科学家发明新型半导体激发技术

科学家发明新型半导体激发技术 横滨国立大学的科学家和加州理工学院的同事利用高强度、宽频带的超快太赫兹脉冲，在一种二维半导体材料中实现了原子激发，推动了电子设备的发展。他们的论文于 3 月 19 日发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志上，并作为编辑推荐文章。二维（2D）材料或片状纳米材料因其独特的电子特性而成为未来半导体应用的理想平台。过渡金属二掺杂物（TMDs）是二维材料中的一个重要类别，由夹在掺杂物原子层之间的过渡金属原子层组成。这些原子以晶格结构排列，可以围绕其平衡位置振动或振荡这种集体激发被称为相干声子，在决定和控制材料特性方面起着至关重要的作用。声波诱导技术的创新传统上，相干声子由可见光和近红外区域的超短脉冲激光器诱导。使用其他光源的方法仍然有限。横滨国立大学工程科学研究生院助理教授、该研究的第一作者 Satoshi Kusaba 说："我们的研究解决了超快太赫兹频率激光器（或低能光子）如何在 TMD 材料中诱导相干声子这一基本问题。"WSe2 中声子的超快宽带太赫兹激发和偏振旋转探测示意图。获得的结果（右下）包括通过和频过程激发的相干声子振荡信号（右上）。资料来源：Satoshi Kusaba / 横滨国立大学太赫兹辐射是指频率在太赫兹范围内的电磁波，介于微波和红外频率之间。研究小组制备了超快宽带太赫兹脉冲，以诱导一种名为WSe2 的 TMD 薄膜中的相干声子动力学。为检测光学各向异性（换句话说，即光在穿过材料时的表现），研究人员安排了一套精确而灵敏的装置。研究人员研究了超短激光脉冲与材料相互作用时电场方向的变化；这些变化被称为偏振旋转。通过仔细观察微小的诱导光学各向异性，研究小组成功地探测到了太赫兹脉冲诱导的声子信号。"我们的研究最重要的发现是，太赫兹激发可以通过一个独特的和频激发过程在TMD中诱导相干声子，"研究时的加州理工学院博士生、本研究的共同第一作者Haw-Wei Lin说。"这种机制与共振和线性吸收过程有着本质区别，它涉及两个太赫兹光子的能量总和与声子模式的能量总和相匹配"。由于通过这种和频过程可以激发的声子模式的对称性完全不同于更典型的共振线性过程，因此本研究中成功使用的激发过程对于完全控制材料中的原子运动非常重要。这项研究成果的意义超出了基础研究的范畴，有望在现实世界中得到广泛应用。"通过和频激发过程，我们可以利用太赫兹激发相干地控制二维原子位置，"Kusaba说。"这可能为控制 TMD 的电子状态打开大门，这对于开发谷电技术和使用 TMD 的电子设备，实现低功耗、高速计算和专用光源，是大有可为的"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

突破性的全球研究发现21种新型激光材料

突破性的全球研究发现21种新型激光材料 尽管如此，生产有机固态激光器仍具有挑战性，要确定可行的新材料，可能需要进行 15 万次以上的实验，因此充分探索这一领域可能需要花费许多人的一生。事实上，在过去的几十年中，仅有 10-20 种新型 OSL 材料通过了测试。多伦多大学加速联盟的研究人员接受了这一挑战，并利用自驱动实验室（SDL）技术，在几个月内就合成并测试了 1000 多种潜在的 OSL 材料，并发现了至少 21 种性能最佳的 OSL 增益候选材料。SDL 使用人工智能和机器人合成等先进技术来简化新型材料的鉴定过程，这里指的是具有特殊发光特性的材料。迄今为止，SDL 通常局限于一个地理位置的一个物理实验室。发表在《科学》（Science）杂志上的这篇题为《有机激光发射器的异地异步闭环发现》（Delocalized Asynchronous Closed-Loop Discovery of Organic Laser Emitters）的论文，展示了研究团队如何利用分布式实验的概念，即在不同的研究地点分工合作，更快地实现共同目标。来自加拿大多伦多和温哥华、苏格兰格拉斯哥、美国伊利诺伊和日本福冈的实验室参与了这项研究。分布式实验的优势通过这种方法，每个实验室都能贡献自己独特的专业知识和资源这最终为项目的成功发挥了关键作用。这种由云平台管理的分散式工作流程不仅提高了效率，还能快速复制实验结果，最终实现了发现过程的民主化，并加速了下一代激光技术的开发。"这篇论文表明，闭环方法可以去局部化，研究人员可以从分子状态一直深入到设备，你可以加速发现商业化进程中非常早期的材料，"加速联合会主任Alán Aspuru-Guzik博士说。"该团队设计了一个从分子到设备的实验，最终设备在日本制造。这些装置在温哥华进行了放大，然后转移到日本进行表征。"这些新型材料的发现标志着分子光电子学领域的重大进展。它为增强 OSL 器件的性能和功能铺平了道路，并为未来材料科学和自动驾驶实验室领域的脱域发现活动开创了先例。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1126/science.adk9227 ... PC版： 手机版：

