科技资讯 (2).pdf
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1、河南科技Henan Science and Technology科技资讯总第800期第6期2023年3月科学家首次观察到量子隧穿效应科技日报2023年3月1日报道,在经典物理世界中,从一座大山的这边穿到那边,只能消耗体力翻山越岭。但在量子物理世界里,有一种“穿墙术”存在,这就是量子隧穿效应。奥地利因斯布鲁克大学物理学家首次在实验中观察到了这种效应,这是有史以来观察到的最慢的带电粒子反应。相关研究论文2023年3月1日发表在 自然 杂志上。研究团队此次试图在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧穿效应。团队选择了氢来进行实验,他们将氘(氢的同位素)引入一个离子阱,使其冷却,然后用氢气填充离子阱。由于
2、温度非常低,带负电的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而,在极少数情况下,当两者发生碰撞时,确实会发生反应。这是由隧穿效应引起的。研究第一作者罗伯特怀尔德解释说,量子力学中,粒子具有波动性,这使其可以突破能量障碍并发生反应。“在实验中,我们给量子阱中可能发生的反应大约15分钟的时间,然后确定形成的氢离子数量。从它们的数量中,我们可以推断出反应发生的频率。”2018年,理论物理学家计算出,在这个系统中,每千亿次碰撞中只有一次发生量子隧穿。这与现在科学家测量的结果非常吻合,经过多年研究,研究人员首次证实了化学反应中隧穿效应的精确理论模型。在此基础上,研究人员可以开发出更简单的化学反应理论模
3、型,并已成功进行测试。隧穿效应可被用于扫描隧道显微镜和闪存中,也可用于解释原子核的阿尔法衰变,还可解释星际暗云中分子的一些天体化学合成。鉴于此,团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。(来源:科技日报)科学家发现世界首例光阴极量子材料西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者,发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料,其性能远超传统的光阴极材料,且无法为现有理论所解释,为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。2023年3月9日,相关研究成果以 一种钙钛矿氧化物上的反常强烈相干二次光电子发射 为题,在线发表于 自然。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为论文共同第一作者,西湖
4、大学理学院终身副教授何睿华为论文通讯作者。光阴极材料是当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。一直以来,它存在固有的性能缺陷所发射的电子束“相干性”太差,也就是,电子束的发射角太大,其中的电子运动速度不均一。这样的“初始”电子束要想满足尖端科技应用的要求,必须科技资讯2第6期依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性,而这些特殊工艺和辅助技术的引入极大地增加了“电子枪”系统的复杂度,提高了建造要求和成本。尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足的发展,它已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量
5、级上的提升,而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了,只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。何睿华团队意外在一个物理实验室中“常见”的量子材料“钛酸锶(SrTiO3)”上实现了突破。此前对钛酸锶为首的氧化物量子材料研究,主要是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究,但何睿华团队却通过一种强大的、但很少被应用于光阴极研究的实验手段角分辨光电子能谱技术,出乎意料地捕捉到这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力,它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能相干性,且无法为现有光电发射理论所解释。自然 论文匿名审稿人指出:“这一发现可能会导致光阴极技术发生范式转变,该技术长期以来一
6、直受困于(电子枪)电子束不能同时具有高相干性和高束流强度的矛盾,其根源就在于初始电子束的本征非相干性。”论文合作者、西湖大学理学院研究员郑昌喜认为,合作团队发现的重要性“不在于往钛酸锶的神奇性质列表增添了一个新的性质,而在于这个性质本身,它可能重启一个极其重要、被普遍认为已发展成熟的光阴极技术领域,改变许多早已根深蒂固的游戏规则”。(来源:中国科学报)我国科学家成功创制“光晶体管”纳米尺度的光电融合是未来高性能信息器件的重要发展路线。如何在纳米尺度对光进行精准操控是其中最关键的科学问题。利用极化激元是实现纳米尺度光操控的新思路。2023年2月10日,科学 报道了一项极化激元领域的重要进展。经过
7、十多年的不懈努力,国家纳米科学中心戴庆研究团队实现了极化激元的高效激发和长程传输。在此基础上,他们成功创制“光晶体管”,实现纳米尺度光正负折射调控,显著提升了纳米尺度光操控能力。光电融合是未来方向与电子相比,光子具有速度快、能耗低、容量高等诸多优势,在大幅提升信息处理能力方面被寄予厚望。因此,光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。“光电融合能够发挥光传输、电计算的优势,成为后摩尔时代的重要技术路线。”国家纳米科学中心研究员戴庆解释说。然而,由于光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限,和能轻易通过电学调控的电子相比,对光子的纳米尺度调控并不容易。极化激元是
8、一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式,也可以被认为是一种光子与物质耦合形成的准粒子。它具有优异的光场压缩能力,可以轻易突破光学衍射极限,从而实现纳米尺度上光信息的传输和处理。戴庆研究团队率先提出了利用极化激元作为光电互联媒介的新思路,充分发挥它对光的高压缩和易调控优势,不仅有望实现高效光电互联,还可以提供额外的信息处理能力,从而进一步提升光电融合系统的性能。在近期的研究中,戴庆研究团队成功给低对称极化激元拍了照,实现了低对称声子极化激元的实空间成像,证实了近场“轴色散”效应,揭示了一种新的在纳米尺度实现光子操控的可行路径。同时,他们还大幅提高了纳米尺度的光子精确操控水平,成功将1
9、0微米波长的红外光压缩成几十纳米波长的极化激元,并调控性能,实现平面内的能量聚焦和定向传播。对此,戴庆解释道:“光电互联是光电融合的重要基础,它相当于光电两条高速公路交汇的收费站,而构筑极化激元光电互联相当于将原来的收费站改造成立交桥,从而大幅增加传输通道和提升信息处理的速度。”证实一项非常规物理现象在前期研究的基础上,研究团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结,实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。在戴庆看来,这项研究充分发挥了不同材料的纳米光子学特性,突破了传统结构光学方案在波河南科技科技资讯第6期3段、损耗、压缩和调控等多个方面的性能瓶颈。“相比人工
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