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具有千個(gè)晶體管的二維半導(dǎo)體問(wèn)世

2023 年11 月13 日，據(jù)最新一期《自然·電子學(xué)》報(bào)道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員提出了一種基于二硫化鉬的內(nèi)存處理器，專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)處理中的基本運(yùn)算之一：向量矩陣乘法。這種操作在數(shù)字信號(hào)處理和人工智能模型的實(shí)現(xiàn)中無(wú)處不在，其效率的提高可為整個(gè)信息通信行業(yè)節(jié)約大量能源。

新處理器將1 024個(gè)元件組合到一個(gè)一平方厘米的芯片上。每個(gè)元件都包含一個(gè)2D 二硫化鉬晶體管及一個(gè)浮動(dòng)?xùn)艠O，用于在其存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)電荷，以控制每個(gè)晶體管的導(dǎo)電性。以這種方式耦合處理，從根本上改變了處理器執(zhí)行計(jì)算的方式。

研究人員指出，通過(guò)設(shè)置每個(gè)晶體管的電導(dǎo)率，他們可向處理器施加電壓并測(cè)量輸出，一步執(zhí)行模擬矢量矩陣乘法。

二硫化鉬的選擇在內(nèi)存處理器的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。與當(dāng)今計(jì)算機(jī)處理器中使用最廣泛的半導(dǎo)體硅不同，二硫化鉬形成穩(wěn)定的單層，只有3 個(gè)原子厚，僅與周?chē)h(huán)境發(fā)生微弱的相互作用。它的薄度提供了生產(chǎn)極其緊湊器件的潛力。2010 年，研究團(tuán)隊(duì)使用透明膠帶從晶體上剝離的單層材料創(chuàng)建了第一個(gè)單二硫化鉬晶體管。

從單個(gè)晶體管發(fā)展到超過(guò)1 000 個(gè)晶體管的關(guān)鍵進(jìn)步在于可沉積材料的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)大量工藝優(yōu)化后，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可生產(chǎn)均勻覆蓋二硫化鉬均質(zhì)層的整個(gè)晶圓。這讓他們能采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)集成電路，并將這些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為物理電路，從而為大規(guī)模生產(chǎn)打開(kāi)了大門(mén)。

二硫化鉬有點(diǎn)像石墨，可以用作潤(rùn)滑劑，也能用膠帶在表面粘下一層薄膜。二硫化鉬薄膜因其“二維”半導(dǎo)體的特性，有望突破晶體管微縮化的瓶頸，構(gòu)筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型芯片。近年來(lái)，國(guó)際上在單層二硫化鉬的制備等方面不斷突破，在晶圓質(zhì)量和器件性能上不斷探索極限，中國(guó)在這個(gè)方向處于前列。未來(lái)，可能借此研發(fā)出耗電極低、可穿戴且隨意彎折的芯片和顯示屏。

（來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)）

等效原理將接受迄今最精確測(cè)試

科技日?qǐng)?bào)2023 年11 月16 日?qǐng)?bào)道，德國(guó)科學(xué)家已經(jīng)將國(guó)際空間站上的鉀原子和銣原子冷卻到接近絕對(duì)零度，以對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的基本原理（等效原理）開(kāi)展迄今為止最精確測(cè)試，這也是國(guó)際空間站上進(jìn)行的首個(gè)涉及兩種極冷原子的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)論文發(fā)表于2023 年11 月15 日出版的《自然》雜志。

等效原理是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)關(guān)鍵原理，指當(dāng)引力是作用在物體上的唯一力時(shí)，所有物體都以相同加速度下落，幾十年來(lái)科學(xué)家一直在對(duì)該原理開(kāi)展測(cè)試。迄今對(duì)該原理最靈敏的測(cè)試中，一項(xiàng)涉及在加利福尼亞州的一個(gè)特殊設(shè)施內(nèi)使極冷的銣原子自由下落的測(cè)試，另一項(xiàng)則涉及探索引力對(duì)隨衛(wèi)星進(jìn)入太空的物質(zhì)質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生何種影響。萊布尼茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)在太空中使用超冷原子，將上述兩項(xiàng)測(cè)試結(jié)合在一起。