基于磁子的计算技术的出现让硅材料黯然失色

基于磁子的计算技术的出现让硅材料黯然失色 钇合金晶体结构示意图，左侧红线代表激光脉冲，右侧蓝线和绿线代表产生的两种磁子。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校和麻省理工学院研究人员提供用磁子探索计算的未来在传统数字技术中，从笔记本电脑、智能手机到电信，这种磁性系统的速度有望远远超过当今技术。在量子计算领域，磁性技术的优势不仅包括更快的速度，还包括更稳定的设备。最近，《自然-物理》（Nature Physics）杂志上的一项研究[1]报告了在开发磁子计算机道路上的一个早期发现。研究人员在合金薄板的磁场中产生了两种不同类型的涟漪，测量结果表明，磁子以非线性方式相互作用。"非线性"是指输出与输入不成正比这是任何计算应用所必需的。迄今为止，这一领域的大多数研究都是在相对稳定的平衡条件下，一次只研究一种类型的磁子。在这些研究中，对磁子的操纵会使系统失去平衡。推进非平衡物理学这是来自多个科学和工程领域的理论家和实验家多年合作进行的众多研究之一，包括最近发表在《自然-物理》上的第二项研究[2]。该项目得到了政府和私人资助者的支持，汇集了来自加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、德克萨斯大学奥斯汀分校和日本东京大学的研究人员。这项研究的共同作者、加州大学洛杉矶分校学院物理科学教授普林哈-纳兰（Prineha Narang）说："我们和同事们一起，发起了一场我称之为推动非平衡态物理学进步的运动。我们在这里所做的一切从根本上推进了对非平衡和非线性现象的理解。这可能是利用发生在十亿分之一秒数量级的超快现象实现计算机内存的一个步骤"。这些发现背后的一项关键技术是使用频率介于微波和红外辐射波长之间的太赫兹范围的激光为样品添加能量并对其进行评估的先进技术。这种方法是从化学和医学成像中借鉴过来的，只是很少用于研究磁场。据加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员 Narang 称，太赫兹激光器的使用表明，它有可能与一项日趋成熟的技术产生协同效应。她说："太赫兹技术本身已经达到了我们可以谈论依赖于它的第二项技术的程度。在我们拥有激光器和探测器的频段内进行这种非线性控制是有意义的，因为激光器和探测器都可以放在芯片上。现在是真正向前推进的时候了，因为我们既有技术，也有一个有趣的理论框架来研究磁子之间的相互作用。"揭示磁学中的非线性相互作用研究人员将激光脉冲施加到一块 2 毫米厚的板上，这块板是由精心挑选的含钇合金制成的，钇是 LED 和雷达技术中的一种金属。在某些实验中，第二台太赫兹激光器以一种协调的方式使用，既增加了能量，又有助于稳定样品。磁场以特定的方式施加到钇上，只允许产生两种类型的磁子。研究人员通过将样品旋转到相对于激光器的特定角度，能够单独或同时驱动两种类型的磁子。他们能够测量这两种类型之间的相互作用，并发现它们能够引起非线性反应。纳朗实验室的加州大学洛杉矶分校博士后研究员乔纳森-柯蒂斯（Jonathan Curtis）说："显然，展示这种非线性相互作用对于任何基于信号处理的应用都非常重要。像这样混合信号可以让我们在不同的磁输入和输出之间进行转换，而这正是依赖于磁处理信息的设备所需要的"。纳朗说，受训人员对目前的研究以及更大的项目都至关重要："这是一项非常艰巨的工作，历时多年，涉及很多方面。什么是正确的系统？我们如何考虑进行预测？我们如何限制系统，使其按照我们的意愿运行？如果没有才华横溢的学生和博士后，我们将无法做到这一点。"要点归纳：如果计算机使用磁场中的波纹（称为磁子）来编码和处理信息，那么设备的潜在存储速度将达到十亿分之一秒的数量级。加州大学洛杉矶分校的研究人员及其合作伙伴使两种不同类型的磁子相互作用，从而使输出与输入不成正比这是向计算技术进步迈出的关键一步。这项跨机构的长期研究合作正在利用一种很少使用但前景广阔的太赫兹激光技术研究磁子。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号 盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：Yun Zhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频一种将高频信号转换为低频信号的方法是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至 1 平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生 16 GHz 的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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-Shen Ong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-Shen Ong。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-Shen Ong 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家研发出弹性铁电材料

中国科学家研发出弹性铁电材料 据中国科学院宁波材料技术与工程研究所网站介绍，该研究所的研究团队研发出了兼具弹性回复与铁电性的新型高分子铁电材料，有效解决了传统铁电材料在可穿戴领域难以在大形变下保持稳定性能的难题。该成果于8月4日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。 铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料，有记忆能力，可用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声纳设备等电子产品中，也是日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。 用该材料做成的传感器将更随和，具有更高测量精度、更好的穿戴舒适性，未来或能实现手机柔软贴身，可任意弯折。这种材料的拉伸率高达125%，不但能保持原有的铁电性，还能在外力撤除后迅速恢复原状。 来自：雷锋 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot