美科學(xué)家研制出新型真空溝道晶體管

    集半導(dǎo)體晶體管及真空管的優(yōu)勢(shì)于一身

    【據(jù)物理學(xué)組織網(wǎng)站2017年4月4日?qǐng)?bào)道】雖然真空管曾經(jīng)一度是早期電子元器件的基本核心組件，但是截止到上個(gè)世紀(jì)七十年代，真空管就已基本被半導(dǎo)體晶體管所全部替代?？墒?，近年來(lái)美國(guó)航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的研究人員一直在開(kāi)發(fā)可將真空管和現(xiàn)代半導(dǎo)體晶體管的優(yōu)勢(shì)融為一體的“納米真空溝道晶體管”（NVCTs, nanoscale vacuum channel transistors）。

    與傳統(tǒng)晶體管相比，納米真空溝道晶體管的速度更快且對(duì)高溫和輻射等極端環(huán)境的抵抗能力更強(qiáng)。這些優(yōu)勢(shì)使納米真空溝道晶體管成為了抗輻照深空通信、高頻器件和太赫茲電子器件的理想選擇。此外，納米真空溝道器件還有望繼續(xù)延續(xù)即將走向盡頭的摩爾定律。

    與半導(dǎo)體晶體管相比傳統(tǒng)真空管還有明顯的劣勢(shì)，比較突出的是其體積巨大且能耗嚴(yán)重，正是由于這些原因?qū)е缕渲饾u淘汰。對(duì)于納米真空溝道晶體管來(lái)說(shuō)，尺寸不再是一個(gè)令人擔(dān)心的問(wèn)題，由于在制造器件的過(guò)程中應(yīng)用了現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)，晶體管的尺寸可達(dá)到僅有幾納米的水平。為了解決更為急迫的能耗問(wèn)題，艾姆斯研究中心的研究人員最近又設(shè)計(jì)出了一種硅基納米真空溝道晶體管，該晶體管具有改進(jìn)的柵極結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電壓從幾十伏減少到不到5伏，從而有效降低了能耗。該研究工作已發(fā)表在最新一期的《納米快報(bào)》上。

    在納米真空溝道晶體管中，柵極的作用是利用驅(qū)動(dòng)電壓控制電子在源極和漏極之間的流動(dòng)。相反，傳統(tǒng)真空管是通過(guò)加熱器件的發(fā)射極來(lái)釋放電子的。由于電子被發(fā)射后經(jīng)過(guò)的路徑處于真空狀態(tài)，電子的移動(dòng)速度會(huì)很高，這便是真空管運(yùn)行速度快的根本原因。

    納米真空溝道晶體管中其實(shí)并沒(méi)有實(shí)際意義上的真空環(huán)境，恰恰相反，電子會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)充滿惰性氣體（如氦氣）的空間。由于源漏兩極之間的距離非常小（約50納米左右），電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氣體分子發(fā)生碰撞的幾率很低，因此電子在這種“準(zhǔn)真空”環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)速度與在實(shí)際真空中的運(yùn)動(dòng)速度十分接近。即便電子與氣體分子發(fā)生了碰撞，但由于器件的工作電壓很低，氣體分子并不會(huì)被電離。

    新型真空溝道晶體管的最大的優(yōu)勢(shì)是其對(duì)高溫和電離輻射具有很強(qiáng)的抵抗能力，這使其有望在軍事和空間應(yīng)用領(lǐng)域常見(jiàn)的極端環(huán)境中獲得應(yīng)用。最新的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，納米真空溝道晶體管在高達(dá)200攝氏度的高溫下運(yùn)行時(shí)的性能依然穩(wěn)定。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管在該溫度下將會(huì)中止運(yùn)行。驗(yàn)證測(cè)試還顯示新型納米真空溝道晶體管具有相當(dāng)強(qiáng)的抵抗伽馬射線和質(zhì)子輻射的能力。

    未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改善納米真空溝道晶體管的性能。研究計(jì)劃包括器件結(jié)構(gòu)及器件材料屬性的納米尺度建模和對(duì)器件老化機(jī)制的研究，以改善器件的可靠性、延長(zhǎng)器件壽命。

    韓國(guó)研發(fā)出采用石墨烯透明電極的OLED顯示器

    【據(jù)石墨烯資訊網(wǎng)站2017年4月11日?qǐng)?bào)道】韓國(guó)的ETRI（電子和電信研究所）的研究人員已經(jīng)使用石墨烯透明電極來(lái)創(chuàng)建尺寸為370mm×470mm的OLED顯示器。

    ETRI團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新工藝，可以在玻璃基板上利用石墨烯制成圖案、大小精確的電極。研究人員用新電極替代了目前商業(yè)應(yīng)用中使用的氧化銦錫，這是一種已知的易碎脆性金屬。

    該團(tuán)隊(duì)表示，與石墨烯相結(jié)合的柔性基板將可以實(shí)現(xiàn)足夠薄的柔性顯示器，用于可穿戴設(shè)備和衣服。他們將嘗試使用塑料基板代替玻璃，以便該工藝可以應(yīng)用于可穿戴OLED。

