用于暖白光LED的新材料

發(fā)光二極管通常被稱為“LED”，因其能源效率和耐久性而眾所周知。但是當(dāng)前的白光LED所發(fā)出的藍(lán)冷光阻礙了LED室內(nèi)照明的應(yīng)用。

目前，佐治亞大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)研制出了世界上首例能僅用一種發(fā)光材料(或磷光體)、一個(gè)光照發(fā)射中心就能產(chǎn)生暖白光的LED。自然出版集團(tuán)的雜志《光:科學(xué)與應(yīng)用》(Light:Science＆Applications)對(duì)這種材料進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

“目前，白光LED主要用于閃光燈和車燈，但它們發(fā)出的藍(lán)冷光很不受歡迎，尤其是在室內(nèi)，”佐治亞大學(xué)富蘭克林藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院及佐治亞大學(xué)工程學(xué)院物理系副教授潘正偉說?！拔覀儼l(fā)明的材料可達(dá)到暖色溫，并能提供高度精確的彩色再現(xiàn)功能，這是以前的單一磷光體轉(zhuǎn)化型LED從未展示過的?！?/p>

潘正偉解釋說評(píng)估人造光的質(zhì)量主要利用兩個(gè)變量。相關(guān)色溫是其中一個(gè)，可用于測(cè)定光的冷度或暖度，低于4 000 K的色溫非常適合室內(nèi)照明。(相反，高于5 000 K的相關(guān)色溫發(fā)出的是藍(lán)色光)，另外一個(gè)重要的測(cè)度是顏色復(fù)原度，即光源復(fù)制自然光的能力。高于80的顯色指數(shù)對(duì)室內(nèi)照明是較為理想的，而低于80的顯色指數(shù)會(huì)讓人覺得光的顏色不真實(shí)。潘正偉和他的同事們制造出的材料能滿足以上兩個(gè)“門檻”標(biāo)準(zhǔn):相關(guān)色溫低于4 000 K，同時(shí)顯色指數(shù)為85。

潘正偉說，通常可利用一塊涂有發(fā)光材料(或磷光體)的藍(lán)色LED芯片獲得暖白光—這里的發(fā)光材料可發(fā)出不同的光色，于是便制成了所謂的“磷基白光LED”。但是，將光源材料以精確的比例組合起來是一件既困難又耗資的事。同時(shí)，由于每種光源材料對(duì)溫度變化的響應(yīng)程度不同，因而所得到的顏色也常常千差萬別?！皢我涣坠怏w的使用恰巧解決了顏色穩(wěn)定性問題，因?yàn)檫@種材料的顏色質(zhì)量不會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生改變，”佐治亞大學(xué)工程學(xué)院Xufan Li博士說。

為制造出新型磷光體，潘正偉和他的團(tuán)隊(duì)將微量的氧化銪與氧化鋁、氧化鋇和石墨粉混合在一起。然后，將這些粉狀材料放在管式爐中，在1 450℃的溫度下加熱。在管式爐的真空作用下，汽態(tài)材料被吸到一塊基片上，并沉積成黃色發(fā)光化合物。當(dāng)黃色發(fā)光化合物被封裝入燈泡中并被一塊藍(lán)色LED芯片照亮后，便形成了暖白光。

雖然這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究成果很有發(fā)展前景，但潘正偉強(qiáng)調(diào)，在將這種材料用于家庭、商店和學(xué)校的照明前，他們?nèi)孕杩朔讉€(gè)障礙。首先，這種新材料的效率比目前的藍(lán)白光LED要低得多。其次，要使這種材料的生產(chǎn)擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模也有難度，因?yàn)樵诹坠怏w合成過程中即使是很小的溫度和壓力變化也會(huì)使材料發(fā)出完全不同的光色。

這種新型黃色磷光體的晶格結(jié)構(gòu)從未見報(bào)道。研究人員們目前正在研究該化合物里的離子是如何排列的，希望通過更深入地了解該化合物的原子結(jié)構(gòu)以提高其效率。“我們還有更多的工作要做，”潘正偉說，“但我們已經(jīng)獲得的良好色溫和顯色指數(shù)給我們開了個(gè)好頭?！?/p>

簡單方法形成阿秒脈沖

日本的科學(xué)家們已經(jīng)研究出了一種可產(chǎn)生阿秒級(jí)光脈沖的簡單方法。這種方法是由東京電氣通信大學(xué)的Kazumichi Yoshii及其同事提出的。該方法涉及到使用一組薄的色散材料來控制高功率激光器的輸出，從而形成一系列傅立葉變換限制脈沖。研究人員從數(shù)值角度研究了一系列不同的色散介質(zhì)，包括BK7玻璃、石英玻璃、方解石和藍(lán)寶石。他們證實(shí):通過選擇最佳的材料厚度值，就可能生成一系列像728 as這樣短的變換限制脈沖。研究人員稱他們的方法很有吸引力，因?yàn)樵摲椒ú恍枰魏翁厥庠貋硖峁┴?fù)色散，而這正是眾多超短脈沖形成法所面臨的問題。

