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

物理学家首次在水箱中制造出封闭的湍流球

物理学家首次在水箱中制造出封闭的湍流球芝加哥大学的科学家们开创性地在水箱中制造出一个包含湍流的"球"，这在以前是从未有过的。上图显示了湍流球随时间变化的平均能量密度。图片来源：TakumiMatsuzawa绊脚石之一是物理学家的传统方法，他们通常喜欢脱离外部因素来研究现象。但说到湍流，就像搅拌一杯液体一样，勺子仍然是整个过程不可或缺的一部分，影响着流体的行为。迄今为止，将湍流作为一个独立变量隔离开来的方法还难以实现。不过，芝加哥大学的一组科学家开创了一种在水箱中产生包含湍流的方法。他们使用环形喷射器喷射环流，直到形成一个孤立的湍流"球"并持续存在。物理学家TakumiMatsuzawa（松泽匠）说："这对我们来说是个惊喜，"他是描述这一发现的研究报告的第一作者，该报告发表在《自然-物理》（NaturePhysics）上。这项研究的通讯作者威廉-欧文（WilliamIrvine）教授说："这就像平静地坐在田野里野餐，看着50英尺外的风暴肆虐。"他们希望这一突破能为更好地理解湍流开辟一条新的研究途径。"湍流--不均匀混合物质中的混乱流动--是一个老问题。"欧文说："它经常被引述为物理学中的一大未决问题。"在过去的几十年里，科学家们在描述"理想化"湍流状态的行为方面取得了进展。也就是说，湍流没有边界等混杂变量，也没有强度和时间的变化。但是，要理解现实世界中的湍流，还有很多东西需要了解。欧文说："湍流在我们周围随处可见，但它一直无法得到物理学家认为令人满意的描述。例如，如果你问，我能否预测戳穿这个湍流区域后接下来会发生什么？答案是不能。即使使用超级计算机也无法预测。"研究人员利用激光和高速摄像机追踪湍流。图片来源：TakumiMatsuzawa其中一个大问题是实验中存在混杂变量。你可以通过管道快速喷射水流或在水箱中搅拌桨叶来制造湍流，但湍流总是与容器壁和搅拌器摩擦，从而影响实验结果。松泽、欧文和他们的合作者一直在用水箱做"涡环"实验--就像烟圈一样，只不过是在水中。当他们试图将它们组合起来制造湍流时，能量通常会反弹回来，然后消散。但是，一旦他们发现了一种特殊的构造--一个有八个角的盒子，每个角上都有一个涡环发生器--奇怪的事情就发生了。当他们反复发射在中心交汇的环时，他们看到一个自成一体、远离箱壁的湍流球形成了。这本身就是一个突破："之前没有人认为这是可能的，湍流非常善于混合液体；如果你把牛奶混入咖啡中，你只能搅拌一两下就会完全混合，但我们能把它控制在原地，这让人非常惊讶"。独立的湍流球可以让科学家利用激光和多台快速相机更精确地跟踪其参数。这包括它的能量和螺旋度（衡量环的纠结或"打结"程度），以及冲量和角冲量（相当于流体的动量和角动量）。更重要的是，他们可以通过改变参数来玩弄它。他们可以改变送入的回路是顺时针还是逆时针旋转的螺旋。他们可以改变输入的能量，或者停止添加环，观察湍流的消散，或者改变环的螺旋度，观察湍流如何随时间演变。"湍流是如何消散的？它是如何膨胀的？它"记住"了什么？能量如何跨尺度传播？是否存在不同类型的湍流？我们可以提出各种各样的问题，而这是提出这些问题的独特环境，"欧文说。"我真的希望这能帮助我们在这一领域开辟出一片新天地。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385265.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385265.htm

物理学家成功连接了两个量子物理学的子领域

物理学家成功连接了两个量子物理学的子领域莱斯大学的物理学家已经证明，量子计算所高度追求的不可变拓扑态可以与某些材料中其他可操纵的量子态纠缠在一起。“我们发现令人惊讶的事情是，在一种特殊的晶格中，电子被困住，d原子轨道中电子的强耦合行为实际上就像一些重费米子的f轨道系统一样，”《科学进展》相关研究报告的作者说。这一意想不到的发现为凝聚态物理学的子领域之间架起了一座桥梁，这些子领域专注于量子材料的不同涌现特性。例如，在拓扑材料中，量子纠缠模式产生“受保护的”、不可变的状态，可用于量子计算和自旋电子学。在强关联材料中，数十亿个电子的纠缠会产生非常规超导性和量子自旋液体中持续磁涨落等行为。在这项研究中，斯奇苗和合著者胡浩宇（他的研究小组的前研究生）建立并测试了一个量子模型，以探索“受挫”晶格排列中的电子耦合，就像在具有“平带”特征的金属和半金属中发现的电子耦合，表明电子被卡住并且强相关效应被放大。斯奇苗是莱斯大学物理和天文学HarryC.和OlgaK.Wiess教授，也是莱斯大学量子材料中心主任。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学这项研究是斯奇苗持续努力的一部分，他于7月获得了美国国防部著名的万尼瓦尔·布什教员奖学金，以验证控制物质拓扑状态的理论框架。在这项研究中，斯奇苗和胡浩宇表明，来自d原子轨道的电子可以成为晶格中多个原子共享的更大分子轨道的一部分。研究还表明，分子轨道中的电子可能与其他受挫电子纠缠在一起，产生强相关效应，这对于多年来研究重费米子材料的Si来说非常熟悉。“这些完全是d电子系统，”斯奇苗说。“在d电子世界中，就像有一条多车道的高速公路。在f电子世界中，您可以认为电子在两层中移动。一种就像d电子高速公路，另一种就像土路，移动速度非常慢。”Si表示，f电子系统拥有非常清晰的强相关物理例子，但它们并不适合日常使用。“这条土路距离高速公路太远了，”他说。“高速公路的影响非常小，这意味着微小的能量尺度和非常低的物理温度。这意味着需要达到10开尔文左右的温度才能看到耦合的效果。在d电子世界中情况并非如此。在多车道高速公路上，事物之间的耦合非常有效。”即使频带平坦，耦合效率仍然存在。斯将其比作高速公路的一条车道变得像f电子土路一样低效且缓慢。“即使它已经变成了土路，它仍然与其他车道共享地位，因为它们都来自d轨道，”斯说。“它实际上是一条土路，但它的耦合性更强，这转化为更高温度下的物理现象。这意味着我可以拥有所有基于f电子的精致物理学，为此我拥有明确定义的模型和多年研究的大量直觉，但我不必达到10开尔文，而是可以工作例如，200开尔文，甚至可能是300开尔文，或室温。因此，从功能角度来看，它非常有前途。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389679.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389679.htm

量子物理学家取得具有巨大意义的纳米级突破：同时控制两个量子光源

量子物理学家取得具有巨大意义的纳米级突破：同时控制两个量子光源在大多数情况下，从一到二是一个小成就。但在量子物理学的世界里，这样做是至关重要的。多年来，世界各地的研究人员一直在努力开发稳定的量子光源，并实现被称为量子机械纠缠的现象--这种现象具有近乎科幻的特性，两个光源可以立即相互影响，并可能跨越很大的地理距离。纠缠是量子网络的基础，也是开发高效量子计算机的核心。来自尼尔斯-玻尔研究所的研究人员在备受推崇的《科学》杂志上发表了一项新成果，他们在其中成功地做到了这一点。据该成果背后的研究人员之一彼得-洛达尔教授称，这是努力将量子技术的发展推向新的水平，并将社会的计算机、加密和互联网"量化"的关键一步。该发明背后的部分团队。左起：PeterLodahl,AndersSørensen,VasilikiAngelopoulou,YingWang,AlexeyTiranov,CornelisvanDiepen."我们现在可以控制两个量子光源并将它们相互连接。这听起来可能不算什么，但这是建立在过去20年的工作基础上的重大的进步，自2001年以来一直从事该领域研究的彼得-洛达教授说："通过这样做，我们已经揭示了扩大技术规模的关键，这对最具突破性的量子硬件应用至关重要。"所有的魔法都发生在一个所谓的纳米芯片中--它不比人类头发的直径大多少--研究人员也在最近几年开发了这个芯片。彼得-洛达尔的小组正在研究一种量子技术，该技术使用被称为光子的光粒子作为微观运输工具来移动量子信息。虽然洛达赫的小组是这个量子物理学科的领导者，但直到现在他们也只能一次控制一个光源。这是因为光源对外界的"噪音"异常敏感，使得它们非常难以复制。在他们的新成果中，该研究小组成功地创造了两个相同的量子光源，而不是只有一个。"纠缠意味着，通过控制一个光源，你会立即影响到另一个。这使得创建一个由纠缠的量子光源组成的整个网络成为可能，所有这些光源都相互作用，你可以让它们以与普通计算机中的比特相同的方式进行量子比特操作，只是要强大得多。"文章的主要作者、博士后阿列克谢-提拉诺夫解释说。这是因为一个量子位可以同时是1和0，这导致处理能力是使用今天的计算机技术无法达到的。据Lodahl教授说，从一个量子光源发出的仅仅100个光子将包含比世界上最大的超级计算机所能处理的更多信息。通过使用20-30个纠缠的量子光源，有可能建立一个通用的纠错量子计算机--这是量子技术的终极"圣杯"，大型IT公司现在正投入数十亿美元。根据Lodahl的说法，最大的挑战是要从控制一个量子光源到两个量子光源。其中，这使得研究人员有必要开发极其安静的纳米芯片，并对每个光源进行精确控制。随着新研究的突破，基本的量子物理研究已经到位。现在，是时候让其他行为者接受研究人员的工作，并将其用于寻求在一系列技术中部署量子物理，包括计算机、互联网和加密。"对于一所大学来说，建立一个我们控制15-20个量子光源的装置是太昂贵了。因此，现在我们已经为理解基本的量子物理学做出了贡献，并在这条路上迈出了第一步，进一步扩大规模在很大程度上是一项技术任务，"Lodahl教授说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345213.htm