    ETRI一直專注研究石墨烯增強(qiáng)OLED技術(shù)，并在2016年設(shè)法開(kāi)發(fā)出使用石墨烯透明電極的透明OLED原型。

    美國(guó)研發(fā)出用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新型納米材料

    【據(jù)英國(guó)the engineer網(wǎng)站4月3日?qǐng)?bào)道】萊斯大學(xué)與NASA合作開(kāi)發(fā)了一種新型碳化硅“絨毛纖維”，可以嵌入NASA最新火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用的陶瓷復(fù)合材料上，提升火箭噴嘴和其他部件的強(qiáng)度和耐高溫性。

    目前用于NASA火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷復(fù)合材料使用碳化硅纖維來(lái)增強(qiáng)，能夠承受住1600攝氏度的高溫，但容易氧化開(kāi)裂。萊斯大學(xué)將碳化硅納米管和納米線嵌入陶瓷復(fù)合材料纖維表面，使纖維表面像鉤子和線圈一樣卷曲，類似于魔術(shù)粘。纖維纏繞處具有很強(qiáng)的咬合作用，這不僅可以減少?gòu)?fù)合材料的開(kāi)裂，也可以防止氧氣改變纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)。該新型納米材料研制過(guò)程首先將碳化硅纖維浸泡在鐵催化劑中，之后用水輔助化學(xué)氣相沉積方法將碳納米管直接插入纖維表面。碳化硅纖維在納米硅粉內(nèi)高溫加熱，從而將碳納米管變?yōu)樘蓟?ldquo;絨毛”。研究人員認(rèn)為這種絨毛狀碳納米管能夠提升NASA火箭噴嘴和其他部件的陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐高溫性。同時(shí)，這種新型材料的使用將進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，在使用碳化硅復(fù)合材料之前，很多發(fā)動(dòng)機(jī)部件由鎳合金制成，并需要一套冷卻系統(tǒng)，通過(guò)采用陶瓷基復(fù)合材料，可以去除冷卻系統(tǒng)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量并提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫性。

    摩擦和壓力測(cè)試表明，絨毛狀碳化硅納米管相互之間的橫向作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純碳納米管或非增強(qiáng)纖維之間的作用力。同時(shí)，該材料可以輕易的在納米壓痕儀高壓作用下恢復(fù)，說(shuō)明了材料抗壓抗分解能力。

    下一步研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該技術(shù)應(yīng)用于其他碳納米材料，來(lái)制備更多新型材料。

    俄羅斯利用電子復(fù)合材料研制出軍事目標(biāo)通用隱身偽裝

    據(jù)《俄羅斯報(bào)》報(bào)道，俄國(guó)家技術(shù)集團(tuán)旗下俄羅斯電子公司（Ruselectronics）所屬的莫斯科中央科研工藝研究所（Technomash）的科學(xué)家們研制出可隱藏整個(gè)目標(biāo)的可見(jiàn)光偽裝技術(shù)。

    新技術(shù)使用了一種電子復(fù)合材料，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)可對(duì)目標(biāo)有效偽裝，并能根據(jù)周圍可視環(huán)境的變化而調(diào)整。這種材料可以改變顏色和同一顏色的明暗度，并且可以建立復(fù)雜的圖像，甚至可以建立葉子在風(fēng)中舞動(dòng)的圖像。

    俄羅斯電子公司副總經(jīng)理伊戈?duì)?middot;克洛奇科表示，復(fù)合材料的應(yīng)用原則不是熱或者電磁偽裝，而是視覺(jué)偽裝，其基礎(chǔ)是利用可控電子脈沖改變顏色和顏色的明暗度。實(shí)際上，這種材料相當(dāng)于一塊可以隱藏整個(gè)目標(biāo)的偽裝屏幕，在應(yīng)對(duì)高精度武器方面前景廣闊。除此之外，專家也預(yù)言，大量民用領(lǐng)域也急需這種隱身材料。

    首個(gè)基于二硫化鉬二維材料的微處理器芯片誕生

    【據(jù)物理學(xué)組織網(wǎng)站2017年4月11日?qǐng)?bào)道】二維材料雖然僅由一層或幾層原子構(gòu)成，但其用處非常大。石墨烯是最著名的二維材料。二硫化鉬（由鉬原子和硫原子構(gòu)成的僅有3個(gè)原子直徑厚度的層狀材料）也屬于二維材料的一種。但與石墨烯不同的是，二硫化鉬具有半導(dǎo)體性質(zhì)。維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien）光子學(xué)研究所的托馬斯·穆勒博士和他的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，二維材料最有希望替代硅成為未來(lái)生產(chǎn)微處理器及其它集成電路所使用的材料。

    微處理器是當(dāng)今世界普遍存在且不可或缺的電子器件。若沒(méi)有微處理器技術(shù)的發(fā)展，許多在今天看似理所當(dāng)然的事物都將不復(fù)存在，如電腦、智能手機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等。然而，一直被用來(lái)制造微處理器的硅材料正在逐漸接近其自身的物理極限。包括二硫化鉬在內(nèi)的二維材料，有望成為硅材料潛在的替代者。

