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史上最短電子脈沖問世

德國科學家捕捉到一個破紀錄的最短電子脈沖——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芯片的數據傳輸速度。相關論文2023 年1 月25日發表于《自然》。

電子脈沖被用來表示計算機內部數據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。

普通電路內電場產生的電子脈沖受到電子在物質內振蕩頻率的限制。Goulielmakis說，一個脈沖至少需要持續半個周期的振蕩，正是這個周期為電子創造了“推動力”。而光的振蕩頻率要高得多，所以Goulielmakis 團隊一直在使用短時間的光爆發來觸發電子脈沖。2016年，該團隊創造了一道持續時間僅為380 as 的可見光?，F在，該團隊使用同樣的技術將激光聚焦，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它的光脈沖還要短。Goulielmakis 說，按照玻爾的氫原子模型，它持續的時間是氫原子中一個電子繞原子核公轉所需時間的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，類似于降低相機的快門速度，從而更清晰地揭示粒子的運動。

“有時（在電子顯微鏡圖像中）你會看到原子有點模糊。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上沒有靜止，在原子周圍形成一團云。而阿秒電子脈沖將有助于增強分辨率，以捕獲運動中的電子?！?/p>

Goulielmakis 說：“如果使用阿秒電子脈沖創建電子顯微鏡，那么我們不僅有足夠的分辨率觀察運動中的原子，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：中國科學報）

首臺芯片級摻鈦藍寶石激光器研制成功

美國耶魯大學一組研究人員開發出首臺芯片級摻鈦藍寶石激光器，這項突破的應用范圍涵蓋從原子鐘到量子計算和光譜傳感器。該研究結果在2023年1月26日《自然·光子學》雜志上公開發布。

摻鈦藍寶石激光器在20 世紀80 年代問世，可謂激光領域的一大進步。它成功的關鍵是用作放大激光能量的材料。摻鈦藍寶石被證明十分強大，因為它提供了比傳統半導體激光器更寬的激光發射帶寬。這一創新引領了物理學、生物學和化學領域的基礎性發現和無數應用。

臺式摻鈦藍寶石激光器是許多學術和工業實驗室的必備設備。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，摻鈦藍寶石激光器仍將僅限于小眾客戶。

將摻鈦藍寶石激光器的性能與芯片的小尺寸相結合，可驅動受功耗或空間大小限制的應用，如原子鐘、便攜式傳感器、可見光通信設備，甚至量子計算芯片。

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

新研究的關鍵在于激光器的低閾值。傳統摻鈦藍寶石激光器的閾值超過100 mW，而新系統的閾值約為6.5 mW，通過進一步調整，研究人員相信可將閾值降低到1 mW。此外，新系統還與廣泛用于藍色LED和激光的氮化鎵光電子器件兼容。

（來源：科技日報）

經典系統內首次觀察到“準粒子”有助揭示耗散系統的多體物理學

韓國研究人員在2023 年1 月刊發的《自然·物理學》雜志上發表論文稱，他們首次在經典系統內觀察到此前被認為僅出現于量子系統內的“準粒子”，最新研究有助于科學家們進一步揭示經典耗散系統的多體物理學。

準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生，是一種“長壽”的集體激發態。準粒子的概念由蘇聯物理學家列夫·朗道于1941 年提出，比如超導中的玻戈留玻夫準粒子、半導體中的激子以及聲子等。

研究人員指出，從準粒子的角度研究一些集體現象，可深入了解各種物理環境，尤其是超導和超流體，比如科學家此前在石墨烯內發現的狄拉克準粒子。但迄今為止，準粒子的觀測和應用僅限于量子物理學，因為在經典凝聚態物質中，粒子之間的碰撞太高，使長時間的類粒子激發幾乎無法獲得。

但在最新研究中，韓國基礎科學研究所軟物質和活物質中心的科學家挑戰了準粒子只屬于量子物質的標準觀點。他們研究了一個由微小顆粒組成的經典系統，該系統由薄微流體通道中的黏性流驅動。當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。

研究團隊發現，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，這些是系統內的準粒子。當研究人員模擬了一個由數千個粒子組成的大型二維晶體并檢查其運動時，證明了上述假設是正確的。

