近日
華中科技大學武漢光電國家研究中心
3項成果上榜
其中1項入選基礎研究類
2項入選應用研究類
中國光學十大進展
“中國光學十大進展”由中國激光雜志社自2005年發(fā)起，始終關注中國最前沿的光學研究成果和科研進展，至今已成功舉辦17屆，已評選出的394項具有重大科學價值的光學成果。本次中國光學十大進展共評選出10項基礎研究類和10項應用研究類進展，此外，還有19項成果分別榮獲基礎研究和應用研究十大進展提名獎。
該評選活動采取函評和終評兩種方式，由來自清華大學、北京大學、中國科學技術大學、中科院物理所等44家科研院所，79名院士和知名專家組成的推薦委員會、終評委員會，經過多輪嚴格審核，最終評選得出。
雙折射晶體中發(fā)現(xiàn)“幽靈”雙曲極化激元
入選基礎研究類
張新亮、李培寧教授課題組領導的國際研究團隊，與國家納米科學中心戴慶研究員、新加坡國立大學仇成偉教授等合作，理論提出并實驗證明了傳統(tǒng)的雙折射晶體中存在一種處于中紅外波段的“面-體”復合型雙曲極化激元電磁波，拓展了極化激元基礎物理定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學等領域的基礎研究具有重要指導意義。
極化激元（polaritons）是由光和物質強耦合作用產生的一種“半光-半物質”準粒子，能夠突破衍射極限將光場壓縮聚焦到很小的尺度，縮小光學器件的物理體積，實現(xiàn)奇異的微納光學現(xiàn)象和重要應用。
極化激元不僅是當今凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學等多學科交叉的前沿科學領域，同時也是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢研究方向之一。早在1951年，我國著名半導體物理學家黃昆先生就提出聲子極化激元的經典理論，開辟了這一重要研究方向。目前，這些不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式：沿著材料界面?zhèn)鞑サ谋砻婺Ｊ胶驮诓牧蟽炔總鞑サ捏w模式。
團隊的研究成果突破了固有認識，證明了在各向異性的晶體方解石中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元模式，由傳統(tǒng)的表面模式和體模式極化激元復合而成，既束縛在界面上傳播，同時又在晶體內表現(xiàn)出傾斜的波前傳輸。
三種極化激元模式的特征電磁場模式分布的比較
（上）“幽靈”極化激元模式、（中）表面模式、（下）體模式
這種新型極化激元模式的證明和發(fā)現(xiàn)也表明，在麥克斯韋方程組建立近150年后，在傳統(tǒng)晶體的單界面這一最簡單體系中仍然存在著新的基礎光物理。
借助納米成像技術，研究者證明了這種獨特電磁波的存在，表現(xiàn)出在平面內高度各向異性，在圓形金屬天線的右側觀測到了射線形式的傳播，且低損耗傳輸長達20微米。
近場成像實驗證明“幽靈”極化激元的各向異性傳播特性
（左）實驗示意圖、（中）測量的“幽靈”極化激元高分辨近場圖像、（右）波矢空間分布圖
研究工作拓展了極化激元基礎物理的“教科書”定義，預測了通過雙折射晶體光軸的朝向來調節(jié)極化激元的可行性，對實現(xiàn)奇異的微納光學現(xiàn)象具有極大的應用潛力。相關研究成果以“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”為題，于2021年8月18日在線發(fā)表于Nature。
基于形態(tài)學分級結構設計的輻射降溫光學超材料織物
入選應用研究類
陶光明教授團隊與浙江大學馬耀光團隊等多家科研和產業(yè)單位基于形態(tài)學分級結構(Hierarchical-morphology)，設計研發(fā)出了一種無源降溫光學超材料織物(Metafabric)，在戶外暴曬環(huán)境可為人體表面降溫近5 。
由于包括人體在內的常溫地表物體的中紅外輻射光譜，與8-13μm的大氣透明窗口基本重疊，這使得利用外太空環(huán)境進行降溫成為了可能。超材料織物正是基于輻射制冷的原理，通過形態(tài)分級的設計理念，使面向天空的地表物體可以通過大氣透明窗口向宇宙輻射熱量，將溫度接近絕對零度的外太空作為一個“天然冷庫”，從而實現(xiàn)零能耗降溫。
同時，超材料織物如同一個為太陽光精心設計的“迷宮”，光線散射拐彎后絕大部分都被反射出去，從而避免顯著的升溫。因此，在戶外暴曬環(huán)境下，超材料織物就像一個空調，保持著物體與宇宙暢通的熱交換通道，又像一面鏡子，阻擋太陽輻射輸入。基于上述設計，超材料織物實現(xiàn)了92.4%的太陽輻射反射率和94.5%的中紅外發(fā)射率，且可為人體降溫近5 C，為汽車模型內部降溫近30 C。
無源降溫光學超材料織物示意圖
無源降溫光學超材料織物照片
研究成果以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”為題，于2021年7月8日在線發(fā)表在Science上。
線照明調制顯微術實現(xiàn)高清成像
入選應用研究類
該技術由駱清銘團隊發(fā)明。生物組織的精細結構復雜多樣，如何在三維空間用光學方法對其進行全面準確觀測是公認的技術難題。特別是熒光標記的神經元，胞體直徑約為10-30 μm，從其伸展出去投射到全腦不同腦區(qū)的軸突直徑只有0.2-0.5 μm，它們在亮度上相差2-3個數(shù)量級，空間分布卻是常常交織在一起。當在周邊胞體的干擾下探測軸突上的微弱熒光信號，就如同在明亮的太陽周邊觀察小星星。對此類情況，傳統(tǒng)的光學層析方法難以實現(xiàn)。
駱清銘團隊提出了一種全新的光學層析顯微成像新原理——線照明調制（Line-illumination modulation, LiMo）顯微術，巧妙地將線照明光強的高斯分布作為一種天然的調制，采用多線探測的方式可以一次性記錄下樣本被不同強度照明調制的信號，并且只需要一步線性計算即可去除相同的焦外背景信號，獲得清晰的焦面光學層析圖像。該方法首次實現(xiàn)了高分辨率、高通量、高魯棒性、高背景抑制能力、高靈敏度的同時兼顧，突破了現(xiàn)有原理的光學層析能力極限，填補了相關領域的技術空白。不論是光路還是算法，LiMo都充分體現(xiàn)了大道至簡的智慧。
LiMo顯微術成像原理示意
基于此，團隊進一步發(fā)展了高清熒光顯微光學切片斷層成像（High-definition fluorescent micro-optical sectioning tomography, HD-fMOST）新技術，將全腦光學成像從高分辨率提升到高清晰度的新標準，是目前相似體素分辨率下速度最快的全腦光學成像技術。高清的成像質量從數(shù)據(jù)源頭為數(shù)據(jù)存儲、傳輸、處理和分析等方面都帶來了顯著的效率提升，為破解全腦光學成像技術在推廣應用中的大數(shù)據(jù)瓶頸問題提供了全新的解決思路。該技術的實現(xiàn)，將有望在標準化、規(guī)模化的腦科學研究中發(fā)揮巨大作用，為繪制單細胞分辨的介觀腦圖譜貢獻一份力量。
小鼠腦全腦最大值投影圖在病毒注射位點的局部放大
研究成果以“High-definition imaging using line-illumination modulation microscopy”為題，于2021年3月1日在線發(fā)表在Nature Methods上。
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來源：華中科技大學官方微信公眾號
編輯：高翔、艾婷