    雖然，自2004年石墨烯首次被成功分離至今，用二維材料制作單個(gè)晶體管的研究一直都在進(jìn)行，但是對(duì)于制造具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)電路的研究還未有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

    近日，托馬斯·穆勒和他的研究團(tuán)隊(duì)在這一研究領(lǐng)域獲得了突破性的進(jìn)展，制作出了全球首個(gè)基于二維材料的微處理器。該處理器芯片表面積僅為0.6平方毫米，集成有115個(gè)以二硫化鉬作為溝道材料、鈦/金作柵極、氧化鋁為柵氧化層的晶體管，其數(shù)據(jù)寄存器及程序計(jì)數(shù)器總?cè)萘繛?個(gè)比特，可執(zhí)行外部存儲(chǔ)器中的自定義程序、完成邏輯運(yùn)算以及與外界進(jìn)行通信。該處理器具有截至目前最為復(fù)雜的基于二維材料的電路結(jié)構(gòu)，1個(gè)比特的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)也能很容易得到擴(kuò)展。

    研究團(tuán)隊(duì)的Stefan Wachter博士說(shuō)：“雖然按照傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)此研究成果看上去并不是很突出，但在二維材料微處理器研究領(lǐng)域，該研究的成功仍然是一個(gè)非常重大的突破。因?yàn)槲覀儗?shí)現(xiàn)了對(duì)這一概念的驗(yàn)證，并十分確定它會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。”然而，該研究項(xiàng)目得以成功的原因也不單單在材料選擇上。“我們也仔細(xì)考慮過(guò)單個(gè)晶體管的尺寸問(wèn)題?；倦娐吩骷芯w管的幾何尺寸是決定能否實(shí)現(xiàn)制造、級(jí)聯(lián)更多復(fù)雜單元的關(guān)鍵因素。”穆勒解釋道。

    不言而喻，該技術(shù)若想得到實(shí)際應(yīng)用，必須擴(kuò)大其晶體管集成度，需要有成千上萬(wàn)甚至更多的晶體管來(lái)構(gòu)成具有強(qiáng)大功能且復(fù)雜的電路。另外，再現(xiàn)性是需要克服的又一個(gè)挑戰(zhàn)。畢竟，無(wú)論是二維材料的合成還是隨后的處理過(guò)程都還處在一個(gè)相當(dāng)初級(jí)的階段。

    穆勒指出：“由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室是通過(guò)人工的形式制作電路的，如此復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)椋瑸榱耸固幚砥髡９ぷ鳎_保每一個(gè)晶體管都能按計(jì)劃發(fā)揮相應(yīng)的作用。”然而，研究人員確信，隨著工業(yè)的進(jìn)步，用不了幾年，該技術(shù)就一定能在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，由于二維材料具有突出的機(jī)械柔韌度，對(duì)于制造柔性電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)比傳統(tǒng)硅材料更具優(yōu)勢(shì)。

    石墨烯材料柔性內(nèi)存問(wèn)世可彎曲屏幕越來(lái)越近了

    石墨烯新材料

    據(jù)Android Authority網(wǎng)站報(bào)道，英國(guó)?？巳卮髮W(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種基于石墨烯的新型存儲(chǔ)解決方案，與傳統(tǒng)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，這是一種成本更低、更環(huán)保的解決方案，具有速度超高、尺寸奇小、容量大、透明和柔性的特點(diǎn)。

    這種新型的混合石墨烯氧化鈦內(nèi)存為智能手機(jī)制造商在新設(shè)備的設(shè)計(jì)和功能方面提供了足夠的余地。除了作為世界上最輕和最強(qiáng)的化合物之外，石墨烯也是最薄的，厚度僅為一個(gè)原子。碳基材料也是最好的電導(dǎo)體，這將使其適合放置在諸如智能手機(jī)之類的設(shè)備中。

    這種材料的一個(gè)缺點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜。據(jù)報(bào)道，三星據(jù)稱已投入研究石墨烯，該公司甚至提交了一些專利申請(qǐng)。在這一點(diǎn)上，很難說(shuō)由石墨烯制成的存儲(chǔ)單元是否會(huì)使其成為靈活的智能手機(jī)，但材料方面來(lái)看，石墨烯肯定是最好的選擇。

    石墨烯存儲(chǔ)器

    Android Authority表示，對(duì)于可彎曲手機(jī)和智能服裝來(lái)說(shuō)，這種新型內(nèi)存似乎是一種完美的解決方案，如果良率足夠高，它完全能取代當(dāng)前電子產(chǎn)品中的閃存。

    研究人員稱，與當(dāng)前閃存相比，這種內(nèi)存成本更低、適應(yīng)性更強(qiáng)，具備“出色的耐用和保留性能”。

    英國(guó)?？巳卮髮W(xué)教授大衛(wèi)·賴特（David Wright）指出，“利用氧化石墨烯生產(chǎn)內(nèi)存的消息以前有過(guò)報(bào)道，但之前的技術(shù)通常尺寸大、速度慢，面

