科学家3D打印出首个兼具超强强度和延展性的高性能纳米结构合金

科学家3D打印出首个兼具超强强度和延展性的高性能纳米结构合金据NewAtlas报道，随着新的制造技术的出现，全新的金属合金有了更多的可能特性。一个研究小组现在已经开发出一种新的可3D打印的合金，其特定的纳米结构使其具有超强的强度和延展性。大多数常见的合金，如不锈钢或青铜，是由一种主要金属与少量其他元素混合而成。但是，一种被称为高熵合金（HEAs）的新兴材料涉及将五种不同的元素以大致相等的比例混合在一起。由此产生的合金最终具有耐人寻味和有用的特性，如高强度重量比和随温度上升的硬度。这项新的研究集中于含有铝、钴、铬、铁和镍的等量的HEA。这种特殊的混合物已经实验了几年，但该团队使用一种尚未应用于它的技术--激光粉末床融合技术来制造它。基本上，原始金属的粉末形式被铺设在一个表面上，然后用高功率的激光进行喷射，使它们迅速熔化并重新凝固。这种技术是3D打印的一种形式，使最终的合金具有与其他制造方法非常不同的微观结构。该团队将其描述为看起来像一张网，有不同的立方体结晶结构的交替层。这使得HEA的屈服强度约为1.3GPa，比使用传统铸造方法制造时几乎强三倍。同时，它也更具延展性，与常见的权衡方法相反。这项研究的首席研究员陈文说：“这种不寻常的微观结构的原子重排产生了超高的强度和增强的延展性，这是不常见的，因为通常强大的材料往往是脆性的。对于许多应用来说，强度和延展性的结合是关键。我们的发现对材料科学和工程来说都是原创的，令人振奋。”这种强度和延展性的特殊组合可以使这种合金在航空航天、能源、运输或其他工程领域的部件中发挥作用。该研究发表在《自然》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1302879.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1302879.htm

“绿氢”生产技术新进展为人工光合作用的研发铺平道路

“绿氢”生产技术新进展为人工光合作用的研发铺平道路韩国标准与科学研究所(KRISS)在院长Hyun-minPark的领导下，展示了一种带有保护膜的耐用高效光电阳极的潜在解决方案，该解决方案有助于通过太阳能水分解生产氢气。这有望开启环保的“绿氢”时代。使用可再生能源生产绿色氢，不产生碳排放。生产绿色氢的代表性方法是使用直接浸入电解质并可以吸收阳光的光电阳极进行光电化学水分解。结果，光电阳极利用吸收的太阳能直接将接触的水分解成氢气和氧气。然而，由于光电阳极与电解质直接接触，因此很容易发生表面腐蚀。在表面沉积表面保护涂层以防止表面腐蚀。通常，氧化物材料如二氧化钛（TiO2）被用作光电阳极的保护膜。尽管氧化物材料是电的不良导体，但当形成作为电荷传输通道的氧缺陷时，可以调节它们的电导率。延长光电阳极寿命的关键是开发一种足够耐用的保护膜，以防止电极腐蚀并能够保持最佳的导电性。对于有效的PEC水分解，通过系统地控制n-Si光电阳极TiOx钝化层中的缺陷密度来平衡两个因素至关重要，即（1）禁带中载流子传输的可达状态密度和（2）有利的状态密度界面能量学。图片来源：韩国标准科学研究所(KRISS)KRISS开发了世界上第一项系统调节光阳极二氧化钛（TiO2）保护膜中氧缺陷水平的技术，以最大限度地提高氢气生产效率。为了探索氧缺陷在电荷转移机制中的作用，研究团队利用X射线光电子能谱和电化学分析确定了最大化光电阳极寿命和产氢的最佳缺陷水平与过去依赖于制造过程中保护膜中自发形成的氧缺陷的研究不同，本研究提出了一种直接生产方法，可以控制氧缺陷的水平，从而实现大规模生产。根据实验结果，没有保护膜的光电阳极在一小时内寿命迅速下降，导致产氢效率与初始状态相比下降到20%以下。另一方面，具有优化保护膜的光电阳极即使在100小时后仍保持超过85%的产氢效率。这一成果有可能提高光电阳极的效率和寿命，并可应用于依赖光电阳极的其他清洁技术。捕获二氧化碳并利用太阳能将其转化为化学能源的人工光合作用技术就是其中之一。KRISS跨学科材料测量研究所首席研究员AnsoonKim博士表示：“这种方法可以将光电阳极的寿命延长约10倍，并对绿氢的商业化做出重大贡献。”KRISS计划进行进一步的研究，以揭示氧缺陷的最佳水平以及最大限度地延长光电阳极寿命的基本原理。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369519.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369519.htm

