哈佛大学研制出大尺寸玻璃金属膜 用于捕捉天体的高分辨率图像

哈佛大学研制出大尺寸玻璃金属膜 用于捕捉天体的高分辨率图像 哈佛大学的科学家们利用先进的纳米制造技术，创造出一种突破性的 10 厘米玻璃金属膜，用于捕捉天体的高分辨率图像。这种适合大规模生产的大型金属膜为空间科学和电信领域带来了新的可能性，其成像性能可与传统镜头媲美。上图是 metalens 从马萨诸塞州剑桥市一栋大楼的屋顶拍摄的月球图像。图片来源：Capasso 实验室/哈佛 SEAS这项研究最近发表在《ACS Nano》杂志上。纳米加工技术的突破"利用最先进的半导体代工工艺在一个前所未有的大平面透镜上精确控制数百亿纳米柱尺寸的能力是一项纳米制造壮举，它为空间科学和技术带来了令人兴奋的新机遇，"SEAS应用物理学罗伯特-L-华莱士（Robert L. Wallace）教授兼电气工程文顿-海斯（Vinton Hayes）高级研究员、该论文的资深作者费德里科-卡帕索（Federico Capasso）说。大多数平面金属透镜利用数百万个柱状纳米结构聚焦光线，其大小与一块闪粉差不多。2019 年，卡帕索和他的团队利用一种名为深紫外（DUV）投影光刻的技术开发出了厘米级的金属透镜，这种技术可以投影形成纳米结构图案，直接蚀刻到玻璃晶片上，省去了以往金属透镜所需的耗时的写入和沉积过程。剑桥科学中心屋顶的 metalens 拍摄的天鹅座北美星云图像。图片来源：Capasso 实验室/哈佛 SEAS紫外投影光刻技术通常用于在智能手机和计算机的硅芯片上绘制精细的线条和形状。曾在 SEAS 就读研究生、现为 Capasso 团队博士后的 Joon-Suh Park 证明，该技术不仅可用于批量生产金属透镜，还能增大其尺寸，以应用于虚拟现实和增强现实。但是，要将金属膜做得更大，以便应用于天文学和自由空间光通信，这就带来了一个工程问题。克服工程挑战"光刻工具有一个很大的局限性，因为这些工具是用来制造计算机芯片的，所以芯片尺寸被限制在不超过20至30毫米，"论文共同第一作者Park说。"为了制造直径为 100 毫米的透镜，我们需要找到一种绕过这一限制的方法"。Park 和研究小组开发出了一种利用 DUV 投影光刻工具拼接多个纳米柱图案的技术。研究人员将透镜分为 25 个部分，但考虑到旋转对称性，只使用一个象限的 7 个部分，结果表明 DUV 投影光刻技术可以在几分钟内将 187 亿个设计好的纳米结构图案刻画到 10 厘米的圆形区域上。研究小组还开发了一种垂直玻璃蚀刻技术，可以在玻璃上蚀刻出高纵横比、光滑侧壁的纳米柱。SEAS 博士后研究员、论文共同第一作者 Soon Wei Daniel Lim 说："使用相同的 DUV 投射光刻技术，我们可以在更大的玻璃直径晶片上生产大直径、像差校正元光学器件或更大的透镜，因为相应的 CMOS 制造工具在业内越来越多。"这种直径为 10 厘米的玻璃金属镜片能以高分辨率拍摄太阳、月亮和遥远星云的图像。图片来源：Capasso 实验室/哈佛大学 SEASLim 在全面模拟和描述大规模制造过程中可能出现的所有制造误差以及这些误差如何影响金属透镜的光学性能方面发挥了主导作用。在解决了可能存在的制造难题后，研究人员展示了金属膜在天体成像方面的强大功能。Park 和研究小组将 metalens 安装在带有彩色滤光片和相机传感器的三脚架上，然后登上哈佛大学科学中心的屋顶。在那里，他们拍摄了太阳、月球和北美星云的图像，北美星云是天鹅座的一个暗星云，距离地球约 2590 光年。卡帕索实验室的研究生、论文合著者阿尔曼-阿米尔詹（Arman Amirzhan）说："我们能够获得非常详细的太阳、月球和星云图像，这些图像可与传统镜头拍摄的图像相媲美。"