科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍

科学家发现新型二维量子材料质量增加100倍"CeSiI中的电子比普通材料中的电子质量大100倍。这就是它们被称为重费米子的原因。"这项研究背后的乌普萨拉大学研究人员之一Chin-ShenOng说："CeSiI的特别之处在于，这种有效质量是各向异性的，它取决于电子在原子层中移动的方向。"瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系研究员Chin-ShenOng。资料来源：乌普萨拉大学这项研究是乌普萨拉大学材料理论研究人员与美国哥伦比亚大学研究人员的合作成果。对于乌普萨拉大学的材料研究人员来说，主要问题是从理论上研究材料中电子的量子特性。重费米子的背景和意义重费米子化合物是一类电子相互作用异常强烈的材料。在此过程中，它们在所谓的量子波动中协调运动。这种相互作用使电子的质量比普通材料中的电子大100或1000倍。这些量子波动被认为在许多至今无法解释的量子现象中发挥了重要作用，如非常规超导现象（电流可以通过材料而不损失能量）和磁性。这种新型量子材料是在哥伦比亚大学实验室合成的，其独特之处在于它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈、硅和碘（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。有关重费米子材料的研究已经进行了几十年，但直到现在，研究重点仍是原子紧密排列成三维结构的材料。早在20世纪70年代，乌普萨拉大学的研究人员就开始重点研究铈基材料，并取得了巨大成功。然而，由哥伦比亚大学实验室合成的这种新材料却独一无二，因为它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈层、硅层和碘层（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。"有了这一发现，我们现在有了一个大大改进的材料平台，可以用来研究相关电子结构。二维材料就像乐高积木。我们的合作伙伴已经在着手添加其他二维材料的层，以创造出一种具有定制量子特性的新材料，"Chin-ShenOng说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1417027.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1417027.htm

我国科学家完成首个确定性的暗能量理论实验检验

我国科学家完成首个确定性的暗能量理论实验检验近日，中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士团队与南京大学组成的联合研究组在暗能量探测领域取得重大进展，利用抗磁悬浮力学系统在实验室环境中对一种重要的暗能量理论——变色龙理论进行了实验检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而排除了其作为暗能量的可能。这是所有暗能量理论中的首个确定性的实验检验。相关研究成果日前在国际学术期刊《自然物理学》发表。宇宙学和天文学的一些观测事实表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中，而暗能量被认为是驱动膨胀的原因。但是，对于暗能量的本质是什么，以何种方式与我们的世界发生作用，目前仍然未知。为探索神秘的暗能量场，国际上布局了多种实验研究计划，传统的手段主要是借助天文观测或大型物理装置，如太空望远镜、地下实验室以及大型高能粒子加速器等。中科院微观磁共振重点实验室于近年来创新发展了基于固态自旋、气态原子、微力学系统等能够在实验室尺度开展探索的实验体系和技术，为拓展人类对宇宙的认识提供了新途径，已完成一系列重要的实验研究。此项研究针对一种重要的暗能量理论——变色龙理论开展实验检验。变色龙理论是用来解释宇宙加速膨胀的一种理论模型，该理论的最大特征之一是预言了已知四种基本相互作用外的“第五种力”，在形式上可以写为万有引力作用的微小偏离，这为实验研究提供了可能。本工作研究人员利用抗磁悬浮力学系统作为力探测器，精巧构建了亚毫米尺度的具有超高灵敏度的“桌面式”力探测平台，对变色龙理论所预言的第五种力进行了检测。研究中，对变色龙场做了精细的数值模拟和基于此的第一性原理几何设计，对质量源与力探测器采用了薄膜结构，有效解决了变色龙场在质量源端和力探测器端的双重屏蔽困难；并且，实验中产生了超长相干时间的第五种力驱动以提高力探测精度。以上技术极大提升了对第五种力的探测效率，实现了迄今为止对变色龙理论的国际最高检测精度，将理论预言的变色龙作用力上限限制到6x10-17牛。结合先前其他实验，该研究最终完成了基础变色龙理论的全参数空间检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而确定性地排除了这一暗能量理论。△图1：抗磁悬浮力学系统实验系统（左）；实验探测给出的变色龙第五种力上限（右）△该研究的暗能量探测结果审稿人高度评价该工作：“在我看来这是一个非常重要的成果，代表了该领域的一个重大进展。这一工作充分展示了精密力探测与宇宙学研究的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学领域的广泛兴趣。”...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1308943.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1308943.htm

