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迄今最靈敏力傳感器問世

英國《新科學家》網站2023 年11 月2 日報道，法國科學家利用極冷的銣原子，制造出了迄今最靈敏的力傳感器，其可測量拎起單個電子所需力十分之一大小的力，未來有望揭示全新力的存在。

所有已知的力都源于四種基本力：引力、電磁力、強核力和弱核力。但一些試圖揭示宇宙奧秘的實驗或觀測結果表明，可能存在未知的第五種力。

科學家認為這種力很弱，只能在離其非常近的距離才能測量，因此需要極其靈敏的設備。鑒于此，法國國家計量與測試實驗室的雅恩·巴蘭德團隊使用銣原子制造了迄今已知最靈敏的力探測器。

巴蘭德團隊首先將120 000個銣原子置于一個真空金屬—玻璃圓柱內，隨后使用激光將原子冷卻到接近絕對零度，由此產生的超冷原子對電場和光非常敏感，因此，可用電場和光來精確控制這些超冷原子的量子態。

研究團隊使用這種控制方法，將這些組件變成了一個干涉儀。這是一個充滿物質波的設備，其中物質波會相互碰撞，并在附近有力時產生可預測的變化。

為測試該傳感器的靈敏度，團隊測量了設備中原子和鏡子之間的力。這種力由發生在看似空曠空間中的量子過程引起，非常微弱。該團隊以前所未有的精度對其進行了測量，結果表明其大小低至4 qN（1 qN=10～30 牛頓），即單個電子重量的十分之一。

加拿大西蒙·弗雷澤大學杰夫瑞·麥吉爾克表示，這么小的力極難測量，而新傳感器可在幾微米外對其開展測量，未來有望發現新的力。

（來源：科技日報）

最高分辨率單光子超導相機問世

科技日報2023 年10 月26 日報道，美國國家標準與技術研究所（NIST）團隊制造了一款包含40 萬像素的超導相機，分辨率是其他同類設備的400倍。2023年10月26日發表在《自然》雜志的此項成果，未來將可用于生物醫學成像及天文觀測等領域。

該相機由超細電線網格組成，冷卻至接近絕對零度，電流在其中毫無阻力地移動，直到電線被光子擊中。在這款超導納米線相機中，即使是單個光子所傳遞的能量也可被檢測到，因為它會關閉網格上特定位置（像素）的超導性。結合所有光子的所有位置和強度就形成了圖像。

超導相機的每個超導組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將每個像素單獨連接到冷卻系統幾乎是不可能的。NIST 與美國國家航空航天局噴氣推進實驗室、科羅拉多大學博爾得分校研究人員組成的團隊克服了這一障礙，將來自許多像素的信號組合到幾條室溫讀出線上。

超導線材的一般特性是允許電流自由流動直至達到某個最大“臨界”電流。為了利用這種行為，研究人員向傳感器施加了略低于最大值的電流。在這種情況下，即使單個光子撞擊一個像素，也會破壞超導性。電流不再能夠無阻力流過納米線，而是被分流到連接每個像素的小型電阻加熱元件，分流電流產生可快速檢測的電信號。

團隊此次構建了具有交叉超導納米線陣列的相機，這些納米線形成多行和多列，這使團隊能夠一次測量來自整行或整列像素的信號，而不是記錄每個單獨像素的數據，從而大大減少了讀出線的數量。

當光子撞擊像素時，會形成一個微小的熱點。熱點反過來產生兩個電壓脈沖，電壓脈沖由兩端的檢測器記錄。脈沖到達末端檢測器所需的時間差，就揭示了像素所在的列。探測器可識別短至五十萬億分之一秒的信號到達時間差異。采用新的讀出架構后，團隊在增加像素數量方面取得了快速進展。幾周之內，像素數量從2萬躍升至40萬。

這一讀出技術能很容易地擴展到更大的相機，具有數千萬或數億像素的超導單光子相機很快就會面世。

（來源：科技日報）

自適應神經連接光子處理器問世

科技日報2023 年10 月25 日報道，德國明斯特大學、英國埃克塞特大學和牛津大學聯合團隊現已開發出一種所謂的基于事件的架構，該架構使用光子處理器，通過光來傳輸和處理數據。與大腦類似，這使得神經網絡內的連接不斷適應成為可能。這種可變的連接是學習過程的基礎。該研究發表在2023年10月20日的《科學進展》雜志上。

現代計算機模型（例如復雜、強大的人工智能應用程序）將傳統數字計算機流程推向極限。新型計算架構模擬生物神經網絡的工作原理，有望實現更快、更節能的數據處理。

機器學習中的神經網絡需要的是由外部興奮信號激活并與其他神經元有連接的人工神經元。這些人工神經元之間的連接稱為突觸，就像生物原始神經元一樣。研究團隊使用了一個由近8 400個光學神經元組成的網絡，這些神經元由波導耦合相變材料制成。

研究表明，每個神經元之間的兩個連接確實可以變得更強或更弱（突觸可塑性），且可形成新的連接，或消除現有的連接（結構可塑性）。與其他類似研究相比，突觸不是硬件元件，而是根據光脈沖的特性進行編碼。換句話說，根據光脈沖的相應波長和強度進行編碼，這使得在一塊芯片上集成數千個神經元并以光學方式連接它們成為可能。

與傳統的電子處理器相比，基于光的處理器提供了更高的帶寬，僅低能耗就可以執行復雜的計算任務。從長遠來看，它將能以快速、節能的方式應用于人工智能。

（來源：科技日報）

超原子半導體創下速度與效率紀錄

科技日報2023 年10 月26 日報道，半導體已經變得無處不在，但它們也有局限性。半導體中會產生激子（電子—空穴對），這意味著能量以熱的形式損失，信息傳輸是有速度限制的。發表在2023 年10 月26 日《科學》雜志的論文中，美國哥倫比亞大學化學家團隊描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導體：一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。

