科学家发现液体与固体之间的隐性相变

科学家发现液体与固体之间的隐性相变(左图）在起始温度之上，二维材料表现出正常的液体行为，所有粒子都具有类似的流动性（黄色）。(右图）低于该温度时，二维材料会变得过冷，在类似固体的"冻结"区域（蓝色）中，开始出现刚性，只有一些移动颗粒（黄色）。资料来源：KranthiMandadapu虽然这些"玻璃状动态"材料在我们的日常生活中无处不在，但它们如何在微观尺度上变得坚硬却一直困扰着科学家。现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员发现了超冷液体中的分子行为，这种行为代表了液体和固体之间的隐性相变。他们对这一现象的进一步了解适用于塑料和玻璃等普通材料，并能帮助科学家们开发用于医疗设备、药物输送和增材制造的新型无定形材料。结合理论、计算机模拟和以前的实验，科学家们解释了为什么这些材料中的分子在冷却后会像液体一样保持无序状态，直到在某个温度（称为起始温度）急转直下，变成类似固体的状态--实际上变得非常粘稠，几乎无法移动。这种刚度的开始--一种以前未知的相变--是超冷液体与普通液体的区别所在。KranthiMandadapu图片来源：KranthiMandadapu"我们的理论预测了在模型系统中测得的起始温度，并解释了为什么过冷液体在该温度附近的行为让人联想到固体，尽管它们的结构与液体的结构相同，"伯克利实验室化学科学部职员科学家、加州大学伯克利分校化学工程教授克兰蒂-曼达达普（KranthiMandadapu）说，他领导的这项工作发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。任何过冷液体都会在分子的多种构型之间不断跃迁，从而产生被称为激振的局部粒子运动。在他们提出的理论中，曼达达普、博士后研究员迪米特里欧斯-弗拉格达基斯和研究生穆罕默德-哈西姆把二维过冷液体中的激发当作晶体固体中的缺陷来处理。当过冷液体的温度升高到起始温度时，他们发现每一对有界缺陷都会分裂成一对无界缺陷。正是在这个温度下，缺陷的解结合使系统失去了刚性，开始表现得像普通液体。"玻璃态动力学的起始温度就像是将过冷液体'融化'为液体的熔化温度。这应该适用于所有过冷液体或玻璃态系统，"曼达达普说。"整个探索过程就是要从微观上理解是什么将过冷液体和高温液体分开的。"理论和模拟捕捉到了玻璃态动力学的其他关键特性，包括观察到在短时间内，少数粒子移动，而液体的其他部分保持冻结。曼达达普说："我们的全部探索就是要从微观上理解过冷液体和高温液体之间的区别。"他和他的同事们相信，他们将能够把他们的模型扩展到三维系统。他们还打算将其扩展到解释局部运动如何导致附近的进一步激发，从而导致整个液体的弛豫。这些部分结合在一起，就能以符合最新观测结果的方式，为玻璃态动力学的产生提供一致的微观图景。从基础科学的角度来看，研究为什么这些过冷液体会表现出与我们所知的普通液体截然不同的动力学是非常吸引人的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378957.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378957.htm

通过简单的调整 研究人员创造出更安全、更高效的固态电池

通过简单的调整研究人员创造出更安全、更高效的固态电池固态电池有很大的前景。与目前的锂离子电池不同，固态电池不包含易燃液体，而易燃液体是一个主要的缺点，笔记本电脑和电动汽车爆燃的一系列悲剧说明了这一点。固态电池的毒性也较小，具有更高的能量密度，充电速度更快，并且可以在更多的充电循环中存活而不变质。问题是，与液体电池相比，制造这种电池既困难又昂贵，其中一个主要挑战是作为电池关键的电解质薄膜的缺陷。薄膜中形成的微小气泡阻碍了离子在电极之间的移动，减缓了充电和一般操作。一种电解质薄膜是由反过氧化物（Li2OHCl）制成的，其中材料的颗粒被压制成片状。这些经常产生不良的缺陷，降低了效率。为了克服这个问题，橡树岭团队增加了加热压片的步骤，然后让电解质在压力下冷却。结果是一种没有气泡、表面氮富集度更高的薄膜，其导电性能也提高了近1000倍，临界电流密度提高了近50%，并且亲锂性更好，这是固态电池稳定性的一个关键因素。据研究人员称，新的调整不仅提高了性能，而且还为能够在工业规模上加工固体电解质打开了大门，因为工程师将对加工过程有更多的控制。首席研究员MarmDixit说："这是同样的材料--你只是改变了你的制造方式，同时在许多方面改善了电池的性能。"这项研究发表在《ACS能源通讯》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364983.htm