麻省理工学院物理学家首次在三维晶体中捕获电子 有助于解开超导之谜

麻省理工学院物理学家首次在三维晶体中捕获电子有助于解开超导之谜麻省理工学院的物理学家在纯净的晶体中捕获了电子，标志着在三维材料中首次实现了电子平带。这种罕见的电子状态得益于一种特殊的立方体原子排列（如图），这种排列类似于日本的"编织篮"艺术。该成果为科学家探索三维材料中的稀有电子状态提供了一种新的途径。图片来源：研究人员提供发现三维平带现在，麻省理工学院的物理学家成功地将电子困在了纯净的晶体中。这是科学家首次在三维材料中实现电子平带。通过一些化学操作，研究人员还表明他们可以将晶体转化为超导体--一种零电阻导电的材料。这些成果为探索三维材料中的超导性和其他奇异电子状态打开了大门。这种罕见的电子状态得益于一种特殊的立方体原子排列（如图），这种排列类似于日本的"Kagome"编织篮艺术。图片来源：研究人员提供由于晶体的原子几何结构，电子被困状态成为可能。物理学家合成的这种晶体的原子排列类似于日本编织艺术"kagome"中的编织图案。研究人员发现，在这种特定的几何结构中，电子不是在原子间跳跃，而是被"关在笼子里"，固定在同一能带上。潜在应用和研究动机研究人员说，这种平带状态几乎可以用任何原子组合来实现--只要它们以这种卡戈米启发的三维几何形状排列。这些成果于11月8日发表在《自然》（Nature）杂志上，为科学家探索三维材料中的稀有电子态提供了一种新方法。有朝一日，这些材料可能会被优化，以实现超高效电力线、超级计算量子比特以及更快、更智能的电子设备。研究报告的作者、物理学副教授约瑟夫-格切尔斯基（JosephCheckelsky）说："既然我们知道可以用这种几何形状制造出平面带，我们就有很大的动力去研究其他结构，这些结构可能具有其他新的物理特性，可以成为新技术的平台。"Checkelsky在麻省理工学院的共同作者包括：研究生JoshuaWakefield、MinguKang、PaulNeves和博士后DongjinOh（他们是共同第一作者）；研究生TejLamichhane和AlanChen；博士后ShiangFang和FrankZhao；本科生RyanTigue；核科学与工程学副教授李明达、物理学副教授里卡多-科明（他与查尔斯基合作指导了这项研究）以及其他多个实验室和机构的合作者。设置三维陷阱近年来，物理学家已经成功地在二维材料中捕获电子并确认其电子平带状态。但科学家们发现，被困在二维中的电子很容易从三维中逃逸出来，这使得平带态难以在二维中维持。在他们的新研究中，Checkelsky、Comin和他们的同事希望在三维材料中实现平带，这样电子就会被困在所有三个维度中，任何奇异的电子状态都能得到更稳定的维持。他们认为，"Kagome"可能会在其中发挥作用。在之前的工作中，科学家们观察到二维原子晶格中的电子被捕获，这种晶格类似于一些可果美的图案。当原子排列成相互连接、共用边角的三角形图案时，电子被限制在三角形之间的六边形空间内，而不是在晶格中跳跃。但是，和其他研究人员一样，研究人员发现电子可以向上逸出晶格，穿过三维空间。研究小组想知道由类似晶格组成的三维结构能否将电子封闭起来？他们在材料结构数据库中寻找答案，发现了一种原子的特定几何构型，一般被归类为火成岩--一种原子几何高度对称的矿物。火成岩的三维原子结构形成了一个重复的立方体图案，每个立方体的表面都像一个Kagome状的晶格。他们发现，从理论上讲，这种几何结构可以有效地将电子俘获在每个立方体中。为了验证这一假设，研究人员在实验室中合成了一种烧绿石晶体。"这与自然界制造晶体的方式并无二致，"Checkelsky解释说。"我们把某些元素放在一起--在本例中是钙和镍--在极高的温度下熔化它们，然后冷却，原子本身就会排列成这种晶体状的Kagome构造。"随后，他们测量了晶体中单个电子的能量，看它们是否确实属于同一平坦的能量带。要做到这一点，研究人员通常要进行光发射实验，在实验中，他们将单个光子照射到样品上，进而发射出单个电子。然后，探测器可以精确测量单个电子的能量。科学家利用光发射来确认各种二维材料中的平带状态。由于这些材料在物理上是平面的、二维的，因此使用标准激光进行测量相对简单。但对于三维材料来说，这项任务更具挑战性。科明解释说："这个实验通常需要一个非常平整的表面。但如果你观察一下这些三维材料的表面，它们就像落基山脉一样，呈现出非常波状的地貌。在这些材料上进行实验非常具有挑战性，这也是没有人证明它们能承载被困电子的部分原因"。研究小组利用角度分辨光发射光谱（ARPES）清除了这一障碍，这种超聚焦光束能够瞄准凹凸不平的三维表面上的特定位置，并测量这些位置上的单个电子能量。这就像直升机在非常小的垫子上着陆一样，在岩石上到处都是。利用ARPES，研究小组在大约半小时内测量了合成晶体样品上数千个电子的能量。他们发现，绝大多数晶体中的电子表现出完全相同的能量，这证实了三维材料的平带状态。迈向超导为了了解他们能否操纵配位电子进入某种奇特的电子状态，研究人员合成了相同的晶体几何形状，这次用铑和钌原子代替了镍原子。根据纸上计算，研究人员认为这种化学交换应该将电子的平带转移到零能--一种自动导致超导的状态。而事实上，他们发现，当他们用略微不同的元素组合，在相同的卡戈米式三维几何中合成出一种新晶体时，晶体的电子呈现出平带，这次是超导状态。科明说："这为我们思考如何找到新的、有趣的量子材料提供了一种新的范式。我们发现，有了这种可以捕获电子的原子排列的特殊成分，我们总能找到这些平带。这不仅仅是运气好。从这一点出发，我们面临的挑战是如何进行优化，以实现平带材料的承诺，从而有可能在更高温度下维持超导性。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395965.htm