光子學(xué)聚合物:液體沉積光刻

制作聚合物基光子電路的光刻方案可用于制造具有較大的相對(duì)折射率差的復(fù)雜三維裝置。美國大學(xué)的 Adam Urness及其同事表示:他們的“液體沉積光刻”法能快速制造具有亞微米級(jí)分辨率且相對(duì)折射率差高達(dá)0.1的毫米級(jí)結(jié)構(gòu)。這種方案是將一個(gè)紫外光(365 nm)圖案投射到一層液態(tài)光敏聚合物上，一經(jīng)曝光，液態(tài)光敏聚合物就固化成膠狀，而光強(qiáng)度較大的區(qū)域?qū)碛懈叩拿芏群驼凵渎?。這個(gè)過程可在許多聚合物層上重復(fù)進(jìn)行，以形成大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)已用他們的方法制造出了微型商標(biāo)、波導(dǎo)陣列和光子晶體纖維。

用激光照射量子點(diǎn)獲得成對(duì)光子

奧地利因斯布魯克大學(xué)的科學(xué)家借助微型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，用激光照射量子點(diǎn)首次獲得了成對(duì)的光子。這一成果可進(jìn)一步推動(dòng)量子的應(yīng)用研究，并可用于量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)。

據(jù)奧地利新聞社近日?qǐng)?bào)道，量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子構(gòu)成。單個(gè)原子很難被“固定”，而量子點(diǎn)比較容易“被集成到半導(dǎo)體芯片中”。研究人員在實(shí)驗(yàn)中采用了砷化銦中的量子點(diǎn)。這種量子點(diǎn)每個(gè)由約一萬個(gè)原子組成，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，它們的活動(dòng)與單一原子十分相似。

研究人員首先用液態(tài)氦對(duì)嵌入在一個(gè)微型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)進(jìn)行冷卻，然后用激光照射以提高電子能量狀態(tài)，最終能量便以光子形式得到釋放。因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所專家魏斯說，目前，科學(xué)家們已經(jīng)能夠有意地從一個(gè)量子點(diǎn)中得到成對(duì)光子。研究人員還嘗試將量子點(diǎn)與激光器集成在一個(gè)芯片上，從而可很方便地產(chǎn)生成對(duì)光子。成對(duì)光子在量子研究中有著很好的應(yīng)用前景。

這一研究成果已刊登在近期《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)雜志上。

用單根納米線提高聚光強(qiáng)度

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，一個(gè)來自丹麥和瑞士的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了單根納米線可聚集的太陽光強(qiáng)度能達(dá)到普通光照強(qiáng)度的15倍，這一令人驚訝的研究成果在開發(fā)以納米線為基礎(chǔ)的新型高效太陽能電池方面潛力巨大，有可能使太陽能轉(zhuǎn)換極限得以提高。相關(guān)論文發(fā)表在《自然-光子學(xué)》(Nature Photonics)雜志上。

納米線的結(jié)構(gòu)為圓柱狀，直徑約為人類發(fā)絲的萬分之一。納米線具有獨(dú)特的物理光吸收性能，有預(yù)測(cè)認(rèn)為其在太陽能電池以及未來的量子計(jì)算機(jī)和其他電子產(chǎn)品的開發(fā)方面具有廣闊的前景。近年來，丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所納米科學(xué)中心和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家一直在探索如何開發(fā)納米線晶體并改善其質(zhì)量。

他們的研究發(fā)現(xiàn)，納米線能夠?qū)⑻柟庾匀痪奂骄w中一個(gè)非常小的區(qū)域，聚光能力是普通光照強(qiáng)度的15倍。由于納米線晶體的直徑小于入射太陽光的波長，可以引起納米線晶體內(nèi)部以及周圍光強(qiáng)的共振。該研究的參與者、剛剛獲得尼爾斯·波爾研究所博士學(xué)位的彼得·克洛格斯特拉普解釋說，通過共振散發(fā)出的光子更加集中(太陽能轉(zhuǎn)換正是在散發(fā)光子的過程中實(shí)現(xiàn)的)，這有助于提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，從而使得基于納米線的太陽能電池技術(shù)得到真正的提升。

典型的太陽能轉(zhuǎn)換效率極限，也就是所謂的肖克利·奎伊瑟效率極限(Shockley-Queisser Limit)，多年來一直是太陽能轉(zhuǎn)換效率的瓶頸，但現(xiàn)在看來，這項(xiàng)新研究很有可能使這一轉(zhuǎn)換效率極限提高幾個(gè)百分點(diǎn)。

對(duì)研究人員而言，能夠突破理論極限無疑是令人興奮的。幾個(gè)百分點(diǎn)聽上去雖然不多，但卻會(huì)對(duì)太陽能電池的發(fā)展、基于納米線的太陽能的利用以及全球的能源開發(fā)等產(chǎn)生重大影響。不過，克洛格斯特拉普表示，納米線構(gòu)成的太陽能電池投入產(chǎn)業(yè)化還需要等幾年時(shí)間。