    向低端電子產(chǎn)品市場(chǎng)。相比之下，我們的氧化石墨烯-氧化鈦混合內(nèi)存，僅長(zhǎng)50納米，厚度為8納米，讀寫時(shí)間低于5納秒。”

    Android Authority稱，與類似大多數(shù)技術(shù)一樣，新型內(nèi)存大規(guī)模上市尚需數(shù)年時(shí)間，不過(guò)其前景似乎相當(dāng)光明。鑒于柔性智能手機(jī)即將問(wèn)世，柔性鋰離子電池已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，我們相信三星和其他主要內(nèi)存廠商將在近期投資這種新技術(shù)。

    該技術(shù)的應(yīng)用是否是領(lǐng)域真正的需求？

    實(shí)際上，石墨烯最有別于其他材料的一個(gè)特點(diǎn)就是柔軟性，這和大多數(shù)智能商品廠家的新一代產(chǎn)品研發(fā)方向相契合。然而，讓我們先清楚地想一個(gè)問(wèn)題，我們需要軟屏嗎？

    就目前來(lái)看，大多數(shù)人給出了肯定的回答，因?yàn)楝F(xiàn)在對(duì)屏幕的需求已經(jīng)不單純滿足于觀看功能，而更希望是一種交互設(shè)備，如果有柔性屏，交互場(chǎng)景幾乎可以擴(kuò)展到任何物體上，目的類似于幾年前的研究投影+手勢(shì)識(shí)別的交互技術(shù)。另一方面，人們對(duì)產(chǎn)品的需求也不僅僅停留在實(shí)用性，開(kāi)始追求產(chǎn)品的新穎性、時(shí)尚性和能夠帶來(lái)更好的視覺(jué)享受、用戶體驗(yàn)等，如果可以做成穿戴設(shè)備，便可以在很大程度上使產(chǎn)品更加便攜時(shí)尚，和用戶更加融合，帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)。

    時(shí)間晶體 一種曾被認(rèn)為是無(wú)法存在的物質(zhì)被創(chuàng)造出來(lái)了嗎？

    曾幾何時(shí)，人們認(rèn)為在物理學(xué)上不可能存在“時(shí)間晶體”這種奇異物質(zhì)形態(tài)，但是現(xiàn)在人們已經(jīng)創(chuàng)造出了這種晶體。

    用光撥弄原子是Christopher Monroe的終身事業(yè)。他把原子排列成環(huán)、鏈，然后用激光處理，以探索原子的特性，制造基本的量子計(jì)算機(jī)。去年，他決定嘗試一項(xiàng)看似不可能的任務(wù)：創(chuàng)造時(shí)間晶體。

    時(shí)間晶體聽(tīng)起來(lái)很像科幻電視劇《神秘博士》中的道具，但它植根于現(xiàn)實(shí)的物理學(xué)。它是一種假設(shè)的結(jié)構(gòu)，不需要任何能量就能保持振動(dòng)，就像永遠(yuǎn)不需要上發(fā)條的時(shí)鐘一樣。

    普通晶體中的原子在空間上重復(fù)，時(shí)間晶體則在時(shí)間上呈周期性重復(fù)。這一概念極具挑戰(zhàn)性，因此，當(dāng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek在2012年提出這個(gè)大膽的概念時(shí)，其他研究者很快證明了時(shí)間晶體是不可能被制造出來(lái)的。

    但證明存在漏洞；另一個(gè)物理學(xué)分支中的研究者找到了利用這些漏洞的方法。Monroe是馬里蘭大學(xué)的一位物理學(xué)家，他的團(tuán)隊(duì)利用他們?cè)緸槠渌康臉?gòu)建出的原子鏈，創(chuàng)造了一種時(shí)間晶體（見(jiàn)圖“如何制造時(shí)間晶體”）。“可以說(shuō)，我們是誤打誤撞發(fā)現(xiàn)它的，”Monroe說(shuō)。

    Nik Spencer/Nature

    另一組來(lái)自哈佛大學(xué)的研究者利用“臟”鉆石（譯注：指含大量氮原子雜質(zhì)的鉆石）也獨(dú)立制造出了時(shí)間晶體。這兩種版本都被視為時(shí)間晶體，但與Wilczek原先構(gòu)想的不同。兩篇論文的作者，加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家Norman Yao表示：“（創(chuàng)造出的時(shí)間晶體）雖然不像人們一開(kāi)始設(shè)想得那樣奇異，但還是十分怪異。

    它們也是一類令人驚嘆的物質(zhì)形態(tài)的首批樣本：時(shí)刻處在變化中、永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的量子粒子集合。這些系統(tǒng)從隨機(jī)的相互作用中獲得穩(wěn)定性，而其他類型的物質(zhì)則會(huì)被隨機(jī)的相互作用所擾亂。

