史上最短電子脈沖問世

德國科學(xué)家捕捉到一個破紀(jì)錄的最短電子脈沖——僅有53 as（1 as 為10～18 s）。其速度之快足以讓更精確的電子顯微鏡在原子水平上捕捉清晰、靜止的圖像，而不是模糊的圖像。它還可以加快計算機(jī)芯片的數(shù)據(jù)傳輸速度。相關(guān)論文2023 年1 月25日發(fā)表于《自然》。

電子脈沖被用來表示計算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)或在電子顯微鏡中捕捉圖像。脈沖越短，信息傳輸速率就越高。羅斯托克大學(xué)的Eleftherios Goulielmakis 等研究人員一直致力于盡可能縮短這種脈沖的長度。

普通電路內(nèi)電場產(chǎn)生的電子脈沖受到電子在物質(zhì)內(nèi)振蕩頻率的限制。Goulielmakis說，一個脈沖至少需要持續(xù)半個周期的振蕩，正是這個周期為電子創(chuàng)造了“推動力”。而光的振蕩頻率要高得多，所以Goulielmakis 團(tuán)隊一直在使用短時間的光爆發(fā)來觸發(fā)電子脈沖。2016年，該團(tuán)隊創(chuàng)造了一道持續(xù)時間僅為380 as 的可見光?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊使用同樣的技術(shù)將激光聚焦，并將電子從鎢針的尖端打到真空中。

他們探測到的53 as 電子脈沖甚至比引發(fā)它的光脈沖還要短。Goulielmakis 說，按照玻爾的氫原子模型，它持續(xù)的時間是氫原子中一個電子繞原子核公轉(zhuǎn)所需時間的1/5。

如此短的電子脈沖可以使電子顯微鏡聚焦在更短的時間片段上，類似于降低相機(jī)的快門速度，從而更清晰地揭示粒子的運(yùn)動。

“有時（在電子顯微鏡圖像中）你會看到原子有點(diǎn)模糊。這不一定是因為它們的分辨率不高，而是因為電子在某個特定點(diǎn)上沒有靜止，在原子周圍形成一團(tuán)云。而阿秒電子脈沖將有助于增強(qiáng)分辨率，以捕獲運(yùn)動中的電子?！?/p>

Goulielmakis 說：“如果使用阿秒電子脈沖創(chuàng)建電子顯微鏡，那么我們不僅有足夠的分辨率觀察運(yùn)動中的原子，甚至還可以看到電子如何在這些原子之間跳躍。這將是一件令人興奮的事?！?/p>

（來源：中國科學(xué)報）

首臺芯片級摻鈦藍(lán)寶石激光器研制成功

美國耶魯大學(xué)一組研究人員開發(fā)出首臺芯片級摻鈦藍(lán)寶石激光器，這項突破的應(yīng)用范圍涵蓋從原子鐘到量子計算和光譜傳感器。該研究結(jié)果在2023年1月26日《自然·光子學(xué)》雜志上公開發(fā)布。

摻鈦藍(lán)寶石激光器在20 世紀(jì)80 年代問世，可謂激光領(lǐng)域的一大進(jìn)步。它成功的關(guān)鍵是用作放大激光能量的材料。摻鈦藍(lán)寶石被證明十分強(qiáng)大，因為它提供了比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器更寬的激光發(fā)射帶寬。這一創(chuàng)新引領(lǐng)了物理學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)和無數(shù)應(yīng)用。

臺式摻鈦藍(lán)寶石激光器是許多學(xué)術(shù)和工業(yè)實驗室的必備設(shè)備。然而，這種激光器的大帶寬是以相對較高的閾值為代價的，也就是它所需的功率較高。因此，這些激光器價格昂貴，占用大量空間，在很大程度上限制了它們在實驗室研究中的使用。研究人員表示，如果不克服這一限制，摻鈦藍(lán)寶石激光器仍將僅限于小眾客戶。

將摻鈦藍(lán)寶石激光器的性能與芯片的小尺寸相結(jié)合，可驅(qū)動受功耗或空間大小限制的應(yīng)用，如原子鐘、便攜式傳感器、可見光通信設(shè)備，甚至量子計算芯片。

耶魯大學(xué)展示了世界上第一臺集成了芯片級光子電路的摻鈦藍(lán)寶石激光器，它提供了芯片上迄今看到的最寬增益譜，為許多新的應(yīng)用鋪平了道路。

新研究的關(guān)鍵在于激光器的低閾值。傳統(tǒng)摻鈦藍(lán)寶石激光器的閾值超過100 mW，而新系統(tǒng)的閾值約為6.5 mW，通過進(jìn)一步調(diào)整，研究人員相信可將閾值降低到1 mW。此外，新系統(tǒng)還與廣泛用于藍(lán)色LED和激光的氮化鎵光電子器件兼容。

（來源：科技日報）

經(jīng)典系統(tǒng)內(nèi)首次觀察到“準(zhǔn)粒子”有助揭示耗散系統(tǒng)的多體物理學(xué)

韓國研究人員在2023 年1 月刊發(fā)的《自然·物理學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，他們首次在經(jīng)典系統(tǒng)內(nèi)觀察到此前被認(rèn)為僅出現(xiàn)于量子系統(tǒng)內(nèi)的“準(zhǔn)粒子”，最新研究有助于科學(xué)家們進(jìn)一步揭示經(jīng)典耗散系統(tǒng)的多體物理學(xué)。

準(zhǔn)粒子不同于通常所說的基本粒子，而是類似于基本粒子的物理實體，從大量基本粒子的相互作用中產(chǎn)生，是一種“長壽”的集體激發(fā)態(tài)。準(zhǔn)粒子的概念由蘇聯(lián)物理學(xué)家列夫·朗道于1941 年提出，比如超導(dǎo)中的玻戈留玻夫準(zhǔn)粒子、半導(dǎo)體中的激子以及聲子等。

研究人員指出，從準(zhǔn)粒子的角度研究一些集體現(xiàn)象，可深入了解各種物理環(huán)境，尤其是超導(dǎo)和超流體，比如科學(xué)家此前在石墨烯內(nèi)發(fā)現(xiàn)的狄拉克準(zhǔn)粒子。但迄今為止，準(zhǔn)粒子的觀測和應(yīng)用僅限于量子物理學(xué)，因為在經(jīng)典凝聚態(tài)物質(zhì)中，粒子之間的碰撞太高，使長時間的類粒子激發(fā)幾乎無法獲得。

但在最新研究中，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所軟物質(zhì)和活物質(zhì)中心的科學(xué)家挑戰(zhàn)了準(zhǔn)粒子只屬于量子物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)。他們研究了一個由微小顆粒組成的經(jīng)典系統(tǒng)，該系統(tǒng)由薄微流體通道中的黏性流驅(qū)動。當(dāng)粒子被黏性流拖曳時，它們會擾動周圍的流線，從而相互施加流體動力。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這些作用范圍比較長的力使粒子“成雙成對”。而大量成對耦合的粒子暗示，這些是系統(tǒng)內(nèi)的準(zhǔn)粒子。當(dāng)研究人員模擬了一個由數(shù)千個粒子組成的大型二維晶體并檢查其運(yùn)動時，證明了上述假設(shè)是正確的。

研究人員解釋道，這項工作首次證明，基本量子物質(zhì)概念特別是準(zhǔn)粒子，可幫助理解經(jīng)典耗散系統(tǒng)的多體物理學(xué)。而且，這些發(fā)現(xiàn)表明，迄今為止僅在量子系統(tǒng)內(nèi)測量到的其他集體現(xiàn)象可能會在各種經(jīng)典耗散環(huán)境中被揭示。

（來源：科技日報）

強(qiáng)力激光首次制造“虛擬避雷針”

英國《自然·光子學(xué)》雜志于2023年1月17日發(fā)表的一篇論文表明，朝向天空的強(qiáng)力激光能制造出一種“虛擬避雷針”，可轉(zhuǎn)移電擊路徑。這些發(fā)現(xiàn)可能為發(fā)電站、機(jī)場、發(fā)射臺等帶來更好的避雷方法。

最常見的避雷設(shè)施是富蘭克林避雷針，這是一種電傳導(dǎo)金屬桿，能攔截雷電放電并將之安全導(dǎo)入地面。作為“虛擬避雷針”，射向天空的激光光柱可能是一個替代方法。使用強(qiáng)激光脈沖引導(dǎo)雷擊的想法之前在實驗室環(huán)境下得到過研究，然而此前尚無在野外實驗性展示激光引導(dǎo)雷擊的成果。

2021年夏季，法國國立高等先進(jìn)科技學(xué)校在瑞士東北的森蒂斯山進(jìn)行實驗，探索激光是否能引導(dǎo)雷擊。一臺大型汽車大小的激光器被安裝在一個每年被雷擊約100 次的電信塔附近，每秒發(fā)射多達(dá)千次脈沖。

