麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像

麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像 麻省理工学院的物理学家首次捕捉到了"第二声音"的直接图像，即在超流体中来回晃动的热量运动。这些成果将拓展科学家对超导体和中子星中热流的理解。资料来源：Jose-Luis Olivares，麻省理工学院麻省理工学院的秒声可视化技术为理解超流体中热量的波状行为及其对各种物质状态的影响开辟了新的道路，拓展了科学家对超导体和中子星中热流的理解。新图像揭示了热量如何像波浪一样来回"晃动"，即使材料的物理物质可能以完全不同的方式运动。这些图像捕捉到了热量的纯粹运动，与材料的粒子无关。"这就好比你有一缸水，让其中一半几乎沸腾，"助理教授理查德-弗莱彻打了个比方。"如果你接着观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边热了，然后另一边又热了，热量来回流动，而水看起来完全静止。"在托马斯-弗兰克物理学教授马丁-茨维尔莱因（Martin Zwierlein）的领导下，研究小组将超流体中的秒声进行了可视化。超流体是一种特殊的物质状态，当一团原子被冷却到极低的温度时就会产生超流体，此时原子开始像完全无摩擦的流体一样流动。在这种超流体状态下，理论家们预测热量也应该像波浪一样流动，不过科学家们直到现在才能够直接观察到这种现象。简单动画中描述的第一种声音是密度波形式的普通声音，其中正常流体和超流体一起振荡。图片来源：研究人员提供第二种声音是热量的运动，超流体和普通流体相互"撞击"，同时保持密度不变。图片来源：研究人员提供最近在《科学》杂志上发表的这项新成果将帮助物理学家更全面地了解热量是如何在超流体和其他相关材料（包括超导体和中子星）中流动的。"我们这团比空气稀薄一百万倍的气体与高温超导体中电子的行为，甚至是超密集中子星中的中子的行为之间存在着紧密的联系，"Zwierlein 说。"现在，我们可以纯粹地探测我们系统的温度响应，这让我们了解到一些很难理解甚至很难触及的东西。"Zwierlein和Fletcher在这项研究中的合作作者包括第一作者、前物理学研究生颜振杰、前物理学研究生Parth Patel和Biswaroop Mukherjee，以及澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的Chris Vale。麻省理工学院的研究人员是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心（CUA）的成员。当原子云被降到接近绝对零度的温度时，它们会转变为罕见的物质状态。Zwierlein 在麻省理工学院的研究小组正在探索超冷原子之间出现的奇异现象，特别是费米子通常相互避开的粒子，如电子。然而，在某些条件下，费米子可以发生强烈的相互作用并配对。在这种耦合状态下，费米子可以以非常规的方式流动。在最新的实验中，研究小组采用了费米子锂-6 原子，将其困住并冷却至纳开尔文温度。1938年，物理学家拉斯洛-蒂萨（László Tisza）提出了超流体的双流体模型超流体实际上是某种正常粘性流体和无摩擦超流体的混合物。这种两种流体的混合物可以产生两种类型的声音，即普通密度波和特殊温度波，物理学家列夫-朗道后来将其命名为"第二声音"。由于流体在某个临界超冷温度下会转变为超流体，麻省理工学院的研究小组推断，这两种流体的热量传输方式也应该不同：在普通流体中，热量应该像往常一样散失，而在超流体中，热量可以像波一样移动，类似于声音。Zwierlein说："秒声是超流性的标志，但在超冷气体中，迄今为止你只能在密度涟漪的微弱反射中看到它，而热浪的特征以前一直无法证实"。团队试图分离并观察第二种声音，即热的波状运动，与超流体中费米子的物理运动无关。为此，他们开发了一种新的热成像方法一种热映射技术。在传统材料中，人们会使用红外线传感器对热源进行成像。但在超低温下，气体不会发出红外线辐射。相反，研究小组利用射频来"观察"热量如何在超流体中移动。他们发现，锂-6费米子会根据不同的温度产生不同的射频共振：当云的温度较高，携带的正常液体较多时，共振频率较高。云中温度较低的区域共振频率较低。研究人员使用较高的共振无线电频率，促使液体中任何正常、"热"的费米子响应响铃。随后，研究人员就能锁定共振费米子，并随着时间的推移追踪它们，从而制作出"电影"，揭示热的纯粹运动类似于声波的来回晃动。