可將超聲波轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的新型超材料

傳統(tǒng)超聲技術(shù)主要依靠將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來產(chǎn)生圖像。幾十年來，這種技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但帶寬和靈敏度的限制一直是超聲技術(shù)產(chǎn)生高質(zhì)量診斷圖像的主要障礙。

如今，科學(xué)家獲得了更加清晰的超聲圖像，這要?dú)w功于一種新型超材料。這種新型材料由倫敦國王學(xué)院、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、貝爾法斯特女王大學(xué)和馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的科學(xué)家聯(lián)合研制，可將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供高清晰度圖像。由于信號(hào)的光處理不會(huì)限制轉(zhuǎn)換器的帶寬和靈敏度，因而不受帶寬和靈敏度的限制。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)雜志上。

這種超材料由嵌入在一種被稱作聚吡咯的聚合物中的金納米棒構(gòu)成。光信號(hào)進(jìn)入材料，與之相互作用，在穿過材料之前，被隨后傳入的超聲波改變。接下來，探測(cè)設(shè)備讀出改變后的光信號(hào)，分析其特性的變化以產(chǎn)生更高分辨率的圖像。

“高帶寬可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波距離變化的高精度采樣。更高的靈敏度則能夠讓使用者看到更深處的組織，產(chǎn)生的視覺效果更為詳細(xì)。”倫敦國王學(xué)院物理系博士Wayne Dickson說，“在不犧牲靈敏度的情況下，我們可以將工作頻率從0提高到150 MHz。目前的技術(shù)通常在50 MHz左右就會(huì)遇到靈敏度大幅度下降的問題。這意味著，在轉(zhuǎn)換器帶寬的情況下，這種超材料能夠有效地將聲波轉(zhuǎn)換成光信號(hào)?！?/p>

雖然這項(xiàng)研究還未準(zhǔn)備與超聲技術(shù)集成在一起，但是Dickson和他的研究小組已經(jīng)成功驗(yàn)證了使用這種新型材料如何大幅改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)。

Dickson說:“我們研究成果的潛在價(jià)值是非常令人興奮的。到目前為止，最靈敏的超聲探測(cè)器雖然是基于傳統(tǒng)的光學(xué)材料，但仍然會(huì)受到帶寬的限制，而且由于光學(xué)對(duì)準(zhǔn)要求極為嚴(yán)格，很難將其設(shè)計(jì)成一個(gè)真實(shí)可用的設(shè)備。相反，我們的材料比較容易集成，這預(yù)示著新一代超聲傳感器的到來?！?/p>

速率提高350倍的新型光開關(guān)

當(dāng)前，普通電子開關(guān)的工作頻率為4 GHz，荷蘭特溫特大學(xué)和法國納米科學(xué)與低溫工程研究所的科學(xué)家開發(fā)出了一種半導(dǎo)體平面微腔開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了1.4 THz的重復(fù)率開啟和關(guān)閉操作，速率提高了350倍，相關(guān)成果發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》(Opt.Lett.)上。

研究人員在砷化鎵和砷化鋁層中構(gòu)造了空腔，并使用1 284.1 nm的探測(cè)光測(cè)量其諧振頻率。

實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用兩個(gè)由近紅外鈦寶石激光抽運(yùn)的光參量放大器，將探測(cè)光束和觸發(fā)光束射入微腔中。觸發(fā)光束產(chǎn)生電克爾效應(yīng)，在亞皮秒時(shí)間量級(jí)改變了空腔材料的折射率。研究人員將觸發(fā)光束的波長延長到2 400 nm，以減少空腔內(nèi)的雙光子吸收。據(jù)估計(jì)，空腔只吸收了百萬分之一的入射光。

據(jù)作者所言，空腔存儲(chǔ)時(shí)間大約為300 fs，決定了開關(guān)速率的基本“速率限制”，這種現(xiàn)象不依賴于微腔的幾何結(jié)構(gòu)。

除了超快片上光子調(diào)制，這種新型開關(guān)可能會(huì)應(yīng)用于空腔量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，并且，有望大大提高未來通信系統(tǒng)甚至量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速率。

破解深紫外線LED應(yīng)用難題

廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院康俊勇教授研究組通過在高鋁組分氮化物深紫外線發(fā)光二極管(LED)表面覆蓋一層超薄鋁膜，從而破解了制約這一發(fā)光器件得以更廣泛應(yīng)用的“光抽取效率”難題，為未來此類器件在醫(yī)療、環(huán)保、軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開啟了新的方法和思路。日前，這一研究成果刊登在《自然》出版集團(tuán)旗下涵蓋自然科學(xué)所有領(lǐng)域的在線開放刊物《科學(xué)報(bào)道》(Scientific Reports)上。

所謂深紫外線，是指波長＜280 nm的紫外線。這種光源可在水及空氣凈化、疾病治療、信息技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用。長期以來，受限于高鋁組分氮化物本征特性和制備工藝，從發(fā)光二極管抽取深紫外線的效率非常低，這也就意味著，電轉(zhuǎn)化為可用光的部分很少，造成了“光能”的流失，大大制約了深紫外線發(fā)光二極管的更廣泛應(yīng)用。