    ”這是一種新的序，過(guò)去被認(rèn)為是不可能的。這一結(jié)果非常令人振奮，“哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員Vedika Khemani說(shuō)。她也曾是最初推論出這種新型物質(zhì)形態(tài)存在的團(tuán)隊(duì)的成員。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家已經(jīng)在計(jì)劃如何在量子計(jì)算機(jī)和超敏磁傳感器等設(shè)備中利用這種奇異系統(tǒng)的性質(zhì)了。

    打破時(shí)間對(duì)稱性

    在Wilczek的設(shè)想中，時(shí)間晶體是一種打破規(guī)則的方式。物理學(xué)定律的對(duì)稱性體現(xiàn)在它們同樣適用于時(shí)間和空間上所有的點(diǎn)。然而，許多系統(tǒng)都違反了這種對(duì)稱性。在磁鐵中，原子自旋會(huì)有序排列起來(lái)，而不是指向各個(gè)方向。

    在礦物晶體中，原子占據(jù)了空間中的固定位置，若稍有偏移，晶體看起來(lái)就是截然不同的了。物理學(xué)家將這種等價(jià)變換導(dǎo)致屬性變化的現(xiàn)象稱為對(duì)稱性破缺。在自然界，對(duì)稱性破缺無(wú)處不在——磁性、超導(dǎo)性，甚至還有賦予所有粒子質(zhì)量的希格斯機(jī)制皆根源于此。

    2012年，現(xiàn)任教于瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的Wilczek開(kāi)始好奇為什么對(duì)稱性不會(huì)在時(shí)間上自發(fā)破缺，以及能否創(chuàng)造出在時(shí)間上自發(fā)破缺的物質(zhì)。他將這種物質(zhì)稱為時(shí)間晶體。

    實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家構(gòu)想出了這種物質(zhì)的量子版本：它可能是一個(gè)無(wú)休止地旋轉(zhuǎn)、循環(huán)，然后返回初始格局的原子環(huán)。其屬性永遠(yuǎn)隨著時(shí)間同步變化，就像晶體中原子的位置隨空間變化一樣。該系統(tǒng)處于最低能態(tài)，但其運(yùn)動(dòng)卻不需要外力。在實(shí)質(zhì)上，時(shí)間晶體是一種永動(dòng)機(jī)，不過(guò)它不能產(chǎn)生可用的能量。

    Illustration by Peter Crowther

    乍一看，人們會(huì)覺(jué)得這個(gè)想法一定是錯(cuò)的，Yao說(shuō)。從定義來(lái)說(shuō)，處在最低能態(tài)的系統(tǒng)不會(huì)隨時(shí)間變化。Yao說(shuō)，如果出現(xiàn)了變化，就意味著系統(tǒng)還有額外的能量可以失去，旋轉(zhuǎn)也會(huì)很快停止。但Frank說(shuō)服了科研界，使大家相信這個(gè)問(wèn)題比看上去更加微妙，他說(shuō)。在量子世界，永動(dòng)并非沒(méi)有先例：理論上說(shuō)，超導(dǎo)體就能永遠(yuǎn)導(dǎo)電（但電流是均勻的，因此在時(shí)間上沒(méi)有變化）。

    渡邊悠樹(shù)（Haruki Watanabe）在加州大學(xué)伯克利分校完成了博士學(xué)位。從走出第一場(chǎng)博士學(xué)位口試起，他就開(kāi)始思考這些互相矛盾的問(wèn)題了。在考試中，他展示了自己有關(guān)空間對(duì)稱性破缺的研究結(jié)果；導(dǎo)師問(wèn)他Wilczek提出的時(shí)間晶體有何深遠(yuǎn)意義。

    渡邊悠樹(shù)說(shuō)：在考場(chǎng)上，我沒(méi)有回答出來(lái)，但這個(gè)問(wèn)題激起了我的興趣。“當(dāng)時(shí)，他對(duì)這種物質(zhì)存在的可能性非常懷疑。”我在想，我該如何說(shuō)服人們這是不可能的呢？

    于是，渡邊悠樹(shù)與東京大學(xué)的物理學(xué)家押川正毅（Masaki Oshikawa）一起，開(kāi)始嘗試以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方式證明自己直覺(jué)得出的答案。通過(guò)將問(wèn)題（時(shí)間晶體為何是不可能的）表述為一個(gè)系統(tǒng)中相距遙遠(yuǎn)的部分在空間和時(shí)間上的關(guān)系，他們?cè)?015年推導(dǎo)出了一個(gè)定理，表明時(shí)間晶體不可能在任何處在其最低能態(tài)的系統(tǒng)中創(chuàng)造出來(lái)。研究者還證實(shí)，對(duì)任何平衡系統(tǒng)（也就是各種能量都已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)）來(lái)說(shuō)，創(chuàng)造出時(shí)間晶體都是不可能的。

    在物理學(xué)界看來(lái)，這個(gè)問(wèn)題的答案相當(dāng)明確。時(shí)間晶體似乎是完全不可能實(shí)現(xiàn)的，Monroe說(shuō)。但他們的證明留下了一個(gè)漏洞。他們并沒(méi)有排除時(shí)間晶體在還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)的非平衡系統(tǒng)中存在的可能性。全球各地的理論物理學(xué)家開(kāi)始思考如何創(chuàng)造出其它版本的時(shí)間晶體。

