突破元素周期表的极限："超重"元素挑战理论

突破元素周期表的极限："超重"元素挑战理论来自新西兰梅西大学（MasseyUniversity）、德国美因茨大学（UniversityofMainz）、法国索邦大学（SorbonneUniversity）和稀有同位素加速器（FRIB）的科学家们讨论了元素周期表的极限，并结合超重元素研究的最新进展对"稳定岛"的概念进行了修正。他们的工作是2024年2月《自然-物理学评论》的封面专题。除了《自然-物理评论》的专题报道外，《物理报告》还发表了一篇关于超重元素原子电子结构理论的评论。寻找超重元素什么是最重的结合原子核和最重的结合原子，它们有什么特性？质子数超过103个的化学元素核被称为"超重核"。它们是科学家们正在努力揭示的这些原子核的广阔未知领域的一部分。探索这一未知领域为连接广泛科学领域的发现提供了前景。目前正在建造的新的实验设施可以帮助科学家揭示原子及其原子核在电子、质子和中子数量非常大的情况下的特性。这些设施将在原子序数和质量的极限上创造出新的元素和核素。研究图片。图片来源：《自然-物理评论》2024年2月刊，封面设计：SusanneHarris超重原子核的产生率极低。从这些实验中获得的物理和化学数据表明，超重原子核偏离了轻元素和同位素。这让科学家们质疑，元素周期表和核素表的边界还能扩大多少。评估是否存在"扩展稳定半岛"也是一个科学目标，在这个半岛上，超重原子核的寿命可能超过迄今为止发现的寿命极短的原子核。超重元素的理论进展与未来此外，原子结构理论的进展集中于超重元素及其预测的电子基态构型，这对元素在周期表中的位置非常重要。"由于存在巨大的静电力，超重原子中的电子以接近光速的速度运动，"论文作者之一、约翰-A-汉纳物理学特聘教授、FRIB首席科学家维特克-纳扎雷维茨（WitekNazarewicz）说。"超重原子核中非常强的库仑力也会产生新的效应。这对原子和核理论来说是一场新的球赛"。在FRIB，科学家们将研究如何更接近位于稳定性增强区域的超重原子核。许多超重核目前无法测量，因此有关它们的信息必须来自理论推断。FRIB的核理论家利用高性能计算和机器学习辅助下的先进模型对超重核进行预测。研究元素周期表和超重区的核状况将产生新的想法和方法，对核物理学、原子物理学、天体物理学和化学产生影响。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425709.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425709.htm

迄今最精确测量证实电子“非常圆”

迄今最精确测量证实电子“非常圆”在宇宙诞生的最初时刻，无数的质子、中子和电子与它们的反物质对应物一起形成。随着宇宙的膨胀和冷却，几乎所有这些物质和反物质粒子都会相遇并相互湮灭，只留下光子。如果宇宙是完全对称的，物质和反物质的数量相等，那么故事就结束了，而人类永远不会存在。但一定有一种不平衡，即一些剩余的质子、中子和电子，形成了原子、分子、恒星、行星、星系，最终出现了人类。那么宇宙为什么会有这种不对称性？为了帮助解释这种现象，寻找不对称的迹象，科学家一直在研究电子等基本粒子。寻找不对称性证据的一个目标是电子的电偶极矩（eEDM)。电子是由负电荷组成的，eEDM表明了电荷在电子北极和南极之间分布的均匀程度。测量到任何高于零的eEDM都将证实存在不对称性——电子更多地呈蛋形而不是圆形。但没有人知道这种偏差到底有多小。此次，研究团队创下了精确测量eEDM的纪录，比之前的测量结果精确度提高了2.4倍。这有多精确？研究人员解释说，如果电子的大小与地球一样大，他们的测量会发现比原子半径还要小的不对称性。为了测量粒子的形状，研究人员观察了电子是否在电场中旋转。如果电子不是圆形的，而是略呈蛋形的，电场就会对它们施加扭矩，就像重力把竖起的鸡蛋弄倒一样。为了观察这种扭矩，他们观察了带电的氟化镓分子能级的变化。电子的任何扭矩都会给分子带来不同的能级，这取决于“蛋形电子”相对于电场的方向。然而，研究人员发现，分子的能级没有差异，这证实了电子确实非常圆。理论物理学家认为，某些亚原子粒子的存在可能会使平衡向物质倾斜。如果这些粒子存在，它们也会在电子周围短暂地出现和消失，从而使电子变成椭圆形。虽然目前的测量尚未发现存在不对称性电子的证据，但该结果有助于科学家继续寻找早期宇宙不对称性的答案。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370007.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370007.htm

