科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用等离子技术实现水净化技术的变革

科学家利用等离子技术实现水净化技术的变革 等离子体是科技界一场名副其实的革命。以前，要在手机等电子设备使用的硅板上雕刻电路，必须使用污染环境的化学产品。现在，使用等离子体可以更干净、更精确地完成这项工作，而且可以使缝隙越来越小，设备也随之越来越小。但等离子体也有其他应用，例如水处理。科尔多瓦大学的 FQM-136 等离子体物理学小组和 FQM-346 有机催化和纳米结构材料小组合作开展了一项研究，目的是通过应用等离子体促进化学过程来消除水中的污染物。为了解决水体中有机污染物日益增多的问题，例如水体中的染料和其他来自农业和工业活动的化合物会破坏生态系统的稳定，这些研究人员选择了等离子体的应用。研究人员弗朗西斯科-罗梅罗（Francisco J. Romero）、胡安-阿马罗（Juan Amaro）和玛丽亚-加西亚（Maria C García）。资料来源：科尔多瓦大学水净化方面的突破2017 年，研究团队首次证明，由向空气开放的微波诱导的氩等离子体在作用于水时，会在水中产生含氧和氮的活性物种（如羟基自由基、过氧化氢、氮自由基），能够消除水的污染。现在，研究人员胡安-阿马罗-加赫特、弗朗西斯科-J-罗梅罗-萨尔盖罗和玛丽亚-C-加西亚已经成功设计出了这种等离子体的反应器，并大大增加了水中产生的这些活性物质的数量，从而可以在短短几分钟内破坏高浓度染料（这里指亚甲基蓝）。这是通过改变 surfatron 的设计实现的，这种金属装置将微波发生器的能量与等离子体混合，以维持等离子体。玛丽亚-加西亚教授解释说："我们所做的是在石英放电管中放入一小块硅，这样就能产生不同的等离子体，这种等离子体不是丝状的，在与水作用时能更有效地产生活性物种。上述等离子体成分在与水作用时能产生氧化物种，从而降解有机化合物和杀死微生物，这使得该等离子体反应器可用于与水修复相关的应用中。"因此，这种新配置扩大了这类等离子体的适用范围。加西亚教授解释说："这种设计完全改变了表面加速器产生电磁场以产生等离子体的配置，从而使等离子体具有不同的、更有效的特性，同时也消除了破坏等离子体稳定性的丝状化问题（等离子体柱分成许多丝状）。"等离子去污的未来Francisco J. Romero 教授继续说道："在等离子体作用下产生的氧化物具有很强的反应性，可以破坏水中的有机物。要做到这一点，等离子体并不是被引入水中。相反，等离子体是远程作用的，因此在水和等离子体之间有一个空气区，在这个空气区中，由于受激物种与氧气、氮气和水蒸气分子之间的碰撞，发生了许多反应，并产生了扩散到液体中并最终与污染物结合的活性物种"。研究员胡安-阿马罗说："这种新型设计产生的等离子体的去污潜力已经过测试，可以减少水中高浓度的亚甲基蓝染料，在能量方面取得了非常高效的结果，在缩短处理时间的情况下实现了染料的完全消除。"等离子体是一种"第四物质状态"，通过向稳定的气体提供能量并将其转化为电离气体而产生，它几乎适用于所有领域：制造微型芯片、表面消毒、伤口愈合、在眼镜上沉积防反射涂层、提高种子发芽率、回收废物、活化塑料表面以提高涂料附着力，以及无数其他应用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现世界上最难以捉摸的鲸鱼的惊人行为

