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

麻省理工学院研发Metior框架 一种对抗侧信道攻击的秘密武器

麻省理工学院研发Metior框架一种对抗侧信道攻击的秘密武器为了帮助工程师和科学家更好地了解不同混淆方案的有效性，麻省理工学院的研究人员创建了一个安全框架，用于定量评估攻击者能够从采用混淆方案的受害程序中获知多少信息。名为Metior的框架允许用户研究不同的受害者程序、攻击者策略和混淆方案配置如何影响敏感信息的泄露量。开发微处理器的工程师可利用该框架评估多种安全方案的有效性，并在芯片设计早期确定哪种架构最有前途。"Metior帮助我们认识到，我们不应该孤立地看待这些安全方案。分析混淆方案对某一特定受害者的有效性非常诱人，但这无助于我们理解这些攻击为何有效。从更高的层次看问题，我们就能更全面地了解实际情况，"研究生、Metior公开论文的主要作者PeterDeutsch说。Deutsch的合著者包括麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生WeonTaekNa、瑞士联邦理工学院（EPFL）助理教授ThomasBourgeat博士（23岁）、麻省理工学院计算机科学与电气工程实践教授JoelEmer，以及资深作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）HomerA.Burnell职业发展助理教授、计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）成员严孟嘉。这项研究上周在国际计算机体系结构研讨会上发表。揭示混淆安全行业内存在许多混淆方案，但流行的方法通常是通过在受害者的行为中添加一些随机化因素来使攻击者更难获取机密。例如，混淆方案可能涉及程序访问计算机内存的其他区域，而不是只访问需要访问的区域，以迷惑攻击者。还有一些方法会调整受害者访问内存或其他共享资源的频率，使攻击者难以发现清晰的模式。但是，尽管这些方法使攻击者更难得手，但受害者的一些信息仍会"泄露"出去。Yan和她的团队想知道泄漏了多少。他们之前开发了CaSA，这是一种量化特定类型混淆方案所泄露信息量的工具。但对于Metior，他们有更远大的目标。该团队希望推导出一个统一的模型，用于分析任何混淆方案，甚至是尚未开发的方案。为了实现这一目标，他们设计了Metior，将通过混淆方案的信息流映射为随机变量。例如，该模型将受害者和攻击者访问计算机芯片上的共享结构（如内存）的方式映射成数学公式。在Metior得出该数学表述后，该框架利用信息论的技术来理解攻击者如何从受害者那里获取信息。有了这些碎片，Metior就可以量化攻击者成功猜测受害者秘密信息的可能性。"我们将这种微架构侧通道的所有细枝末节都映射成数学问题。"Deutsch说："一旦我们做到了这一点，我们就可以探索许多不同的策略，更好地理解如何通过微小的调整来帮助您抵御信息泄露。"令人惊讶的见解他们在三个案例研究中应用了Metior，以比较攻击策略并分析最先进的混淆方案造成的信息泄露。通过评估，他们看到了Metior如何识别以前尚未完全理解的有趣行为。例如，先前的分析确定了某种类型的侧信道攻击（称为概率素数和探测）是成功的，因为这种复杂的攻击包括一个初步步骤，即对受害者系统进行剖析，以了解其防御能力。他们利用Metior表明，这种高级攻击实际上并不比简单、普通的攻击更有效，而且它利用的受害者行为与研究人员之前想象的不同。展望未来，研究人员希望继续增强Metior，以便该框架能够以更有效的方式分析非常复杂的混淆方案。他们还希望研究更多的混淆方案和受害者程序类型，并对最流行的防御措施进行更详细的分析。最终，研究人员希望这项工作能激励其他人研究微架构安全评估方法，以便在芯片设计过程中尽早应用。"任何一种微处理器的开发都异常昂贵和复杂，而且设计资源极其稀缺。在公司投入微处理器开发之前，有一种评估安全功能价值的方法极为重要。"Emer说："这正是Metior允许他们以非常普遍的方式做到的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370611.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370611.htm

