科学简单点：什么是量子力学？

科学简单点：什么是量子力学？ 在这段"科学 101：什么是量子力学"的视频中，阿贡材料科学部学者凯瑟琳-哈蒙（Katherine Harmon）解释了什么是量子力学。量子力学是一种理论，涉及物质、能量和光的最基本位以及它们相互作用构成世界的方式。这一具有里程碑意义的理论起源于 20 世纪初，在 21 世纪被广泛应用于现实世界。阿贡科学家哈蒙和许多其他科学家在实验室中应用量子力学，正在开发有朝一日能够改变社会和我们对宇宙认识的技术。量子传感器可以检测到以前检测不到的癌细胞。量子互联网可以确保信息和数据通信不受黑客攻击。量子计算机可以解决经典计算机无法解决的复杂问题。量子理论还将继续推进我们对宇宙的认识，从原子深处错综复杂的动力学，到宇宙诞生这样宏大的宇宙事件。20 世纪初，科学家们开始发展量子力学，以解释一系列实验结果，这些实验结果无法用其他任何解释来解释。如今，科学家们利用这一理论创造出强大的技术无法破解的信息通信、更快的药物发现以及手机和电视屏幕上更高质量的图像。那么，什么是量子呢？从更广泛的意义上讲，"量子"一词可以指某种事物的最小可能量。量子力学领域研究的是最基本的物质、能量和光，以及它们相互作用构成世界的方式。与我们通常思考世界的方式不同，我们想象事物分别具有粒子或波的特性（例如棒球和海浪），但这种概念在量子力学中行不通。根据不同的情况，科学家可能会观察到同一个量子物体具有粒子或波的特性。例如，光不能被认为只是光子（一种光粒子）或只是光波，因为我们可能在不同的实验中观察到这两种行为。平日里，我们看到的事物每次只有一种"状态"：在这里或在那里，移动或静止，正面朝上或反面朝上。在量子力学中，物体的状态并不总是那么简单明了。例如，在我们确定一组量子物体的位置之前，它们可能存在于一个或多个位置的叠加（或一种特殊的组合）中。不同的可能状态就像池塘中的波浪一样相互组合和干扰，只有在我们观察之后，物体才会有一个确定的位置。叠加是使量子计算机成为可能的主要特征之一，因为它使我们能够用新的和有用的方式来表示信息。另一种有趣的量子行为是隧穿，量子物体（如电子）有时可以穿过原本无法穿过的障碍。之所以会发生这种情况，是因为叠加允许电子有很小的几率出现在障碍的另一侧。量子隧道技术可应用于闪存设备、功能强大的显微镜和量子计算机等领域。当量子物体相互作用时，它们通过一种叫做纠缠的联系彼此相连。即使物体之间相隔很远，这种联系也能保持。爱因斯坦称之为"距离的幽灵作用"。科学家们正在利用它进行超安全通信，它也是量子计算的一个基本特征。在美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室，科学家们利用世界一流的专业知识和研究设施，开发用于存储、传输和保护信息的量子技术，并研究我们的宇宙，从原子内部深处的复杂动力学到宇宙诞生这样宏大的事件。阿贡还领导着 Q-NEXT（美国能源部国家量子信息科学研究中心），该中心致力于开发量子材料和器件，并将量子技术的力量用于通信。资料来源：阿贡国家实验室什么是量子信息科学？利用原子尺度上的反直觉行为，我们可以在实用尺度上为信息科学带来强大变革。科学家们正在争分夺秒地开发能够存储、传输、操纵和保护信息的量子系统。量子比特是量子计算和其他量子信息系统的基本组成部分。它们类似于经典计算机中的比特，要么是 0，要么是 1。量子比特的奇特之处在于，它们可以同时为 0 和 1。这种重叠状态极大地增强了量子计算机的性能。量子比特本身可以有多种不同的形式电子、光粒子，甚至是高度结构化材料中的微小缺陷。科学家们正在努力设计能在量子态中保持信息数秒（"相干性"）并能与其他量子比特连接（"纠缠"）的量子比特。量子技术可以改变国家和金融安全、药物发现以及新材料的设计和制造，同时加深我们对宇宙的理解。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？ ... PC版： 手机版：

《量子力学，怪也不怪》

《量子力学，怪也不怪》 简介：本书提供了关于量子力学，怪也不怪的深度解析，涵盖其发展背景、核心概念以及实际应用。通过真实案例与科学研究，帮助读者理解其重要性，并掌握相关技能或知识点。适合对该主题感兴趣的读者，让你在短时间内提升认知，拓宽思维边界。 标签：#量#量子力学#知识#学习 文件大小：NG 链接：https://pan.quark.cn/s/46c2019d9071