量子突破：多功能金属膜如何改变光子学

量子突破：多功能金属膜如何改变光子学用于任意塑造二维六方氮化硼量子发射的多功能金属膜的艺术插图。资料来源：ChiLi、JaehyuckJang、TrevonBadloe、TieshanYang、JoohoonKim、JaekyungKim、MinhNguyen、StefanA.Maier、JunsukRho、HaoranRen、IgorAharonovich。量子发射是实现光子量子技术的关键。固态单光子发射器（SPE），如六方氮化硼（hBN）缺陷，可在室温下工作。它们因其坚固性和亮度而备受青睐。从SPE收集光子的传统方法依赖于高数值孔径(NA)物镜或微结构天线。虽然光子收集效率很高，但这些工具无法操控量子发射。要对发射的量子光源进行任何所需的结构化处理，都需要多个笨重的光学元件，如偏振器和相位板。在最近发表在《eLight》杂志上的一篇新论文中，莫纳什大学的ChiLi博士和HaoranRen博士领导的一个国际科学家团队开发出了一种新型多功能金属膜，用于构造SPE的量子发射。以不同空间形式任意变换光束的能力对于量子光源来说至关重要。元表面改变了光子设计的面貌。它带来了从光学成像和全息技术到激光雷达和分子传感的重大技术进步。最近，人们设计了将纳米级发射器直接集成到纳米结构谐振器和元表面的方法，以收集和演示对SPE发射的基本定制。这些最初的演示证明了平面光学在推动量子发射操纵方面的必要性。研究小组通过设计和制造一种多功能金属膜来解决这一问题。韩国物理学家JaehyuckJang博士、TrevonBadloe博士和浦项科技大学的JunsukRho教授制造出了这种新型金属膜。它可以同时调整方向性、极化和轨道角动量（OAM）自由度。他们利用金属离子演示了在室温下从氢化硼中的固相萃取物（SPEs）进行量子发射的多维结构化。研究小组展示了量子发射方向性的任意塑造。他们还表明，可以在金属感曲线上添加不同的螺旋波面，从而在SPE的正交极性中产生独特的OAM模式。这项突破性的实验工作由IgorAharonovich教授领导的悉尼科技大学和TMOS（澳大利亚研究理事会卓越中心）完成。所展示的多自由度量子发射任意波前整形技术可以充分释放固态SPE的潜力，将其用作先进量子光子应用的高维量子源。该团队的新技术提供了一个新平台，利用超薄元光学器件在室温下实现多自由度量子发射的任意波前整形。它可能为量子信息科学领域提供新的见解。研究小组认为，操纵光子的偏振可以改善滤波效果，从而对量子密码学和纠缠分发产生重大影响。偏振分离对于未来利用氢化硼SPE生成偏振纠缠光子对至关重要。金属膜的未来扩展可实现高维单光子混合量子态的产生。未来将结构化SPE源与可靠的传输环境（如光纤）进行整合，将有望实现信息容量更大、抗噪声能力更强、安全性更高的量子网络。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376677.htm