打破玻恩·奥本海默近似 实验揭示了理论上存在已久的量子现象

打破玻恩·奥本海默近似实验揭示了理论上存在已久的量子现象一个含有两个铂原子的分子吸收了一个光子后开始振动。振动使分子的电子自旋发生翻转，从而使系统同时改变电子状态，这种现象被称为系统间交叉。资料来源：阿贡国家实验室这个模型在绝大多数情况下都是有效的，但科学家们正在测试它的极限。最近，一个科学家小组证明了这一假设在极快的时间尺度上被打破，揭示了原子核和电子动力学之间的密切关系。这一发现可能会影响太阳能转换、能源生产、量子信息科学等领域的分子设计。研究小组成员包括来自美国能源部阿贡国家实验室、西北大学、北卡罗来纳州立大学和华盛顿大学的科学家，他们最近在《自然》和《AngewandteChemieInternationalEdition》上发表了两篇相关论文。"我们的工作揭示了分子中电子自旋动力学和原子核振动动力学在超快时间尺度上的相互作用，"《自然》论文第一作者、西北大学副研究员ShahnawazRafiq说。"这些特性不能独立处理--它们混合在一起，以复杂的方式影响电子动力学。"当分子内原子核的运动变化影响到电子的运动时，就会产生一种叫做自旋-振动效应的现象。当分子内的原子核因其固有能量或光等外部刺激而振动时，这些振动会影响其电子的运动，进而改变分子的自旋，这是一种与磁性有关的量子力学性质。在一个称为系统间交叉的过程中，受激发的分子或原子通过翻转其电子自旋方向来改变其电子状态。系统间交叉在许多化学过程中都发挥着重要作用，包括光伏设备、光催化，甚至生物发光动物。要实现这种交叉，需要特定的条件和相关电子状态之间的能量差异。自20世纪60年代以来，科学家们就提出了自旋-振动效应可能在系统间交叉中发挥作用的理论，但对这一现象的直接观测被证明具有挑战性，因为它涉及到在极快的时间尺度上测量电子、振动和自旋状态的变化。阿贡杰出研究员、西北大学化学教授、这两项研究的共同通讯作者陈林说："我们使用超短激光脉冲--低至七飞秒，即十亿分之七秒--来实时跟踪原子核和电子的运动，这显示了自旋-振动效应是如何驱动体系间交叉的。"了解自旋-振动效应和系统间交叉之间的相互作用，有可能找到控制和利用分子电子和自旋特性的新方法。研究小组研究了北卡罗来纳州立大学教授、两项研究的共同通讯作者费利克斯-卡斯特拉诺（FelixCastellano）设计的四个独特的分子系统。每个系统都与其他系统相似，但它们的结构中包含可控的已知差异。这使得研究小组能够利用略有不同的系统间交叉效应和振动动力学来更全面地了解两者之间的关系。卡斯特拉诺说："我们在这些系统中设计的几何变化导致相互作用的电子激发态之间的交叉点在不同的能量和条件下发生略微不同的变化。这为调整和设计材料以增强这种交叉提供了启示"。在振动运动的诱导下，分子中的自旋-振动效应改变了分子内部的能量分布，增加了系统间交叉的概率和速率。研究小组还发现了与自旋振子效应的运行密不可分的关键中间电子态。华盛顿大学化学教授、能源部西北太平洋国家实验室研究员李晓松通过量子动力学计算预测并支持了这些结果。"这些实验实时显示出非常清晰、非常美丽的化学反应，与我们的预测不谋而合，"李晓松说，他是发表在《AngewandteChemie》国际版上的这项研究的作者之一。实验所揭示的深刻见解代表着在利用这种强大的量子力学关系设计分子方面向前迈进了一步。这对太阳能电池、更好的电子显示屏，甚至依赖光物质相互作用的医学治疗都可能特别有用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387867.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387867.htm