經(jīng)過幾年攻關(guān)，課題小組副教授黃凱與博士生高娜等成員借用一個(gè)超薄鋁膜破解了這一難題。課題組在一個(gè)深紫外線發(fā)光二極管表面鍍上一層僅有5 nm的超薄鋁膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，這層鋁膜不但沒有像傳統(tǒng)鏡子一樣將器件發(fā)出的光更多地反射回去，反而巧妙地將器件向側(cè)面射出的光收集起來，穿過鋁膜層，并神奇地從正面射出，從而提高了光抽取效率。

裸眼觀看3D圖像的新技術(shù)

近日，美國帕洛阿爾托惠普(HP)實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明了一種新的3D技術(shù)，利用該技術(shù)，影視觀看者不僅不需要佩戴特殊的眼鏡，而且還可以實(shí)現(xiàn)多角度觀看。這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步將推進(jìn)移動(dòng)3D設(shè)備以及電視的發(fā)展。

由于電視在2D屏幕上顯示圖像，因此，若想讓人們從3個(gè)角度觀看，成像技術(shù)必須使每只眼睛接收到的圖像略有差別。多年來，科學(xué)家發(fā)明了無數(shù)的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。其中最為人熟知的可能就是讓看電影的人佩戴紅綠眼鏡的方法—每只鏡片會(huì)過濾掉特定的部分圖像。若想不佩戴眼鏡就看到3D圖像，工程師們必須控制顯示器上每個(gè)像素的光線走向，以此使觀眾的眼鏡接收到不同的光模式。

目前，可實(shí)現(xiàn)該種控制的黃金標(biāo)準(zhǔn)是全息攝影術(shù)。然而，全息攝影很昂貴，而且只能用于靜態(tài)圖像，不能用于動(dòng)態(tài)視頻。近些年，研究人員開發(fā)出了其他一些技術(shù)，但這些技術(shù)會(huì)降低分辨率，或者只有在固定的位置才能實(shí)現(xiàn)真正的3D圖像，這就要求觀眾必須坐在距屏幕一定距離和角度的地方觀看。

為克服這些局限，物理學(xué)家David Fattal領(lǐng)導(dǎo)下的HP實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)芯片創(chuàng)建了一個(gè)被稱為“衍射光柵”的光元素陣列，從而可精確地控制顯示器上每個(gè)像素的光線走向，并使用液晶來調(diào)節(jié)每個(gè)點(diǎn)釋放的光的顏色。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的視頻，觀眾從14個(gè)不同的觀看區(qū)域都可以看到完整的3D圖像。研究人員將該成果發(fā)表在近期《自然》(Nature)雜志網(wǎng)絡(luò)版上。

然而，英國劍橋大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Neil Dodgson表示，這項(xiàng)技術(shù)并不一定會(huì)取得商業(yè)成功。Dodgson在《自然》上的一篇評(píng)論中寫道，這項(xiàng)技術(shù)仍需要克服一系列制造過程中的障礙，而且工程師們必須發(fā)明一種可以捕捉14～64種不同圖像的攝影機(jī)，并將其用于3D電視，才能實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

顯著改善太陽能電池效能的新技術(shù)

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，加拿大科學(xué)家開發(fā)出一種可顯著改善太陽能電池效能的新技術(shù)，該技術(shù)在近紅外光譜區(qū)可使太陽能轉(zhuǎn)換效率提高35%，總體轉(zhuǎn)換效率(全光譜)由此增加11%，從而使量子點(diǎn)光伏成為替代現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)的極佳候選者。相關(guān)論文發(fā)表在近期《納米快報(bào)》(Nano Letters)上。

量子點(diǎn)光伏電池可提供低成本、大面積太陽能電力，但該器件在太陽光譜的紅外段效率不高，而紅外段占據(jù)了到達(dá)地球的太陽能的一半。加拿大多倫多大學(xué)工程學(xué)教授泰德·薩金特及其研究小組提出，通過頻譜調(diào)諧和溶液處理的等離子納米粒子，可對(duì)光的傳播和吸收提供前所未有的控制能力。

膠態(tài)量子點(diǎn)具有兩大優(yōu)勢(shì):首先是更廉價(jià)，因?yàn)樗鼈兘档土嗣客唠娏Ξa(chǎn)生的成本，但更主要的優(yōu)勢(shì)在于，只需簡單改變量子點(diǎn)的大小，就能改變吸收光譜。其次是由于可調(diào)諧是等離子材料的屬性，通過改變等離子粒子的大小，研究人員就能將這兩種重要納米粒子的吸收和散射光譜重疊起來。

薩金特研究小組通過將金納米殼直接嵌入量子點(diǎn)吸收膜提高了太陽能電池的效率，他們下一步將尋找利用更廉價(jià)的金屬來達(dá)成相同的目標(biāo)。美國加州大學(xué)納米系統(tǒng)研究所所長保羅·維斯認(rèn)為，該項(xiàng)研究的重要性在于展示了通過調(diào)節(jié)納米粒子特性來提高太陽能電池效率的潛力。

美妙的多結(jié)渦流環(huán)