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为一个科学家小组将冷原子气体的操纵潜力提高了一倍，创造出了一种新型物质。这一突破可以通过激发特制气体中的"密度波"来推动量子技术的发展。密度波插图。由HaraldRitsch绘制。资料来源：因斯布鲁克大学/EPFL过去，冷原子气体因能够"编程"原子之间的相互作用而闻名于世，洛桑联邦理工学院的让-菲利普-布兰特教授（Jean-PhilippeBrantut）说。"我们的实验让这种能力翻了一番！"他们与因斯布鲁克大学的赫尔穆特-里奇（HelmutRitsch）教授小组合作，取得了一项突破性进展，这不仅会影响量子研究，还会影响未来的量子技术。长期以来，科学家们一直对了解材料如何自组织成晶体等复杂结构感兴趣。在量子物理学这个常常令人费解的世界里，粒子的这种自组织表现为"密度波"，即粒子排列成一种有规律的、重复的模式或"秩序"；就像一群穿着不同颜色衬衫的人站成一排，但没有两个穿着相同颜色衬衫的人站在一起。在金属、绝缘体和超导体等多种材料中都能观察到密度波。然而，对它们的研究一直很困难，尤其是当这种秩序（波中粒子的模式）与其他类型的组织（如超流体--一种允许粒子无阻力流动的特性）同时出现时。值得注意的是，超流动性并不仅仅是一种理论上的好奇心；它对于开发具有独特性质的材料（例如高温超导性，它可以带来更高效的能量传输和存储）或建造量子计算机具有巨大的意义。为了探索这种相互作用，布兰特和他的同事们创造了一种"单元费米气体"，这是一种由冷却到极低温度的锂原子组成的稀薄气体，其中的原子经常相互碰撞。然后，研究人员将这种气体置于光腔中，光腔是一种用于将光线长时间限制在狭小空间内的装置。光腔由两面反射镜组成，能将射入的光线在两面反射镜之间来回反射数千次，从而使光粒子（光子）在光腔内积聚。在这项研究中，研究人员利用空腔使费米气体中的粒子发生远距离相互作用：第一个原子会发射一个光子，光子反弹到镜子上，然后被气体中的第二个原子重新吸收，无论它与第一个原子的距离有多远。当发射和重新吸收的光子足够多时（在实验中很容易调整），原子就会集体组织成密度波模式。布兰特说："原子在费米气体中直接相互碰撞，同时又在很远的距离上交换光子，这是一种新型物质，其中的相互作用是极端的。我们希望，我们在那里看到的东西将增进我们对物理学中遇到的一些最复杂材料的理解。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372485.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372485.htm

神秘的"奇怪的金属"类产生了不寻常的电荷波动

神秘的"奇怪的金属"类产生了不寻常的电荷波动罗格斯文理学院物理和天文学系罗格斯材料理论中心特聘教授、参与该研究的理论家之一皮尔斯-Coleman说："量子材料很可能会推动下一代技术的发展，而奇怪的金属将成为其中的一部分。我们知道像Y型球这样的奇怪金属表现出的特性需要被理解，以开发这些未来的应用。我们非常肯定，了解这种奇怪的金属将给我们带来新的想法，并将帮助我们设计和发现新的材料。"来自罗格斯大学、兵库大学、日本东京大学、辛辛那提大学和约翰霍普金斯大学的一个国际研究小组在《科学》杂志上报告说，他们描述了电子运动的细节，为Y型球的不寻常电性能提供了新的见解。这种材料在技术上被称为YbAlB4化合物，含有镱、铝和硼元素。它被已故的罗格斯大学材料理论中心的创始主任ElihuAbrahams昵称为"Y球"。实验显示，这种奇怪的金属的电荷有不寻常的波动。研究人员说，这项工作是开创性的，因为实验人员以新颖的方式检查Y球，用同步加速器（一种粒子加速器）向它发射伽马射线。罗格斯大学的团队--包括Coleman、物理学教授PremalaChandra和前博士后研究员YasharKomijani（现在是辛辛那提大学的助理教授）--多年来一直在探索奇怪金属的奥秘。他们通过量子力学的框架来做这件事，量子力学是管理超小领域的物理定律，是自然界的组成部分，如电子的家园。使用一种被称为莫斯鲍尔光谱学的技术来分析这种材料，科学家们用伽马射线探测Y球，测量这种奇怪金属的电荷波动速度。在传统的金属中，当它们移动时，电子在原子中跳进跳出，导致它们的电荷波动，但其速度快了数千倍，无法通过摩斯鲍尔光谱学看到。在这种情况下，这种变化发生在纳秒，即十亿分之一秒内。Komijani说："在量子世界中，纳秒是一个永恒的过程。很长时间以来，我们一直在想，为什么这些波动实际上如此缓慢。每次一个电子跳入一个镱原子时，它在那里停留足够长的时间来吸引周围的原子，使它们移入和移出。电子和原子的这种同步舞蹈使整个过程变慢，从而可以被摩斯鲍尔看到。令我们高兴的是，他们检测到了这些振动。"当电流流经传统金属，如铜，随机原子运动使电子散开，造成摩擦，称为电阻。随着温度的升高，电阻以一种复杂的方式增加，在某一点上，它达到一个高原。然而，在奇怪的金属如Y型球中，电阻随温度线性增加，这是一个简单得多的行为。此外，进一步促进了它们的"奇怪性质"，当Y型球和其他奇怪的金属被冷却到低温时，它们往往成为超导体，完全不表现出电阻。具有最高超导温度的材料就属于这个奇怪的家族。因此，这些金属非常重要，因为它们为新形式的电子物质提供了画布--特别是奇异的高温超导性。超导材料有望成为下一代量子技术的核心，因为在消除所有的电阻后，它们允许电流以量子力学的方式同步流动。研究人员认为他们的工作为未来打开了一扇门，也许是难以想象的可能性。Coleman说："在19世纪，当人们试图弄清电和磁的时候，他们不可能想象到下一个世纪，它完全是由这种理解所推动的。因此，今天也是如此，当我们使用'量子材料'这个模糊的短语时，我们无法真正设想它将如何改变我们子孙的生活。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357409.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357409.htm