科学家发现世界上最难以捉摸的鲸鱼的惊人行为 最近的研究颠覆了人们对贝尔德喙鲸的传统看法，发现其种群在指挥官群岛附近的沿海浅水区繁衍生息。这种适应性突显了了解鲸鱼物种的不同行为和栖息地对有效保护工作的重要性。资料来源：Olga Filatova，南丹麦大学哺乳动物最深下潜记录的保持者是库维尔喙鲸，2014 年测量到它至少下潜了 2992 米。喙鲸还保持着哺乳动物最长潜水时间的纪录：222 分钟。现在，通过对一个贝尔德喙鲸种群的科学研究，全世界对遥远的喙鲸世界有了一个新的、令人惊讶的认识。这个种群被意外地发现在海岸附近，并且位于比以前观察到的更浅的水域中。这项研究由南丹麦大学/峡湾与贝尔特分校的鲸鱼生物学家奥尔加-菲拉托娃（Olga Filatova）和伊万-费杜丁（Ivan Fedutin）领导，论文发表在《动物行为》（Animal Behaviour）杂志上。两位研究人员多年来一直在北太平洋进行鲸鱼研究，2008 年在指挥官群岛考察期间，他们第一次在海岸附近看到一群贝氏喙鲸。"我们在那里是为了寻找虎鲸和座头鲸，所以我们只是注意到我们看到了一群贝氏喙鲸，并没有采取什么行动。但在接下来的几年里，我们也看到了它们，五年后，我们怀疑这是一个经常光顾同一区域的稳定群落。"南丹麦大学生物系和 SDU 气候群组的鲸鱼专家、博士后奥尔加-菲拉托娃（Olga Filatova）解释说："我们每年都能看到它们，直到 2020 年，COVID-19 阻止了我们回到指挥官群岛。"指挥官群岛附近的一条贝尔德喙鲸。可以看到下颌有两颗牙齿。身体上布满了与其它喙鲸搏斗留下的伤疤。图片来源：Olga Filatova，南丹麦大学。沿海栖息地和鲸鱼行为所研究的贝氏喙鲸种群靠近海岸距离陆地四公里以内，它们在浅水中被观察到，水深不到 300 米。奥尔加-菲拉托娃说："这对这一物种来说是不寻常的。这一种群很可能已经适应了这一特殊的栖息地，因此偏离了所有喙鲸都在远海和深海遨游的既定观念。这意味着不能指望一个特定物种中的所有个体都有相同的行为方式。这就给制定物种保护计划带来了困难例如，在这种情况下不能假设喙鲸只生活在深海远处而制定计划。我们已经证明，它们也可以生活在浅海和沿海水域。可能还有我们尚未意识到的其他不同栖息地。"有许多例子表明，同一鲸种的个体行为并不相同。在鲸的世界里，经常可以看到同一物种的群体生活在不同的地方，吃不同的猎物，交流方式也不同，而且不喜欢与其他群体的同类打交道。指挥官群岛的贝尔德喙鲸。资料来源：Olga Filatova，南丹麦大学有些虎鲸群只捕食海豹和鼠海豚等海洋哺乳动物，有些则只捕食鲱鱼。有些座头鲸在热带和北极之间洄游，有些则在某些地区栖息。有些抹香鲸群体发展出自己的方言，用于内部交流，不喜欢与群体外的其他鲸鱼交流。奥尔加-菲拉托娃认为，当群体对栖息地和猎物等产生偏好时，社会学习就在发挥作用。动物世界的社会学习有多种形式。模仿是最复杂的形式；动物看到别人做什么，就会理解背后的动机和原因。还有一种是"局部强化"，即动物看到另一种动物前往一个特定的地方，就会跟着去，从而了解到这个地方是有价值的。许多动物都有这种现象，包括鱼类。喙鲸的文化传统奥尔加-菲拉托娃认为，指挥官群岛上的贝氏喙鲸种群是通过"本地强化"来学习的：它们看到一些同伴来到海岸附近的浅水区，跟在后面，发现那里是个好地方，可能是因为那里有很多鱼。这成为了一种文化传统，这也是第一次在喙鲸中观察到这种文化传统。鲸鱼文化传统的其他例子还包括鲸鱼形成特定的捕猎传统：有的鲸鱼用尾巴拍晕鱼群，有的鲸鱼掀起波浪将海豹冲下浮冰，还有的鲸鱼追着鱼群跑到沙滩上。从 2008 年到 2019 年，研究人员在指挥官群岛共观察到 186 头贝尔德喙鲸。其中 107 只被观察到一次，因此被评估为暂居鲸。79头被发现超过一年，因此被评估为居留鲸。有 61 头短暂停留的鲸鱼被看到与居民互动，其中 7 头是在浅水区被看到的。"暂居鲸不像居民那样熟悉当地情况，因此，它们通常会在其物种的正常深度寻找食物。但实际上，我们在浅水区观察到了一些暂居者。这些个体与居民有某种形式的社会接触。"奥尔加-菲拉托娃说："一定是在这种接触中，它们了解了浅水区及其优势。"目前还不清楚世界上有多少头贝尔德喙鲸。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物