科学家开发出行为与真实分子一样的人工分子

科学家开发出行为与真实分子一样的人工分子负责在Radboud大学进行实验的EmilSierda说：“几年前，我们有一个疯狂的想法来构建一个量子模拟器。我们想创造出类似于真实分子的人造分子。所以我们开发了一个可以捕获电子的系统。电子像云一样围绕着一个分子，我们利用这些被捕获的电子来构建一个人造分子。”团队发现的结果令人惊讶。Sierda：“我们构建的分子与真实分子之间的相似之处令人难以置信。”Radboud大学分子与材料研究所扫描探针显微镜(SPM)系主任AlexKhajetoorians说：“制造分子已经够难了。通常更难的是了解某些分子如何反应，例如它们在扭曲或改变时如何变化。”分子如何变化和反应是化学的基础，并导致化学反应，例如氢和氧形成水。“我们想要模拟分子，这样我们就可以拥有终极工具包来弯曲它们并以对真实分子来说几乎不可能的方式调整它们。通过这种方式，我们可以谈论真正的分子，而无需制造它们，也不必应对它们所带来的挑战，比如它们不断变化的形状。”使用这个模拟器，研究人员创造了化学中一种基本有机分子的人工版本：苯。苯是大量化学品的起始成分，例如用于制造聚苯乙烯的苯乙烯。Khajetoorians介绍说：“通过制造苯，我们模拟了教科书上的有机分子，并构建了一个由非有机元素组成的分子。除此之外：这些分子比真正的分子大10倍，这使得它们更容易使用。”这种新技术的用途是无穷无尽的。SPM系助理教授DanielWegner表示：“我们才刚刚开始想象我们可以用它做什么。我们有很多想法，很难决定从哪里开始。”通过使用模拟器，科学家们可以更好地理解分子及其反应，这将有助于每个可以想象的科学领域。例如，未来计算机硬件的新材料真的很难制造。通过制作模拟版本，我们可以寻找某些分子的新特性和功能，并评估是否值得制作真实材料。在遥远的未来，各种各样的事情都有可能：像慢动作视频一样逐步理解化学反应，或制造人造单分子电子设备，如缩小计算机芯片上晶体管的尺寸。甚至建议将量子模拟器用作量子计算机。Sierda：“但这还有很长的路要走，就目前而言，我们可以从以一种我们以前从未理解过的方式开始理解分子开始。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365783.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365783.htm

科学家首次发现第一代超大质量恒星化学遗迹

科学家首次发现第一代超大质量恒星化学遗迹中国科学院国家天文台的研究团队，发现一颗质量高达260倍太阳质量的第一代恒星的化学遗迹，是首次从观测上证实了第一代恒星质量，可达太阳质量数百倍的理论猜想，对进一步探索宇宙演化奥秘具有重要意义。科研团队利用第一代恒星终结时形成气体云，所诞生的第二代恒星这个特质，透过研究其光谱，尝试推演第一代超大质量恒星的化学组成，发现高达260倍太阳质量的第一代恒星化学遗迹，亦是全球首次经由观测证实第一代恒星质量可达太阳质量数百倍的理论猜想。团队将进一步审视数据，反演不同质量的第一代恒星分布，了解整个宇宙和恒星的演化历史。有关研究成果已经在国际学术期刊《自然》发表。2023-06-0818:10:44

