麻省理工学院的工程师们培育出"完美"的仅有原子厚度的材料

麻省理工学院的工程师们培育出"完美"的仅有原子厚度的材料再来谈谈二维材料-精致的、二维的完美晶体片，其厚度只有一个原子。在纳米尺度上，二维材料可以比硅更有效地传导电子。因此，寻找下一代晶体管材料的工作集中在二维材料上，作为硅的潜在继承者。但是在电子工业能够过渡到二维材料之前，科学家们必须首先找到一种方法，在工业标准的硅片上安放这些材料，同时保留其完美的结晶形式。而麻省理工学院的工程师现在可能有一个解决方案。该团队已经开发出一种方法，可以使芯片制造商通过在现有的硅和其他材料的晶圆上生长，用二维材料制造出更小的晶体管。这种新方法是一种"非外延式单晶生长"的形式，该团队首次使用这种方法在工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的完美二维材料。通过他们的方法，研究小组用一种叫做过渡金属二氯化物（TMDs）的二维材料制造了一个简单的功能晶体管，众所周知，这种材料在纳米尺度上的导电性能比硅更好。麻省理工学院机械工程系副教授JeehwanKim说："我们预计我们的技术可以使基于二维半导体的高性能下一代电子设备得到发展。我们已经解开了一个使用二维材料追赶摩尔定律的方法。"Kim和他的同事在最近发表于《自然》杂志的一篇论文中详细介绍了他们的方法。这项研究的麻省理工学院合作者包括KiSeokKim、DoyoonLee、CelestaChang、SeunghwanSeo、HyunseokKim、JihoShin、SanghoLee、JunMinSuh和Bo-InPark，以及德克萨斯大学达拉斯分校、加州大学河滨分校、圣路易斯华盛顿大学和韩国各地机构的合作者。通过在涂有"掩膜"的晶圆上沉积原子（左上），麻省理工学院的工程师可以将原子聚集在掩膜的各个口袋里（中间），并鼓励原子生长成完美的二维单晶层（右下）。资料来源：JeehwanKim,KiSeokKim,et.晶体拼接为了生产二维材料，研究人员通常采用手工工艺，将原子厚度的薄片从块状材料中小心翼翼地剥离出来，就像剥去洋葱的一层。但是大多数块状材料是多晶体的，包含多个以随机方向生长的晶体。在一个晶体与另一个晶体相遇的地方，"晶界"就像一个电障。任何流经一个晶体的电子在遇到一个不同方向的晶体时突然停止，从而抑制了材料的导电性。即使在剥离二维薄片后，研究人员也必须在薄片上寻找"单晶"区域--这是一个繁琐而耗时的过程，很难在工业规模上应用。最近，研究人员发现了其他制造二维材料的方法，即在蓝宝石晶片上生长二维材料--一种具有六角形原子图案的材料，它推动二维材料以相同的单晶方向组装。"但在内存或逻辑行业中没有人使用蓝宝石，"Kim说。"所有的基础设施都是基于硅的。对于半导体加工，你需要使用硅晶圆。"然而，硅晶圆缺乏蓝宝石的六边形支撑支架。当研究人员试图在硅上生长二维材料时，其结果是晶体的随机拼凑，胡乱地合并，形成许多阻碍导电性的晶界。"人们认为在硅上生长单晶二维材料几乎是不可能的，"Kim说。"现在我们表明它可以，我们的诀窍是从源头防止形成晶界。"“种子袋”该团队新的"非外延式单晶生长"不需要剥离和搜索二维材料的薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积方法，将原子抽过硅片。原子最终在晶圆上"定居"并形成晶核，直接生长为二维晶体方向。如果不加处理，每个"核"或晶体的种子将在硅片上以随机的方向生长。但是Kim和他的同事们找到了一种方法，使每个生长中的晶体对齐，在整个硅片上形成单晶区域。为了做到这一点，他们首先在硅片上覆盖了一层"掩膜"-一层二氧化硅涂层，他们将其图案化为微小的口袋，每一个口袋都被设计用来捕获一个晶体种子。然后，他们在被遮蔽的硅片上流淌着原子的气体，这些原子沉淀在每个口袋里，形成一种二维材料--在这种情况下是一种过渡金属二氯化物。掩膜的口袋聚集了原子，并鼓励它们以相同的单晶方向在硅片上组装。"这是一个非常令人震惊的结果，"Kim说，"到处都有单晶生长，即使2D材料和硅片之间没有外延关系。"利用他们的遮蔽方法，该团队制造了一个简单的TMD晶体管，并显示其电气性能与相同材料的纯片一样好。他们还应用该方法设计了一个多层器件。在用图案化的掩模覆盖硅片后，他们生长出一种二维材料来填充每个方块的一半，然后在第一层上生长出第二种二维材料来填充其余方块。结果是在每个方块内形成了超薄的单晶双层结构，往后，多种二维材料可以通过这种方式生长并堆叠在一起，以制造超薄、灵活和多功能的薄膜。"直到现在，还没有办法在硅片上以单晶形式制造二维材料，因此整个社区几乎放弃了为下一代处理器追求二维材料，"Kim说。"现在我们已经完全解决了这个问题，有了制造小于几纳米的器件的方法。这将改变摩尔定律的范式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343087.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343087.htm

