科技资讯

史上最短电子脉冲问世

德国科学家捕捉到一个破纪录的最短电子脉冲——仅有53 as（1 as 为10～18 s）。其速度之快足以让更精确的电子显微镜在原子水平上捕捉清晰、静止的图像，而不是模糊的图像。它还可以加快计算机芯片的数据传输速度。相关论文2023 年1 月25日发表于《自然》。

电子脉冲被用来表示计算机内部数据或在电子显微镜中捕捉图像。脉冲越短，信息传输速率就越高。罗斯托克大学的Eleftherios Goulielmakis 等研究人员一直致力于尽可能缩短这种脉冲的长度。

普通电路内电场产生的电子脉冲受到电子在物质内振荡频率的限制。Goulielmakis说，一个脉冲至少需要持续半个周期的振荡，正是这个周期为电子创造了“推动力”。而光的振荡频率要高得多，所以Goulielmakis 团队一直在使用短时间的光爆发来触发电子脉冲。2016年，该团队创造了一道持续时间仅为380 as 的可见光。现在，该团队使用同样的技术将激光聚焦，并将电子从钨针的尖端打到真空中。

他们探测到的53 as 电子脉冲甚至比引发它的光脉冲还要短。Goulielmakis 说，按照玻尔的氢原子模型，它持续的时间是氢原子中一个电子绕原子核公转所需时间的1/5。

如此短的电子脉冲可以使电子显微镜聚焦在更短的时间片段上，类似于降低相机的快门速度，从而更清晰地揭示粒子的运动。

“有时（在电子显微镜图像中）你会看到原子有点模糊。这不一定是因为它们的分辨率不高，而是因为电子在某个特定点上没有静止，在原子周围形成一团云。而阿秒电子脉冲将有助于增强分辨率，以捕获运动中的电子。”

Goulielmakis 说：“如果使用阿秒电子脉冲创建电子显微镜，那么我们不仅有足够的分辨率观察运动中的原子，甚至还可以看到电子如何在这些原子之间跳跃。这将是一件令人兴奋的事。”

（来源：中国科学报）

首台芯片级掺钛蓝宝石激光器研制成功

美国耶鲁大学一组研究人员开发出首台芯片级掺钛蓝宝石激光器，这项突破的应用范围涵盖从原子钟到量子计算和光谱传感器。该研究结果在2023年1月26日《自然·光子学》杂志上公开发布。

掺钛蓝宝石激光器在20 世纪80 年代问世，可谓激光领域的一大进步。它成功的关键是用作放大激光能量的材料。掺钛蓝宝石被证明十分强大，因为它提供了比传统半导体激光器更宽的激光发射带宽。这一创新引领了物理学、生物学和化学领域的基础性发现和无数应用。

台式掺钛蓝宝石激光器是许多学术和工业实验室的必备设备。然而，这种激光器的大带宽是以相对较高的阈值为代价的，也就是它所需的功率较高。因此，这些激光器价格昂贵，占用大量空间，在很大程度上限制了它们在实验室研究中的使用。研究人员表示，如果不克服这一限制，掺钛蓝宝石激光器仍将仅限于小众客户。

将掺钛蓝宝石激光器的性能与芯片的小尺寸相结合，可驱动受功耗或空间大小限制的应用，如原子钟、便携式传感器、可见光通信设备，甚至量子计算芯片。

耶鲁大学展示了世界上第一台集成了芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器，它提供了芯片上迄今看到的最宽增益谱，为许多新的应用铺平了道路。

新研究的关键在于激光器的低阈值。传统掺钛蓝宝石激光器的阈值超过100 mW，而新系统的阈值约为6.5 mW，通过进一步调整，研究人员相信可将阈值降低到1 mW。此外，新系统还与广泛用于蓝色LED和激光的氮化镓光电子器件兼容。

（来源：科技日报）

经典系统内首次观察到“准粒子”有助揭示耗散系统的多体物理学

韩国研究人员在2023 年1 月刊发的《自然·物理学》杂志上发表论文称，他们首次在经典系统内观察到此前被认为仅出现于量子系统内的“准粒子”，最新研究有助于科学家们进一步揭示经典耗散系统的多体物理学。

