小型激光设备创质子加速能量新纪录等

小型激光设备创质子加速能量新纪录

科技日报2024年5月14日报道，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心科学家在激光等离子体加速方面取得重大进展。他们采用一种创新方法，成功将质子能量从约80兆电子伏特提高到150兆电子伏特。这一成果大幅超越了此前的质子加速纪录，让小型激光设备首次获得迄今仅在更大型设施中才能获得的能量水平。最新研究有望促进医学和材料科学的发展。相关论文发表于13日出版的《自然·物理学》杂志。

与传统加速器相比，激光等离子体加速器并不依赖强大的无线电波推动粒子运动，而是利用激光加速粒子。但这项技术目前处于研究阶段，全球仅有几个超大型激光系统能够实现将质子加速到100兆电子伏特的能量水平。

研究负责人蒂姆·齐格勒表示，为了使用更小激光设备以及更短脉冲实现类似高加速器能量，他们利用了激光闪光这一特性，即一小部分激光就像“抢跑”一样，在特制的塑料箔内触发一系列复杂的加速机制。这极大地提升了名为DRACO的激光器的质子加速能量。

研究结果显示，DRACO激光器此前的质子加速能量纪录约为80兆电子伏特，现在能达到150兆电子伏特，几乎是原来的两倍。而且，加速的粒子束展现出高能且匀速运动的卓越特性。

研究团队认为，这一突破有望使小型激光等离子体加速器在医学领域发挥重要作用，特别是在精准肿瘤治疗方案方面。目前医生们主要依赖大型治疗加速器开展此类研究。现有的大型加速器耗电量巨大，而激光等离子体加速器可能更经济。激光闪光也可用来产生短而强的中子脉冲，这对科技发展以及材料分析都具有重要意义。

齐格勒表示，他们希望与其他实验室合作，更精确地控制加速，未来能够实现超过200兆电子伏特的质子加速能量。

（2024年5月14日 刘霞 科技日报）

硅芯片上可集成

最小量子光探测器

科技日报2024年5月17日报道，英国布里斯托大学的研究人员在扩展量子技术方面取得了重要突破。他们将世界上最小的量子光探测器集成到硅芯片上。相关研究发表在17日出版的《科学进步》杂志上。

规模化制造高性能电子和光子学硬件是实现下一代先进信息技术的基础。然而，如果没有真正可扩展的量子技术硬件制造工艺，量子技术带来的益处将无法得到完全呈现。

由于构建单台机器可能需要大量组件，因此能够大规模制造高性能量子硬件对于量子计算来说至关重要。为了实现这一目标，研究人员展示了一种量子光探测器。它是在一块电路面积为80微米乘220微米的芯片上实现的。

至关重要的是，小尺寸意味着量子光探测器可以更快，这是解锁高速量子通信和实现光量子计算机高速运行的关键。

研究人员解释说，这种类型的探测器被称为零差探测器。它们能在室温下工作，可用于量子通信、极其灵敏的传感器（比如最先进的引力波探测器），以及一些量子计算机中。

2021年，该团队展示了如何将光子芯片与单独的电子芯片连接起来，以提高量子光探测器的速度。现在，他们使用单一的电子－光子集成芯片，将速度提高了10倍，同时将面积减少到原来的五十分之一。

这些探测器速度快、体积小，同时没有丧失对量子噪声的灵敏度，依然能非常精确地测量量子。

研究人员说，下一步，将提高新探测器的效率，并在许多不同的应用中进行测试。

（2024年5月17日 张佳欣 科技日报）

欧洲火星任务拟用镅作为热源

科技日报2024年5月22日报道，欧洲空间局近日宣布，即将进行的“火星太空生物”火星任务将使用一种开创性的核能源——镅。其反应装置拟利用镅的放射性衰变产生热量来保持航天器温度。这也是航天器首次将镅用于加热装置。

