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高性能超导导线制成

科技日报2024年8月11日报道，美国布法罗大学领导的团队研制出世界性能最高的高温超导（HTS）导线段，为人类驾驭磁力开辟了全新可能性，其有望改变现有能源基础设施，甚至实现商业核聚变。相关报告发表在最新一期《自然·通讯》上。

高温超导导线技术能在高于传统超导体所需温度下无阻力传输电力。新HTS导线以稀土钡铜氧化物为基础，涵盖所有磁场和从5开尔文到77开尔文的工作温度范围，这个温度范围高于传统超导体发挥作用所需的温度。

在4.2开尔文时，新HTS导线在没有外部磁场的情况（也称为自场）下，每平方厘米可承载1.9亿安培的电流；而在7特斯拉磁场下，每平方厘米可承载9 000万安培的电流。

在更高的20开尔文（商业核聚变的预期应用温度）时，在自场下，这些导线每平方厘米仍可承载超过1.5亿安培的电流；在7特斯拉磁场下，每平方厘米可承载超过6 000万安培的电流。

就临界电流（在超导体中，可视为无阻流动的最大直流电流）而言，这相当于4.2开尔文时，4毫米宽的导线段在自场下可承载1 500安培的超电流；在7特斯拉磁场下，可承载700安培的超电流。在20开尔文时，在自场下可承载1 200安培的超电流；在7特斯拉磁场下，可承载500安培的超电流。

值得注意的是，尽管该团队研制的HTS薄膜厚度仅为0.2微米，但其承载的电流却可与厚度几乎是其10倍的商用超导导线相媲美。

这些导线表现出强大的将磁涡旋钉住或固定在适当位置的能力。在4.2开尔文时，其钉扎力（钉扎磁涡旋的能力）约为每立方米6.4太牛顿；在20开尔文时，其钉扎力约为每立方米4.2太牛顿，两者的磁场强度均为7特斯拉。

这是迄今为止报告的所有磁场和工作温度下，临界电流密度和钉扎力的最高值。

（2024年8月11日 张梦然 科技日报）

超冷原子传感技术成功检测

太空环境变化

科技日报2024年8月14日报道，美国国家航空航天局的冷原子实验团队利用原子干涉仪等量子传感工具，成功测量了国际空间站的细微振动。这是科学家首次使用超冷原子检测太空环境的变化。相关论文发表于13日出版的《自然·通讯》杂志。

原子干涉仪可精确测量重力、磁场和其他力。科学家一直在地球上利用该传感器研究重力的基本性质，促进了飞机和船舶导航技术的发展。他们也渴望在太空中应用该技术，因为太空的微重力环境可延长测量时间，并获得更高灵敏度。但原子干涉仪此前无法单独在太空长时间运行，在最新研究中，冷原子实验室的原子干涉仪做到了这一点。

2018年，冷原子实验室进驻国际空间站。科学家希望将其长期置于低地球轨道的微重力环境，通过相关研究推进量子科学发展。该实验室能将原子冷却到几乎绝对零度。在此温度下，一些原子会形成玻色—爱因斯坦凝聚态（BEC）。在BEC下的原子处于相同量子态，其微观量子特性会变得宏观，更便于科学家开展相关研究。在微重力环境下，BEC可以达到更低温度并存在更长时间，为科学家提供了更多研究机会。其中的原子干涉仪是利用原子的量子特性进行精确测量的传感器之一。

研究人员表示，对引力进行精确测量可提供更多关于暗物质和暗能量本质的信息。原子干涉仪也可利用全新方式检验爱因斯坦的广义相对论。

（2024年8月14日 刘霞 科技日报）

硅光子芯片让“量子罗盘”

更小更精确

科技日报2024年8月14日报道，美国桑迪亚国家实验室研究人员利用硅光子微芯片组件，执行了一种名为原子干涉的量子传感技术。这是一种测量加速度的超高精度方法，也是研发无需全球定位系统（GPS）信号也能进行导航的“量子罗盘”最新成果。研究论文发表在最新一期《科学进展》上。

智能手机、健身追踪器或虚拟现实设备内部都有微小的传感器用于追踪位置和移动。同样技术的“升级”版本，大小和一个柚子相当，精度要高出千倍，它们借助GPS帮助有更高需求的领域进行导航。随着技术的进步，这种高精度传感器的体积和技术成本正在大幅缩减。

新的高性能硅光子调制器是一款在微芯片上控制光的设备。每个原子干涉仪都需要一个激光系统，而激光系统又需要调制器。

通常，作为传感器系统的原子干涉仪需要占据一个小房间。而一个完整的“量子罗盘”（量子惯性测量单元）则需要6个原子干涉仪。团队成功用一颗牛油果大小的真空室取代了大型耗电真空泵，并将多个部件整合成一个单一的刚性装置。

新调制器是微芯片上激光系统的核心。它能够承受强烈的振动，并将取代通常大小如冰箱的传统激光系统。激光器在原子干涉仪中执行多项任务。团队则使用了4个调制器来改变单个激光器的频率，以执行不同的功能。