    粒子湯

    而突破還是出現(xiàn)了，而且來(lái)自一個(gè)誰(shuí)也沒(méi)想到的物理學(xué)領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域的研究者當(dāng)時(shí)完全沒(méi)有在考慮時(shí)間晶體這個(gè)問(wèn)題。

    Shivaji Sondhi是普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)家，他和同事正在觀察當(dāng)一些由各種相互作用的粒子組成的孤立量子系統(tǒng)反復(fù)受力時(shí)會(huì)發(fā)生什么。物理學(xué)教科書(shū)說(shuō)，這樣的系統(tǒng)的溫度將會(huì)升高，然后陷入混沌之中。但在2015年，Sondhi的團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，在某些條件下，它們反而會(huì)結(jié)合在一起，形成一個(gè)在平衡態(tài)中不存在的物質(zhì)相：一個(gè)表現(xiàn)出了人們前所未見(jiàn)的微妙相關(guān)性的粒子系統(tǒng)，其模式還會(huì)在時(shí)間上重復(fù)。

    這種說(shuō)法吸引了Chetan Nayak的注意，他曾經(jīng)是Wilczek的學(xué)生，現(xiàn)在在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校和微軟Station Q實(shí)驗(yàn)室任職。Nayak和他的同事很快意識(shí)到，這種奇異的非平衡物質(zhì)態(tài)也是一種時(shí)間晶體。但它并不是Wilczek設(shè)想的那種：它并不處在最低的能量態(tài)，而且需要周期性施加外力才能振動(dòng)。不過(guò)，它也會(huì)獲得與外力不一致的穩(wěn)定節(jié)律，這意味著它能打破時(shí)間對(duì)稱性。

    這就好像是在跳繩時(shí)甩了兩下繩，但繩子只轉(zhuǎn)了一圈，Yao說(shuō)。這種對(duì)稱性破缺比Wilczek設(shè)想的更弱：在他的設(shè)想中，繩子應(yīng)該會(huì)自己轉(zhuǎn)動(dòng)。

    剛聽(tīng)說(shuō)這一切時(shí)，Monroe并沒(méi)有理解。我了解得越多，就越對(duì)它產(chǎn)生興趣，他說(shuō)。

    綠光照出了一個(gè)在鉆石缺陷內(nèi)的電子自旋網(wǎng)絡(luò)（紅色）中形成的時(shí)間晶體。Georg Kucsko

    去年，他開(kāi)始嘗試用原子構(gòu)建時(shí)間晶體。方法極為復(fù)雜，但只需要三種基本材料：反復(fù)干擾粒子的外力；讓原子彼此相互作用的方法；以及隨機(jī)無(wú)序元素。Monroe說(shuō)，將這三者結(jié)合起來(lái)，就能保證粒子吸收的能量受到限制，從而保持穩(wěn)定、有序的狀態(tài)。

    在他的實(shí)驗(yàn)中，這意味著反復(fù)向一條由十個(gè)鐿離子組成的離子鏈交替發(fā)射激光：第一次照射翻轉(zhuǎn)其自旋，第二次照射則讓自旋以隨機(jī)方式相互作用。這種激光組合能讓原子自旋振蕩起來(lái)，但周期是自旋翻轉(zhuǎn)的兩倍。

    此外，研究者還發(fā)現(xiàn)，即便他們用不完美的方式翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)（比如稍稍改變施加外力的頻率），振蕩仍然保持不變。Monroe說(shuō)：系統(tǒng)仍然處于非常穩(wěn)定的頻率上。他說(shuō)，空間晶體對(duì)試圖改變其原子間固定間距的嘗試也有類似的抵抗力，時(shí)間晶體展示了同樣的性質(zhì)。

    在哈佛大學(xué)，物理學(xué)家Mikhail Lukin試圖實(shí)現(xiàn)類似的目標(biāo)，但使用了截然不同的系統(tǒng)：3D鉆石塊。這塊鉆石上密布著約一百萬(wàn)個(gè)缺陷，每個(gè)缺陷都包含著自旋。鉆石的不純凈性也提供了天然的無(wú)序性。Lukin和他的團(tuán)隊(duì)使用了微波脈沖來(lái)翻轉(zhuǎn)自旋，他們發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)只在極少數(shù)時(shí)間會(huì)對(duì)干擾做出反應(yīng)。

    物理學(xué)家認(rèn)為，這兩種系統(tǒng)自發(fā)打破了某種時(shí)間對(duì)稱性，從而在數(shù)學(xué)上滿足了時(shí)間晶體的標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)于是否應(yīng)該將它們稱為時(shí)間晶體，物理學(xué)家們也有爭(zhēng)議。進(jìn)展喜人，但在一定程度上，將它們稱為時(shí)間晶體是在濫用這一術(shù)語(yǔ)，押川正毅說(shuō)。