物理学家可以从鲨鱼肠子的独特螺旋形中了解到什么？

物理学家可以从鲨鱼肠子的独特螺旋形中了解到什么？2021年，科学家们发现，鲨鱼的螺旋形肠子的工作方式大致相同，有利于流体向一个方向流动--从头部到骨盆。华盛顿大学莎拉-凯勒实验室的物理学家伊多-莱文对流体通过这些鲨鱼螺旋形的物理流动产生了兴趣。2月20日星期一，在加利福尼亚州圣地亚哥举行的第67届生物物理学会年会上，他将介绍鲨鱼肠道的3D打印模型是如何帮助他们了解这些螺旋的工作原理的。Levin解释说，"2021年研究的研究人员将一根管子连接到鲨鱼肠道，并将带有甘油的水--一种非常粘稠的液体--通过这些管道。而且他们表明，如果这些肠子与消化道的方向相同，得到的液体流动速度比将它们反过来连接要快。从物理学的角度来看，这非常有趣......物理学定理指出，如果你拿着一根管子，让流体非常缓慢地流过它，如果你把它倒过来，流量不会有差别。因此，我们非常惊讶地看到与该理论相矛盾的实验。但是在生物界却并不完全遵循这一原理，因为肠子不是由钢铁制成的--它们是由柔软的东西制成的，所以当流体流经管道时，它会使它变形。"为了研究通过螺旋形管道的流体动力学，莱文和凯勒与他们在华盛顿大学纳尔逊小组的同事合作，创建了模仿鲨鱼肠道的软性三维结构。Levin说："15或20年前，试图用人造材料重建这些形状是不可能的。当他们使用刚性材料来3D打印这些形状时，流体在一个或另一个方向上的流动没有区别。然而，使用较软的弹性材料打印形状，导致流体在一个方向上流动得更快。"利用这些3D打印的结构，该团队正在研究内部结构的半径、间距和厚度如何影响流体流动。使用较软的材料，他们还可以研究流速和管道如何变形之间的耦合关系。了解这些参数将有助于类似结构的工程设计，这些结构可用于软体机器人等事物。直到最近，机器人都是用刚性材料和铰链制成的。但使用可以以不同方式变形的软性材料，就像章鱼一样开辟了一个全新的世界，Levin解释说，"这是尝试理解膜和流动之间相互作用的基本力学的一个步骤"。有一天，这个看似简单的系统可以控制工业或医疗设备。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345369.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345369.htm