Zwierlein说："我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照，并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"这些实验标志着科学家们首次能够直接对超流体量子气体中的秒声和纯热运动进行成像。研究人员计划扩展他们的工作，以更精确地绘制热在其他超冷气体中的行为。研究成果可以推广到预测热量如何在其他强相互作用的材料中流动，比如在高温超导体和中子星中，精确测量这些系统的导热性，并希望了解和设计出更好的系统。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动 2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了 X 射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片： 为了记录 X 射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约 1 厘米宽的液态水薄片，作为 X 射线光束的目标。图片来源：Emily Nienhuis | 太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得 2023 年诺贝尔物理学奖的新科学阿秒物理学为基础。阿秒 X 射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（Ago Marinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（James Cryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右： SLAC 的 David J. Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的 Kai Li、西北太平洋国家实验室 IDREAM 主任 Carolyn Pearce、SLAC 的 Ming-Fu Lin 和 ANL 的 Shuai Li。图片来源：Carolyn Pearce | 太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术液体中的全 X 射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被 X 射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL 的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC 的 X 射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在 2021 年至 2022 年全球大流行期间，PNNL 团队利用在 SLAC 开发的技术，在 X 射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL 的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（Emily Nienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦 X 射线。这种能力是在 LCLS 开发出来的。在 PNNL，Nienhuis 演示了这种技术也可用于研究 IDREAM EFRC 核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到 X 射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释 X 射线信号的知识，再现了在 SLAC 观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（Robin Santra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的 Hyak 超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学 Larry R. Dalton 化学讲座教授、PNNL 实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后Shuai Li在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（Gilles Doumy）和芝加哥大学的研究生李凯（Kai Li）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程 日本冈山大学教授沈建仁等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。研究报告发表在本周出版的《》期刊上。光合作用是指植物和藻类利用阳光分解水和二氧化碳、产生能量和氧气的反应。名为“光系统Ⅱ”的约 20 个蛋白质与叶绿素组成的复合体吸收光能，从水分子中分离电子和氢离子，形成氧气分子的过程是光合作用的开始。研究团队此前捕捉到水分子被光系统Ⅱ吸收之后的情形，但不知道这一过程中发生了什么。研究团队在 X 射线激光设施“SACLA”中，利用持续数十飞秒(1 秒的 1000 万亿分之一)的 X 射线进行闪光拍摄，捕捉到了光系统Ⅱ蛋白质的快速活动。用可见光照射蛋白质，在促进反应的同时，通过 X 射线照射分析了吸收水分子后立体结构发生变化的情形。 沈教授表示，今后将对光系统Ⅱ的最后一步，也就是出现氧分子的过程进行分析。如果能解析植物的光合作用，并应用其原理，或有望实现人工光合作用。来源 ， 图：圆形的大型放射光设施“SPring-8”和直线型的X射线自由电子激光设施“SACLA” 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹

科学家捕捉到光驱动聚合物的蛛丝马迹 高速原子力显微镜与激光照射系统相结合，用于原位实时观察偶氮聚合物的变形过程。资料来源：大阪大学偶氮聚合物是一种光活性材料，这意味着当光线照射到它们时，它们会发生变化。具体来说，光线会改变它们的化学结构，从而改变薄膜的表面。这使得它们在光学数据存储和提供光触发运动等应用中颇具吸引力。能够在捕捉图像的同时用聚焦激光引发这些变化被称为原位测量。"通常，研究聚合物薄膜的变化时，需要对其进行处理，例如用光照射，然后进行测量或观察。然而，这只能提供有限的信息，"该研究的第一作者 Keishi Yang 解释说。"使用高速原子力显微镜（HS-AFM）装置，包括一台带激光器的倒置光学显微镜，使我们能够触发偶氮聚合物薄膜的变化，同时以高时空分辨率对其进行实时观测。"(a）与激光辐照系统集成的高速原子力显微镜概述 b）偶氮聚合物变形的高速原子力显微镜图像。资料来源：美国化学学会高速原子力显微镜测量能够以每秒两帧的速度跟踪聚合物薄膜表面的动态变化。研究还发现，所使用的偏振光的方向会对最终的表面图案产生影响。利用原位方法进行的进一步研究有望深入了解光驱动偶氮聚合物变形的机理，从而最大限度地发挥这些材料的潜力。该研究的资深作者 Takayuki Umakoshi 说："我们已经展示了观察聚合物薄膜形变的技术。不过，在此过程中，我们展示了将尖端扫描 HS-AFM 和激光源结合起来，用于材料科学和物理化学的潜力"。对光有反应的材料和过程在化学和生物学的多个领域都很重要，包括传感、成像和纳米医学。原位技术为加深理解和最大限度地发挥潜力提供了机会，因此有望应用于各种光学设备。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家捕捉到狮子在鳄鱼出没的水域中游泳的惊险场面

科学家捕捉到狮子在鳄鱼出没的水域中游泳的惊险场面 格里菲斯大学（Griffith University）和北亚利桑那大学（Northern Arizona University）共同领导的一项研究记录了两只狮子兄弟游过掠食者出没的非洲河流的惊人行为。格里菲斯行星健康与食品安全中心的亚历山大-布拉茨科夫斯基（Alexander Braczkowski）博士带领一个团队，利用无人机上的高清热探测摄像机，拍摄了两头雄狮在夜间穿越乌干达卡津加海峡（Kazinga Channel）的情景。这项工作是在乌干达野生动物管理局的监督下完成的。这对狮兄的另一半是当地一位 10 岁的偶像雅各布，他因在多次危及生命的事件中幸存下来而出名，其中一次还截去了一条腿。"雅各布经历了最不可思议的旅程，他真的是一只拥有九条命的猫，"布拉茨科夫斯基医生说。狮子雅各布图片来源：Alexander Braczkowski"我敢用我所有的财产打赌，我们现在看到的是非洲生命力最顽强的狮子：它曾被水牛咬过，它的家人因人类盗猎而被毒死，它还曾被偷猎者的陷阱套住，最后在另一次偷猎未遂事件中被铁夹子夹住以至于失去了一条腿。""我们的科学研究表明，在短短 5 年时间里，这个种群的数量减少了近一半。"他游过了一条布满河马和鳄鱼的水道，改写了之前的观察记录，在如此危险的情况下表现出了惊人的韧性。"