环保技术新突破：科学家利用植物纤维素制成新型聚合物 科学家们设计出了一种利用纤维素生产可回收且稳定的聚合物的方法，为传统塑料提供了一种可持续的替代品。这一研究成果为生产环保材料提供了新的可能性。上图为本研究开发的新型可回收聚合物制成的透明薄膜。资料来源：Feng Li他们开发出了一种方便、多用途的方法，利用从植物纤维素中提取的化学物质制造各种聚合物；最重要的是，这些聚合物可以完全回收利用。该方法发表在《ACS Macro Letters》杂志上。纤维素是植物生物质中最丰富的成分之一，是所有植物细胞周围坚韧细胞壁的关键部分。纤维素很容易从稻草和锯末等植物废料中获取，因此，将纤维素用作聚合物生产的原料不会减少用于粮食生产的农业用地。纤维素是一种长链多糖聚合物，即由多个糖基（特别是葡萄糖）通过化学键连接而成。为了制造新型聚合物，北海道研究小组使用了两种市售的小分子，即由纤维素制成的左旋葡糖烯酮（LGO）和二氢左旋葡糖烯酮（Cyrene）。他们开发了新颖的化学工艺，将 LGO 和 Cyrene 转化为各种非天然多糖聚合物。通过改变聚合物的精确化学结构，可以生成不同的材料，用于各种可能的应用。"我们面临的最大挑战是控制将较小单体分子连接在一起的聚合反应，以及获得对普通应用足够稳定的多糖材料，同时还能在特定化学条件下被分解和回收。"左起研究小组的佐藤俊文、水上雄太、李锋和矶野拓也。图片来源：李锋李补充说，研究过程中最大的惊喜是他们制作的聚合物薄膜具有很高的透明度，这对于这些聚合物似乎最适合的专业应用来说可能至关重要。另一位通讯作者 Toshifumi Satoh 教授补充说：由于这些材料相当坚硬，可能难以用作塑料袋等柔性塑料材料，因此我认为它们更适合用作光学、电子和生物医学应用领域的高性能材料。世界各地的其他研究小组也在探索用植物制造塑料替代聚合物的潜力，其中一些"生物塑料"已经可以在市场上买到，但佐藤的研究小组为这一快速发展的领域增添了一个重要的新机会。研究小组现在计划探索更多的可能性，但可行的结构变化非常多，因此他们希望与计算化学、人工智能和自动合成方面的专家联手探索这些选择。"我们希望这项工作能开发出多种有用的非天然多糖聚合物，使其成为从生物质到高效回收的可持续合成闭环的一部分。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用CRISPR改变甘蔗叶片角度 使其变成超级作物

科学家利用CRISPR改变甘蔗叶片角度 使其变成超级作物 甘蔗是全球生物质产量最高的作物，占全球糖产量的 80% 和生物燃料产量的 40%。其巨大的体积和对水和光的最佳利用，使其成为生产创新型可再生生物产品和生物燃料的理想来源。然而，甘蔗作为Saccharum officinarum和Saccharum spontaneum 的杂交种，其基因组是所有作物中最复杂的。这种复杂性意味着通过传统育种方法改良甘蔗具有挑战性。正因为如此，研究人员转而使用基因编辑工具，如 CRISPR/Cas9 系统，来精确地针对甘蔗基因组进行改良。埃莉诺-布兰特（Eleanor Brant）收集叶片样本，用于基因编辑甘蔗的分子分析。图片来源：Charles Keato佛罗里达大学先进生物能源和生物产品创新中心（CABBI）的一个研究小组在《植物生物技术期刊》上发表的新论文中，利用这种遗传复杂性的优势，使用 CRISPR/Cas9 系统对甘蔗的叶片角度进行了微调。这些基因调整使甘蔗能够捕捉到更多的阳光，从而增加了生物质的产量。这项工作支持能源部资助的 CABBI 生物能源研究中心的"植物即工厂"方法及其原料生产研究的主要目标直接在甘蔗等植物的茎中合成生物燃料、生物产品和高价值分子。甘蔗基因组的复杂性部分归因于其高度冗余性：它的每个基因都有多个拷贝。因此，甘蔗植株表现出的表型通常取决于某个基因多个拷贝的累积表达。CRISPR/Cas9 系统非常适合完成这项任务，因为它可以一次性编辑一个基因的几个或多个拷贝。Baskaran Kannan 在田间评估基因编辑甘蔗。图片来源：Uzair Khan这项研究的重点是LIGULELESS1（即LG1），该基因在决定甘蔗叶片角度方面发挥着重要作用。叶片角度反过来又决定了植物能捕获多少光，而这对生物量的生产至关重要。