物理学家解决了困扰材料学领域20年的稳定手性纳米结构之谜

物理学家解决了困扰材料学领域20年的稳定手性纳米结构之谜当他加入一个研究项目时，他经常利用这些计算方法对纳米粒子的组装进行详细分析。Travesset在理论物理学方面的专长使他能够对纳米材料中的复杂过程提供宝贵的见解和理解。举个例子，Travesset的"手性四面体"计算和插图是《自然》杂志刚刚发表的一篇研究论文的一部分。这些计算表明，在固体硅基底上，含有四面体金纳米粒子的溶液的受控蒸发是如何组装成针轮状的两层结构的。理论物理学家AlexTravesset使用计算机模型、方程式和科学数字来解释纳米结构如何组装。事实证明，纳米结构是手性的，这意味着它与它的镜像不完全相同。(经典的例子是一只手和它的反射。拇指最后是在相反的一边，所以一只手不能叠加在另一只手上。这就是手性）。Travesset说，生产一种具有手性的稳定纳米结构意义重大。研究人员试图组装手性纳米结构已有近20年的时间--大约与研究人员研究纳米结构的时间一样长。根据《自然》杂志的报道，这种结构可以导致具有"不寻常的光学、机械和电子特性"的特殊工程材料。Travesset在一次虚拟科学会议上被介绍给来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的该项目的主要研究人员，他甚至不确定这种新的手性结构能否存在于现实世界中。"这是一个非常开放的结构，"他说："通常，对于纳米颗粒来说，这些结构是不稳定的。但是这个结构是"由不同类型的静电力固定在一起的，"Travesset说。"它们的连续性是不寻常的"。该结构的手性是通过被夹在两种不同的基质中而实现的--顶部是空气，底部是固体表面。密歇根大学的光学测量证实了手性，报告了对偏振光的反应有非常强烈的手性光学效应。"这种具有手性光学响应的非常开放的结构非常重要，"Travesset说。"人们很长时间以来一直在尝试这样做。但是这种结构一直是不稳定的，或者是无法实现的。这是第一个已经实现的例子"。Travesset说："作为一个从事所有纳米粒子工作的理论家，我一直对如何组装手性的纳米粒子排列感兴趣。根据《自然》杂志的报道，这些手性纳米结构的"独特拓扑结构和物理学，使它们从纳米粒子中的自我组装变得非常抢手，但又具有挑战性。"Travesset研究小组的实验人员将在他们的发现的基础上，学习更多关于纳米结构的特性，并有可能将它们用于例如光学应用的涂层。对于使用他们的模型、方程和数字工作的纳米粒子理论家来说，Travesset说前面也有很多工作。他说："尽管取得了一些成功，但理论在某种程度上还是滞后的。我们还没有达到可以仅从理论/计算模型来设计基于纳米粒子的材料。事实上，我和其他同事正在组织一个为期八周的研讨会来解决这一挑战"。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336531.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336531.htm