调制器经常会产生不需要的回声，即边带，这需要进行抑制。团队的抑制载波单边带调制器将这些边带降低了前所未有的47.8分贝，从而使边带强度降低至原来的近十万分之一。

成本此前是部署量子导航设备的主要障碍。现在，团队可以在一块8英寸的晶圆上制造数百个调制器。将庞大且昂贵的组件微缩成硅光子芯片有助于降低成本。

（2024年8月14日 张佳欣 科技日报）

叶状聚光器可大幅提高

太阳能发电效率

科技日报2024年8月19日报道，发光太阳能聚光器（LSC）是一种利用光致发光材料将阳光转化为可被光伏电池捕获利用的装置。据发表在最新一期《能源光子学杂志》上的论文，日本立命馆大学研究人员提出了一种新型叶状LSC模型，可增强光子的收集和传输能力，大幅提高太阳能发电效率。

与依赖镜子和透镜的传统聚光器不同，LSC能够收集散射光，并已应用于光伏建筑一体化等领域，其半透明和多彩的特性还带来了美学效益。然而，在将LSC扩展到较大面积应用时，一个关键挑战是克服光在波导内的自吸收现象，以提高光子到达光伏电池的效率。

叶状LSC设计使用较小且相互连接的发光元件来解决扩展性问题。研究人员将发光板放置在中央发光光纤周围，且板的侧面朝向光纤。入射光子被发光板转换成聚光光子，然后穿过光纤，被光伏电池收集到光纤顶端。透明光导将多个光纤连接到单个光伏电池上，有效增加了LSC的入射面积，同时减少了由于自吸收和散射造成的光子损失。

这种模块化的LSC设计方法具有多个优势。研究发现，减小单个模块尺寸，如将方形叶状LSC的边长从50毫米减小到10毫米，可显著提高光子收集效率。模块化设计还便于更换损坏的单元。

为进一步提高系统效率，研究人员将传统平面LSC技术（如边缘镜和串联结构）融入叶状LSC设计中。实验表明，可使用单点激发技术，根据入射光的光谱和强度，对这些叶状结构的光学效率进行分析计算。

这种叶状的优化LSC为设计更灵活、更具可扩展性的太阳能系统提供了新解决方案，使其更高效，适用于更多用途。

（2024年8月19日 张佳欣 科技日报）

量子信息和传统数据实现

同一光纤传输

科技日报2024年8月20日报道，德国莱布尼兹大学光子研究所所长迈克尔·库士领导的团队，首次让量子信息和传统数据“搭乘”同一光纤通道成功传输。这意味着在理论上，未来的量子互联网可使用现有基础设施。相关论文7月26日发表于《科学进展》杂志。

目前，大多数关于构建量子互联网的研究都认为，需要为量子数据提供单独的基础设施或专用通道，以避免传统数据的干扰。但最新研究表明，以纠缠光子形式出现的量子数据和以激光脉冲形式发送的传统数据可共享相同的基础设施，为更有效地实现量子通信铺平了道路。

光纤电缆由细玻璃或塑料纤维组成，以红外光脉冲的形式，通过不同的颜色通道传输数据，每个颜色通道对应特定波长的光。研究人员此前证明，量子数据可通过标准光纤电缆传输。但纠缠光子的这种纠缠状态非常脆弱，很容易因为噪声或其他信号（例如共享同一光纤通道的其他数据）的干扰而出现退相干。退相干会使量子比特失去量子态，导致数据丢失。

为了应对这一挑战，库士团队使用电—光相位调制技术，来精确调整激光脉冲的频率，使其与纠缠光子的颜色相匹配。如此一来，量子数据和传统数据能够在相同的颜色通道中传输，而不会破坏纠缠光子所携带的量子信息。

研究人员表示，最新研究是将传统互联网与量子互联网相结合的重要一步，有助释放光纤电缆中的其他颜色通道，传输更多数据。

（2024年8月20日 刘霞 科技日报）

新型催化剂使葡萄糖

高效产果糖

科技日报2024年8月13日报道，从农业农村部环境保护科研监测所获悉，该所乡村环境建设创新团队开发了铝负载功能木质素生物聚合物催化剂（Alx-Lbp），实现了葡萄糖向果糖的高效催化异构化。相关研究论文日前发表于国际期刊《应用催化B：环境与能源》第353卷。

果糖作为甜度最高的天然单糖，被广泛应用于食品、日用化学产品和生物制药等领域。目前，工业上主要通过生物酶异构葡萄糖制备果糖，而利用化学催化法异构葡萄糖制备果糖仍处于研发阶段。

论文通讯作者、农业农村部环境保护科研监测所研究员郭海心告诉科技日报记者，科研人员利用机械化学法制备了Alx-Lbp，并将其用于化学催化法异构葡萄糖制备果糖。无须煅烧处理即可制备这一新型催化剂，大幅降低了制备成本。同时，该催化剂在葡萄糖异构过程中表现出优异的活性和良好的稳定性，果糖产率高达58.8%。

“具体来说，本研究采用了一种特殊的机械化学方法，利用过氧化氢和乙酸铝对碱木质素进行处理，成功合成了无须后续煅烧处理的Alx-Lbp。这种新型催化剂具有更强的亲水性和更低的表面能，在140摄氏度的乙醇环境中反应30分钟，能将葡萄糖高效地转化为果糖。值得一提的是，该催化剂还具有良好的可回收性，即使重复使用8次后，它仍能保持最初的催化活性。”郭海心说，该研究为破解工业上“非用酶异构葡萄糖产果糖不可”的现状提供了新思路。

（2024年8月13日 马爱平 科技日报）