麻省理工学院的研究人员实现在硅片上直接生长出晶体管

麻省理工学院的研究人员实现在硅片上直接生长出晶体管麻省理工学院的团队克服了这一挑战，创造了一种低温生长工艺，保留了芯片的完整性，使二维半导体晶体管可以直接集成在标准硅电路之上。新方法在整个8英寸晶圆上生长出一个光滑、高度均匀的层，而不像以前的方法，在将二维材料转移到芯片或晶圆之前，要在其他地方生长二维材料。这一过程经常导致不完美，对设备和芯片性能产生负面影响。此外，这项新技术可以在不到一个小时的时间里在8英寸晶圆上生长出一层均匀的TMD材料，与以前的方法相比，这是一个重大的改进，因为以前的方法需要一天以上的时间才能完成一个单层。这项技术的增强的速度和均匀性使它适合于商业应用，因为8英寸或更大的晶圆是必不可少的。研究人员专注于二硫化钼，一种灵活、透明的二维材料，具有强大的电子和光子特性，是半导体晶体管的理想选择。他们为金属有机化学气相沉积工艺设计了一种新炉子，它有独立的低温和高温区域。硅片被放置在低温区，同时气化的钼和硫前体流入炉内。钼保持在低温区，而硫前体在高温区分解，然后流回低温区，在硅片表面生长出二硫化钼。人工智能、汽车和高性能计算等新兴应用要求计算非常密集，而堆叠晶体管可能是一个挑战。这种新方法对行业有重大影响，能够快速、有效地将二维材料整合到工业制造中。未来的发展包括对该技术进行微调，以生长多层二维晶体管，并探索柔性表面的低温生长工艺，如聚合物、纺织品，甚至是纸张。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357631.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357631.htm

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：SampsonWilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（PeterSatterthwaite）使用MIT.nano中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员FarnazNiroui是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生PeterSatterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE成员JingKong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了p型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423078.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423078.htm

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现--这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（CarlosPortela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（ThomasButruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（JoshuaCrone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒900米（每小时2000多英里）的速度-完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420685.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420685.htm

麻省理工学院为细胞打造“健身计划” 设计水凝胶“房”