准粒子不同于通常所说的基本粒子，而是类似于基本粒子的物理实体，从大量基本粒子的相互作用中产生，是一种“长寿”的集体激发态。准粒子的概念由苏联物理学家列夫·朗道于1941 年提出，比如超导中的玻戈留玻夫准粒子、半导体中的激子以及声子等。

研究人员指出，从准粒子的角度研究一些集体现象，可深入了解各种物理环境，尤其是超导和超流体，比如科学家此前在石墨烯内发现的狄拉克准粒子。但迄今为止，准粒子的观测和应用仅限于量子物理学，因为在经典凝聚态物质中，粒子之间的碰撞太高，使长时间的类粒子激发几乎无法获得。

但在最新研究中，韩国基础科学研究所软物质和活物质中心的科学家挑战了准粒子只属于量子物质的标准观点。他们研究了一个由微小颗粒组成的经典系统，该系统由薄微流体通道中的黏性流驱动。当粒子被黏性流拖曳时，它们会扰动周围的流线，从而相互施加流体动力。

研究团队发现，这些作用范围比较长的力使粒子“成双成对”。而大量成对耦合的粒子暗示，这些是系统内的准粒子。当研究人员模拟了一个由数千个粒子组成的大型二维晶体并检查其运动时，证明了上述假设是正确的。

研究人员解释道，这项工作首次证明，基本量子物质概念特别是准粒子，可帮助理解经典耗散系统的多体物理学。而且，这些发现表明，迄今为止仅在量子系统内测量到的其他集体现象可能会在各种经典耗散环境中被揭示。

（来源：科技日报）

强力激光首次制造“虚拟避雷针”

英国《自然·光子学》杂志于2023年1月17日发表的一篇论文表明，朝向天空的强力激光能制造出一种“虚拟避雷针”，可转移电击路径。这些发现可能为发电站、机场、发射台等带来更好的避雷方法。

最常见的避雷设施是富兰克林避雷针，这是一种电传导金属杆，能拦截雷电放电并将之安全导入地面。作为“虚拟避雷针”，射向天空的激光光柱可能是一个替代方法。使用强激光脉冲引导雷击的想法之前在实验室环境下得到过研究，然而此前尚无在野外实验性展示激光引导雷击的成果。

2021年夏季，法国国立高等先进科技学校在瑞士东北的森蒂斯山进行实验，探索激光是否能引导雷击。一台大型汽车大小的激光器被安装在一个每年被雷击约100 次的电信塔附近，每秒发射多达千次脉冲。

在雷暴活动期间，激光器运作超过6 h，研究团队观察到激光转移了4 次上行闪电放电过程。使用雷电产生的高频电磁波来定位雷击位置证实了他们的观察，增加雷击时的X 射线暴检测也证实了转移引导成功。其中一次雷击被高速摄影机直接记录下来，表明它沿激光路径行进了超过50 m。

这一发现拓展了大气中激光物理学的认识，或有助于开发新的避雷策略。

（来源：科技日报）

我国科学家首次实现大脑神经化学信号与电信号转导模拟

类脑研究一直是学术界的热点，但大部分研究设备只能“捕捉”到大脑发出的电信号，却无法获得化学信号。来自中科院化学所、中国科学院大学、湘潭大学及北京师范大学的研究人员发明了一种聚电解质限域的流体忆阻器，并利用单个器件首次实现了神经化学信号与电信号转导的模拟。

这一研究有望推动人类对大脑“化学语言”的读取和交互，为发展神经智能传感、类脑智能器件和神经感觉假肢等提供新的思路。论文发表在2023年1月13日出版的国际学术期刊《科学》上。

大脑的神经功能与化学信号和电信号密切相关。在类脑研究中，大量模拟脑神经结构与机制的器件和模型相继问世。不过，目前的仿突触器件只能实现对电信号的识别，很难直接感知化学信号，制备对于化学信号具有响应的人工突触（即实现类化学突触的功能）成了神经智能传感与模拟等领域的科学难题。

科学家们为了解决这个难题，做出了很多努力。但仍然面临两个关键问题：一是几乎所有的神经形态器件都是固体器件，很难实现与外界信号的化学交互；二是类化学突触的化学信号与电信号间转导的模拟尚未实现。