奇妙的波浪： 物理学家揭示了镍磁体中的自旋激子

奇妙的波浪：物理学家揭示了镍磁体中的自旋激子在《自然-通讯》杂志上发表的一项研究中，研究人员报告说在钼酸镍这种层状磁性晶体中发现了不寻常的特性。被称为电子的亚原子粒子类似于微小的磁铁，而且它们通常像罗盘针一样在磁场中定位。在实验中，中子从晶体内的磁性镍离子中散射出来，研究人员发现，每个镍离子的两个最外层电子表现得不同。这两个电子不是像罗盘针一样排列它们的自旋，而是在物理学家称之为自旋单子的现象中相互抵消。该研究的通讯作者、莱斯大学的戴鹏程说："这样的物质根本就不应该是磁铁。而且，如果一个中子从一个特定的镍离子上散射下来，激发应该保持在局部，而不是在样品中传播。"戴鹏程是莱斯大学物理学和天文学教授。因此，当中子散射实验中的仪器检测到不是一个，而是两个系列的传播波时，戴鹏程和他的合作者感到惊讶，每个波的能量都有很大的不同。为了了解这些波的起源，有必要深入研究磁性晶体的原子细节。例如，来自晶体中原子的电磁力可以与磁场竞争，并影响邻近原子内的电子。这被称为晶体场效应，它可以迫使电子自旋沿着与磁场方向不同的方向定向。探测钼酸镍晶体的晶场效应需要额外的实验和对实验数据的理论解释。莱斯大学的合作者EmiliaMorosan说："实验小组和理论之间的合作对于描绘一幅完整的画面和理解在这种化合物中观察到的不寻常的自旋激发是最重要的。"莫罗桑的研究小组利用比热测量探测了晶体对温度变化的热反应。从这些实验中，研究人员得出结论，在层状钼酸镍中出现了两种晶体场环境，而且这两种环境对镍离子的影响非常不同。研究报告的共同作者、帮助解释实验数据的莱斯大学理论物理学家AndriyNevidomskyy说："在一种情况下，场效应相当弱，对应的热能约为10开尔文。在几开尔文的温度下，看到中子可以激发镍原子的磁自旋波，这也许并不令人惊讶，因为镍原子受到这种第一类晶体场的影响。但最令人费解的是看到它们来自受第二种类型影响的镍原子。那些原子周围有四面体排列的氧原子，电场效应几乎强了20倍，这意味着激发的产生要难得多。"Nevidomskyy说："这可以理解为如果相应的镍离子上的自旋具有不同的"质量"。这个比喻是指重的篮球与网球混在一起，为了激发第二种类型的自旋，即较重的篮球，我们必须通过向材料照射更多的高能中子来施加更强的'踢'。"由此产生的对镍自旋的影响被称为自旋激子，人们通常会期望激子产生的"踢"的效果被限制在一个单一的原子中。但是实验的测量结果表明，"篮球"在一致地运动，创造了一种意想不到的波。更令人惊讶的是，这些波似乎在相对较高的温度下仍然存在，在那里晶体不再表现为磁铁。内维多姆斯基和来自加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论家合著者莱昂-巴伦茨提供的解释是：较重的自旋激子--比喻中的篮球--随着周围较轻的磁性激子--比喻中的网球--的波动而晃动，如果这两类球之间的相互作用足够强，较重的自旋激子参与到类似于波的连贯运动中。"特别有趣的是，"戴说，"两种镍原子各自形成一个三角形晶格，因此这个晶格内的磁相互作用是受挫的。"在三角形晶格的磁性中，挫折指的是使所有的磁矩相对于它们的三个近邻反平行（上下）对齐的困难。了解磁挫折在三角形晶格中的作用是戴和Nevidomskyy两人多年来一直致力于解决的长期挑战之一。Nevidomskyy说："找到一个谜题，与自己的预期相反，然后感到一种了解其起源的满足感，这是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358691.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358691.htm

德国联邦物理技术研究院的科学家们创造了一种新型光学原子钟

德国联邦物理技术研究院的科学家们创造了一种新型光学原子钟因此，与中性或弱电的原子相比，高电荷离子的最外层电子与原子核的结合更强。这使得高电荷离子受外部电磁场的影响较小，但对狭义相对论、量子电动力学和原子核的基本效应更为敏感。"因此，我们期望带有高电荷离子的光学原子钟能够帮助我们更好地测试这些基本理论"，联邦物理技术研究所（PTB）物理学家LukasSpieß解释说。"这个希望已经实现了。我们能够在一个五电子系统中检测到量子电动核反冲，这是一个重要的理论预测，这在之前的任何其他实验中都没有实现过。"在此之前，该团队必须在多年的工作中解决一些基本问题，如检测和冷却。对于原子钟来说，人们必须将粒子极度冷却，以便尽可能地阻止它们，从而读出它们在静止状态下的频率。然而，高电荷离子是通过创造一个极热的等离子体产生的。由于其极端的原子结构，高电荷离子不能用激光直接冷却，标准检测方法也不能使用。海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之间的合作解决了这个问题，从热等离子体中分离出一个单一的高电荷氩离子，并将其与一个单电荷铍离子一起储存在一个离子阱中。这使得高电荷离子可以被间接冷却并通过铍离子进行研究。随后，研究人员在MPIK建造了一个先进的低温陷阱系统，并在PTB完成了实验，这些实验部分是由在各机构之间转换的学生进行的。随后，在PTB开发的一种量子算法成功地将高电荷离子进一步冷却，即接近量子力学基态。这相当于绝对零度以上200百万分之一开尔文的温度。这些结果已经在2020年的《自然》杂志和2021年的《物理评论X》杂志上发表。现在，研究人员已经成功地迈出了下一步。他们已经实现了一个基于十三倍带电氩离子的光学原子钟，并将其与PTB现有的镱离子钟的走时进行比较。为了做到这一点，他们必须对该系统进行非常详细的分析，以便了解例如高度带电离子的运动和外部干扰场的影响。结果他们实现了1017分之2的测量不确定性，这与许多目前运行的光学原子钟相当。研究小组负责人皮特-施密特说："我们期望通过技术改进进一步降低不确定性，这应该使我们的研究成果进入最优秀的原子钟的行列。"研究人员创造了一个与现有光学原子钟相比的强有力的竞争者，例如，基于单个镱离子或中性锶原子的光学原子钟，所使用的方法是普遍适用的，可以研究许多不同的高电荷离子。这些包括可用于搜索粒子物理学标准模型的扩展的原子系统，其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物特别敏感，这些候选物在标准模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法无法检测到。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337047.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337047.htm