研究人员仅使用金属镜片，就能拍摄到与美国国家航空航天局当天拍摄的图像相同的太阳黑子群。这种透镜可以经受住极热、极冷和航天发射过程中的剧烈振动，而不会出现任何损坏或光学性能下降。由于其尺寸和单片玻璃成分，该透镜还可用于远距离电信和定向能量传输应用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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光子极化：聚变技术的下一个突破？

光子极化：聚变技术的下一个突破？ 最近，普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员发现，光子的基本特性之一极化是拓扑性的，这意味着即使光子在各种材料和环境中转换，它也保持不变。这些发现发表在《物理评论 D》上，可能会带来更有效的等离子体加热技术和核聚变研究的进步。偏振是电场在光子周围移动时的方向向左或向右。根据基本物理定律，光子的偏振决定了它的传播方向，并限制了它的传播路径。因此，仅由具有单一偏振类型的光子组成的光束无法传播到特定空间的每一部分。这项研究的共同作者、美国能源部（DOE）PPPL首席研究物理学家Hong Qin说："对光子的基本性质有了更准确的了解，科学家们就能设计出更好的光束，用于加热和测量等离子体。"光子（构成光的粒子）扰动等离子体的艺术家概念图。资料来源：Kyle Palmer / PPPL 通讯部简化复杂问题对光子的研究是解决一个更大、更难的问题的手段如何利用强光束激发等离子体中的持久扰动，从而帮助维持核聚变所需的高温。这些扰动被称为拓扑波，通常发生在两个不同区域的边界，比如等离子体和托卡马克外缘的真空。它们并不特别奇特它们自然出现在地球大气中，帮助产生厄尔尼诺现象，这是太平洋中暖水的聚集，会影响北美和南美的天气。要在等离子体中产生这些波，科学家必须对光有更深入的了解具体来说，就是微波炉中使用的那种射频波物理学家已经用它来加热等离子体。Qin说："我们正试图为核聚变寻找类似的波。它们不容易被阻止，因此如果我们能在等离子体中产生它们，就能提高等离子体加热的效率，帮助创造核聚变的条件。这项技术类似于敲钟。就像用锤子敲钟会使金属移动从而产生声音一样，科学家们希望用光敲击等离子体，使它以某种方式摆动，从而产生持续的热量。"揭示光子运动的本质除了发现光子的偏振是拓扑性的，科学家们还发现光子的旋转运动无法分为内部和外部两个部分。联想到地球：它既自转产生昼夜，又绕太阳运行产生四季。这两种运动通常互不影响，例如，地球绕地轴的自转并不取决于它绕太阳的公转。事实上，所有有质量的物体的转动运动都可以这样分开。然而，对于像光子这样没有质量的粒子来说，这种情况是否属实还不清楚。论文第一作者、普林斯顿大学等离子体物理学项目研究生埃里克-帕尔默杜卡（Eric Palmerduca）说："大多数实验人员都认为，光的角动量可以分成自旋角动量和轨道角动量。然而，理论家们一直在争论进行这种拆分的正确方法，或者是否有可能进行这种拆分。我们的工作有助于解决这一争论，表明光子的角动量无法被拆分成自旋和轨道成分。"此外，Palmerduca 和 Qin 还确定，由于光子的拓扑特性、不变特性（如偏振），这两个运动分量无法拆分。这一新奇发现对实验室产生了影响。帕尔默杜卡说："这些结果意味着，我们需要更好的理论来解释实验中发生的事情。"这些发现提供了对光的行为的见解，进一步推动了研究人员为核聚变研究创造拓扑波的目标。对理论物理学的启示帕尔默杜卡指出，光子的发现证明了 PPPL 在理论物理学方面的优势。这些发现与一个被称为毛球定理的数学结果有关。"