麻省理工学院为细胞打造“健身计划”设计水凝胶“健身房”麻省理工学院的工程师设计了一种细胞锻炼垫，可以帮助科学家在微观层面上对运动的机械效应进行归零。研究结果表明，经常锻炼有助于肌肉纤维向同一方向生长。图片来源：EllaMarushchenko现在，麻省理工学院的工程师们设计出了一种细胞锻炼垫，它可以帮助科学家们在微观层面上对运动的纯机械效应进行归零。这种新设计与瑜伽垫并无太大区别：两者都是橡胶材质，有一定的伸缩性。就麻省理工学院的垫子而言，它是由水凝胶制成的，水凝胶是一种类似果冻的柔软材料，只有四分之一硬币大小，内嵌磁性微粒。为了激活凝胶的机械功能，研究人员在垫子下方使用了一块外部磁铁，来回移动嵌入的微粒，使凝胶像振动垫一样摇摆。他们控制着晃动的频率，以模拟肌肉在实际运动时所承受的力量。接下来，他们在凝胶表面培育了一层肌肉细胞地毯，并激活了磁铁的运动。然后，他们研究了细胞在受到磁力振动时对"运动"的反应。研究结果表明，定期的机械运动可以帮助肌肉纤维向同一方向生长。这些排列整齐的"锻炼"纤维还能同步工作或收缩。研究结果表明，科学家可以利用新的锻炼凝胶来塑造肌肉纤维的生长方式。该研究小组计划利用他们的新装置，将强健、功能性肌肉的薄片模型化，以用于软机器人和修复病变组织。拉曼左侧是研究生安吉尔-布，右侧是研究生布兰登-里奥斯。图片来源：亚当-格兰兹曼麻省理工学院工程设计布里特和亚历克斯-达贝洛夫职业发展教授里图-拉曼（RituRaman）说："我们希望利用这个新平台来研究机械刺激是否有助于引导受伤后的肌肉再生或减轻衰老的影响。机械力在我们的身体和生活环境中扮演着非常重要的角色。现在我们有了一个研究工具"。她和同事们最近在《设备》（Device）杂志上发表了他们的研究成果。在麻省理工学院，拉曼的实验室设计用于医学和机器人学的自适应生命材料。该团队正在设计功能性神经肌肉系统，目的是恢复运动障碍患者的行动能力，并为柔软的适应性机器人提供动力。为了更好地了解天然肌肉和驱动其功能的力量，她的团队正在研究组织如何在细胞水平上对运动等各种力量做出反应。拉曼说："在这里，我们想找到一种方法，将运动的两个主要因素--化学和机械--分离开来，看看肌肉是如何纯粹对运动的机械力做出反应的。"研究小组一直在寻找一种方法，让肌肉细胞定期、反复地受到机械力的作用，同时又不会在此过程中对它们造成物理损伤。他们最终选择了磁铁这种安全、无损的方式来产生机械力。对于他们的原型，研究人员首先将市售的磁性纳米粒子与橡胶硅溶液混合，制造出微米大小的小磁棒。他们将混合物固化成板坯，然后将板坯切成非常薄的条状。他们将四根磁棒夹在两层水凝胶（一种通常用于培养肌肉细胞的材料）之间，每根磁棒之间的间距稍大。最后得到的嵌入磁铁的垫子大约有四分之一硬币大小。然后，研究小组在垫子表面培养出"鹅卵石"状的肌肉细胞。每个细胞一开始都是圆形，随着时间的推移逐渐拉长，并与其他相邻细胞融合形成纤维。最后，研究人员在凝胶垫下的轨道上放置了一块外部磁铁，并设定磁铁来回移动的程序。嵌入的磁铁随之移动，使凝胶发生摆动，并产生与细胞在实际运动时类似的力。研究小组每天对细胞进行30分钟的机械"锻炼"，持续了10天。作为对照，他们在相同的垫子上培养细胞，但让它们在没有运动的情况下生长。拉曼说："然后，我们放大并拍摄了凝胶的照片，发现这些受到机械刺激的细胞看起来与对照组细胞截然不同。"研究小组的实验发现，与没有运动的细胞相比，经常暴露在机械运动中的肌肉细胞生长时间更长，而没有运动的细胞则倾向于保持圆形。更重要的是，"运动"过的细胞长出的纤维朝同一方向排列，而不运动的细胞则像杂乱无章的干草堆，纤维排列不整齐。研究小组在这项研究中使用的肌肉细胞是经过基因工程改造的，能在蓝光照射下收缩。通常情况下，人体内的肌肉细胞会在神经电脉冲的作用下收缩。然而，在实验室中对肌肉细胞进行电刺激可能会对它们造成潜在伤害，因此研究小组选择从基因上操纵这些细胞，使它们对非侵入性刺激（在本例中为蓝光）做出收缩反应。拉曼解释说："当我们用光线照射肌肉时，你可以看到控制细胞在跳动，但有些纤维这样跳动，有些那样跳动，总体上产生了非常不同步的抽搐。而在排列整齐的纤维中，它们都同时朝着同一方向拉动和跳动"。她将这种新的锻炼凝胶命名为MagMA（磁性基质驱动），它可以作为一种快速、无创的方法来塑造肌肉纤维，并研究它们如何对运动做出反应。她还计划在这种凝胶上培养其他类型的细胞，以研究它们如何对定期锻炼做出反应。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396981.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396981.htm

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达50纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中--这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距500纳米的位置--这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为50纳米。一个红血球的宽度约为1000纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔500纳米的两层原子的1000倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（WolfgangKetterle）说："我们已经把原子的间距从500纳米提高到50纳米，可以利用这一点做很多事情。在50纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型--这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤--他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于500纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云--在这种情况下，冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高出一线--此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到50纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的50纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子--一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到50纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了50纳米--这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距500纳米的原子强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430651.htm