研究人員解釋道，這項工作首次證明，基本量子物質概念特別是準粒子，可幫助理解經典耗散系統的多體物理學。而且，這些發現表明，迄今為止僅在量子系統內測量到的其他集體現象可能會在各種經典耗散環境中被揭示。

（來源：科技日報）

強力激光首次制造“虛擬避雷針”

英國《自然·光子學》雜志于2023年1月17日發表的一篇論文表明，朝向天空的強力激光能制造出一種“虛擬避雷針”，可轉移電擊路徑。這些發現可能為發電站、機場、發射臺等帶來更好的避雷方法。

最常見的避雷設施是富蘭克林避雷針，這是一種電傳導金屬桿，能攔截雷電放電并將之安全導入地面。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。使用強激光脈沖引導雷擊的想法之前在實驗室環境下得到過研究，然而此前尚無在野外實驗性展示激光引導雷擊的成果。

2021年夏季，法國國立高等先進科技學校在瑞士東北的森蒂斯山進行實驗，探索激光是否能引導雷擊。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，每秒發射多達千次脈沖。

在雷暴活動期間，激光器運作超過6 h，研究團隊觀察到激光轉移了4 次上行閃電放電過程。使用雷電產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移引導成功。其中一次雷擊被高速攝影機直接記錄下來，表明它沿激光路徑行進了超過50 m。

這一發現拓展了大氣中激光物理學的認識，或有助于開發新的避雷策略。

（來源：科技日報）

我國科學家首次實現大腦神經化學信號與電信號轉導模擬

類腦研究一直是學術界的熱點，但大部分研究設備只能“捕捉”到大腦發出的電信號，卻無法獲得化學信號。來自中科院化學所、中國科學院大學、湘潭大學及北京師范大學的研究人員發明了一種聚電解質限域的流體憶阻器，并利用單個器件首次實現了神經化學信號與電信號轉導的模擬。

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

大腦的神經功能與化學信號和電信號密切相關。在類腦研究中，大量模擬腦神經結構與機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對電信號的識別，很難直接感知化學信號，制備對于化學信號具有響應的人工突觸（即實現類化學突觸的功能）成了神經智能傳感與模擬等領域的科學難題。

科學家們為了解決這個難題，做出了很多努力。但仍然面臨兩個關鍵問題：一是幾乎所有的神經形態器件都是固體器件，很難實現與外界信號的化學交互；二是類化學突觸的化學信號與電信號間轉導的模擬尚未實現。

在這項研究中，研究者充分利用其在腦神經電分析化學和限域離子傳輸研究領域的長期積累，提出基于限域流體器件發展仿神經突觸功能的構思。在構建聚電解質限域流體體系的基礎上，他們發現此體系具有憶阻器的特征；利用溶液中對離子在聚電解質刷限域空間內傳輸可以使得器件具有記憶效應的特性，成功模擬了多種神經電脈沖行為。相比于傳統固體器件，所發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遞質對記憶功能的調控，成功模擬了突觸可塑性的化學調控行為。進一步，他們利用聚電解質對不同對離子的識別能力，實現了神經化學信號與電信號之間轉導的模擬，在化學突觸的模擬研究領域中邁出了關鍵的一步。

（來源：光明日報）

我國首次高速飛車全尺寸超導航行試驗成功

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（簡稱高速飛車）全尺寸試驗線（一期）首次超導航行試驗，取得成功。

該次試驗采用超導航行器，在完成超導磁體制冷、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，完成了試驗大綱規定的試驗內容，試驗取得成功。

該次試驗是國內首次全尺寸超導航行試驗，驗證了高動態超導磁體、大功率多重變流器、耐高壓集成模組、高激振懸浮構架、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鍵技術，初步驗證了高速飛車系統總體方案的正確性和工作的協調匹配性。

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

為加快項目建設進度，項目團體創造性地采取“邊建設、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建設，完成了首段設備集成調試，并成功完成了永磁、超導航行試驗。

（來源：中國航天報）

我國科學家破解電化學晶體管大規?？煽恐苽潆y題

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

有機電化學晶體管（OECT）及其電路得益于其超低的驅動電壓、低功耗、高跨導及生物相容性等優勢，廣泛應用于下一代智能傳感、生物電子、可穿戴電子和人工神經態電子領域。然而，當前基于常規平面結構的OECT 尚存在一系列問題，包括較差的器件穩定性、較慢的電化學反應及開關速度、較低的集成密度和極差的N 型器件性能，極大限制了其進一步發展與集成應用。