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备 二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。因具有奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，二维过渡金属碲化物材料在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备（中国科学院大连化学物理研究所供图）“比如，二维过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；同时二维过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用作制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；此外，该材料还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。”论文共同通讯作者、中国科学院大连化物所研究员吴忠帅解释。然而，目前该材料还无法实现高质量的批量制备，阻碍了其实际应用。二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。批量化可控制备二维过渡金属碲化物纳米片（中国科学院大连化学物理研究所供图）科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以提高剥离效率。“但是，有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患。因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。”吴忠帅说。此次，科研人员创新性地采用固相化学插层剥离方法，筛选出了一种固相插层试剂硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，可批量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与液相化学插层剥离法制备量均小于1克相比，此方法的产量提升了两个数量级。值得关注的是，科研人员还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的二维过渡金属碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片，证明这种方法具有普适性。“该方法简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。”《自然》审稿人对该方法给予了高度评价。吴忠帅表示，利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片的溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。 ... PC版： 手机版：

日本化学家开发出自带发光特性的自愈材料

日本化学家开发出自带发光特性的自愈材料 理化学研究所 CSRS 研究人员开发的一种突破性自愈合荧光材料为更耐用的有机太阳能电池和更广泛的应用提供了潜力，符合可持续消费和生产的目标。2019 年，理化学研究所 CSRS 的侯兆民及其团队使用稀土金属催化剂成功共聚了乙烯和异丙烯。由此产生的二元共聚物具有显著的损伤自愈特性。这种共聚物的软组分（乙烯和异丙烯的交替单元）与乙烯-乙烯链的硬结晶单元结合在一起，成为物理交联点，形成了纳米相分离结构，这被证明是自愈合的关键。由乙烯、异丙烯和芘乙烯基取代苯乙烯组成的三元共聚物花纹薄膜的荧光和自愈特性。资料来源：理化学研究所在这一成功的基础上，他们在单体中加入了发光单元苯乙烯，然后形成了包括异丙烯和乙烯在内的聚合物。这一过程只需一个步骤，就能合成具有荧光特性的自愈材料。"荧光材料非常有用，可用于有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）和太阳能电池。然而，这些材料的主要问题之一是使用寿命短。我们的新材料有望延长产品的使用寿命并提高可靠性。"还有一个惊喜，事实证明，由此产生的共聚物不仅坚韧，而且还能在没有外部刺激或能量的情况下实现自我修复。它的拉伸强度在 24 小时内完全恢复，与二元共聚物相比，显示出很高的自愈速度。这种材料即使在水、酸性和碱性溶液中也能自我修复，因此可用于各种环境。这种共聚物的网络结构包括由苯乙烯-苯乙烯单元和结晶乙烯-乙烯纳米域形成的物理交联点，以及由交替单元组成的软段，从而促进了自我修复。这种材料还显示出一种附加特性。研究小组通过光刻技术成功地将二维图像转移到了荧光自修复薄膜上。虽然图像在自然光下仍不可见，但在紫外线下却可以辨认，这表明这种薄膜有可能用作信息存储设备。即使在图像的作用下，薄膜仍能保持良好的自愈合和弹性特性。"我们通过一步反应合成的这种材料，使我们能够通过调整单体的成分来控制其光学和机械性能。我们认为，它能为开发在各种实际环境中具有高度自愈能力的新型功能材料做出重大贡献，"侯说。"这项研究符合联合国的可持续发展目标（SDGs），尤其有助于实现"目标12：确保可持续的消费和生产模式"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家揭示让雪闪闪发光的真正原因

