系目前仍有很多需要进一步研究的地方，尤其是光学测试结果和电学输运之间如何建立联系也是一个值得思考的问题。
3. Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy|原子尺度太赫兹时域光谱学
Nature Photonics
Pub Date : 2024-07-04
DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2
概要：光波驱动的太赫兹扫描隧道显微镜 (THz-STM) 能够以埃级分辨率 (10 −10 m) 探索各种材料的超快动力学。扫描近场光学显微镜通过分析尖端散射的光子来获取纳米级的局部介电函数，与之相反，太赫兹-STM 使用强场单周期太赫兹脉冲来驱动超快电流穿过隧道结，从而探测电子态的局部密度。然而，太赫兹-STM 结中的太赫兹场也可能会因样品的局部电磁响应而发生光谱改变。在这里，我们通过将波形采样与太赫兹扫描隧道光谱相结合来研究单个砷化镓表面缺陷，展示了原子级太赫兹时域光谱，该缺陷表现出强烈的局部太赫兹共振，并且类似于难以捉摸的 DX 中心。这些结果基于一种普遍适用且自洽的隧道结太赫兹近场波形采集方法，该方法可以区分局部样品特性和太赫兹脉冲耦合造成的影响，从而实现原子尺度的全面近场显微镜。
Personal view from SemIsee：STM可以实现直接获取微区的电子态密度的探测，可以获取材料能带、表面缺陷等微观量子特性信息，将其他外场引入STM过程是一个很好的思路，可以实现材料外场激发下微观特性的探测，从而获取材料原子尺度的原位分析。
4. Understanding epitaxial growth of two-dimensional materials and their homostructures|二维材料的外延生长及其同质结构
Nature Nanotechnology
Pub Date : 2024-07-10
DOI: 10.1038/s41565-024-01704-3
概要：二维 (2D) 范德华 (vdW) 材料的卓越物理性质已得到广泛研究，推动了材料合成的进步。外延生长是一种重要的合成策略，可以生产与先进集成电路兼容的大面积、高质量的 2D 薄膜。典型的二维单晶，例如石墨烯、过渡金属二硫属化物和六方氮化硼，已经在晶圆级外延生长。需要系统总结来为新兴二维材料的外延提供战略指导。在这里，作者重点介绍了两个方向的二维 vdW 材料的外延方法：面内单晶单层的生长和面外同质结构的制造。
Personal view from SemIsee：二维材料器件近年来进展迅猛，在逻辑、传感、射频、存储等多领域都表现出体材料不具备的很多优异特性和功能，但是如何实现二维材料的晶圆级生长和集成一直是阻碍其走向量产和落地的关键挑战，也是目前学界产业界在合力推动的重要方向之一。
/光电类/
5.Wafer-Scale Fabrication of Wearable All-Carbon Nanotube Photodetector Arrays|可穿戴的全碳纳米管光电探测器阵列的晶片级制备
ACS Nano
Pub Date : 2024-07-12
DOI : 10.1021/acsnano.4c01087
概要：可穿戴全碳纳米管光电探测器阵列的晶圆级制造：随着电子设备向便携式和高性能可穿戴设备发展，复杂和湿法加工技术的局限性变得显而易见。本研究提出了一种可扩展的光刻/无化学方法，用于制造可穿戴的全碳纳米管（CNT）光电探测器设备阵列。激光辅助图案化和干法沉积技术直接将气相CNT组装成柔性设备，无需任何光刻或剥离工艺。所得到的晶圆级全CNT光电探测器阵列展示了出色的均匀性、可穿戴性、环境稳定性和显著的宽带光响应，具有高达44 AW−1的高响应度和同时检测度为1.9 × 10^9 Jones。这项研究为制造可穿戴全CNT设备阵列提供了一种高效、多功能和可扩展的策略，使其在可穿戴光电子学和多功能传感器中得到广泛应用。