經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的復(fù)雜數(shù)學(xué)研究后，物理學(xué)家能夠?qū)⑷魏螙|西打成結(jié)，其中包括他們自己的鞋帶和無形的水下漩渦。如今，他們可以依靠3D打印和來自動(dòng)物王國的靈感，打結(jié)更多東西。

物理學(xué)家一直相信渦流能夠打成結(jié)，即使他們從未在自然界或?qū)嶒?yàn)室里發(fā)現(xiàn)過這種情況。于是，美國芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家們下定決心要最終創(chuàng)造出一個(gè)多結(jié)的渦流環(huán)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一只翅膀—酷似巧妙纏繞的緞帶，并使用3D打印賦予其生命。

他們將自己的杰作浸入水中，并在其周圍用電流制造了許多微小氣泡，通過猛地拉動(dòng)其邊緣，使其尾跡留下了一個(gè)類似形狀的渦流。向心力將氣泡牽引到渦流的中心地帶，于是看上去似無形的結(jié)狀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，接著科學(xué)家們看到了它是如何貫穿液體進(jìn)行移動(dòng)的—這一整套想法均受海豚玩氣泡圈的網(wǎng)絡(luò)視頻(Youtube)的啟發(fā)。

利用貫穿氣泡照明渦流的激光束，并由高速相機(jī)行連續(xù)拍圖，研究人員完成了首個(gè)有關(guān)這種難以琢磨的結(jié)如何運(yùn)動(dòng)的3D動(dòng)畫，他們?cè)诮诘摹蹲匀?物理學(xué)》(Nature Physics)期刊上發(fā)表了該研究成果。在數(shù)百毫秒內(nèi)，大部分結(jié)優(yōu)雅地解開了。

雖然這是科學(xué)家首次看到自己打結(jié)的漩渦，但是他們認(rèn)為在自然界的很多地方也可能存在類似 結(jié)構(gòu)，這也包括太陽的表面。有能力定制并按指令操縱這些流動(dòng)的結(jié)將幫助人們更好地理解不同類型湍流的神秘的拓?fù)鋵W(xué)效應(yīng)。

可窺測(cè)人體細(xì)胞的超級(jí)纖細(xì)內(nèi)窺鏡

據(jù)國外媒體報(bào)道，內(nèi)窺鏡從根本上改變了醫(yī)學(xué)治療，醫(yī)生能夠使用一個(gè)微型相機(jī)附在線繩粗細(xì)的連線末端，無需做大手術(shù)便能窺探患者身體內(nèi)臟器官。目前，美國斯坦福大學(xué)研究人員研制一款新型內(nèi)窺鏡，這是迄今世界上直徑最細(xì)的內(nèi)窺鏡，甚至能夠探測(cè)到患者體內(nèi)的單個(gè)細(xì)胞。

針頭粗細(xì)的內(nèi)窺鏡可拍攝到單個(gè)癌細(xì)胞和病變器官，這將避免使用較大直徑內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體帶來的傷害，例如:大腦組織。同時(shí)，這個(gè)超級(jí)纖細(xì)內(nèi)窺鏡形成的傷疤會(huì)比腹腔鏡形成的傷疤更小。

常規(guī)內(nèi)窺鏡都是采用多重光導(dǎo)纖維制成，它們能夠照亮人體病變區(qū)域，并記錄圖像返回到觀測(cè)者。內(nèi)窺鏡中纖維數(shù)量越多，圖像的清晰度就更高，但是較多的纖維束將使內(nèi)窺鏡變得更粗。

斯坦福大學(xué)的卡恩帶領(lǐng)的一支研究小組使用一個(gè)多模光纖建造了內(nèi)窺鏡，多模光纖能夠沿著多種不同路線攜帶光線，研究小組的觀點(diǎn)是使用單個(gè)纖維照亮物體并實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，這項(xiàng)技術(shù)存在的挑戰(zhàn)是信息干擾，因?yàn)楣饩€將沿著不同路徑傳輸。

為了避免信息干擾，卡恩帶領(lǐng)研究小組建造了一種裝置—空間光線調(diào)制器，該調(diào)制器能夠以隨機(jī)路徑持續(xù)發(fā)送激光束至光纖，由于采用隨機(jī)路徑，一旦光線離開光纖，將形成散斑圖像，一些光線則反饋至光纖。

研究小組設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序能夠分析反饋至光纖的散斑圖像，并使用它們形成一個(gè)圖像。這項(xiàng)技術(shù)提高了圖像的分辨率，遠(yuǎn)超出之前的預(yù)期，它能夠觀測(cè)到單個(gè)細(xì)胞大小的物體。

卡恩在新聞發(fā)布會(huì)上指出，他已發(fā)現(xiàn)內(nèi)窺鏡在成像方面的諸多應(yīng)用，當(dāng)他們?cè)谌梭w內(nèi)進(jìn)行手術(shù)時(shí)能夠研究細(xì)胞的詳細(xì)狀況。