在最新研究中，該團(tuán)隊(duì)使用了國(guó)際空間站上的冷原子實(shí)驗(yàn)室，以研究只有在原子極冷和引力極低時(shí)才能觀察到的量子效應(yīng)。在冷原子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，原子被限制在芯片內(nèi)，磁力和激光的推動(dòng)、拉動(dòng)和撞擊會(huì)使其變得非常冷。在絕對(duì)零度以上僅十億分之一攝氏度下，由于量子效應(yīng)，這些原子的“行為”像一組重疊的“物質(zhì)波”，而非單個(gè)粒子。

研究人員冷卻了同一芯片上的鉀原子和銣原子，然后有效地將芯片變成了兩個(gè)獨(dú)立的干涉儀。干涉儀會(huì)根據(jù)“物質(zhì)波”碰撞產(chǎn)生的模式來(lái)測(cè)量加速度，如果兩個(gè)干涉儀記錄的加速度值不同，等效原理就會(huì)被打破。

雖然研究人員已成功地在冷原子實(shí)驗(yàn)室中制造了兩個(gè)干涉儀，但需要進(jìn)一步優(yōu)化，才能用其全面測(cè)試等效原理。在冷原子實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果預(yù)計(jì)將比基于衛(wèi)星的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確數(shù)百倍，比基于地球的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確數(shù)十萬(wàn)倍。

研究人員指出，等效原理是理解引力的基石，但這些實(shí)驗(yàn)不僅僅測(cè)試廣義相對(duì)論，可能會(huì)有一些標(biāo)準(zhǔn)模型中沒(méi)有囊括的新粒子打破這一原理。

（來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)）

新激光裝置用超快脈沖探測(cè)超材料

科技日?qǐng)?bào)2023 年11 月16 日?qǐng)?bào)道，一項(xiàng)基于激光的新技術(shù)提供了一種安全、快速的解決方案，可加速超材料的實(shí)際應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)由美國(guó)麻省理工學(xué)院工程師開(kāi)發(fā)，通過(guò)兩個(gè)激光器系統(tǒng)探測(cè)超材料，一個(gè)用于快速破壞結(jié)構(gòu)，另一個(gè)用于測(cè)量其振動(dòng)響應(yīng)的方式，就像用木槌敲擊鐘并記錄其混響一樣。激光可在超材料的微小梁和支柱上產(chǎn)生振動(dòng)，就好像結(jié)構(gòu)受到物理撞擊、拉伸或剪切一樣。此項(xiàng)研究發(fā)表在2023 年11 月15 日出版的《自然》雜志上。

此項(xiàng)名為激光誘導(dǎo)共振聲波譜的新系統(tǒng)，使用的超材料由普通聚合物制成，研究人員將其3D打印成由微觀支柱和橫梁制成的微型腳手架塔。每座塔都通過(guò)重復(fù)和分層單個(gè)幾何單元來(lái)形成圖案，當(dāng)首尾相連地堆疊時(shí)，塔式排列可賦予整個(gè)聚合物新的特性。

該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)桌面裝置，其中包括兩個(gè)超聲波激光器。一個(gè)用于激發(fā)超材料樣品的“脈沖”激光器，另一個(gè)用于測(cè)量由此產(chǎn)生振動(dòng)的“探測(cè)”激光器。

該團(tuán)隊(duì)在一塊不大于指甲蓋的芯片上打印了數(shù)百個(gè)微型塔，每個(gè)塔都有特定的高度和結(jié)構(gòu)。他們將這座超材料微型“城市”放置在雙激光器裝置中，然后用重復(fù)的超快脈沖激發(fā)每個(gè)塔，而第二臺(tái)激光器測(cè)量了塔的振動(dòng)。

利用超快激光脈沖，該團(tuán)隊(duì)可在幾分鐘內(nèi)激發(fā)并測(cè)量數(shù)百個(gè)微型結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)新技術(shù)首次提供了一種安全、可靠和高通量的方法來(lái)動(dòng)態(tài)表征微尺度超材料，并允許輕松地重建激光裝置。