Personal view from SemIsee：可穿戴技术也是目前健康检测领域的一大关键技术，柔性的可穿戴设备对提高用户的佩戴舒适度，提高信号采集精度，降低噪声等都要重要作用。CNT从工艺上说确实是一个可柔性集成的材料体系，并且相比IGZO等现有的柔性非硅基材料具有更高的迁移率。但是CNT依然有它需要解决的一些问题，比如大规模的生产和集成，暗电流的抑制，响应速度的提升等等。
6.All-optical polarization switching in ferroelectrics|铁电中的全光偏振开关
Nature Photonics
Pub Date : 2024-06-06
DOI: 10.1038/s41566-024-01452-9
概要：使用窄带宽可调谐红外激光脉冲的超快光学实验使得 BaTiO3 中的铁电极化在 epsilon 接近零状态下实现非易失性全光切换。铁电体是一种具有自发电极化的材料，可以通过施加电场来改变其电极化方向。然而，本文介绍了一种新的方法，即使用光场来实现全光极化开关。研究人员通过在铁电体中引入光场，利用光场的自旋轨道耦合效应，成功地实现了光学极化的控制和切换。这种全光极化开关具有快速响应速度和低能耗的优势，有望在光计算和光信息存储中得以应用。
7. Simple yet powerful|简单但有用的光高维信息探测方案
Nature Photonics
Pub Date : 2024-07-08
DOI: 10.1038/s41566-024-01470-7
概要：结合了透镜和薄膜元件实现偏振和光谱调制的高维光电检测系统能够在深度神经网络的帮助下实现高纬度多模态信息采集。
Personal view from SemIsee：高纬度信息采集的一直是光电成像和探测领域的研究热点，这一块在前面的几期专题里讨论的比较多了。可以分别在传感器、光学系统、光学元件层面做光的多维度信息调制、采集，配合对应算法和网络，实现高维度、高通量、高速成像或探测。
8. Direct observation of atmospheric turbulence with a video-rate wide-field wavefront sensor|用视频率宽场波前传感器直接观测大气湍流
Nature Photonics
Pub Date : 2024-07-01
DOI: 10.1038/s41566-024-01466-3
概要: 湍流是一种复杂而混乱的流体运动状态。地球大气层内的大气湍流由于其在时间和空间尺度上的快速演变，给遥感、自由空间光通信和天文观测等应用带来了根本性挑战。研究大气湍流的传统方法由于其透明度和各等面性而在捕获湍流的宽场分布方面面临障碍。该文章中作者开发了一种基于光场的即插即用宽场波前传感器（WWS），有助于直接观测 30 Hz 下超过 1,100 角秒的大气湍流。实验测量结果与冯·卡门湍流模型一致，并使用差分图像运动监视器进一步验证。连接到 80 厘米望远镜后，我们的 WWS 能够对高度低于 750 米的三层进行清晰的湍流剖面分析，并无需额外的可变形镜即可进行高分辨率像差校正成像。 WWS 还能够使用具有宽场测量的卷积循环神经网络来预测 33 毫秒内湍流动力学的演变，从而在自由空间光通信期间对湍流引起的误差进行更准确的预补偿。动态湍流波前的广域传感为研究大气光学广阔领域中的湍流演化提供了新的机会。
Personal view from SemIsee：微透镜MLA阵列在诸多光学成像中都有重要作用，比如商用的波前探测器常用的就是MLA+sensor结构，此外在光场相机、合成孔径、3D成像等系统中MLA都有重要作用。如何在成像系统中巧用MLA并用以解决实际场景和问题是一个值得思考的点。
/类脑计算和AI智能/
9. Fully nonlinear neuromorphic computing with linear wave scattering|线性波散射的全非线性神经形态计算
Nat. Phys.