麻省理工学院发明一种兆瓦级电机 有望彻底改变航空旅行

麻省理工学院发明一种兆瓦级电机有望彻底改变航空旅行现在，麻省理工学院的研究人员可能终于找到了一种方法，可以用来制造一个混合系统，利用电气元件和燃气轮机航空发动机。这些麻省理工学院的研究人员正在研究的100万千瓦的电机可能是一个非常重要的垫脚石，以便在未来的某个地方创造一架全电动的飞机。到目前为止，该团队已经设计并测试了电机的主要部件，通过详细的计算表明，这些部件可以作为一个整体产生一兆瓦的功率，同时在重量和尺寸上仍然可以与目前较小的航空发动机竞争。该团队认为，兆瓦级电机将需要与一个电力来源配对，如电池或燃料电池，使其能够将电能转化为机械功，为飞机上的螺旋桨提供动力。此外，它还能够与传统的涡扇喷气发动机配对，以创建一个混合系统，在飞行的某些部分使用电力推进。该团队由GTL和麻省理工学院电磁和电子系统实验室的教员、学生和研究人员组成。试图创造一个更环保的电机已经变得很重要，特别是当我们正朝着可能是破坏性气候"厄运循环"的开始前进时。能够利用电力进行飞行将很容易帮助彻底改变航空业。"无论我们使用什么作为能源载体--电池、氢气、氨气或可持续航空燃料--独立于所有这些，兆瓦级电机将是绿色航空的关键推动因素，"领导该项目的麻省理工学院T.Wilson航空学教授和燃气涡轮机实验室（GTL）主任ZoltanSpakovszky说。Spakovszky和他的团队成员，以及行业合作者，将在6月的航空会议上的美国航空航天学会-电动飞机技术研讨会（EATS）特别会议上介绍他们的工作。麻省理工学院的团队由GTL和麻省理工学院电磁和电子系统实验室的教员、学生和研究人员组成：HenryAndersenYuankangChen、ZacharyCordero、DavidCuadrado、EdwardGreitzer、CharlotteGump、JamesKirtley,Jr.、JeffreyLang、DavidOtten、DavidPerreault和MohammadQasim，以及Innova-LogicLLC的MarcAmato。该项目由三菱重工（MHI）赞助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369047.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369047.htm

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"：开拓能源新时代麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者YogeshSurendranath说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液pH值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（NoahLewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率--质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的pH值对这一速率有显著影响：最高速率出现在pH值的两端--酸性最强的pH值为0，碱性最强的pH值为14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH值为0时的速度比pH值为14时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性pH值为7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在pH值为10（氢氧根离子的浓度是氢铵的100万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm

麻省理工学院首次控制量子随机性

麻省理工学院首次控制量子随机性想象一下，平静的海面突然起了波浪--这与量子层面的真空中发生的情况类似。在此之前，科学家们已经利用这些波动生成了随机数。它们也是量子科学家在过去一百年中发现的许多迷人现象的原因。利用真空波动生成可调谐随机数的实验装置。图片来源：CharlesRoques-Carmes、YannickSalamin麻省理工学院博士后CharlesRoques-Carmes和YannickSalamin、麻省理工学院教授MarinSoljačić和JohnJoannopoulos及其同事最近在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文，对上述发现进行了描述。传统上，计算机以确定性的方式运行，按照一系列预定义的规则和算法逐步执行指令。在这种模式下，如果多次运行相同的操作，总会得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代打下了基础，但也有其局限性，尤其是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务往往涉及大量的不确定性和随机性。从量子真空中生成可调随机数的艺术插图。图片来源：陈磊这就是概率计算概念发挥作用的地方。概率计算系统利用某些过程的内在随机性来执行计算。它们不会只提供一个"正确"的答案，而是提供一系列可能的结果，每个结果都有其相关的概率。这使它们非常适合模拟物理现象和解决优化问题，因为在这些问题中可能存在多种解决方案，而对各种可能性的探索可以找到更好的解决方案。工作的主要作者之一CharlesRoques-Carmes博士正在操作实验系统。图片来源：AnthonyTulliani然而，概率计算的实际应用在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍：缺乏对量子随机性相关概率分布的控制。不过，麻省理工学院团队开展的研究揭示了一种可能的解决方案。具体来说，研究人员已经证明，向光学参量振荡器（一种自然生成随机数的光学系统）注入微弱的激光"偏压"，可以作为"偏压"量子随机性的可控源。"尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常微弱的偏置场的影响尚未得到探索，"该研究的研究员CharlesRoques-Carmes说。"我们发现的可控量子随机性不仅让我们能够重新审视量子光学中已有几十年历史的概念，而且还为概率计算和超精确场传感开辟了潜力。"该团队成功展示了操纵与光参量振荡器输出状态相关的概率的能力，从而创造了有史以来第一个可控光子概率位（p-bit）。此外，该系统还显示出对偏置场脉冲时间振荡的敏感性，甚至远低于单光子水平。工作的主要作者之一YannickSalamin博士正在操作实验系统。资料来源：AllysonMacBasino团队另一位成员YannickSalamin说："我们的光子p比特生成系统目前可以每秒生成10,000个比特，每个比特都可以遵循任意的二项分布。我们预计，这项技术将在未来几年不断发展，从而产生更高速率的光子p位，并实现更广泛的应用。"麻省理工学院的MarinSoljačić教授强调了这项工作的广泛意义："通过使真空波动成为可控元素，我们正在推动量子增强概率计算的发展。在组合优化和晶格量子色动力学模拟等领域模拟复杂动力学的前景非常令人兴奋"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382749.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382749.htm