    Yao表示，這些新系統(tǒng)的確是時(shí)間晶體，但時(shí)間晶體的定義需要縮小，以避免將人們已經(jīng)充分理解、且對(duì)量子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)并不那么有趣的現(xiàn)象包括其中。

    但Monroe和Lukin的成果也非常激動(dòng)人心，只不過(guò)原因不同。他們的時(shí)間晶體似乎是一系列新相態(tài)的首批示例，或許也是最簡(jiǎn)單的示例，這些相態(tài)存在于人們探索相對(duì)不多的非平衡態(tài)中。

    這些晶體也許能用于一些實(shí)際應(yīng)用中。其中一種晶體能在高溫下作為量子模擬系統(tǒng)工作。物理學(xué)家經(jīng)常在納開(kāi)氏度（接近絕對(duì)零度）下使用糾纏量子粒子來(lái)模擬在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上無(wú)法建模的材料的復(fù)雜行為。

    時(shí)間晶體代表著一種存在于遠(yuǎn)高于上述溫度下的穩(wěn)定的量子系統(tǒng)——Lukin的鉆石方法達(dá)到了室溫，有望打開(kāi)不需低溫的量子模擬的大門。

    Lukin說(shuō)，時(shí)間晶體可能也可用于超精密傳感器。他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在使用鉆石缺陷來(lái)檢測(cè)溫度和磁場(chǎng)的微小變化了。但這種方法也有局限性，因?yàn)槿绻^(guò)多的缺陷包含在了較小的空間里，它們的相互作用就會(huì)破壞其脆弱的量子態(tài)。

    但在時(shí)間晶體中，這些相互作用起到了穩(wěn)定作用，而非破壞作用，Lukin因此得以利用數(shù)百萬(wàn)個(gè)缺陷來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的信號(hào)——足以有效探測(cè)活細(xì)胞和原子厚度的材料。

    Yao說(shuō)，相互作用的穩(wěn)定原理或可以更加廣泛地應(yīng)用于量子計(jì)算中。量子計(jì)算機(jī)極具潛力，但也存在挑戰(zhàn)——長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在試圖保護(hù)執(zhí)行計(jì)算的脆弱量子位，同時(shí)保證它們可用于編碼和讀出信息。能否找到相互作用能穩(wěn)定這些量子位的相態(tài)是一個(gè)我們很想知道的問(wèn)題，Yao說(shuō)。

    馬克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理學(xué)研究所主任Roderich Moessner表示，創(chuàng)造時(shí)間晶體的故事是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明進(jìn)步往往發(fā)生在不同想法相互融合時(shí)?；蛟S，他說(shuō)，這種特殊的方法只是制備時(shí)間晶體的眾多方法之一。

    新型石墨烯涂層一旦形變就變色

    有望用于飛機(jī)、橋梁等設(shè)備設(shè)施的故障檢測(cè)

    德國(guó)萊布尼茲聚合物研究所的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種特殊的的石墨烯涂層，這種石墨烯涂層能夠在它變形或破裂時(shí)改變顏色，該論文發(fā)表在《Material Horizons》上。

    該團(tuán)隊(duì)在論文中描述了這種石墨烯涂層的制備方式，并闡述了它們的潛在商業(yè)價(jià)值：用于人造設(shè)備設(shè)施的故障檢測(cè)。

    飛機(jī)和橋梁等設(shè)備設(shè)施都有可能在毫無(wú)征兆的情況下突然出現(xiàn)故障。事實(shí)也證明，在故障前，這些涉及人身安全的設(shè)施所出現(xiàn)的異常難以被人察覺(jué)。

    例如，飛機(jī)機(jī)翼和其它飛機(jī)部件在受到一定的驟加應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生微裂紋，這些裂紋也許會(huì)導(dǎo)致故障，但是又難以用肉眼觀察出來(lái)。萊布尼茲聚合物研究所的這項(xiàng)研究成果，會(huì)讓檢測(cè)變得更加容易。

    那么，這種新型石墨烯涂層是怎樣實(shí)現(xiàn)一遇形變或破裂就變色的呢？

    一般的人造材料通常是通過(guò)顏料來(lái)著色——這些顏料能吸收一定范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，也能反射一定的波長(zhǎng)。但是，自然界中的生物通常是通過(guò)特定的、”精心設(shè)計(jì)“的結(jié)構(gòu)來(lái)反射，放大或吸收某些頻率范圍內(nèi)的光。

    這樣的顏色又稱為結(jié)構(gòu)色 （structural colour，又稱物理色），可變結(jié)構(gòu)色帶來(lái)了自然界中生物的色彩變化。例如，昆蟲(chóng)體壁上有極薄的蠟層、刻點(diǎn)、溝縫或鱗片等細(xì)微結(jié)構(gòu)，使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉而產(chǎn)生的各種顏色，甲蟲(chóng)體壁表面的金屬光澤和閃光也是典型的結(jié)構(gòu)色。