Pub Date : 2024-07-09
DOI：10.1038/s41567-024-02534-9
概要：该文章中，作者提出了一种神经形态系统的方案，该系统依赖于线性波散射，但实现了具有高表现力的非线性处理。关键思想是在影响线性散射过程的物理参数中编码输入过程引入非线性。此外，作者展示了训练所需的梯度可以直接在散射实验中测量。团队提出可采用集成光子技术来实现这一方案，尤其是利用具有高连通性的赛道谐振器。这种设计能够在减少波导交叉的同时，实现网络的高度密集连接。此外，该研究成果还适用于多种线性系统，如模拟电路、光学、微波射频等。
Personal view from SemIsee：这篇文章小编也和朋友讨论过几次，很有意义的工作。该文章的关键价值在于思路的转换，传统思路一直在考虑直接构建一个非线性传输过程，而这篇文章提出的方案提供了一个线性系统做非线性的思路，虽然散射这一物理过程是线性的，但是散射矩阵的参数控制具有非线性性。
10. Towards edible robots and robotic food|可食用机器人和机器人食品
Nature Reviews Materials
Pub Date : 2024-05-28
DOI: 10.1038/s41578-024-00688-9
概要：可食用机器人和食品：具备感知、处理和响应刺激能力的食用系统为医疗、环境管理及健康饮食提供了新机遇。它们可用于精准药物输送、体内健康监测、紧急营养供应、减少农业浪费、野生动物疫苗接种，以及创造新型美食体验。本文从机器人设计角度出发，识别了可作为可食用机器人组件的功能性食用材料，包括主体、执行器、传感器、计算和能源部件，并探讨了集成实例与该领域的挑战。
/生物医疗类/
11. A magneto-mechanical genetics toolbox for in vivo neuromodulation|体内神经调节的磁机械遗传学工具箱
Nat. Nanotechnol.
Pub Date : 2024-07-15
DOI : 10.1038/s41565-024-01701-6
概要：神经调节技术对于研究神经元连接和大脑功能至关重要。磁神经调节提供了无线和远程深度脑刺激，这在光遗传学和有线电极基础工具中是缺乏的。然而，由于对工作原理理解有限以及磁操作系统设计不佳，早期的磁方法尚未得到应用。此外，尽管在神经科学研究中非常重要，但细胞类型特异性的磁神经调节一直难以实现。在这里，我们提出了一种基于纳米材料的磁遗传学工具箱，结合Cre-loxP技术，通过纳米磁致动器产生的扭矩，选择性地激活目标神经元群体中的基因编码Piezo1离子通道，实现体外和体内的激活。我们展示了这种细胞类型靶向的磁方法，用于远程和时空精确控制深度脑神经活动在多个行为模型中，例如双向饮食控制、长期神经调节以控制肥胖小鼠的体重以及在同一物理空间中多只小鼠的社会行为的无线调节。我们的研究展示了细胞类型特异性磁遗传学作为生命科学研究中有效且可靠的工具的潜力，特别是在无线、长期和自由行为动物中。
Personal view from SemIsee:外场与脑神经信号的控制调节一直是一个神经领域和脑研究领域的热点，如何通过光、电、磁实现对神经活动的调节，对神经信号的解读、对细胞活动的调控是实现包括：神经治疗、脑活动研究、脑机交互、靶向作用的领域的关键。
12. A machine learning tool for spatial multi-omics|空间多组学的机器学习工具
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从空间多组学中解密空间域
Pub Date : 2024-06-21
DOI : 10.1038/s41592-024-02316-4
摘要：空间转录组学的出现对生物医学研究是一个巨大的福音。它结合了保留测量特征的空间背景的好处和组学实验的广泛特征覆盖。本文提供一用于空间多组学的机器学习工具--SpatialGlue，旨在从单个组织切片获取的空间多组学数据中破译空间域。它采用具有双重注意机制的图神经网络来完成测量特征和空间信息的组内集成，然后是跨组集成。
在分析空间组学数据时，学习数据的低维潜在表示（即简化模型）是后续分析的关键步骤。基于图神经网络（GNN）的模型非常适合学习空间分布数据的任务，例如STAGATE、SpaGCN和GraphST等工具，它们是为空间转录组学开发的3。SpatialGlue的开发借助了作者在GNN方面的先前经验并增加了在深度学习中使用的双注意力机制，以实现测量特征与空间信息的模态内整合，以及不同数据模态的跨组学整合。