太陽能轉(zhuǎn)化效率路線圖

自“人造樹葉”概念提出以來，科學(xué)家一直對(duì)其寄予厚望，希望它最終能帶來一種廉價(jià)的自控制系統(tǒng)，為發(fā)展中國家的數(shù)十億人口提供電力。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，美國麻省理工學(xué)院(MIT)的一個(gè)研究小組對(duì)“人造樹葉”系統(tǒng)的效率限制因素進(jìn)行了詳細(xì)分析和再設(shè)計(jì)，使其更接近現(xiàn)實(shí)，并有望實(shí)現(xiàn)一種實(shí)用、廉價(jià)的商業(yè)化樣機(jī)。相關(guān)論文發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

“人造樹葉”系統(tǒng)結(jié)合了兩種技術(shù):一是標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池，將太陽能轉(zhuǎn)化為電力;二是連接電池兩邊的化學(xué)催化劑。二者結(jié)合就成為利用光電流把水分解為氫氣和氧氣的電化學(xué)設(shè)備，產(chǎn)生的氫氣可通過燃料電池或其他設(shè)備再用于發(fā)電。在這一系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)和電化學(xué)系統(tǒng)的性能都是確定的，因此，二者結(jié)合起來的效率也是可以預(yù)測(cè)的。

在論文中，研究人員描述了他們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)框架，指導(dǎo)人們?cè)鯓影烟柲茈姵氐妮敵龉β屎碗娀瘜W(xué)反應(yīng)系統(tǒng)更有效地結(jié)合，提出了更經(jīng)濟(jì)地利用現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)(如硅或碲化鎘)的方案，并確定了一些效率限值。“這是一份相當(dāng)全面的分析，調(diào)查了目前市場(chǎng)上已有技術(shù)所能做到的最好情況?！盡IT博士后馬克·溫克勒說。

研究小組曾于2011年首次展示他們的“人造樹葉”，但當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)化效率不到4.7%。新研究是對(duì)當(dāng)初“概念性論證”的繼續(xù)。MIT機(jī)械工程副教授托尼奧·博納西斯表示，根據(jù)最新分析，使用晶體硅等單一帶隙半導(dǎo)體，結(jié)合鈷、鎳基氧化催化劑，最大轉(zhuǎn)化效率可能達(dá)到16%或更高。

“我們也很吃驚?！睖乜死照f，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，硅太陽能電池的特點(diǎn)嚴(yán)重限制了它們分解水的效率，但事實(shí)并非如此。提高"太陽能－燃料"轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵是把合適的電池與合適的催化劑結(jié)合，這就需要一份路線圖，指導(dǎo)人們?cè)趺磁鋵?duì)才能達(dá)到最優(yōu)。博納西斯表示，用他們?cè)O(shè)計(jì)的框架進(jìn)行模擬，以傳統(tǒng)硅電池為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，最大效率限值約為16%;而對(duì)砷化鎵電池系統(tǒng)來說，效率限值可達(dá)到18%。

論文作者之一、前MIT研究生卡珊德拉·科克斯說:“該論文的重要意義在于描述了現(xiàn)有的所有這類技術(shù)以及我們把這些技術(shù)結(jié)合起來的效果。它還指出了所有要面對(duì)的挑戰(zhàn)，研究人員可以通過實(shí)驗(yàn)單獨(dú)分析這些不利因素。”

比如標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池產(chǎn)生的電壓約為0.7 V，而水分解反應(yīng)需要1.2 V以上的電壓。解決方案之一是把多個(gè)電池串聯(lián)起來。雖然電池接口會(huì)損失能量，但也不失為一個(gè)有前景的研究方向。另一個(gè)不利因素是水本身，電子必須穿過整個(gè)電路，這會(huì)產(chǎn)生電阻，一種提高效率的方法是降低溶液電阻，這可以通過“一些技巧”來實(shí)現(xiàn)，例如用內(nèi)插板來減小反應(yīng)兩邊的距離。

量子真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器研究的進(jìn)展

近期，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院郭弘課題組已在真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器研究領(lǐng)域取得了一系列研究成果。例如，通過對(duì)離散型和連續(xù)型量子隨機(jī)源的持續(xù)研究，在隨機(jī)源的建模分析、信號(hào)采集手段、數(shù)據(jù)后處理方法和隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)檢測(cè)等方面均形成了理論和技術(shù)的積累。經(jīng)過不斷探索新型超大帶寬量子光源，課題組發(fā)現(xiàn)超亮發(fā)光二極管在噪聲的量子不確定性和探測(cè)技術(shù)易實(shí)現(xiàn)性方面都有良好的性能;結(jié)合快速采樣技術(shù)和新型數(shù)據(jù)后處理方法，實(shí)現(xiàn)了速率達(dá)到1 012 bit/s的超高速真隨機(jī)數(shù)序列的產(chǎn)生。研究成果通過了國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)包和自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)包，在國際真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器領(lǐng)域創(chuàng)造了一個(gè)紀(jì)錄。