科学家们已经开发了一种新的方法证明量子漩涡同样存在

科学家们已经开发了一种新的方法证明量子漩涡同样存在根据论文中的模拟数据，旋转的双极玻色-爱因斯坦-冷凝物（dBEC）的密度分布图，显示出量化的涡流。由于原子之间的各向异性和长程相互作用的特点，通过dBEC中的密度倾角可以看到涡流，呈条纹状排列。资料来源：EllaMaru工作室来自因斯布鲁克大学实验物理系和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的弗朗西斯卡-费拉伊诺说："这很有趣，因为这种旋涡清楚地表明了量子气体的无摩擦流动--所谓的超流性"。费拉诺和她的团队正在研究由强磁性元素构成的量子气体。对于这种双极性的量子气体，其中的原子彼此高度相连，迄今无法证明量子涡旋。但科学家们已经开发了一种新的方法。FrancescaFerlaino团队的ManfredMark解释说："我们利用我们的镝量子气体的方向性，其原子的行为就像许多小磁铁来搅拌气体。"为了做到这一点，科学家们对他们的量子气体施加了一个磁场，使这种最初是圆形的、煎饼状的气体由于磁致伸缩而变得椭圆形变形。这个想法既简单又强大，源于几年前由尼克-帕克领导的纽卡斯尔大学理论团队提出的理论建议，该论文的第二作者托马斯-布兰德是该团队的成员。"通过旋转磁场，我们可以旋转量子气体，"目前论文的第一作者劳里茨-克劳斯解释说。"如果它的旋转速度足够快，那么在量子气体中就会形成小漩涡。这就是气体试图平衡角动量的方式。"在足够高的旋转速度下，沿着磁场形成奇特的旋涡条纹。这些是双极量子气体的一个特殊特征，现在已经在奥地利因斯布鲁克大学首次被观察到。现在发表在《自然-物理学》上的这种新方法将被用来研究超固态中的超流性，在这种状态下，量子物质同时是固体和液体。"在新发现的超固态中，超流性的程度确实仍然是一个重大的开放性问题，而且这个问题今天仍然很少被研究。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331427.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331427.htm

科学家们创造出能从热能中产生电能的晶体

科学家们创造出能从热能中产生电能的晶体这种新型合成材料由铜、锰、锗和硫组成，它的生产过程相当简单，法国卡昂CRISMAT实验室的CNRS研究员、材料科学家EmmanuelGuilmeau解释说，他是该研究的通讯作者。"这些粉末通过球磨进行简单的机械合金化，形成一个预结晶相，然后在600摄氏度下进行致密化。他说："这个过程可以很容易地扩大生产规模。"热电材料可将热量转化为电能。这在工业过程中特别有用，因为在工业过程中，废热被重新利用为有价值的电力。相反的方法是冷却电子部件，例如在智能手机或汽车中。这类应用中使用的材料不仅要高效，而且要便宜，更重要的是要对健康安全。然而，迄今为止使用的热电设备使用了昂贵和有毒的元素，如铅和碲，它们提供了最佳的转换效率。但为了找到更安全的替代品，EmmanuelGuilmeau和他的团队已经转向天然铜基硫化物矿物的衍生物。这些矿物衍生物主要由无毒和丰富的元素组成，其中一些还具有热电特性。现在，该团队已经成功地生产出一系列的热电材料，在同一材料中显示出两种晶体结构。"我们对这个结果感到非常惊讶。通常情况下，稍微改变成分对这一类材料的结构没有什么影响，"EmmanuelGuilmeau在描述他们的发现时说。研究小组发现，用铜取代一小部分锰产生了复杂的微结构，具有相互连接的纳米域、缺陷和连贯的界面，这影响了材料的电子和热的传输特性。EmmanuelGuilmeau说，所生产的新型材料在400摄氏度（750华氏度）以下都很稳定，这个范围在大多数工业的废热温度范围内。他相信，在这一发现的基础上，可以设计出更便宜、无毒的新型热电材料来取代更多有问题的材料。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332391.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332391.htm