生物芭蕾：科学家以前所未有的清晰度揭示分子"相干性"之舞

生物芭蕾：科学家以前所未有的清晰度揭示分子"相干性"之舞结合两种技术，研究人员揭示了"相干性"在分子反应中的关键作用，为分子动力学的先进控制铺平了道路。探测过程示意图。资料来源：SamuelPerrett由帝国理工大学生命科学系的贾斯珀-范-托尔（JaspervanThor）教授领导的大型国际研究小组最近在《自然-化学》（NatureChemistry）杂志上报告了他们的研究成果。晶体学是结构生物学中一项强大的技术，它可以拍摄分子排列方式的"快照"。经过数次大规模实验和多年的理论研究，新研究背后的团队将这项技术与另一项绘制分子电子和核构型振动图的技术（即光谱学）相结合。研究小组在世界各地的强大X射线激光设备上演示了这项新技术，结果表明，当他们研究的蛋白质中的分子受到光学激发时，它们的最初运动是"相干"的结果。这表明这是一种振动效应，而不是随后生物反应功能部分的运动。首次在实验中显示的这一重要区别，凸显了光谱物理学如何为结构生物学的经典晶体学方法带来新的启示。范托尔教授说："维持生命的每一个过程都是由蛋白质完成的，但要了解这些复杂分子是如何完成它们的工作，就必须了解它们原子的排列，以及这种结构在反应过程中是如何变化的。利用光谱学的方法，我们现在可以通过解决其晶体结构，直接以图像的形式看到属于所谓相干过程的超快分子运动。我们现在拥有了以接近原子分辨率的极快时间尺度理解甚至控制分子动力学的工具。我们希望通过分享这一新技术的方法细节，能够鼓励时间分辨结构生物学以及超快激光光谱学领域的研究人员探索相干过程的晶体结构"。技术结合将这些技术结合起来需要使用X射线自由电子激光器（XFEL）设施，包括美国的Linac相干光源（LCLS）、日本的SPring-8Angstrom紧凑型自由电子激光器（SACLA）、韩国的PAL-XFEL以及最近在汉堡的欧洲XFEL。自2009年以来，该团队成员一直在XFEL工作，利用并了解飞秒（十亿分之一秒）时间尺度上反应蛋白质的运动，这被称为飞秒化学。在激光脉冲激发后，利用X射线对结构进行"快照"。2016年，这项技术取得了初步成功，详细描绘了光诱导生物蛋白质发生的变化。然而，研究人员仍需解决一个关键问题：在第一个激光光脉冲之后，飞秒时间尺度上的微小分子"运动"直接源自何处？以前的研究假设所有的运动都与生物反应相对应，即其功能运动。但使用新方法后，研究小组在实验中发现情况并非如此。相干控制为了得出这一结论，他们创造了"相干控制"--塑造激光，以可预测的方式控制蛋白质的运动。2018年在斯坦福的LCLS取得初步成功后，为了检查和验证这种方法，他们在世界各地的XFEL设施共进行了六次实验，每次都组建了大型团队，并形成了国际合作关系。然后，他们将这些实验数据与从飞沫化学修改而来的理论方法相结合，以便将其应用于X射线晶体学数据而非光谱数据。结论是，在皮米尺度和飞秒时间尺度上精确测量到的超快运动并不属于生物反应，而是属于剩余基态的振动一致性。这意味着飞秒激光脉冲过后"遗留"的分子会主导随后测量到的运动，但仅限于所谓的振动相干时间内。范索尔教授说："我们的结论是，在我们的实验中，即使不包括相干控制，传统的时间分辨测量实际上也是由来自黑暗"反应物"基态的运动所主导，而这些运动与光引发的生物反应无关。相反，这些运动与传统的振动光谱法所测量的运动相对应，具有非常不同但同样重要的意义这实际上是根据以前的理论工作预测出来的，但现在却在实验中得到了证实。这将对时间分辨结构生物学以及超快光谱学领域产生重大影响，因为我们已经开发并提供了分析超快飞秒时间尺度运动的工具。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384887.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384887.htm