量子真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是利用量子現(xiàn)象本質(zhì)的不確定性，通過對(duì)物理源的信號(hào)采集和數(shù)字化技術(shù)來輸出高速超長的隨機(jī)數(shù)序列。與通過算法復(fù)雜度在計(jì)算機(jī)上生成的偽隨機(jī)數(shù)不同，真隨機(jī)數(shù)即使在擁有無限計(jì)算資源和量子計(jì)算機(jī)的情況下，也不會(huì)被成功預(yù)測(cè)，其優(yōu)良的不確定性和不可預(yù)測(cè)性在眾多領(lǐng)域中有強(qiáng)烈的應(yīng)用需求。

最近，郭弘課題組致力于量子真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)研制中細(xì)節(jié)問題的研究，在數(shù)據(jù)后處理方法的評(píng)估，將量子貝爾不等式與隨機(jī)性相結(jié)合，以及用物理方法進(jìn)行隨機(jī)性檢驗(yàn)等方面做出了初步成果。

納米紙有機(jī)晶體管問世

近日，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃佳教授、美國馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程系Hu Liangbing教授等共同完成的研究論文《全透明可彎曲納米紙晶體管》發(fā)表在納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威期刊《ACS Nano》上。

“透明化、可彎曲是電子產(chǎn)品未來發(fā)展的兩個(gè)重要方向。這一成果最大的創(chuàng)新點(diǎn)是將全透明、可彎曲、可降解這幾大功能和特性同時(shí)整合在一個(gè)器件上。”黃佳介紹說，如果將電子產(chǎn)品做在塑料上，雖然可彎曲也透明，但無法降解，最終會(huì)產(chǎn)生大量電子垃圾;而要將電子產(chǎn)品做在紙張上，則面臨不少困難，對(duì)相關(guān)技術(shù)和制備工藝提出了挑戰(zhàn)。

黃佳介紹說，研究團(tuán)隊(duì)將普通造紙所用的木漿纖維特殊處理，使其尺度達(dá)到納米量級(jí)。如此制作出來的“納米紙”可有效減少對(duì)光的吸收和散射，不僅變得透明，而且其表面如塑料一般光滑，這為接下來在它上面制備性能優(yōu)良的晶體管奠定了重要基礎(chǔ)。以這一新型“納米紙”為襯底材料，研究團(tuán)隊(duì)在它上面逐層制備出由碳納米管、絕緣層、有機(jī)半導(dǎo)體組成的透明度高達(dá)84%、可彎曲的晶體管。實(shí)際的性能測(cè)試表明，即便將整個(gè)器件以3.5 mm的半徑彎曲起來，它上面的透明晶體管仍能保持優(yōu)良的工作性能。

“‘可溶性’是有機(jī)半導(dǎo)體材料的一大優(yōu)點(diǎn)，這不僅使得通過全打印方式來制備器件成為可能，也會(huì)大大降低電子產(chǎn)品的成本?！秉S佳表示，“或許在不久的將來，人們就能利用可再生資源印刷出透明可彎曲的電子設(shè)備，類似于電影《哈利波特》中‘魔法報(bào)紙’的紙質(zhì)電子產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)。從理論上說，這將是邁向環(huán)保紙質(zhì)電子產(chǎn)品的第一步?！?/p>

在磁性環(huán)境中產(chǎn)生孤子

美國北卡州立大學(xué)近日表示，科學(xué)家成功地在磁性環(huán)境產(chǎn)生了孤子(soliton)。35年前，科學(xué)家便建立了有關(guān)孤子的理論，并認(rèn)為它在打造磁性環(huán)境下基于自旋的計(jì)算機(jī)方面具有重要意義。

孤子也稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，在小范圍的空間內(nèi)能保持自己的大小和動(dòng)量?？茖W(xué)家已證明:由光構(gòu)成的孤子(光孤子)能用于長距離高速信息傳遞。然而，雖然科學(xué)家相信存在孤子，但是在磁環(huán)境中，他們從來沒有觀察到孤子。

北卡州立大學(xué)數(shù)學(xué)家馬克·霍耶費(fèi)爾通過建立數(shù)學(xué)模型向人們展示了孤子的表觀特征。隨后，當(dāng)瑞典物理學(xué)家約翰·阿科曼和研究生馬基德·莫森尼發(fā)現(xiàn)自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與霍耶菲爾的數(shù)學(xué)模型相符時(shí)，他們決定要確認(rèn)磁性孤子的存在。

所有的電子以自旋的形式擁有角動(dòng)量，如同旋轉(zhuǎn)的陀螺。角動(dòng)量使電子自旋軸指向特定的方向。在磁場(chǎng)內(nèi)，每個(gè)電子像陀螺那樣自旋且它們的自旋幾乎相同。研究中，阿科曼等人使用納米導(dǎo)線將微弱的直流電流導(dǎo)向磁鐵，為磁場(chǎng)中的電子群引入了能量，改變了電子的自旋，形成了旋進(jìn)，或者說是像陀螺出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸不再與地面垂直的狀態(tài)，結(jié)果產(chǎn)生了微小的旋轉(zhuǎn)磁微滴，也就是形成了孤子。

