智能計算成像研究進展

智能計算成像研究進展

中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室與德國斯圖加特大學應用光學研究所、美國麻省理工學院合作，提出并實驗驗證了一種基于物理模型和深度神經網絡的新型計算成像方法，無需大量帶標簽的數據來完成神經網絡訓練，從而促進人工智能在計算成像中的應用。研究論文發表于Light： Science & Applications。研究人員利用物理模型替代訓練數據來驅動網絡參數的優化。以相位成像來驗證了該方法的有效性，通過不斷迭代使神經網絡輸出結果經衍射傳播和測量過程（物理模型）后計算得到的衍射強度圖逐漸逼近實際測量的衍射強度圖，隨著迭代的進行，神經網絡輸出結果也逐漸逼近實際待求相位物體。

高階拓撲絕緣體理論研究進展

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心-國際量子功能材料設計中心與物理系喬振華教授課題組與美國德克薩斯大學奧斯汀分校牛謙教授合作，在理論預言低維體系高階拓撲絕緣體方面取得新進展。相關成果發表于Physical Review Letters。論文提出一種新的方案來實現從一階到二階拓撲絕緣體的操控，即通過在二維一階拓撲絕緣體上誘導出面內磁矩來實現二維二階拓撲絕緣體。一階拓撲絕緣體受時間反演對稱性保護；然而，面內磁矩的出現破壞了該對稱性，使得拓撲絕緣體變的拓撲平庸。同時，導電的邊界態也由于對稱性被破壞而變得絕緣不再導電，并且在兩個絕緣的邊界交界處，出現了零能電子態。

晶體手性判定新方法

上海科技大學物質學院馬延航課題組與合作人員提出了一種使用電子顯微鏡確認晶體手性的新方法。研究論文發表于Nature Communications。手性在自然界中非常常見。兩個化學組分完全相同的手性異構體，其性質卻可能完全不同。一個典例就是手性沙利度胺（Thalidomide），一種對映體是有效的鎮靜劑，而另一種則可能導致胎兒畸形。該方法基于球差校正掃描透射電子顯微鏡原子分辨成像，通過拍攝單顆手性晶體沿不同帶軸的高分辨圖像，結合結構模型和圖像模擬，成功實現了在原子尺度上直接確認晶體的左右手性。該方法對于手性材料的手性判定有著重要意義。

太赫茲實時雙光梳光譜檢測研究進展

中國科學院上海微系統與信息技術研究所曹俊誠、黎華研究員領銜的太赫茲（THz）光子學團隊與華東師范大學曾和平教授合作，在太赫茲雙光梳光譜檢測領域取得進展。研究論文發表于ACS Photonics。研究團隊利用THz QCL光頻梳本身作為高速探測器，率先實現了緊湊型實時THz雙光梳光譜檢測系統。由于THz QCL是基于子帶間電子躍遷的半導體器件，其載流子弛豫時間在皮秒兩級，所以THz QCL在作為輻射源的同時也是一個天然的THz高速探測器。基于此原理，研究團隊克服傳統雙光梳系統需要外置高速探測器的限制，成功實現了基于自探測的THz實時雙光梳系統。

在能量景觀上構建“路徑圖”的計算方法

北京大學北京國際數學研究中心張磊副教授與數學科學學院張平文院士、博士生殷鑒遠等人合作，提出了在能量景觀上構建“路徑圖”的計算方法，可以尋找系統的多個極小和過渡態，并揭示不同鞍點解之間的連接關系。研究論文發表于Physical Review Letters。尋找能量景觀的全局極小和如何找到不同極小之間的關系始終是數學和物理領域中長期存在的兩個關鍵問題。論文提出的算法克服了傳統算法中選取合適初值的困難，可以更加有效地計算能量景觀的多個極小。同時，能量景觀上的“路徑圖”不但展示了不同解之間的連接關系，而且通過計算得到的動力學路徑揭示了隱藏的物理過程。

受限在方形區域中向列型液晶的路徑圖（圖片來源于北京大學數學科學學院網站）

利用PVDF線圈實現充液管道泄漏定位

中國科學院聲學所噪聲與振動重點實驗室高艷研究員等提出應用PVDF線圈進行管道泄漏定位的方案，它具有易安裝、低成本、靈敏度可調的優勢，為塑料水管泄漏檢測與定位提供了新的傳感器設計方案。研究論文發表于Sensors。塑料管被廣泛應用于城市地下管網。由于水資源短缺和管道老化加劇的現狀，管道泄漏檢測維修技術成為保障管網安全運行的關鍵，這對管網實時監測設備中泄漏噪聲傳感器的靈敏度與性價比提出了更高的要求。該線圈傳感器測試信號在低頻域（1kHz內）具有良好的相關性和相位線性關系，并與水聽器測試結果基本一致。分析線圈傳感器與水聽器結果的相位譜得到的漏點定位誤差在2%以內。

關于具有社團劃分功能的網絡模型研究

南京大學新聞傳播學院計算傳播學實驗中心助理研究員尚可可等與合作者在關于具有社團劃分功能的網絡模型研究方面取得進展。研究論文發表于應用數學與統計物理交叉性著名期刊Chaos。文章提出的進化規則在創建模仿病毒遺傳結構的網絡方面取得突破，特別是模仿COVID-19病毒基因演化網絡的已知公共數據。該模型的原理源自實際生活，即新團體的崛起會打破已有的資源分配格局，從而產生“新貴”，論文的初衷是對傳播結構網絡、社交網和經濟網絡的社團演化提供一個適配模型。然而，研究團隊意外發現該模型還能夠較好適配新冠狀病毒基因的演化網絡。

精確估計光度函數方法

中國科學院云南天文臺博士袁尊理、研究員王建成與英國牛津大學教授Matt Jarvis合作，基于現代統計學中的核密度估計原理，提出了一種精確估計光度函數的普適方法，它對于統計研究星系、活動星系核、伽馬暴等河外天體的演化性質有重要價值。研究論文發表于The Astrophysical Journal Supplement Series。光度函數是一個非常基本的統計量，它反映宇宙中某類天體的數密度隨紅移和光度（或星等）的變化情況。研究團隊利用蒙特卡洛模擬，發現新方法的估計精度要比經典的binning方法高出近一個數量級，穩定性好，同時，新方法兼有參數方法和非參數方法的優點。