任何材料的原子結構都會振動，從而產生被稱為聲子的量子粒子。激子則是由電子和空穴之間的相互作用引起的。聲子和激子可以相互作用，聲子的反作用可導致激子在電子設備周圍攜帶能量和信息，以納米和飛秒的速度散射，這就帶來了能量損失。

Re6Se8Cl2中的激子在與聲子接觸時不是散射，而是與聲子結合，產生新的準粒子，稱為聲激子—極化子。雖然極化子存在于許多物質中，但Re6Se8Cl2中的極化子有一種特殊的性質：它們能夠進行彈道流動或無散射流動。這種彈道行為可能意味著研制出更快速、更高效的設備。

在該團隊進行的實驗中，Re6Se8Cl2中的聲激子—極化子的移動速度是硅中電子的兩倍，在不到一納秒的時間內穿過了幾個微米的樣品。考慮到極化子的傳輸壽命可以持續大約11 納秒，該團隊認為聲激子—極化子一次傳輸距離可覆蓋超過25微米。由于這些準粒子是由光而非電流和門控控制的，因此理論設備的處理速度有可能達到飛秒，這比目前的千兆赫電子器件可實現的納秒快6 個數量級，且都是在室溫下進行的。

研究人員表示，就能量傳輸而言，至少到目前為止，Re6Se8Cl2是已知最好的半導體。Re6Se8Cl2可被剝離成原子薄片，這一特征意味著它們可能會與其他類似材料結合起來，出現更多獨特的性質。然而，Re6Se8Cl2不太可能實現商用，因為其分子中的第一種元素——錸是地球上最稀有的元素之一，因此極其昂貴。

接下來的時間里，研究人員將利用先進成像技術研究Re6Se8Cl2為何能表現出如此非凡的行為。

（來源：科技日報）

室溫操縱量子光流體實現突破

科技日報2023 年11 月1 日報道，根據2023 年10 月30 日發表在《物理評論快報》上的論文Controlling the Spatial Profile and Energy Landscape of Organic Polariton Condensates in Double-Dye Cavities，俄羅斯斯科爾科沃科學技術研究院物理學家團隊在室溫量子光流體（又名極化凝聚體）的空間操縱和能量控制方面取得了進展，標志著高速、全光學極化邏輯器件發展的一個重要里程碑。這種邏輯器件長期以來都是下一代非常規計算的關鍵。

極化子是光和物質耦合形成的混合粒子，通常被描述為一種可以通過其物質成分控制的光量子流體。最近，研究人員通過引入一種在室溫下對“液態光”凝聚體進行主動空間控制的新方法，向前邁出了里程碑式的一步。這一進展的不同之處在于，它能夠在不依賴于通常使用的極化子激發曲線的情況下操縱極化子凝聚體。

研究人員在腔內引入了一層額外的共聚物層，這是一層與腔模式保持非共振的弱耦合層。研究人員表示，這一看似簡單但令人難以置信的巧妙舉措，為人們打開了一扇通向各種可能性的大門。

通過使用雙色光束激發，使這種非耦合半導體層中的光吸收部分飽和，研究人員實現了在形成極化子凝聚體的同時，對有效折射率進行超快調制。激發態吸收也讓他們揭開了局部誘導極化子耗散的秘密。

這些機制錯綜復雜的相互作用，就像一塊設計精美的拼圖一樣，碎片拼在一起后，產生了對極化子凝聚體的空間分布、密度和能量的控制，而所有這些都是在室溫下進行的。

研究人員表示，這一突破開啟了有機極化電子平臺的新時代，為環境條件下的“液體光”計算奠定了基礎。通過控制光與物質相互作用的特性，他們可以充分利用極化電子的潛力，擺脫傳統腔體結構的限制。

（來源：科技日報）

無線技術成功利用電壓控制磁性

科技日報2023 年10 月31 日報道，西班牙巴塞羅那自治大學和巴塞羅那材料科學研究所研究人員首次將無線技術引入一種磁性裝置。他們將非磁性的氮化鈷（CoN）薄膜浸入電解液，通過感應極化，無需連接電線即可控制其磁性。這種范式轉變可促進磁性納米機器人在生物醫學和計算系統的應用。在未來的生物醫學和計算系統中，基本的信息管理過程或不再需要電線。相關論文發表在2023年10月30日的《自然·通訊》雜志上。

電子設備依賴于操縱組件的電磁屬性，無論是用于計算還是存儲信息等過程。由于電流加熱電路，用電壓代替電流控制磁性已成為許多器件提高能效的一種重要控制方法。近年來的大量研究通過施加電壓來執行這種控制的協議，但總是需要直接將電線連接在材料上。

此次，研究團隊成功地去掉了電線，通過施加電壓來改變氮化鈷層的磁性。為此，他們將磁性材料樣品放入具有離子導電性的液體中，并通過兩個鉑板將電壓施加到液體上，而不將任何電線直接連接到樣品上。由此產生的感應電場，使氮離子離開氮化鈷層，并導致樣品中出現磁性。感生磁性可根據所施加的電壓、驅動時間及樣品的布置進行調制，還可根據樣品相對于施加電場的取向來進行暫時或永久性的磁性改變。

研究人員表示，通過改變電壓來無線控制樣品的磁性，代表著這一研究領域的范式轉變。這一發現可能廣泛應用于生物醫學等諸多領域，例如在沒有電線的情況下控制納米機器人的磁性，或者在無線計算中，在有電壓但無電線的情況下寫入和擦除磁性存儲器中的信息。

（來源：科技日報）