据报道，非洲狮以前的游泳距离从 10 米到几百米不等，其中有几次被记录到遭遇鳄鱼攻击致死。这次游泳引发了一个关键问题：雅各布和提布当初为什么要冒险进行长达一公里的危险夜泳？Braczkowski 博士解释说："兄弟俩很可能在寻找雌性。公园里争夺雌狮的竞争非常激烈，在游泳前的几个小时里，它们在争夺雌狮的争斗中败下阵来，因此，这两只雌狮很可能是为了接近河对岸的雌狮才进行了这次冒险之旅。"雅各布和提布。图片来源：Alexander Braczkowski"实际上，有一座小桥连接到对岸，但人的存在可能是对他们的一种威慑。"Braczkowski 博士一直在伊丽莎白女王国家公园和乌干达其他几个国家公园对非洲狮和其他食肉动物进行长期研究。他目前是火山探险合作信托基金基扬布拉狮子项目的科学主任，自2017年以来一直与乌干达政府合作，在野生动物部门建立普查狮子和其他食肉动物的科学能力。这一行为观察结果直接反映了他之前的一些研究，这些研究强调了狮子种群的性别比例失调。布拉茨科夫斯基博士说："雅各布和提布的大游泳是另一个重要的例子，说明我们最喜爱的一些野生动物不得不做出艰难的决定，以便在人类主导的世界中找到家园和配偶。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

不是科幻小说：哈佛科学家们开发出了一种可编程响应的元流体

不是科幻小说：哈佛科学家们开发出了一种可编程响应的元流体 这种元流体可用于各种领域，从用于机器人编程的液压致动器，到可根据撞击强度消散能量的智能减震器，再到可从透明过渡到不透明的光学设备。这项研究发表在《自然》杂志上。SEAS材料科学与机械工程副研究员、论文第一作者Adel Djellouli说："我们对这种新型流体的可能性还只是肤浅的了解。有了这个平台，你可以在许多不同的领域做许多不同的事情。"超流体与固体超材料超材料其特性由结构而非成分决定的人造材料多年来已被广泛应用于各种领域。但是，大多数材料如东南欧科学院应用物理学罗伯特-L-华莱士教授兼电气工程文顿-海斯高级研究员费德里科-卡帕索实验室首创的金属透镜都是固体。元流体下方显示哈佛标志的可调谐光学元件。资料来源：哈佛大学科学与工程学院"与固体超材料不同，超流体具有独特的流动能力，能够适应其容器的形状，"SEAS应用力学威廉和阿米-宽-达诺夫（William and Ami Kuan Danoff）教授、论文资深作者卡蒂娅-贝尔托迪（Katia Bertoldi）说。"我们的目标是创造出一种元流体，它不仅拥有这些非凡的特性，还能为可编程粘度、可压缩性和光学特性提供一个平台。"研究小组利用 SEAS 的马林克罗特物理学和应用物理学教授 David A. Weitz 实验室开发的一种高度可扩展的制造技术，制造出了数十万个这种充满空气的高变形球形胶囊，并将它们悬浮在硅油中。当液体内部的压力增大时，胶囊就会塌陷，形成一个透镜状的半球。当压力消失时，胶囊又会弹回球形。元流体的特性和应用这种转变会改变液体的许多特性，包括粘度和不透明度。这些特性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和大小来调整。研究人员通过将元流体装入液压机器人抓手，让抓手抓起一个玻璃瓶、一个鸡蛋和一颗蓝莓，展示了液体的可编程性。在由简单空气或水驱动的传统液压系统中，机器人需要某种传感或外部控制才能调整抓取力，在不压碎所有三个物体的情况下将其抓起。但有了元流体，就不需要传感了。液体本身会对不同的压力做出反应，改变其顺应性，从而调整抓手的力度，使其能够抓起沉重的瓶子、精致的鸡蛋和小蓝莓，而且无需额外编程。Djellouli说："我们的研究表明，我们可以利用这种流体为一个简单的机器人赋予智能。"研究小组还展示了一种流体逻辑门，通过改变元流体就能重新编程。光学特性和流体状态当压力发生变化时，元流体的光学特性也会发生变化。当胶囊呈圆形时，它们会散射光线，使液体变得不透明，就像气泡使充气的水呈现白色一样。但当施加压力，胶囊塌陷时，它们就会像微透镜一样聚焦光线，使液体变得透明。这些光学特性可用于一系列应用，例如根据压力改变颜色的电子墨水。研究人员还发现，当胶囊呈球形时，元流体的表现就像牛顿流体，这意味着它的粘度只会随着温度的变化而变化。然而，当胶囊塌陷时，悬浮液就会转变为非牛顿流体，这意味着它的粘度会随着剪切力的变化而变化剪切力越大，流动性越强。这是第一种能在牛顿和非牛顿状态之间转换的元流体。接下来，研究人员将探索元流体的声学和热力学特性。Bertoldi 说："这些可扩展、易生产的元流体应用空间巨大。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：