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态五层石墨烯堆栈中的电子呈现出奇特的多铁性新状态的艺术家印象图石墨烯本质上只是一块超薄的普通石墨薄片--事实上，它薄到只有一个原子厚。但是，尽管石墨烯的起点如此卑微，它却具有超强、超导、柔韧等特性，并有望彻底改变从电子产品、服装到航空航天工程等一切领域。当你开始堆叠石墨烯薄片，甚至将它们扭曲到特定角度时，其他非凡的能力就会显现出来，比如磁性或超强的透水性。在新的研究中，麻省理工学院的研究小组又发现了另一种材料--"多铁性行为"，这在材料界是非常罕见的。铁性材料是指其粒子具有协调行为的材料--例如，磁铁的所有电子即使在没有外部磁场的情况下也会将自旋指向同一方向。多铁性材料是指显示出不止一种协调行为的材料，例如，磁性指向一个方向，而电荷指向另一个方向。研究人员计算出，在非常特殊的情况下，石墨烯应该成为多铁性材料。从理论上讲，只有当五层石墨烯叠放在一起，每层略有偏移，使三维整体形成菱形时，才会出现多铁性。在五层石墨烯中，电子恰好处于晶格环境中，它们的移动速度非常缓慢，因此可以有效地与其他电子相互作用。这时电子相关效应开始占主导地位，它们可以开始协调成某些优先的铁氧体秩序。接下来，研究小组开始在实践中证实这一理论，他们从石墨块上刮下石墨烯薄片，并用强力显微镜进行检查，以找到一些自然具有理想菱形形状的石墨烯。然后，他们将发现的几种石墨烯分离出来，在略高于绝对零度的温度下进行研究，在这种温度下，其他效应会减弱，因此只有他们正在寻找的石墨烯才能发光。果然，研究小组发现，这些特殊薄片中的电子对一个方向的电场和另一个方向的磁场反应一致，证实了多铁行为。但即使是这些单独的行为也是不寻常的--磁性产生于电子轨道运动的协调，而不是它们的自旋。电子行为产生于电子优先进入一个"谷"（或最低能量状态），而不是平均进入两个谷。因此，研究小组将这种奇特的电子状态称为"铁谷性"。"我们知道在这种结构中会发生一些有趣的事情，但我们不知道具体是什么，直到我们进行了测试，"该研究的共同第一作者卢正光说。"这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁体共存"。研究人员说，这种奇特的行为最终可以被利用来有效地将芯片的数据存储容量提高一倍。这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390923.htm

科学家用活性物质理论解码三维细胞和组织力学

科学家用活性物质理论解码三维细胞和组织力学开源超级计算机算法可预测活体材料的形态和动态，并能研究它们在空间和时间上的行为。生物材料由单个部件组成，包括将燃料转化为运动的微小电机。这就产生了运动模式，材料通过不断消耗能量，以连贯的流动塑造自身。这种持续驱动的材料被称为"活性物质"。细胞和组织的力学可以用活性物质理论来描述，该理论是理解生命物质的形状、流动和形态的科学框架。活性物质理论由许多具有挑战性的数学方程组成。德累斯顿马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）、德累斯顿系统生物学中心（CSBD）和德累斯顿工业大学（TUDresden）的科学家们现已开发出一种算法，并在开源超级计算机代码中实施，首次可以在现实场景中求解活性物质理论方程。这些解决方案使我们离解开细胞和组织如何获得其形状这一世纪之谜以及设计人造生物机器又近了一大步。活性物质在类似分裂细胞几何形状中的三维模拟。资料来源：辛格等人，《流体物理学》（2023年）/MPI-CBG生物行为和理论的复杂性生物过程和行为通常非常复杂。物理理论为理解它们提供了一个精确的定量框架。活性物质理论为理解和描述活性物质的行为提供了一个框架，活性物质是由能够将化学燃料（"食物"）转化为机械力的单个成分组成的材料。德累斯顿的几位科学家在这一理论的发展过程中发挥了关键作用，其中包括马克斯-普朗克复杂系统物理研究所所长弗兰克-尤利歇尔（FrankJülicher）和马克斯-普朗克复杂系统物理研究所所长斯蒂芬-格里尔（StephanGrill）。有了这些物理学原理，就可以用数学方程来描述和预测活性生命物质的动力学。然而，这些方程极其复杂，难以求解。因此，科学家需要借助超级计算机的力量来理解和分析生命物质。预测活性物质行为的方法多种多样，有的侧重于微小的单个粒子，有的研究分子水平的活性物质，还有的研究大规模的活性流体。这些研究有助于科学家了解活性物质在不同空间尺度和时间范围内的行为。解决复杂的数学方程德累斯顿工业大学德累斯顿系统生物学中心（CSBD）教授、马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）研究组组长、德累斯顿工业大学计算机科学学院院长伊沃-斯巴尔扎里尼（IvoSbalzarini）研究小组的科学家们现在已经开发出一种计算机算法，可以求解活性物质的方程。他们的研究成果发表在《流体物理学》（PhysicsofFluids）杂志上，并登上了封面。他们提出的算法可以在三维空间和复杂形状的空间中求解活动物质的复杂方程。该研究的第一作者之一、数学家阿比纳夫-辛格（AbhinavSingh）说："我们的方法可以处理三维空间中随时间变化的不同形状。即使数据点不是规则分布的，我们的算法也采用了一种新颖的数值方法，可以无缝地处理复杂的生物现实场景，准确地求解理论方程。利用我们的方法，我们最终可以了解活性材料在移动和非移动情况下的长期行为，从而预测其动态。此外，该理论和模拟还可用于对生物材料进行编程，或在纳米尺度上制造发动机，以提取有用功"。另一位第一作者菲利普-苏尔克（PhilippSuhrcke）毕业于德累斯顿工业大学的计算建模与仿真理学硕士课程，他补充说："得益于我们的工作，科学家们现在可以预测组织的形状或生物材料何时会变得不稳定或失调等，这对理解生长和疾病的机理具有深远影响。"人人可用的强大代码科学家们使用开源库OpenFPM实现了他们的软件，这意味着其他人可以免费使用。OpenFPM由Sbalzarini小组开发，旨在实现大规模科学计算的民主化。作者首先开发了一种自定义计算机语言，允许计算科学家通过用数学符号指定方程，让计算机来创建正确的程序代码，从而编写超级计算机代码。因此，他们不必在每次编写代码时都从头开始，从而有效地将科学研究中的代码开发时间从数月或数年缩短到数天或数周，极大地提高了工作效率。由于研究三维活性材料的计算需求巨大，新代码可以在共享和分布式内存多处理器并行超级计算机上扩展，这要归功于OpenFPM的使用。虽然该应用程序是为在功能强大的超级计算机上运行而设计的，但它也可以在研究二维材料的普通办公计算机上运行。这项研究的首席研究员伊沃-斯巴尔扎里尼（IvoSbalzarini）总结道："我们经过十年的研究，终于创建了这个模拟框架，并提高了计算科学的生产力。现在，这一切都汇聚到一个工具中，用于了解生命材料的三维行为。我们的代码具有开源性、可扩展性和处理复杂情况的能力，为活性材料建模开辟了新的途径。这可能最终会让我们了解细胞和组织是如何形成的，从而解决困惑科学家几个世纪的形态发生这一根本问题。但它也可能帮助我们设计出元件数量最少的人造生物机器。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399609.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399609.htm