由于甘蔗的高度冗余基因组包含 40 个LG1 基因拷贝，研究人员能够通过编辑不同数量的LG1基因拷贝对叶片角度进行微调，从而根据编辑LG1基因拷贝的数量产生略微不同的叶片角度。"在一些经过LG1编辑的甘蔗中，我们只是突变了几个拷贝，"研究小组负责人、佛罗里达大学农学教授 Fredy Altpeter 说。"通过这样做，我们能够调整叶片结构，直到找到能提高生物量产量的最佳角度"。实地试验结果及对未来的影响当研究人员在田间试验中种植甘蔗时，他们发现直立的叶片表型可以让更多的光线穿透冠层，从而提高了生物量产量。其中一个甘蔗品系的LG1拷贝数约为12%，叶片倾斜角度减少了56%，干生物量产量却增加了18%。通过优化甘蔗以捕捉更多光照，这些基因编辑可以提高生物量产量，而无需在田间添加更多肥料。除此之外，加深对复杂遗传学和基因组编辑的理解，有助于研究人员改进作物改良方法。Altpeter说："这是第一篇描述CRISPR编辑甘蔗田间试验的同行评审出版物。这项工作也为编辑多倍体作物基因组提供了独特的机会，研究人员可以对特定性状进行微调。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发明新型半导体激发技术

科学家发明新型半导体激发技术 横滨国立大学的科学家和加州理工学院的同事利用高强度、宽频带的超快太赫兹脉冲，在一种二维半导体材料中实现了原子激发，推动了电子设备的发展。他们的论文于 3 月 19 日发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志上，并作为编辑推荐文章。二维（2D）材料或片状纳米材料因其独特的电子特性而成为未来半导体应用的理想平台。过渡金属二掺杂物（TMDs）是二维材料中的一个重要类别，由夹在掺杂物原子层之间的过渡金属原子层组成。这些原子以晶格结构排列，可以围绕其平衡位置振动或振荡这种集体激发被称为相干声子，在决定和控制材料特性方面起着至关重要的作用。声波诱导技术的创新传统上，相干声子由可见光和近红外区域的超短脉冲激光器诱导。使用其他光源的方法仍然有限。横滨国立大学工程科学研究生院助理教授、该研究的第一作者 Satoshi Kusaba 说："我们的研究解决了超快太赫兹频率激光器（或低能光子）如何在 TMD 材料中诱导相干声子这一基本问题。"WSe2 中声子的超快宽带太赫兹激发和偏振旋转探测示意图。获得的结果（右下）包括通过和频过程激发的相干声子振荡信号（右上）。资料来源：Satoshi Kusaba / 横滨国立大学太赫兹辐射是指频率在太赫兹范围内的电磁波，介于微波和红外频率之间。研究小组制备了超快宽带太赫兹脉冲，以诱导一种名为WSe2 的 TMD 薄膜中的相干声子动力学。为检测光学各向异性（换句话说，即光在穿过材料时的表现），研究人员安排了一套精确而灵敏的装置。研究人员研究了超短激光脉冲与材料相互作用时电场方向的变化；这些变化被称为偏振旋转。通过仔细观察微小的诱导光学各向异性，研究小组成功地探测到了太赫兹脉冲诱导的声子信号。"我们的研究最重要的发现是，太赫兹激发可以通过一个独特的和频激发过程在TMD中诱导相干声子，"研究时的加州理工学院博士生、本研究的共同第一作者Haw-Wei Lin说。"这种机制与共振和线性吸收过程有着本质区别，它涉及两个太赫兹光子的能量总和与声子模式的能量总和相匹配"。由于通过这种和频过程可以激发的声子模式的对称性完全不同于更典型的共振线性过程，因此本研究中成功使用的激发过程对于完全控制材料中的原子运动非常重要。这项研究成果的意义超出了基础研究的范畴，有望在现实世界中得到广泛应用。"通过和频激发过程，我们可以利用太赫兹激发相干地控制二维原子位置，"Kusaba说。"这可能为控制 TMD 的电子状态打开大门，这对于开发谷电技术和使用 TMD 的电子设备，实现低功耗、高速计算和专用光源，是大有可为的"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：