撼动了物理学的巴西坚果效应

撼动了物理学的巴西坚果效应在一袋混合坚果中，经过摇晃，较小的坚果填补了底部产生的空隙，将较大的巴西坚果推到顶部。资料来源：Melchoir,CCBY-SA3.0,viaWikimediaCommons这种不寻常的效果与较重的物体由于重力和惯性力而应该沉入底部的直觉相矛盾。自然界中常见的沉淀现象就是这种情况，这是一个涉及分散在液体中的固体颗粒在重力或惯性力影响下下沉的过程。沉淀在沉积岩的形成等过程中起作用，也被用来净化水和废水或从血液中分离细胞。直到现在，人们认为外部能量的流入，如摇动袋子，是产生巴西坚果效应的必要条件。然而，正在开发的理论模型表明，该现象可以自发发生，不需要外部能量的供应。来自乌特勒支大学和华沙大学物理系的一组实验和理论物理学家首次通过实验证实了理论计算结果。这项研究的结果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中。华沙大学物理系的JeffreyEverts强调说："我们已经证明，巴西坚果效应可以在完全由布朗运动和电荷排斥驱动的带电胶体粒子的混合物中发生，"他在乌特勒支大学理论物理研究所的RenévanRoij的指导下进行了实验的理论计算。MarjoleinvanderLinden在乌特勒支大学德拜纳米材料科学研究所的AlfonsvanBlaaderen的指导下，负责该研究的实验部分。研究人员使用具有不同直径（大和小）的带电聚甲基丙烯酸甲酯颗粒来进行实验。一种低极性溶剂，即环己基溴化物，被用来作为分散剂。正如研究人员所指出的，尽管在颗粒状（如坚果）和胶体混合物中都会出现"巴西坚果效应"，但其形成机制完全不同。在坚果混合物的情况下，由于摇晃，较小的坚果填充在底部产生的空隙中，将较大的坚果推到顶部。同时，胶体中的带电粒子由于与周围的溶剂分子发生碰撞而做布朗运动。"每个粒子都带正电。较重但较大的颗粒具有更大的电荷，因此它们相互之间的排斥力更强，使它们比较小但较轻的颗粒更容易向上移动，"杰弗里-埃弗茨解释说。胶体粒子混合物中的"巴西坚果效应"的发现可用于从地质学到软物质物理学的许多领域。它还可以在工业中找到应用，如油漆和墨水的稳定性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356355.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356355.htm