在雷暴活動期間，激光器運(yùn)作超過6 h，研究團(tuán)隊觀察到激光轉(zhuǎn)移了4 次上行閃電放電過程。使用雷電產(chǎn)生的高頻電磁波來定位雷擊位置證實了他們的觀察，增加雷擊時的X 射線暴檢測也證實了轉(zhuǎn)移引導(dǎo)成功。其中一次雷擊被高速攝影機(jī)直接記錄下來，表明它沿激光路徑行進(jìn)了超過50 m。

這一發(fā)現(xiàn)拓展了大氣中激光物理學(xué)的認(rèn)識，或有助于開發(fā)新的避雷策略。

（來源：科技日報）

我國科學(xué)家首次實現(xiàn)大腦神經(jīng)化學(xué)信號與電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模擬

類腦研究一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，但大部分研究設(shè)備只能“捕捉”到大腦發(fā)出的電信號，卻無法獲得化學(xué)信號。來自中科院化學(xué)所、中國科學(xué)院大學(xué)、湘潭大學(xué)及北京師范大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種聚電解質(zhì)限域的流體憶阻器，并利用單個器件首次實現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信號與電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬。

這一研究有望推動人類對大腦“化學(xué)語言”的讀取和交互，為發(fā)展神經(jīng)智能傳感、類腦智能器件和神經(jīng)感覺假肢等提供新的思路。論文發(fā)表在2023年1月13日出版的國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

大腦的神經(jīng)功能與化學(xué)信號和電信號密切相關(guān)。在類腦研究中，大量模擬腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與機(jī)制的器件和模型相繼問世。不過，目前的仿突觸器件只能實現(xiàn)對電信號的識別，很難直接感知化學(xué)信號，制備對于化學(xué)信號具有響應(yīng)的人工突觸（即實現(xiàn)類化學(xué)突觸的功能）成了神經(jīng)智能傳感與模擬等領(lǐng)域的科學(xué)難題。

科學(xué)家們?yōu)榱私鉀Q這個難題，做出了很多努力。但仍然面臨兩個關(guān)鍵問題：一是幾乎所有的神經(jīng)形態(tài)器件都是固體器件，很難實現(xiàn)與外界信號的化學(xué)交互；二是類化學(xué)突觸的化學(xué)信號與電信號間轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬尚未實現(xiàn)。

在這項研究中，研究者充分利用其在腦神經(jīng)電分析化學(xué)和限域離子傳輸研究領(lǐng)域的長期積累，提出基于限域流體器件發(fā)展仿神經(jīng)突觸功能的構(gòu)思。在構(gòu)建聚電解質(zhì)限域流體體系的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)此體系具有憶阻器的特征；利用溶液中對離子在聚電解質(zhì)刷限域空間內(nèi)傳輸可以使得器件具有記憶效應(yīng)的特性，成功模擬了多種神經(jīng)電脈沖行為。相比于傳統(tǒng)固體器件，所發(fā)展的流體器件具有可與生物體系相比擬的工作電壓和低功耗。

更重要的是，基于流體體系的特征，此器件可以在生理溶液中模擬神經(jīng)遞質(zhì)對記憶功能的調(diào)控，成功模擬了突觸可塑性的化學(xué)調(diào)控行為。進(jìn)一步，他們利用聚電解質(zhì)對不同對離子的識別能力，實現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信號與電信號之間轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬，在化學(xué)突觸的模擬研究領(lǐng)域中邁出了關(guān)鍵的一步。

（來源：光明日報）

我國首次高速飛車全尺寸超導(dǎo)航行試驗成功

2023年1月14日，中國航天科工三院在山西省大同市陽高縣高速飛車試驗基地，完成了超高速低真空管道磁浮交通系統(tǒng)（簡稱高速飛車）全尺寸試驗線（一期）首次超導(dǎo)航行試驗，取得成功。

該次試驗采用超導(dǎo)航行器，在完成超導(dǎo)磁體制冷、勵磁之后，按照試驗程序先后完成了3 次航行試驗，在210 m 線路上航行速度超過50 km/h，各系統(tǒng)工作正常，實測航跡與理論曲線一致性好，完成了試驗大綱規(guī)定的試驗內(nèi)容，試驗取得成功。

該次試驗是國內(nèi)首次全尺寸超導(dǎo)航行試驗，驗證了高動態(tài)超導(dǎo)磁體、大功率多重變流器、耐高壓集成模組、高激振懸浮構(gòu)架、高精度定位測速、密閉空間管道無線通信、全過程安全控制、高精度軌道智能巡檢等關(guān)鍵技術(shù)，初步驗證了高速飛車系統(tǒng)總體方案的正確性和工作的協(xié)調(diào)匹配性。