科学家发现活跃粒子中的意外行为

科学家发现活跃粒子中的意外行为研究人员在由粒子组成的系统中发现了以前未知的物理效应，这些粒子的推进速度取决于它们的运动方向。以自推进粒子（即活性粒子）为重点的研究领域正在迅速扩大。在大多数理论模型中，这些粒子被假定保持恒定的游动速度。然而，这一假设对于许多实验产生的粒子来说并不成立，例如医疗应用中由超声波推动的粒子，它们的推进速度随方向而变化。由明斯特大学的拉斐尔-维特科夫斯基（RaphaelWittkowski）教授和剑桥大学的迈克尔-科特斯（MichaelCates）教授领导的物理学家团队开展了一项合作研究，探索这种与方向相关的速度如何影响粒子系统的行为，尤其是在形成团簇的过程中。他们将计算机模拟与理论分析相结合，揭示了具有取向相关速度的活性粒子系统的新效应。研究成果最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上。从物理学的角度来看，有趣的是，由许多活性粒子组成的系统可以自发地形成簇群--即使单个粒子之间根本没有相互吸引。在测量模拟粒子的运动时，研究人员发现了一个特别令人惊讶的结果。第一作者、明斯特大学理论物理研究所的斯蒂芬-布罗克（StephanBröker）博士解释说："通常情况下，从统计平均值来看，这种粒子簇中的粒子只是停留在原地。出于这个原因，我们曾预计这里的情况也会如此。但事实上，物理学家们发现了另外一种情况：粒子不断地从粒子簇的一侧移出，又从另一侧移回，从而产生了一种永久性的粒子流。"与"正常"情况还有另一个不同之处：在活性粒子系统中形成的粒子簇通常是圆形的。然而，在所研究的粒子中，粒子团的形状取决于粒子的方向对其推进速度的影响程度--这可以由实验者来规定。共同第一作者延斯-比克曼（JensBickmann）博士解释说："至少从理论上讲，我们可以让粒子排列成我们想要的任何形状。""可以说，我们可以用它们作画"。在模拟中，研究人员观察到了椭圆形、三角形和正方形。"维特科夫斯基团队的迈克尔-特弗鲁格特博士也是这项研究的共同作者之一。对于技术应用--例如，实现可编程物质，必须能够控制粒子自我组装的方式--而我们的方法确实可以做到这一点。"背景：生物学中有大量活性粒子的例子，例如游动的细菌或飞翔的鸟类。如今，也有可能实现人工活性粒子（纳米和微型机器人）：例如，目的之一就是将它们植入人体，以便有针对性地运送药物。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401639.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401639.htm

科学家在二维磁体中“看到”旋转的准粒子

科学家在二维磁体中“看到”旋转的准粒子所有的磁体都含有被称为磁子的旋转类粒子。所有的磁铁都是如此，从挂在冰箱上的简单纪念品，到给你的电脑提供内存存储的光盘，再到研究实验室中使用的强大版本。一个磁子的旋转方向可以影响其相邻的磁子，而相邻的磁子又会影响其相邻的磁子的旋转，以此类推，就产生了所谓的自旋波。自旋波有可能比电更有效地传输信息，而且磁子可以作为“量子互连”，将量子比特“粘合”在一起，形成强大的计算机。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1315515.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1315515.htm