在这项研究中，研究者充分利用其在脑神经电分析化学和限域离子传输研究领域的长期积累，提出基于限域流体器件发展仿神经突触功能的构思。在构建聚电解质限域流体体系的基础上，他们发现此体系具有忆阻器的特征；利用溶液中对离子在聚电解质刷限域空间内传输可以使得器件具有记忆效应的特性，成功模拟了多种神经电脉冲行为。相比于传统固体器件，所发展的流体器件具有可与生物体系相比拟的工作电压和低功耗。

更重要的是，基于流体体系的特征，此器件可以在生理溶液中模拟神经递质对记忆功能的调控，成功模拟了突触可塑性的化学调控行为。进一步，他们利用聚电解质对不同对离子的识别能力，实现了神经化学信号与电信号之间转导的模拟，在化学突触的模拟研究领域中迈出了关键的一步。

（来源：光明日报）

我国首次高速飞车全尺寸超导航行试验成功

2023年1月14日，中国航天科工三院在山西省大同市阳高县高速飞车试验基地，完成了超高速低真空管道磁浮交通系统（简称高速飞车）全尺寸试验线（一期）首次超导航行试验，取得成功。

该次试验采用超导航行器，在完成超导磁体制冷、励磁之后，按照试验程序先后完成了3 次航行试验，在210 m 线路上航行速度超过50 km/h，各系统工作正常，实测航迹与理论曲线一致性好，完成了试验大纲规定的试验内容，试验取得成功。

该次试验是国内首次全尺寸超导航行试验，验证了高动态超导磁体、大功率多重变流器、耐高压集成模组、高激振悬浮构架、高精度定位测速、密闭空间管道无线通信、全过程安全控制、高精度轨道智能巡检等关键技术，初步验证了高速飞车系统总体方案的正确性和工作的协调匹配性。

超高速低真空管道磁浮交通系统全尺寸试验线（一期）项目，是中国航天科工集团有限公司与山西省人民政府“央地合作”示范项目，由双方主要领导亲自挂帅担任项目推进工作领导小组组长。项目于2021年9月获批立项，2022年4月正式开工建设。

为加快项目建设进度，项目团体创造性地采取“边建设、边集成、边试验”模式，在不到一年的时间里，完成了试验基地和首期试验线基础建设，完成了首段设备集成调试，并成功完成了永磁、超导航行试验。

（来源：中国航天报）

我国科学家破解电化学晶体管大规模可靠制备难题

2023年1月19日，电子科技大学测试技术与仪器研究所程玉华课题组在《自然》发表有机电化学晶体管及其互补电路方面的最新研究成果。该研究针对测试数据的源头基础器件，首次提出了一种基于紫外光固化沟道的新型垂直结构，破解了电化学晶体管大规模可靠制备的世界性难题，是新型传感和精密测试领域的重大突破。

有机电化学晶体管（OECT）及其电路得益于其超低的驱动电压、低功耗、高跨导及生物相容性等优势，广泛应用于下一代智能传感、生物电子、可穿戴电子和人工神经态电子领域。然而，当前基于常规平面结构的OECT 尚存在一系列问题，包括较差的器件稳定性、较慢的电化学反应及开关速度、较低的集成密度和极差的N 型器件性能，极大限制了其进一步发展与集成应用。

面对上述挑战，研究团队利用纳米限域下离子偏移增强的新机制，采用一种独创的垂直结构，实现了可大规模制备的具有高度匹配P/N 型性能的OECT。这种垂直型OECT（vOECT）在低于0.7 V 的驱动电压下具有高于1 kA/cm2的电流密度、高达0.4 S 的跨导、快于1 ms 的开关速率及超过5 万次的稳定循环，在器件性能指标上全面超越了现有OECT。基于此，可进一步构建三维垂直堆叠的互补电路，在更小的单位尺寸上进一步提升电路集成密度；其具有在0.7 V驱动电压下近150的电压增益，远高于当前报道的各类基于OECT的反相器。该vOECT还可以集成到振荡器、各类逻辑门等更加复杂的电路中。

该研究分别在P 型及N 型OECT 中实现了跨导10 多倍和近1 000 倍的指标提升，且将N 型OECT中最高千次的循环稳定性提升到了5 万次以上，并实现了P/N 型OECT 在跨导、稳定性、开关速率、集成密度、制备成本及工艺可靠性方面的全面超越。