面對上述挑戰，研究團隊利用納米限域下離子偏移增強的新機制，采用一種獨創的垂直結構，實現了可大規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 的驅動電壓下具有高于1 kA/cm2的電流密度、高達0.4 S 的跨導、快于1 ms 的開關速率及超過5 萬次的穩定循環，在器件性能指標上全面超越了現有OECT?；诖?，可進一步構建三維垂直堆疊的互補電路，在更小的單位尺寸上進一步提升電路集成密度；其具有在0.7 V驅動電壓下近150的電壓增益，遠高于當前報道的各類基于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雜的電路中。

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

（來源：中國科學報）

我國科學家構建出新型人工碳晶體

日前，中國科學技術大學朱彥武教授研究團隊通過對富勒烯C60 分子晶體進行電荷注入，在常壓條件下構建了C60 聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體，并實現了其克量級制備。該研究成果2023年1月12日發表于國際學術期刊《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現和發展，得到了廣泛關注，并引發研究熱潮。“如果可以在一個晶體結構中引入納米單元，例如用富勒烯、石墨烯等作為基本結構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，可能會發掘更多新奇性質，發揮更大應用潛力?！敝鞆┪湔f。

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，但其產率較低、產物不純，阻礙了人們對該類材料的性質與應用進行更深入探索。在此次研究中，朱彥武團隊創造性地使用氮化鋰對富勒烯C60 分子晶體進行電荷注入，并在溫和溫度下進行熱處理，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，研究團隊通過基于機器學習和神經網絡勢函數的結構搜索結果進一步表明，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變過程中的亞穩態晶體結構?！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、負載催化等領域具有潛在應用。電荷注入技術也為構建這類碳基晶體材料提供了一種搭積木式的制備技術，有望成為在原子級精度上調控晶體結構的新手段?！敝鞆┪浣榻B。

《自然》審稿人稱：“論文結論令人信服，對晶體學和材料科學領域具有重要意義?！?/p>

（來源：光明日報）

我國科學家制成高性能自驅動水凝膠微馬達

中國科學技術大學工程科學學院微納米工程實驗室教授吳東、褚家如課題組，基于數字微鏡陣列（DMD）系統，利用激光光場調制技術，加工出一種新穎的高性能自驅動水凝膠微馬達，并探究其在動能傳輸、微型發電機等方面的應用前景，為微型旋轉機械的設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》上公開發布。

自驅動現象在自然界中無處不在，范圍從納米尺度（驅動蛋白）到厘米尺度（節肢動物）。例如，當一種名叫突眼隱翅蟲的甲蟲被風吹落到水面上時，它會在其尾部分泌表面活性劑，將自己快速推回岸邊。這種自驅動現象是由表面張力梯度引起的，被稱為馬蘭戈尼效應。

受此啟發，研究人員基于DMD 的激光光場調制技術，利用水凝膠和表面活性劑，設計并加工出具有非對稱孔隙微結構和三次樣條曲線外形的自驅動微馬達。該自驅動微馬達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，調節周圍表面張力分布，從而驅動自身高速轉動。

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

此外，研究人員進一步探索了自驅動微馬達的應用前景。自驅動微馬達可以通過齒輪嚙合，向外輸出不同的轉速和扭矩，從而實現動能傳輸的效果。進一步地，研究人員將自驅動微馬達應用于微型發電機中，通過自驅動微馬達帶動磁鐵在線圈中運動，從而產生感應電壓，在通過二極管整流和電容儲能升壓之后，產生的電能可以點亮LED。

為了更好地控制自驅動微馬達的運動行為，研究人員在微馬達中摻雜納米鐵粉。通過不同的磁場，實現了對微馬達自驅動行為的精準控制。例如，通過條形磁鐵可以實現微馬達的啟停控制；通過圓柱形磁鐵可以實現微馬達的自轉/公轉切換控制。此外，這種磁控行為還可以作用于多個微馬達，實現多個微馬達沿著同一/不同半徑的軌道進行公轉。

（來源：中國科學報）