Personal view from SemIsee:生物的信息特征和模态复杂多样，如何建立基因组、转录组、蛋白组之间的联系，并与个体的疾病发展建立联系一直是生物医学领域的一个研究重点，也是实现精准医疗的关键技术之一，由此发展的一个研究领域就是空间组学。空间组学（Spatial
Omics）是一种结合了空间信息和组学数据的生物技术。它利用先进的成像和测序技术，能够在组织或细胞的特定位置解析出基因表达、蛋白质表达、代谢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|神经假体隐形眼镜使感觉运动系统用于即时监测和反馈眼压
Nat. Commun
Pub Date : 2024-07-05
DOI : 10.1038/s41467-024-49907-5
概要：可穿戴式隐形眼镜能够连续监测眼内压（IOP），有助于青光眼、术后近视等眼病的及时和早期医疗治疗。然而，无论是在没有神经反馈组件的情况下进行预治疗用药，还是推迟治疗过程，都无法实现准确诊断或有效治疗。本文报道了一种可入眼佩戴的神经形态隐形眼镜，该隐形眼镜由眼压-温度双模态传感器和数据传输/显示系统组成。得益于高性能敏感材料（2D Ti₃C₂Tx MXene）的选用和蛇形电极结构的惠斯通电桥设计，所制备的眼压传感器具有12.52 mV/mmHg的高灵敏度和优异的稳定性，实现了眼压的实时监测和预警。动物实现表明，通过突触激活下游肌肉，引起腿部抽搐，从而可以形成眼压信号产生-神经感知-运动反馈的闭环回路。
Personal view from SemIsee: 可穿戴电子器件的意义在于可以实现生理情况的实时监测。隐形眼镜作为一款已经被大量使用的产品，在原本无源的隐形眼镜上增加有源传感，实现眼压检测、眼动跟踪确实是一个有应用价值的思考方向。但是如何保证在功能上做加法的同时实现隐形眼镜的高生物兼容性、高佩戴舒适度、和有效的通信供电系统是未来需要考虑的一大问题。
14. AI-based differential diagnosis of dementia etiologies on multimodal data|基于多模式数据的痴呆病因的人工智能鉴别诊断
Nat Med
Pub Date : 2024-07-04
DOI : 10.1038/s41591-024-03118-z
概要：痴呆的鉴别诊断在神经学中仍然是一个挑战，因为不同病因的症状重叠，但这对于制定早期、个性化的管理策略至关重要。在这里，我们提出了一个人工智能（AI）模型，该模型利用广泛的数据，包括人口统计学、个人和家族病史、用药情况、神经心理评估、功能评估和多模态神经影像学，来识别导致个体痴呆的病因。该研究基于9个独立、地理分布不同的数据集中的51,269名参与者，促进了10种不同痴呆病因的识别。它将诊断与类似的管理策略对齐，确保即使在数据不完整的情况下也能进行稳健的预测。
Personal view from SemIsee: 我们知道AI依赖于大量数据的收集，医疗相关的数据量及其庞大，其收集和利用对应推动医疗行业发展有重要意义。母亲啊正在兴起的数字医疗正在迅速发展，并且随着技术的进步，其应用范围和影响力不断扩大。AI在制药、病理分析、辅助诊断等方面也扮演着越发重要的作用
15. Graphene oxide electrodes enable electrical stimulation of distinct calcium signalling in brain astrocytes|氧化石墨烯电极能够电刺激脑星形胶质细胞中不同的钙信号
Nature Nanotechnology
Pub Date : 2024-07-10
DOI: 10.1038/s41565-024-01711-4
概要：氧化石墨烯电极能够电刺激大脑星形胶质细胞中的独特钙信号传导。星形胶质细胞负责通过钙信号传导维持体内平衡和认知功能，这一过程在脑部疾病中会发生改变。该文章指出通过使用氧化石墨烯和还原氧化石墨烯涂层电极对星形胶质细胞进行电刺激，实现了对细胞内钙信号的精确控制。该方法能够分别引发缓慢的外部钙流入反应和剧烈的内部钙释放反应。研究表明，电极的电导率差异可以调节电场，影响体外和离体的信号传导。这项技术为神经科学和生物电子医学领域提供了一种选择性控制脑星形胶质细胞钙信号的新途径。
下载ECAD模型