    為了制備類似生物”結(jié)構(gòu)色“的涂層，研究人員通過(guò)使用特殊的沉積方法，使石墨烯納米片（GNPs）堆疊出獨(dú)特的鱗片結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)諧精細(xì)的平行多層結(jié)構(gòu)，他們?cè)谝粋€(gè)復(fù)合相間區(qū)域觀察到了石墨烯涂層從紅色、黃色到綠色的可變結(jié)構(gòu)色。

    在原生狀態(tài)下，石墨烯涂層呈紅色，但是如果一些因素使石墨烯的平面發(fā)生了內(nèi)凹或外凸，該涂層將會(huì)變成黃色；在破裂的情況下，由于割裂了該涂層近鄰薄片之間的連接，它又會(huì)變成綠色。這就使人們觀察材料是否受到損害變得更加容易。

    這種顏色的變化過(guò)程在顯微鏡下是非常明顯的——精心放置的石墨烯薄片的任何結(jié)構(gòu)變化都會(huì)導(dǎo)致其中某些石墨烯薄片的方位發(fā)生變化，這就造成了光在涂層的某些方向（不同于大多數(shù)薄片方向）發(fā)生反射。

    研究人員相信，他們制備的涂層或與其類似的產(chǎn)品有一定的工業(yè)應(yīng)用前景。但是，該涂層在揭示材料變形和破裂程度的有效性仍待測(cè)試，這種涂層是否能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中惡劣的環(huán)境也尚未明確。

    香港理工大學(xué)研發(fā)新材料    隨身凈化空氣可制成掛墜

    據(jù)香港《大公報(bào)》報(bào)道，空氣質(zhì)素人人關(guān)心，但現(xiàn)時(shí)空氣凈化裝置無(wú)法隨身攜帶。香港理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系研發(fā)出最新半導(dǎo)體納米纖維TZBG，大幅提升傳導(dǎo)性能，在第45屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展中獲頒”評(píng)判特別嘉許金獎(jiǎng)。新材料可做用于凈化空氣及消毒的光觸媒物質(zhì)，質(zhì)地柔軟，適用于不同表面，更可制成掛墜佩戴，猶如”隨身空氣凈化機(jī)，防止大腸桿菌侵入，亦令凈化效率比現(xiàn)今技術(shù)高十倍，成本卻低逾九成。

    該項(xiàng)目由理大機(jī)械工程學(xué)系講座教授梁煥方率領(lǐng)，采用靜電紡紗技術(shù)，將石墨烯、碳納米管等高傳導(dǎo)性納米材料植入半導(dǎo)體納米纖維，如同為流動(dòng)的電子修建高速公路，大大提升電子流動(dòng)的速度，減少電子流失。該項(xiàng)發(fā)明獲得第45屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展評(píng)判特別嘉許金獎(jiǎng)。

    香港理大機(jī)械工程學(xué)系研發(fā)出最新半導(dǎo)體納米纖維，大幅提升傳導(dǎo)性能，在第45屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展中獲頒評(píng)判特別嘉許金獎(jiǎng)。圖片來(lái)源：香港《大公報(bào)》

    香港理大機(jī)械工程學(xué)系研發(fā)出最新半導(dǎo)體納米纖維，大幅提升傳導(dǎo)性能，在第45屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展中獲頒評(píng)判特別嘉許金獎(jiǎng)。圖片來(lái)源：香港《大公報(bào)》

    新材料TZBG勝二氧化鈦

    梁煥方介紹，該項(xiàng)技術(shù)可用于清潔環(huán)境的光觸媒。他指現(xiàn)時(shí)常見(jiàn)的光觸媒凈化產(chǎn)品，如空氣凈化機(jī)、消毒器、除臭劑等，多以二氧化鈦為主。但二氧化鈦將有害氣體一氧化氮轉(zhuǎn)化成無(wú)害物質(zhì)二氧化碳的效率較低，一般低于5%，并且只受紫外光激發(fā)，室內(nèi)效果不理想。此外，二氧化鈦粒子可被人體吸入，造成傷害。

    為解決上述問(wèn)題，梁煥方說(shuō)，首先將二氧化鈦由粒子形態(tài)鍛燒后，拉直成纖維，再將高傳導(dǎo)性材料石墨烯移植進(jìn)去，制成新材料，簡(jiǎn)稱TZBG。他還稱，TZBG透氣性強(qiáng)，更易吸收光和氣體?？諝膺^(guò)濾器使用TZBG光觸媒后，轉(zhuǎn)化一氧化碳為二氧化碳的效率增加十倍，吸附有害分子的面積增加43%，成本下降逾九成。

    適用不同表面有抗菌功能

    另外，TZBG質(zhì)地柔軟，適用于不同表面。可置于風(fēng)扇仔前，成為手提空氣凈化器，置于口罩內(nèi)或制成項(xiàng)鏈、掛飾隨身攜帶，凈化佩戴者周圍空氣。梁煥方指，TZBG亦有抗菌功能，可防止大部分細(xì)菌，如大腸桿菌侵入人體。目前該項(xiàng)發(fā)明正與全球多家企業(yè)洽談，冀將其商品化。

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責(zé)任編輯：王元

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