（來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)）

芯片上實(shí)現(xiàn)光學(xué)誘導(dǎo)超導(dǎo)性

科技日?qǐng)?bào)2023 年11 月14 日?qǐng)?bào)道，據(jù)發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上的論文，德國(guó)馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所研究人員證明，用激光束開(kāi)啟超導(dǎo)性的能力可集成在芯片上，這開(kāi)辟了一條通往光電子應(yīng)用的道路。

此前，該所研究人員已經(jīng)確定了一種增強(qiáng)K3C60 光誘導(dǎo)超導(dǎo)性的策略。此次研究則進(jìn)一步表明，光誘導(dǎo)K3C60 的電響應(yīng)不是線(xiàn)性的，材料的電阻取決于施加的電流。這是超導(dǎo)電性的一個(gè)關(guān)鍵特征。

在高溫下對(duì)材料進(jìn)行光學(xué)操縱以產(chǎn)生超導(dǎo)電性是研究重點(diǎn)。截至目前，研究人員已在幾種量子材料上證明這一策略是成功的。在以前對(duì)這些材料的光驅(qū)動(dòng)態(tài)的研究中，研究人員已經(jīng)觀察到了增強(qiáng)的電相干和消失電阻。

在這項(xiàng)研究中，研究人員利用芯片上的非線(xiàn)性太赫茲光譜學(xué)開(kāi)辟了皮秒傳輸測(cè)量的領(lǐng)域。他們通過(guò)共面波導(dǎo)將K3C60薄膜連接到光導(dǎo)開(kāi)關(guān)上。

使用可見(jiàn)的激光脈沖觸發(fā)開(kāi)關(guān)，他們向材料發(fā)送僅持續(xù)一皮秒的強(qiáng)電流脈沖。在以大約一半光速穿過(guò)固體材料后，電流脈沖到達(dá)另一個(gè)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)充當(dāng)探測(cè)器，以揭示重要信息，如超導(dǎo)特性的電學(xué)特征。

同時(shí)，通過(guò)將K3C60 薄膜暴露在中紅外光下，研究人員能夠觀察到這種光激發(fā)材料中的非線(xiàn)性電流變化。這種所謂的臨界電流行為和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩個(gè)關(guān)鍵特征。此前，這兩者都沒(méi)有被測(cè)量到，因此，此次激發(fā)固體中的臨界電流行為的演示具有特別重要的意義。

此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，K3C60 的光驅(qū)動(dòng)狀態(tài)類(lèi)似于所謂的顆粒超導(dǎo)體，由弱連接的超導(dǎo)島組成。

（來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)）

國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率純電新能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)下線(xiàn)

2023 年11 月16 日，我國(guó)首臺(tái)大功率純電新能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)在株洲下線(xiàn)。機(jī)車(chē)最大牽引功率達(dá)1 500 千瓦，是我國(guó)目前功率最大的新造純電調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)。機(jī)車(chē)采用大容量磷酸鐵鋰動(dòng)力電池作為唯一動(dòng)力源，搭載首創(chuàng)的1 200 千瓦超大功率液冷快充設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)“3 秒一度電”的“超級(jí)快充”，充滿(mǎn)電可牽引1 200 噸貨物運(yùn)行128 公里，可充分滿(mǎn)足鋼企鐵水運(yùn)輸及調(diào)車(chē)作業(yè)需求。

該調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)由中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司研制，為漣鋼集團(tuán)量身打造。中國(guó)中車(chē)資深技術(shù)專(zhuān)家康明明介紹，它能有效解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)高污染和高油耗問(wèn)題，同時(shí)還能夠滿(mǎn)足冶金、港口、電力、石化、礦山等行業(yè)內(nèi)部的鐵路運(yùn)輸需求，具備綠色低碳、經(jīng)濟(jì)適用、智能先進(jìn)等特點(diǎn)。

據(jù)估算，同等工況、同工作量下使用該型車(chē)，每臺(tái)車(chē)每年可減少二氧化碳排放量約150噸，相當(dāng)于種植8 200棵樹(shù)。相比既有內(nèi)燃機(jī)車(chē)，該純電機(jī)車(chē)每年有望節(jié)約能耗成本約100萬(wàn)元，降低全生命周期成本20%以上。機(jī)車(chē)配置基于永磁同步牽引電機(jī)的電傳動(dòng)系統(tǒng)，整車(chē)效率較內(nèi)燃機(jī)車(chē)可提升12%。