科学家揭示让雪闪闪发光的真正原因 究竟是什么让雪在美丽的日子里闪闪发光？了解答案的细微差别有助于更好地预报雪崩和改善冬季道路状况。图片来源：Mathieu Nguyen"雪能反射所有波长的光线，根据不同的条件和光线照射的角度，雪的颜色也会大不相同。雪的年龄和密度以及空气污染也会影响雪的外观。雪的外观是一个非常复杂的问题。"他已经分析了一千多张雪地图像。"这种方法可用于多种传感器技术，包括为我们提供更好的决策依据，让我们知道何时应该清理道路，以及更密切地监测山区雪崩的风险等"。其中，阮研究了雪是如何吸收和反射光线的，而太阳如何让雪的晶体闪闪发光尤其令人感兴趣。他认为，冬季景观的美丽外观可能是解答多年来困惑研究人员的一系列问题的关键。"但首先，是什么让雪在阳光明媚的日子里闪闪发光？雪是冰晶的堆积。当条件适宜时，它们就像一面面小镜子。如果它们的角度合适，就会将阳光直接反射到你的身上，像'火花'一样在景色中闪耀，"阮说。冬季景观中阳光与白雪的美丽交织可能会为研究人员多年来一直好奇的问题提供答案。图片来源：Mathieu Nguyen关于不同金属如何以这种方式闪闪发光，已经进行了许多研究，但人们对雪的闪光仍然知之甚少。阮说："如果我们在挪威拥有完全自动驾驶的汽车，这类技术也将有助于提高冬季道路上的行车安全。"因此，他试图找出这些火花在不同条件下的雪地图像中的对比度和密度是如何变化的。他希望这将提供一种分析方法，使我们能够从图像中对不同类型的雪进行分类。马蒂厄-阮（Mathieu Nguyen）分析了一千多张雪景照片。图片来源：Mads Wang-Svendsen"这种方法可用于多种传感器技术，包括为我们提供更好的决策依据，帮助我们确定何时应该清理道路，以及更密切地监测山区雪崩的风险等。阮说："如果我们在挪威拥有完全自动驾驶的汽车，这类技术也将有助于提高冬季道路行驶的安全性。"实地考察期间拍摄的雪景图像。(左）带有明显火花的雪地图像。(右）雪地图像，有明显的火花和一点颗粒感。使用不同焦距拍摄的带有火花的雪景图像示例。(左）使用 60 毫米焦距拍摄的照片。(右）使用 300 毫米焦距拍摄的照片。到目前为止，研究人员只收集了挪威东部多个地方的数据。研究结果很有希望，表明闪光可以用来对雪的粒度进行分类。然而，要对雪的类型进行更精确的分类，需要比他们目前所研究的数据量大得多的数据。最好是来自世界各地的图像。从环境不同的其他地方获取图像将非常重要。了解不同程度的污染如何对雪的外观和特性产生影响至关重要。除了难以从图像中解读之外，长期以来，用数字技术再现雪的难度也令人吃惊。如今，我们在电脑游戏和模拟器中对雪的人工表现并不比白色表面好多少。他在这方面的研究结果也显示出了良好的前景。他相信研究成果将为那些没有雪的人们提供良好的过冬体验 - 在未来，雪可能会越来越少。根据挪威气象研究所的数据，2050 年将有 100 多万挪威人生活在冬季不足一个月的地方。此外，最近在《自然》杂志上发表的一项研究证实，由于人为的气候变化，整个北半球都将面临降雪量减少的未来。如果我们要让从未见过雪的人了解雪，我们就必须能够再现雪的复杂性。参考文献：Mathieu Nguyen、Jean-Baptiste Thomas 和 Ivar Farup 于 2024 年 1 月 28 日在《地球科学》上发表的 "探索现场测量雪的视觉外观的成像方法"。DOI: 10.3390/geosciences14020035编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

弯曲的现实：南极冰川中的爱因斯坦与量子力学

弯曲的现实：南极冰川中的爱因斯坦与量子力学 南极洲星空下的冰立方实验室。图片来源：马丁-沃尔夫，冰立方/NSF要解释物质和光在亚原子尺度上的行为，就必须理解量子力学的随机性。几十年来，科学家们一直试图将这两个研究领域结合起来，实现对引力的量子描述。这将结合与广义相对论相关的曲率物理学和与量子力学相关的神秘随机波动。美国得克萨斯大学阿灵顿分校的物理学家在《自然-物理》杂志上发表了一项新研究报告，他们利用设置在南极冰川深处的粒子探测器探测到的超高能量中微子粒子，对这两种理论之间的界面进行了深入的新探索。DOM 降入阵列，开始采集数据。资料来源：马克-克拉斯伯格，冰立方/NSF物理学副教授本杰明-琼斯（Benjamin Jones）说："将量子力学与引力理论统一起来的挑战仍然是物理学中最紧迫的未决问题之一。如果引力场的行为方式与自然界中的其他场类似，那么它的曲率就应该表现出随机量子波动。"琼斯和UTA研究生阿克希玛-内吉（Akshima Negi）、格兰特-帕克（Grant Parker）是冰立方国际合作团队的成员，该团队包括来自美国各地以及澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、德国、意大利、日本、新西兰、韩国、瑞典、瑞士、台湾和英国的300多名科学家。德克萨斯大学阿灵顿分校物理学副教授本杰明-琼斯。图片来源：德克萨斯大学阿灵顿分校为了寻找量子引力的特征，研究小组在南极洲南极附近一平方公里的范围内放置了数千个传感器用于监测中微子，中微子是一种电荷中性、没有质量的不寻常但却非常丰富的亚原子粒子。研究小组对 30 多万个中微子进行了研究。他们想看看这些超高能量粒子在地球上长途旅行时，是否会受到时空中随机量子波动的干扰，如果引力是量子力学的，那么这种波动是意料之中的。内吉说："我们通过研究冰立方天文台探测到的中微子的味道来寻找这些波动。我们工作的结果是，测量结果比以前的测量结果灵敏得多（对某些模型而言，灵敏度超过一百万倍），但却没有发现预期的量子引力效应的证据。"没有观测到时空的量子几何，这有力地说明了在量子物理学和广义相对论交界处运行的仍然未知的物理学。琼斯说："这项分析是UTA近十年来为冰立方天文台所做贡献的最后一章。我的小组现在正在进行新的实验，旨在利用原子、分子和光学物理技术了解中微子质量的起源和价值。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：