利用放射性元素衰变产生热量的装置，称为放射性同位素加热器单元（RHU）。将RHU安装在航天器上，可以为航天器的各种部件和仪器提供可靠且持久的热源，使它们在寒冷的太空中保持温暖。这对于在外层空间或其他天体等极端寒冷环境下运行的任务尤其重要，在这些极端环境中，电加热器等传统加热方式可能无法运作。

欧洲空间局历来依赖美国或俄罗斯合作伙伴提供使用钚-238放射性衰变的RHU，但自2009年以来，该机构就在制定计划，制造放射性同位素加热器以及电池。欧洲空间局火星探测小组组长奥森·萨瑟兰指出，这种核加热装置能使航天器在火山口等阴影区域或夜间保持温暖，从而探索更广泛区域，延长任务寿命。

这次所用的RHU是世界上第一个使用镅-241（钚衰变副产品）的加热装置。尽管每克镅-241的功率低于同等质量的钚，但镅-241更丰富、更便宜。这意味着即使RHU需要更多同位素才能运行，其总体成本也可能更低。

制造镅RHU是“使用放射性同位素能量的欧洲设备（ENDURE）项目”的一部分。镅RHU将为着陆平台中的部件加热，而着陆平台会将“罗莎琳德·富兰克林”号火星车部署到火星表面。火星车配备了2米长的钻头，可以在火星表面向下深挖，寻找火星古代生命的痕迹。

（2024年5月22日 刘霞 科技日报）

新型黏合剂可防植入手术

形成疤痕

科技日报2024年5月23日报道，当人体内被植入像起搏器这样的医疗设备后，通常会引发免疫反应，导致植入物周围形成疤痕组织。纤维化的疤痕可能会干扰设备的功能。据22日发表在《自然》杂志上的一项研究，美国麻省理工学院工程师找到了一种简单通用的方法：在设备上涂一层水凝胶黏合剂，就可以避免纤维化，防止设备出现故障。这种方法不仅可用于起搏器，还可用于输送药物或进行细胞治疗的植入设备。

麻省理工学院研究人员表示，人们希望研发一种让免疫系统“看不见”的植入设备，同时还不妨碍其治疗或诊断功能。现在有了这种“隐形斗篷”，不需要额外药物，也不需要特殊聚合物材料。

所谓“隐形斗篷”由水凝胶制成，其中的交联聚合物是聚丙烯酸（一种吸收材料），能快速吸收湿组织中的水分。水被吸收后，嵌在聚丙烯酸中的NHS酯化学基团就会与组织表面的蛋白质形成牢固的键。这个过程只需大约5秒。

为测试这种黏合剂的效果，研究人员在一种聚氨酯设备上涂上黏合剂，将其植入大鼠的腹壁、结肠、胃、肺或心脏。几周后取出这些设备，发现没有明显的疤痕组织。用其他动物模型进行的实验也显示出同样效果：无论将涂有黏合剂的设备植入何处，在长达3个月的时间里都没有发生纤维化。

研究人员用RNA测序和荧光成像分析了动物的免疫反应，发现当第一次植入有黏合涂层的设备时，中性粒细胞等免疫细胞开始渗透到该区域，并发起攻击。然而在疤痕组织形成之前，免疫系统很快就“停火”了。其他实验表明，黏合剂和组织之间存在某种机械相互作用，可以阻止免疫系统的攻击。

（2024年5月23日 张佳欣 科技日报）

“电子蛛丝”可制成

无感传感器

科技日报2024年5月27日报道，受蜘蛛丝启发，英国剑桥大学研究人员开发出一种自适应且环保的传感器制作方法。这种纤维传感器直径约为人头发丝的50分之一，重量极轻。无论是手指或花瓣，都可以直接在其表面无感印刷。这种低能耗、低排放的增强型生物结构新方法，在医疗保健、虚拟现实、电子纺织品以及环境监测等多个领域具有广泛应用前景。研究结果发表在最新一期《自然·电子》杂志上。