寻找“超级马铃薯” - 科学家创造出超级马铃薯庞基因组

寻找“超级马铃薯”-科学家创造出超级马铃薯庞基因组科学家们创建了一个马铃薯超级基因组，以确定抗逆性更强、营养更丰富的马铃薯的性状。这个庞大的基因数据库有助于开发抗病和适应气候的马铃薯，从而有利于全球粮食安全。在玛蒂娜-斯特罗姆维克（MartinaStrömvik）教授的领导下，该研究小组开发了马铃薯超级基因组，以确定可为下一代超级马铃薯铺平道路的遗传特征。Strömvik教授说："我们的超级庞基因组揭示了马铃薯的遗传多样性，以及有可能在我们现代作物中培育出哪些类型的遗传特征以使其变得更好，它代表了60个物种，是迄今为止马铃薯及其近缘种基因组序列数据的最广泛收集。"基因组是生物体的一套完整的遗传指令，称为DNA序列，而庞基因组旨在捕捉一个物种内完整的遗传多样性，超级庞基因组还包括多个物种。马铃薯是世界上许多人的主食来源--就人类消费而言，它是仅次于水稻和小麦的全球最重要的粮食作物之一。Strömvik教授说："野生马铃薯物种可以教给我们很多关于哪些遗传性状对适应气候变化和极端天气、提高营养质量和改善粮食安全至关重要的知识。"为了建立马铃薯庞基因组，研究人员使用超级计算机对来自公共数据库（包括加拿大、美国和秘鲁的基因库）的数据进行了压缩。据研究人员称，马铃薯基因组可用于回答有关这种重要作物进化的许多问题，这种作物是近1万年前秘鲁南部山区的土著居民驯化的。它还可以用来帮助识别特定基因，利用传统育种或基因编辑技术创造出超级土豆。科学家们希望开发出一种能够抵御各种形式疾病的作物，并能更好地抵御极端天气，如大量降雨、霜冻或干旱。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381289.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381289.htm

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了量子位。研究人员利用一种特殊的能量转换，在量子点（半导体的一个微小区域）中产生了一种叠加态，其中一个电子空穴同时拥有两个不同的能级。这种叠加态是量子计算的基础。以前，要诱导这种状态，必须使用能够发射太赫兹范围光线的大型自由电子激光器。遗憾的是，这种波长太长，无法将光束准确聚焦到量子点上。不过，该团队利用两个经过仔细校准的短波长激光脉冲实现了激发。以杭州浙江大学的刘锋为首的研究小组与波鸿鲁尔大学的阿尔内-路德维希博士领导的研究小组以及其他来自中国和英国的研究人员一起，在2023年7月24日在线出版的《自然-纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。研究人员成功地在一种半导体纳米结构中创建了一种量子叠加态，它可能成为量子计算的基础。诀窍在于：两个光学激光脉冲可作为一个太赫兹激光脉冲。(波鸿研究团队：Hans-GeorgBabin（左）和ArneLudwig）。资料来源：RUB，Marquard为了实现这种叠加态，研究人员利用了辐射奥格转变。在这一过程中，一个电子与一个空穴重新结合，部分能量以光子形式释放，部分能量转移到另一个电子上。电子空穴--换句话说，缺失的电子--也会发生同样的过程。2021年，一个研究小组首次成功地专门激发了半导体中的辐射奥杰转变。在当前的项目中，研究人员证明了辐射奥杰过程可以被相干驱动：他们使用了两束不同的激光，其强度相互之间有特定的比例。通过第一束激光，他们激发了量子点中的电子-空穴对，产生了由两个空穴和一个电子组成的准粒子。利用第二束激光，他们触发了辐射奥杰过程，将一个空穴提升到一系列更高的能量状态。研究人员利用微调激光脉冲在空穴基态和高能态之间产生叠加。这样，空穴就同时存在于这两种状态中。这种叠加是量子比特的基础，与传统比特不同，量子比特不仅存在于"0"和"1"两种状态，而且还存在于这两种状态的叠加中。汉斯-格奥尔格-巴宾（Hans-GeorgBabin）在波鸿鲁尔大学由安德烈亚斯-维克（AndreasWieck）教授领导的应用固体物理教席的阿尔内-路德维希（ArneLudwig）博士的指导下，制作了用于实验的高纯度半导体样品。在此过程中，研究人员提高了量子点的集合均匀性，并确保了所生产结构的高纯度。这些措施为与严俊勇和刘峰合作的中国合作伙伴进行实验提供了便利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374897.htm