（来源：中国科学报）

我国科学家构建出新型人工碳晶体

日前，中国科学技术大学朱彦武教授研究团队通过对富勒烯C60 分子晶体进行电荷注入，在常压条件下构建了C60 聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体，并实现了其克量级制备。该研究成果2023年1月12日发表于国际学术期刊《自然》上。

近年来，富勒烯、纳米碳管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的发现和发展，得到了广泛关注，并引发研究热潮。“如果可以在一个晶体结构中引入纳米单元，例如用富勒烯、石墨烯等作为基本结构单元代替普通晶体中的原子，像搭积木一样‘搭建’出新型碳材料，可能会发掘更多新奇性质，发挥更大应用潜力。”朱彦武说。

此前，对于制备这类新型碳材料，研究人员要么是利用高温高压等极限条件，要么是采用紫外光、电子束辐照等微观处理技术，但其产率较低、产物不纯，阻碍了人们对该类材料的性质与应用进行更深入探索。在此次研究中，朱彦武团队创造性地使用氮化锂对富勒烯C60 分子晶体进行电荷注入，并在温和温度下进行热处理，最终得到大量的C60聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体。

值得注意的是，研究团队通过基于机器学习和神经网络势函数的结构搜索结果进一步表明，长程有序多孔碳基晶体代表了一大类从富勒烯分子晶体到石墨类碳晶体转变过程中的亚稳态晶体结构。“这里的长程有序多孔碳晶体，微观上具有多孔特征但完整保留了晶体的宏观周期性，是一类新的人工碳晶体，未来可能在能量存储、离子筛分、负载催化等领域具有潜在应用。电荷注入技术也为构建这类碳基晶体材料提供了一种搭积木式的制备技术，有望成为在原子级精度上调控晶体结构的新手段。”朱彦武介绍。

《自然》审稿人称：“论文结论令人信服，对晶体学和材料科学领域具有重要意义。”

（来源：光明日报）

我国科学家制成高性能自驱动水凝胶微马达

中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程实验室教授吴东、褚家如课题组，基于数字微镜阵列（DMD）系统，利用激光光场调制技术，加工出一种新颖的高性能自驱动水凝胶微马达，并探究其在动能传输、微型发电机等方面的应用前景，为微型旋转机械的设计与制造开拓了新的方向。该研究成果2023年1月3日在《自然·通讯》上公开发布。

自驱动现象在自然界中无处不在，范围从纳米尺度（驱动蛋白）到厘米尺度（节肢动物）。例如，当一种名叫突眼隐翅虫的甲虫被风吹落到水面上时，它会在其尾部分泌表面活性剂，将自己快速推回岸边。这种自驱动现象是由表面张力梯度引起的，被称为马兰戈尼效应。

受此启发，研究人员基于DMD 的激光光场调制技术，利用水凝胶和表面活性剂，设计并加工出具有非对称孔隙微结构和三次样条曲线外形的自驱动微马达。该自驱动微马达也能如同突眼隐翅虫一般，在自身周围缓慢分泌表面活性剂，调节周围表面张力分布，从而驱动自身高速转动。

得益于非对称孔隙微结构控制表面活性剂的释放速率从而增强表面张力梯度，以及三次样条曲线外形设计用于减阻，该研究中的自驱动微马达相比于现有报道中类似体系的工作在性能上得到极大的提升。以转动输出和燃料效率这两个归一化参数为标准，该自驱动微马达在转动输出上提高了15倍，在燃料效率上提高了34%。

此外，研究人员进一步探索了自驱动微马达的应用前景。自驱动微马达可以通过齿轮啮合，向外输出不同的转速和扭矩，从而实现动能传输的效果。进一步地，研究人员将自驱动微马达应用于微型发电机中，通过自驱动微马达带动磁铁在线圈中运动，从而产生感应电压，在通过二极管整流和电容储能升压之后，产生的电能可以点亮LED。

为了更好地控制自驱动微马达的运动行为，研究人员在微马达中掺杂纳米铁粉。通过不同的磁场，实现了对微马达自驱动行为的精准控制。例如，通过条形磁铁可以实现微马达的启停控制；通过圆柱形磁铁可以实现微马达的自转/公转切换控制。此外，这种磁控行为还可以作用于多个微马达，实现多个微马达沿着同一/不同半径的轨道进行公转。

（来源：中国科学报）