通過測(cè)量電子旋進(jìn)的頻率，科學(xué)家能夠探測(cè)到孤子的存在。在探測(cè)的過程中，他們觀察到了孤子獨(dú)一無二的“簽名”—能量輸出大跳躍的頻率顯著下跌，驗(yàn)證了他們的實(shí)驗(yàn)取得了成功?；粢茽柋硎?，這些孤子被稱為"耗散"，因?yàn)榇艌?chǎng)需要消散電子旋進(jìn)的能量。磁場(chǎng)通過平衡直流電源引入到磁性系統(tǒng)的能量和輸出到系統(tǒng)外的能量來保持自己的穩(wěn)定。

除了展示孤子存在外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了孤子某些有趣的特性，包括振蕩運(yùn)動(dòng)以及周期性變形。相關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志上。

紫外光響應(yīng)雜化太陽能電池

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，太陽能電池是高效開發(fā)利用太陽能的關(guān)鍵。目前所開發(fā)的太陽能電池主要利用可見光，而光子能量高的紫外光很少得到利用。由于紫外光響應(yīng)的太陽能電池目前還未見報(bào)道，開發(fā)紫外光響應(yīng)的太陽能電池對(duì)光伏電池和光電器件的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都具有重要意義。

最近，華僑大學(xué)環(huán)境友好功能材料教育部工程研究中心吳季懷課題組研制出一種基于二氧化鈦/聚 3-己基噻吩(TiO2/P3HT)異質(zhì)結(jié)的雜化太陽能電池，這種無機(jī)-有機(jī)雜化太陽能電池構(gòu)造簡單，制作容易，在紫外光輻照(標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng))下其光電轉(zhuǎn)化效率為1.28%，紫外光響應(yīng)的雜化太陽能電池的成功研制將拓展太陽輻射的應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要意義。該研究成果近日已經(jīng)發(fā)表在《Nature》子刊《Scientific Reports》雜志上。

吳季懷課題組多年來積極開展新型薄膜太陽能電池研究，2012年又取得新進(jìn)展，全鈦基背投式柔性太陽能電池和基于摻雜稀土光電材料的太陽能電池等研究成果已先后發(fā)表在《Advanced Materials》、《Advanced Energy Materials》、《ChemSusChem》、《Journal of Materials Chemistry》等雜志上。

世界最佳單光子源

近期，英國《自然》子刊《自然-納米技術(shù)》發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等人關(guān)于量子點(diǎn)脈沖共振熒光確定性高品質(zhì)單光子源的研究工作，這是我國量子點(diǎn)光學(xué)量子調(diào)控領(lǐng)域發(fā)表在《自然》系列期刊上的首篇論文。

量子點(diǎn)是一種通過分子束外延方法制備的納米晶體，又被稱為“人造原子”，可以為量子保密通信和光學(xué)量子計(jì)算提供理想的單光子源。此前，美國加州大學(xué)、斯坦福大學(xué)和英國劍橋大學(xué)等研究組實(shí)現(xiàn)了基于非共振激發(fā)量子點(diǎn)產(chǎn)生的單光子源。然而，由于單光子發(fā)射時(shí)間抖動(dòng)、激子退相干等因素，不可避免地引起光子品質(zhì)下降，光子全同性只能達(dá)到70%左右，無法進(jìn)一步應(yīng)用于可擴(kuò)展量子信息處理。

要發(fā)展能夠真正實(shí)用化的光量子信息技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)現(xiàn)確定性的高品質(zhì)單光子源。為此，微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室的潘建偉、陸朝陽等人在國際上首次發(fā)明了量子點(diǎn)脈沖共振光學(xué)激發(fā)、多重濾波技術(shù)，顯著消除了消相干效應(yīng)，解決了單光子源的確定性和高品質(zhì)兩個(gè)基本問題。

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的單光子源信噪比超過300∶1，二階關(guān)聯(lián)函數(shù) ＜1.5%，光子全同性優(yōu)于97%，這些技術(shù)指標(biāo)使得中國在這一領(lǐng)域的研究躋身世界前列，為可擴(kuò)展光學(xué)量子計(jì)算和基于自旋的固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

表面等離子體激元學(xué):可重構(gòu)型耦合

最近研究人員證實(shí)了一種可重構(gòu)的單向耦合方案。這種方案可用于激發(fā)金屬表面的電子集體振蕩，形成所謂的“表面等離子體激元”。英國伯明翰大學(xué)Zhang Shuang教授研究組人員在一層金屬膜上實(shí)現(xiàn)了自由空間光子與這些表面狀態(tài)之間的高效可控耦合。這是納米級(jí)光電子回路未來發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)，其途徑是在玻璃襯底上施用一層納米結(jié)構(gòu)的薄金屬膜。這種納米結(jié)構(gòu)金屬薄膜的特點(diǎn)是有一個(gè)按照精心設(shè)計(jì)的方向和模式排列的矩形納米小孔陣列。這個(gè)“等離子體元表面”使光子與表面等離子體激元耦合，但同時(shí)也嚴(yán)重依賴于入射光的圓偏振狀態(tài)。因此，當(dāng)圓偏振光沖擊該表面時(shí)，光的旋向性將對(duì)所形成的表面等離子體激元的傳播方向起著決定性的影響。