该定理指出，如果你有一个布满毛发的球，你不可能把所有的毛发都梳平，物理学家认为这意味着不可能有一个光源同时向所有方向发送光子，"帕尔默杜卡说。然而，他和秦发现这是不正确的，因为该定理在数学上没有考虑到光子电场可以旋转。帕尔默杜卡称尤金-维格纳是 20 世纪最重要的理论物理学家之一。维格纳意识到，利用从阿尔伯特-爱因斯坦相对论中得出的原理，他可以描述宇宙中所有可能的基本粒子，甚至是那些尚未被发现的粒子。但是，虽然他的分类系统对有质量的粒子是准确的，但对无质量的粒子（如光子）却产生了不准确的结果。"Qin和我证明，利用拓扑学，我们可以修改维格纳对无质量微粒的分类，给出一个同时适用于所有方向的光子描述。"未来方向在未来的研究中，Qin和帕尔默杜卡计划探索如何创造有益的拓扑波来加热等离子体，而不制造无益的品种来抽走热量："一些有害的拓扑波可能会在无意中被激发，我们希望了解它们，以便将它们从系统中移除。从这个意义上说，拓扑波就像新品种的昆虫，有些对花园有益，有些则是害虫。"同时，他们对目前的发现感到兴奋。"我们对有助于激发拓扑波的光子有了更清晰的理论认识，"Qin说。"现在是时候建造一些东西了，这样我们就可以利用它们来寻求聚变能。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

发射紫外线的玻璃可清除微生物膜造成的污损 解决一系列水下问题

发射紫外线的玻璃可清除微生物膜造成的污损 解决一系列水下问题 当任何物质在海水中放置足够长的时间后，细菌、真菌、藻类和其他海洋微生物就会在其表面形成一层黏糊糊的薄膜。藤壶等大型生物就会在这层薄膜上立足，并以此为家，不断生长繁殖。不用说，这种涂层会大大降低船体的流体动力，使船只在一定速度下行驶时耗费更多燃料。生物膜还对水下结构、防护网甚至海水淡化厂造成问题。这种现象被称为生物污损。防止这种现象的主要方法包括在水下表面涂上抗菌涂料（可能会对环境造成危害）或特殊的不粘材料（必须经常重新涂抹）。一种建议的替代方法是用外部紫外线照射表面，紫外线可以杀死微生物。但遗憾的是，紫外线离光源越远，效果就越差，而且浑浊的水也会吸收紫外线。这就是紫外线发光玻璃（UEG）的作用所在。它不是由单独的光源照射，而是光源。Leila Alidokht（左）和 Mariana Lanzarini-Lopes（右）与研究生研究助理 Athira Haridas（中）一起研究紫外线发射玻璃 马萨诸塞大学阿默斯特分校这种材料是由马萨诸塞大学阿默斯特分校工程师领导的科学家团队创造的，它由一个普通的玻璃载玻片组成，载玻片背面涂有一层二氧化硅纳米粒子和透明聚合物。紫外线发光二极管不会将光线投射到玻璃的正面或背面，而是投射到玻璃的一个边缘，当紫外线穿过玻璃的厚度时，它们会被纳米粒子散射和扩散，纳米粒子会反射紫外线，但不会吸收紫外线。因此，紫外线发光玻璃的整个正面（水侧）都能均匀地发出紫外线。在保持令人满意的可见光和红外线透射率的同时，其效果比以同样方式照射的未镀膜玻璃好 10 倍。在对该技术的测试中，UEG 幻灯片和未涂层的对照幻灯片被浸没在佛罗里达州卡纳维拉尔港的海水中长达 20 天。试验结束后发现，UEG 能将可见生物膜的生长减少 98%无生物膜 UEG 幻灯片与无涂层对照样品的比较科学家们现在计划用更大的玻璃片进行实验，这些玻璃片被浸没的时间将更长。该研究的第一作者、博士后助理研究员 Leila Alidokht 说："所开发的技术可用于透明表面的消毒，如船舶窗户、浮球和系泊浮标、相机镜头以及海洋学、农业和水处理应用中的传感器。"有关这项研究的论文最近发表在《生物膜》杂志上。 ... PC版： 手机版：