超高速低真空管道磁浮交通系統(tǒng)全尺寸試驗線（一期）項目，是中國航天科工集團(tuán)有限公司與山西省人民政府“央地合作”示范項目，由雙方主要領(lǐng)導(dǎo)親自掛帥擔(dān)任項目推進(jìn)工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長。項目于2021年9月獲批立項，2022年4月正式開工建設(shè)。

為加快項目建設(shè)進(jìn)度，項目團(tuán)體創(chuàng)造性地采取“邊建設(shè)、邊集成、邊試驗”模式，在不到一年的時間里，完成了試驗基地和首期試驗線基礎(chǔ)建設(shè)，完成了首段設(shè)備集成調(diào)試，并成功完成了永磁、超導(dǎo)航行試驗。

（來源：中國航天報）

我國科學(xué)家破解電化學(xué)晶體管大規(guī)模可靠制備難題

2023年1月19日，電子科技大學(xué)測試技術(shù)與儀器研究所程玉華課題組在《自然》發(fā)表有機(jī)電化學(xué)晶體管及其互補(bǔ)電路方面的最新研究成果。該研究針對測試數(shù)據(jù)的源頭基礎(chǔ)器件，首次提出了一種基于紫外光固化溝道的新型垂直結(jié)構(gòu)，破解了電化學(xué)晶體管大規(guī)?？煽恐苽涞氖澜缧噪y題，是新型傳感和精密測試領(lǐng)域的重大突破。

有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）及其電路得益于其超低的驅(qū)動電壓、低功耗、高跨導(dǎo)及生物相容性等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于下一代智能傳感、生物電子、可穿戴電子和人工神經(jīng)態(tài)電子領(lǐng)域。然而，當(dāng)前基于常規(guī)平面結(jié)構(gòu)的OECT 尚存在一系列問題，包括較差的器件穩(wěn)定性、較慢的電化學(xué)反應(yīng)及開關(guān)速度、較低的集成密度和極差的N 型器件性能，極大限制了其進(jìn)一步發(fā)展與集成應(yīng)用。

面對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊利用納米限域下離子偏移增強(qiáng)的新機(jī)制，采用一種獨(dú)創(chuàng)的垂直結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了可大規(guī)模制備的具有高度匹配P/N 型性能的OECT。這種垂直型OECT（vOECT）在低于0.7 V 的驅(qū)動電壓下具有高于1 kA/cm2的電流密度、高達(dá)0.4 S 的跨導(dǎo)、快于1 ms 的開關(guān)速率及超過5 萬次的穩(wěn)定循環(huán)，在器件性能指標(biāo)上全面超越了現(xiàn)有OECT?；诖耍蛇M(jìn)一步構(gòu)建三維垂直堆疊的互補(bǔ)電路，在更小的單位尺寸上進(jìn)一步提升電路集成密度；其具有在0.7 V驅(qū)動電壓下近150的電壓增益，遠(yuǎn)高于當(dāng)前報道的各類基于OECT的反相器。該vOECT還可以集成到振蕩器、各類邏輯門等更加復(fù)雜的電路中。

該研究分別在P 型及N 型OECT 中實現(xiàn)了跨導(dǎo)10 多倍和近1 000 倍的指標(biāo)提升，且將N 型OECT中最高千次的循環(huán)穩(wěn)定性提升到了5 萬次以上，并實現(xiàn)了P/N 型OECT 在跨導(dǎo)、穩(wěn)定性、開關(guān)速率、集成密度、制備成本及工藝可靠性方面的全面超越。

（來源：中國科學(xué)報）

我國科學(xué)家構(gòu)建出新型人工碳晶體

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱彥武教授研究團(tuán)隊通過對富勒烯C60 分子晶體進(jìn)行電荷注入，在常壓條件下構(gòu)建了C60 聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體，并實現(xiàn)了其克量級制備。該研究成果2023年1月12日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

近年來，富勒烯、納米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，得到了廣泛關(guān)注，并引發(fā)研究熱潮?！叭绻梢栽谝粋€晶體結(jié)構(gòu)中引入納米單元，例如用富勒烯、石墨烯等作為基本結(jié)構(gòu)單元代替普通晶體中的原子，像搭積木一樣‘搭建’出新型碳材料，可能會發(fā)掘更多新奇性質(zhì)，發(fā)揮更大應(yīng)用潛力。”朱彥武說。