制造可穿戴传感器的方法有多种，但这些方法都有局限性。受到蜘蛛丝启发，剑桥大学团队利用3D打印开发出一种制造高性能生物电子产品的新方法。

研究人员利用PEDOT∶PSS（一种生物相容的导电聚合物）、透明质酸和聚环氧乙烷，纺制出“电子蛛丝”。这种高性能纤维是在室温下从水基溶液中制造出来的，使研究人员能够控制纤维的“可纺性”。随后，他们设计了一种轨道纺丝方法，可将纤维转移到生物体表面，甚至是微观结构上。

在包括人类指纹和蒲公英蓬松冠毛种子头在内的表面上，研究人员进行的生物电子纤维测试表明，“电子蛛丝”提供了高质量传感器的性能。

与传统的高分辨率传感器相比，这些新传感器可以在任何地方制造，且耗能仅为普通传感器所需能量的一小部分。当这些可修复的生物电子纤维达到其使用寿命后，只需简单地清洗，产生的废物不到一毫克。相比之下，一次洗衣过程可能会产生600至1500毫克的纤维废物。

（2024年5月27日 张佳欣 科技日报）

新型生物抑菌剂可防治

“植物癌症”

科技日报2024年5月14日报道，从天津大学获悉，该校药学院高文远教授团队针对黄芪根腐病研发出一种新型生物抑菌剂。该抑菌剂不仅能抑制有“植物癌症”之称的根腐病，还能促进黄芪生长代谢。2024年4月15日，相关成果发表在国际期刊《化学工程杂志》上。

黄芪素有“补药之长”美誉，被《本草纲目》誉为药材上品。而由多种致病菌复合侵染引起的根腐病，极大影响了黄芪种植。研究表明，在低洼排水不良的地块，黄芪根腐病发病率为32％～41％，重病田达55％。

种植抗病品种、使用传统化学农药等方法，存在选育周期长、对环境和人体危害大等问题。因此，开发一种环境友好、性价比高的黄芪根腐病生物防治技术，对我国黄芪产业高质量发展具有重大意义。

针对黄芪根腐病问题，作为国家中药材产业技术体系岗位科学家的高文远与团队开发出一种新型生物抑菌剂。该抑菌剂不仅能作为抗真菌剂抑制根腐病，还能促进黄芪生长代谢。机理研究表明，这种新型抑菌剂可通过抑制尖孢镰刀菌生长基因、刺激黄芪产生抑菌成分、激活黄芪抗性基因等方式发挥抑菌作用，可作为传统农药的替代品，在植物保护中具有巨大的应用潜力。

“我们的新型抑菌剂与目前市售农药效果相当，但成本更低，也更加环保。”团队主要成员、天津大学药学院副教授王娟表示，“接下来，我们会进一步优化成本，并计划与天津大学对口支援的甘肃宕昌县黄芪基地开展合作，考察示范效果，实现推广应用。”

（2024年5月14日 陈曦 焦德芳 王欣睿 科技日报）

我国科学家发现银河系晕里存在巨大磁环

科技日报2024年5月14日报道，从中国科学院国家天文台获悉，通过分析银河系内的脉冲星和银河系外的射电源相关数据，该台科研人员发现银河系晕中有一个巨大的磁环。这为宇宙线粒子传播、星系气体动力学和宇宙磁场演化等研究领域提供了至关重要的观测结果。相关成果10日在线发表于《天体物理学杂志》。

宇宙磁场的起源和演化，是天体物理学中一个长期悬而未决的重大难题。世界各大射电望远镜都在发展和提升偏振测量能力，希望解决这一难题。其中的一项重要工作是测量银河系大尺度磁场结构。

中国科学院国家天文台研究员韩金林之前曾测量出银河系盘区存在一个大尺度磁场结构。但银晕磁环结构的大小和强度一直没有测出。

此次，科研人员创新性提出，将太阳附近的脉冲星法拉第旋转率测量值作为本地星际介质的贡献，从银河系外射电源法拉第效应的分布数值中扣除，从而得到巨大银晕的法拉第旋转效应分布。