此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)搭建了新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用能量分割、分級(jí)保護(hù)、火災(zāi)檢測(cè)和自動(dòng)滅火等技術(shù)，從物理層到系統(tǒng)層總共設(shè)計(jì)了“十三重保護(hù)”，保障動(dòng)力電池安全可靠。機(jī)車(chē)還搭載了自適應(yīng)控制、智能輔助駕駛、無(wú)線(xiàn)遙控、車(chē)地聯(lián)控等智能控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全方位的機(jī)車(chē)部件及內(nèi)外部信息監(jiān)控，提高了機(jī)車(chē)智能化水平和運(yùn)行效率。

（來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)）

南開(kāi)團(tuán)隊(duì)在無(wú)機(jī)合成及配位化學(xué)領(lǐng)域獲重大突破

2023 年11 月17 日，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（第382 卷第6672 期）在線(xiàn)發(fā)表南開(kāi)大學(xué)最新研究成果。該研究表述了全金屬富勒烯[KaAu12Sb20]5-的合成及成鍵機(jī)制，展示了一種全新的化合物合成技術(shù)及對(duì)金屬鍵的精準(zhǔn)調(diào)控在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的應(yīng)用，為新材料的創(chuàng)制提供了嶄新的研究思路。

1985年，人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子構(gòu)成的足球狀碳簇C60，也被稱(chēng)為富勒烯。正是因?yàn)檫@一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，他們?cè)?996年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

富勒烯因具有獨(dú)特的高度對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)、特殊的物理性質(zhì)及多種多樣的化學(xué)反應(yīng)特性，自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直備受矚目，使得人們不斷探索其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。富勒烯的成鍵特性也被逐漸擴(kuò)展到無(wú)機(jī)合成化學(xué)領(lǐng)域，理論上預(yù)測(cè)無(wú)機(jī)富勒烯將表現(xiàn)出非同尋常的穩(wěn)定性和反應(yīng)性，這激發(fā)了科學(xué)家們的極大興趣，但其合成依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授孫忠明課題組通過(guò)研發(fā)一種新的合成方法，將高溫固相合成與金屬有機(jī)化學(xué)跨相結(jié)合，成功制備了全金屬富勒烯[KaAu12Sb20]5-。

這一化合物呈現(xiàn)出接近阿基米德十二面體的結(jié)構(gòu)，每一面皆由內(nèi)含一個(gè)金原子的銻五邊形平面構(gòu)成，內(nèi)徑約為0.90 納米，略大于C60 分子的直徑（0.71 納米）。在這個(gè)相對(duì)較大的團(tuán)簇空腔內(nèi)，僅內(nèi)嵌了一個(gè)鉀離子，并且團(tuán)簇整體無(wú)需有機(jī)配體的保護(hù)，其結(jié)構(gòu)依然能夠具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，這使其成為迄今為止配位環(huán)境最接近富勒烯的純無(wú)機(jī)化合物。

這一裸露的重金屬球狀團(tuán)簇的穩(wěn)定性得以實(shí)現(xiàn)，一方面歸因于中心的鉀離子起到了模板支撐作用，另一方面金-銻之間獨(dú)特的異金屬鍵在維持整體結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

理論計(jì)算結(jié)果顯示，該分子的最顯著特征之一是其三維球芳香電子結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致在團(tuán)簇表面形成了一層離域π 電子云，賦予全金屬富勒烯化合物獨(dú)特的物理化學(xué)特性。這一發(fā)現(xiàn)有望在光電材料或室溫催化等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具備廣泛的應(yīng)用潛力。

美國(guó)化學(xué)與工程新聞報(bào)道這一研究工作時(shí)認(rèn)為，這種無(wú)機(jī)富勒烯可能有助于化學(xué)家設(shè)計(jì)并合成其他精密構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)。德國(guó)圖賓根大學(xué)化學(xué)家Andreas Schnepf 教授表示，這種分子具有引人注目的鍵合特性，他認(rèn)為這些團(tuán)簇在溶液中可能展現(xiàn)出有趣的反應(yīng)性和應(yīng)用潛力。

（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)）