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动研究人员在科学杂志《自然-物理》上发表的论文中断言，他们的测量结果是迄今为止对核材料波状运动最精确的确认。此外，他们没有发现任何证据表明原子核之间的作用力有任何偏差。近100年来，简单原子一直是精密实验和理论研究的对象，其中对氢原子--只有一个电子的最简单原子--的描述和测量工作堪称开创性。目前，氢原子能量及其电磁频谱是最精确计算的束缚量子系统能量。由于还可以对频谱进行极其精确的测量，因此将理论预测与测量结果进行比较可以检验预测所依据的理论。实验示意图：在离子阱（灰色）中，激光波（红色）被发送到HD+分子离子（黄色/红色点对）上，引起量子跃迁。这反过来又导致分子离子的振动状态发生变化。这一过程与光谱线的出现相对应。激光波长经过精确测量。图片来源：HHU/SorooshAlighanbari此类测试非常重要。全世界的研究人员都在寻找暗物质存在可能产生的新物理效应的证据--尽管至今未果。这些效应将导致测量与预测之间的差异。与氢原子相比，最简单的分子在很长一段时间内都不是精确测量的对象。然而，由哈佛大学实验物理学系主任斯蒂芬-席勒教授（StephanSchillerPh.D.）领导的研究小组却致力于这一课题的研究。在杜塞尔多夫，该研究小组开展了开创性的工作，开发出了世界上最精确的实验技术。最简单的分子是分子氢离子（MHI）：氢分子缺少一个电子，由三个粒子组成。其中一种变体H2+由两个质子和一个电子组成，而HD+则由一个质子、一个氘核（一种较重的氢同位素）和一个电子组成。质子和氘核是带电的"重子"，即受到所谓强力作用的粒子。MHI的示意图，这里是一个HD+分子：它由一个氢原子核（p）和一个氘核（d）组成，这两个原子核可以相互旋转和振动。此外，还有一个电子（e）。p和d的运动表现为光谱线的出现。资料来源：HHU/SorooshAlighanbari在分子内部，各成分可以有不同的行为方式：电子围绕原子核运动，而原子核则相互振动或旋转，粒子的行为就像波一样。量子理论详细描述了这些波的运动。不同的运动模式决定了分子的光谱，反映在不同的光谱线上。光谱的产生方式与原子光谱类似，但要复杂得多。目前物理学研究的艺术在于极其精确地测量光谱线的波长，并在量子理论的帮助下极其精确地计算这些波长。如果这两个结果相吻合，就证明了预测的准确性，而如果不吻合，则可能为"新物理学"埋下伏笔。多年来，哈佛大学的物理学家团队不断改进MHI的激光光谱学，开发出各种技术，将光谱的实验分辨率提高了多个数量级。他们的目标是：光谱测量越精确，理论预测就越能得到验证。这样就能发现任何可能的理论偏差，从而为理论的修改提供起点。席勒教授的团队将实验精度提高到了优于理论的水平。为了实现这一目标，杜塞尔多夫的物理学家们将大约100个中等数量的MHI限制在一个超高真空容器的离子阱中，利用激光冷却技术将离子冷却到1毫开尔文的温度。这样就可以非常精确地测量旋转和振动跃迁的分子光谱。继早先对波长为230μm和5.1μm的光谱线进行研究之后，作者现在又在《自然-物理学》上发表了对波长更短的1.1μm光谱线的测量结果。席勒教授说："实验测定的过渡频率与理论预测一致。结合之前的结果，我们对带电重子的量子运动进行了最精确的检验：任何偏离既定量子定律的情况如果存在，其偏差必须小于千亿分之一。"这一结果也可以用另一种方式来解释：假设除了众所周知的库仑力（带电粒子之间的作用力）之外，质子和氘核之间还可能存在另一种基本力。主要作者SorooshAlighanbari博士说："这种假设的力可能与暗物质现象有关。我们在测量过程中还没有发现这种力的任何证据，但我们将继续寻找"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374487.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374487.htm

物理学家认为未来可以制造出可改变形状的纳米级电子器件

物理学家认为未来可以制造出可改变形状的纳米级电子器件这是一个可能从根本上改变电子设备性质的发现，也是科学家研究原子级量子材料的方式。这项研究最近发表在《科学进展》上。"我们发现的是，对于一组特定的材料，你可以制造纳米级的电子设备，而不是粘在一起，"物理学和天文学助理教授JavierSanchez-Yamagishi说，他的实验室进行了新的研究。"这些部件可以移动，因此这使我们能够在设备制成后修改其尺寸和形状。"这些电子设备是可以修改的，就像冰箱门上的磁铁一样--粘在上面，但可以重新配置成你喜欢的任何图案。Sanchez-Yamagishi实验室的博士生IanSequeira说："这项研究的意义在于，它展示了一种可以在这些材料中利用的新特性，允许从根本上实现不同类型的设备架构，包括机械地重新配置电路的一部分。"如果这听起来像科幻小说，那是因为直到现在科学家还不认为这种事情是可能的。事实上，Sanchez-Yamagishi和他的团队，其中还包括UCI的博士生AndrewBarabas，甚至还没有寻找到他们最终发现的东西。Sanchez-Yamagishi说："这绝对不是我们最初设定的目标。我们预计所有的东西都是静态的，但是发生的事情是我们在试图测量它的过程中，我们不小心撞到了设备，我们看到它在移动。"他们具体看到的是，微小的纳米级金线可以在被称为"范德瓦尔斯材料"的特殊晶体上以非常低的摩擦力滑动。利用这些光滑的界面，他们制作了由单原子厚的被称为石墨烯的物质的薄片制成的电子装置，这些物质附着在金线上，可以在飞行中转变为各种不同的配置。由于金的导电性能非常好，所以它是电子元件的一个常见部分。但是这一发现究竟会对使用此类设备的行业产生怎样的影响还不清楚。Sanchez-Yamagishi说："更多的是关于它的基础科学，尽管这是一个有一天会对工业产生影响的想法。这使它的想法萌芽。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355519.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355519.htm