韩金林介绍，他们利用收集的相关数据，发现银晕中的磁环从离银河系中心6000光年一直延伸到5万光年，太阳附近局部区域的星际介质也是这个巨大磁环的一部分。

（2024年5月14日 陆成宽 科技日报）

新算法实现人工智能

多模态信息“去伪存真”

科技日报2024年5月18日报道，从西安电子科技大学获悉，由该校计算机科学与技术学院教授赵伟领衔的智能媒体计算机团队，通过数据可信重建以及弱监督深度学习框架，破解了数据质量低及标注数据稀缺难题，进一步揭示了神经网络的决策机制，有效提升了现有可信人工智能方法的鲁棒性、可解释性和安全性。相关论文《可信冲突多模态学习算法》日前获国际人工智能领域顶级学术会议AAAI 2024杰出论文奖。

人工智能已经日益深入人们生活。在医疗、自动驾驶等复杂场景中，人工智能对决策任务的误判可能造成重大损失。传统可信人工智能多关注单模态数据，无法满足实际场景中多模态数据分析决策需求，单模态数据有限的信息量导致单模态智能可信度存在瓶颈。

为此，团队打破单模态数据思路，提出冲突多模态学习算法，并通过数据可信重建以及弱监督深度学习框架算法，实现了证据层面的冲突多模态数据可信融合。这能在提升人工智能决策性能的同时，可靠地度量决策置信度。此外，团队从理论上证明，该方法能够量化冲突模态带来的负面影响。这有利于解决当前研究面临的数据质量低、决策不可信等难题，为后续研究提供了重要的理论基础和技术支撑。

团队成员徐偲副教授解释，这种算法在给出置信度的同时，还会给出多模态数据的冲突度，实现了多模态信息的“去伪存真”。若置信度不高且冲突度较高时，人工智能的决策便明显不太可信。

（2024年5月18日 史俊斌 科技日报）

“防护衣”保障锂电池-79℃

低温环境高效放电

科技日报2024年5月23日报道，从清华大学获悉，该校化学工程系刘凯课题组摒弃传统电解液设计方式，研发出电场辅助超分子自组装层技术。该技术仿佛给锂电池穿上一个穿脱自如的智能防护衣，有望解决电动车冬季“趴窝”问题。相关研究成果日前发表在国际学术期刊《能源与环境科学》杂志上。

锂离子电池因寿命长、比容量大、无记忆效应等优点，在市场上有广泛应用。然而，其在低温下性能下降的问题一直未能彻底解决，导致冬天手机“冻”关机、电动车“趴窝”等现象时有发生。

论文第一作者、清华大学化学工程系博士后章伟立介绍，当电池需要工作时，“防护衣”会自动套在锂电池表面，形成一层致密的保护膜，不仅能防止电解液在高电压下分解，还能加速锂离子的传输，使电池在低温下也能高效工作。当电池不工作时，“防护衣”又能自动脱下，让电池恢复到常规状态。“在‘防护衣’作用下，锂金属电池在-79℃的低温条件下仍可高效放电。”他说。

此外，该技术还将大大提升无人机性能。无人机等电动航空器对电池高比能、高功率和安全性提出了更高要求，特别是在严寒低温环境下飞行时，容易出现电压骤降、飞行动力不足，甚至坠机等情况。造成这些问题的“罪魁祸首”是电解液。传统电解液低温下容易凝固，在电极之间的“穿梭”变得困难，特别是当锂离子从电解液到电极进行“跳跃”时阻力很大。

“电场辅助超分子自组装层技术通过在电极表面上‘穿衣’，可以作为跳板，辅助加速锂离子从电解液到电极的传递，从而提升锂电池在低温下的续航里程。实验数据表明，该技术使无人机在-40℃也能高效飞行。”刘凯表示，这一技术突破为寒冷地区的绿色出行和低空经济发展注入了新动力。

（2024年5月23日 姜靖 科技日报）