40年量子之谜迎刃而解："奇异金属"为何如此奇异？

40年量子之谜迎刃而解："奇异金属"为何如此奇异？一种新理论解释了奇异金属的不寻常行为，奇异金属被认为是凝聚态物理学中最大的挑战之一。该理论基于奇异金属的两个特性。首先，它们的电子可以在量子力学上相互纠缠，束缚了它们的命运，而且即使相隔很远，它们仍然会纠缠在一起。其次，奇异金属的原子排列不均匀。资料来源：露西-雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会由纽约市Flatiron研究所计算量子物理中心的阿维什卡尔-帕特尔领导的最新研究终于揭示了一种机制，可以解释奇异金属的特性。在8月18日出版的《科学》（Science）杂志上，帕特尔和他的同事们介绍了他们关于奇怪金属为何如此奇怪的通用理论--这是凝聚态物理学中最大的未决问题之一的解决方案。许多量子材料中都存在奇怪的金属表面，包括一些经过微小改变就能成为超导体（在足够低的温度下电子流动阻力为零的材料）的材料。这种关系表明，了解奇异金属有助于研究人员发现新型超导现象。这个简单得令人惊讶的新理论解释了奇异金属的许多奇特之处，例如为什么电阻率的变化与温度成正比--电阻率是衡量电子作为电流在材料中流动的容易程度的指标，即使在极低的温度下也是如此。这种关系意味着，在相同温度下，奇异金属比普通金属（如金或铜）对电子流动的阻力更大。信息图解释了一种新理论，该理论解释了被称为奇异金属的量子材料的奇特性质。资料来源：LucyReading-Ikkanda/Simons基金会新理论基于奇异金属两种特性的结合。首先，它们的电子可以彼此量子力学地纠缠在一起，束缚了它们的命运，而且即使相隔很远，它们也会保持纠缠状态。其次，奇异金属的原子排列不均匀，呈拼凑状。这两种特性都不能单独解释奇异金属的奇特之处，但综合起来，"一切都水到渠成了"，在中央研究院担任Flatiron研究员的帕特尔说。奇异金属原子布局的不规则性意味着电子纠缠的变化取决于纠缠发生在材料的哪个位置。当电子在材料中移动并相互影响时，这种变化增加了电子动量的随机性。电子不是一起流动，而是在各个方向相互碰撞，从而产生电阻。由于电子碰撞的频率越高，材料的温度就越高，电阻也会随之升高。帕特尔说："这种纠缠和不均匀性的相互作用是一种新的效应；以前从未考虑过任何材料会产生这种效应。回想起来，这是一件极其简单的事情。长期以来，人们把奇异金属的整个故事说得过于复杂，这是不对的。"帕特尔说，更好地理解奇异金属可以帮助物理学家为量子计算机等应用开发和微调新型超导体。他说："在有些情况下，有些东西想要超导，但又做不到，因为超导性被另一种竞争态阻挡了。那么我们可以问，这些非均匀性的存在是否会破坏超导性与之竞争的其他状态，并为超导性留出道路？"现在，奇异金属已经不那么奇异了，这个名字似乎也不那么贴切了。帕特尔说："在这一点上，我更愿意称它们为不寻常金属，而不是奇异金属。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378325.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378325.htm