文献分享｜《Light》顶刊：牛津团队实现相变超表面双模显微，AI图像处理零耗能切换文献

背景

近日，牛津大学团队在顶级期刊《Light: Science & Applications》发表题为《Nonlocal phase-change metaoptics for reconfigurable nonvolatile image processing》的研究，提出一种基于“相变材料Sb₂Se₃的非局域超表面”，成功解决传统光学器件功能单一与高能耗的难题。该成果为光学计算与AI图像处理提供了全新的硬件范式，以下梳理其核心亮点。

研究亮点解析

1.相变材料创新应用

论文采用近红外低损耗材料“Sb₂Se₃”，其非晶态与晶态折射率差（Δn≈1）通过热切换实现功能重构，且“切换后无需维持能耗”。  

“非晶态下”：超表面基于准束缚态连续体（q-BIC）共振，在空间频率域实现高通滤波（对应拉普拉斯边缘检测）；“晶态下”透射率全通，支持高分辨率亮场成像。  

2.非局域超表面设计

“制备工艺”：通过电子束光刻（EBL）与反应离子刻蚀（RIE）制备纳米柱阵列，优化参数（周期460 nm，直径350 nm）后兼容“0.5数值孔径”与“50 nm带宽”。

“实验结果”：论文数据显示，边缘检测信噪比>20，分辨率达3.5 μm；亮场模式分辨率接近衍射极限（1.05 μm）。  

3.双模态成像演示

团队将超表面集成于蓝宝石载玻片（meta-coverslip），展示了“洋葱表皮细胞”与“碳酸钠晶体”的实时双模成像（图5）。  

“偏振调控特性”：线偏振光定向增强边缘，圆偏振光实现全向检测，验证了器件灵活性（图4）。  

技术意义与潜在应用

“光学AI加速”：直接替代电子卷积层，降低图像预处理能耗，适用于自动驾驶、医学实时诊断等场景。  

“智能显微系统”：无需机械更换滤光片，单设备切换显微模式，显著提升生物成像效率。  

“光子器件设计”：为非易失可编程超表面、动态空间滤波器等新型器件提供理论支持。  

总结与展望  

该研究通过相变材料与非局域超表面的协同设计，突破传统光学器件的功能限制。论文作者指出，未来需集成微型加热器实现电控切换，并探索可见光波段应用。这一成果为光学计算与AI硬件的融合提供了重要参考，相关技术或推动显微设备与智能终端的革新。  

论文链接

DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01841-x

原文链接：https://rdcu.be/ek5Fe

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