此前，對于制備這類新型碳材料，研究人員要么是利用高溫高壓等極限條件，要么是采用紫外光、電子束輻照等微觀處理技術(shù)，但其產(chǎn)率較低、產(chǎn)物不純，阻礙了人們對該類材料的性質(zhì)與應(yīng)用進(jìn)行更深入探索。在此次研究中，朱彥武團(tuán)隊創(chuàng)造性地使用氮化鋰對富勒烯C60 分子晶體進(jìn)行電荷注入，并在溫和溫度下進(jìn)行熱處理，最終得到大量的C60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體。

值得注意的是，研究團(tuán)隊通過基于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢函數(shù)的結(jié)構(gòu)搜索結(jié)果進(jìn)一步表明，長程有序多孔碳基晶體代表了一大類從富勒烯分子晶體到石墨類碳晶體轉(zhuǎn)變過程中的亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)?！斑@里的長程有序多孔碳晶體，微觀上具有多孔特征但完整保留了晶體的宏觀周期性，是一類新的人工碳晶體，未來可能在能量存儲、離子篩分、負(fù)載催化等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。電荷注入技術(shù)也為構(gòu)建這類碳基晶體材料提供了一種搭積木式的制備技術(shù)，有望成為在原子級精度上調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)的新手段。”朱彥武介紹。

《自然》審稿人稱：“論文結(jié)論令人信服，對晶體學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。”

（來源：光明日報）

我國科學(xué)家制成高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達(dá)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實驗室教授吳東、褚家如課題組，基于數(shù)字微鏡陣列（DMD）系統(tǒng)，利用激光光場調(diào)制技術(shù)，加工出一種新穎的高性能自驅(qū)動水凝膠微馬達(dá)，并探究其在動能傳輸、微型發(fā)電機(jī)等方面的應(yīng)用前景，為微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計與制造開拓了新的方向。該研究成果2023年1月3日在《自然·通訊》上公開發(fā)布。

自驅(qū)動現(xiàn)象在自然界中無處不在，范圍從納米尺度（驅(qū)動蛋白）到厘米尺度（節(jié)肢動物）。例如，當(dāng)一種名叫突眼隱翅蟲的甲蟲被風(fēng)吹落到水面上時，它會在其尾部分泌表面活性劑，將自己快速推回岸邊。這種自驅(qū)動現(xiàn)象是由表面張力梯度引起的，被稱為馬蘭戈尼效應(yīng)。

受此啟發(fā)，研究人員基于DMD 的激光光場調(diào)制技術(shù)，利用水凝膠和表面活性劑，設(shè)計并加工出具有非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)和三次樣條曲線外形的自驅(qū)動微馬達(dá)。該自驅(qū)動微馬達(dá)也能如同突眼隱翅蟲一般，在自身周圍緩慢分泌表面活性劑，調(diào)節(jié)周圍表面張力分布，從而驅(qū)動自身高速轉(zhuǎn)動。

得益于非對稱孔隙微結(jié)構(gòu)控制表面活性劑的釋放速率從而增強(qiáng)表面張力梯度，以及三次樣條曲線外形設(shè)計用于減阻，該研究中的自驅(qū)動微馬達(dá)相比于現(xiàn)有報道中類似體系的工作在性能上得到極大的提升。以轉(zhuǎn)動輸出和燃料效率這兩個歸一化參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，該自驅(qū)動微馬達(dá)在轉(zhuǎn)動輸出上提高了15倍，在燃料效率上提高了34%。

此外，研究人員進(jìn)一步探索了自驅(qū)動微馬達(dá)的應(yīng)用前景。自驅(qū)動微馬達(dá)可以通過齒輪嚙合，向外輸出不同的轉(zhuǎn)速和扭矩，從而實現(xiàn)動能傳輸?shù)男Ч?。進(jìn)一步地，研究人員將自驅(qū)動微馬達(dá)應(yīng)用于微型發(fā)電機(jī)中，通過自驅(qū)動微馬達(dá)帶動磁鐵在線圈中運(yùn)動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在通過二極管整流和電容儲能升壓之后，產(chǎn)生的電能可以點(diǎn)亮LED。

為了更好地控制自驅(qū)動微馬達(dá)的運(yùn)動行為，研究人員在微馬達(dá)中摻雜納米鐵粉。通過不同的磁場，實現(xiàn)了對微馬達(dá)自驅(qū)動行為的精準(zhǔn)控制。例如，通過條形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達(dá)的啟停控制；通過圓柱形磁鐵可以實現(xiàn)微馬達(dá)的自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)切換控制。此外，這種磁控行為還可以作用于多個微馬達(dá)，實現(xiàn)多個微馬達(dá)沿著同一/不同半徑的軌道進(jìn)行公轉(zhuǎn)。

（來源：中國科學(xué)報）