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迄今最灵敏力传感器问世

英国《新科学家》网站2023 年11 月2 日报道，法国科学家利用极冷的铷原子，制造出了迄今最灵敏的力传感器，其可测量拎起单个电子所需力十分之一大小的力，未来有望揭示全新力的存在。

所有已知的力都源于四种基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力。但一些试图揭示宇宙奥秘的实验或观测结果表明，可能存在未知的第五种力。

科学家认为这种力很弱，只能在离其非常近的距离才能测量，因此需要极其灵敏的设备。鉴于此，法国国家计量与测试实验室的雅恩·巴兰德团队使用铷原子制造了迄今已知最灵敏的力探测器。

巴兰德团队首先将120 000个铷原子置于一个真空金属—玻璃圆柱内，随后使用激光将原子冷却到接近绝对零度，由此产生的超冷原子对电场和光非常敏感，因此，可用电场和光来精确控制这些超冷原子的量子态。

研究团队使用这种控制方法，将这些组件变成了一个干涉仪。这是一个充满物质波的设备，其中物质波会相互碰撞，并在附近有力时产生可预测的变化。

为测试该传感器的灵敏度，团队测量了设备中原子和镜子之间的力。这种力由发生在看似空旷空间中的量子过程引起，非常微弱。该团队以前所未有的精度对其进行了测量，结果表明其大小低至4 qN（1 qN=10～30 牛顿），即单个电子重量的十分之一。

加拿大西蒙·弗雷泽大学杰夫瑞·麦吉尔克表示，这么小的力极难测量，而新传感器可在几微米外对其开展测量，未来有望发现新的力。

（来源：科技日报）

最高分辨率单光子超导相机问世

科技日报2023 年10 月26 日报道，美国国家标准与技术研究所（NIST）团队制造了一款包含40 万像素的超导相机，分辨率是其他同类设备的400倍。2023年10月26日发表在《自然》杂志的此项成果，未来将可用于生物医学成像及天文观测等领域。

该相机由超细电线网格组成，冷却至接近绝对零度，电流在其中毫无阻力地移动，直到电线被光子击中。在这款超导纳米线相机中，即使是单个光子所传递的能量也可被检测到，因为它会关闭网格上特定位置（像素）的超导性。结合所有光子的所有位置和强度就形成了图像。

超导相机的每个超导组件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。NIST 与美国国家航空航天局喷气推进实验室、科罗拉多大学博尔得分校研究人员组成的团队克服了这一障碍，将来自许多像素的信号组合到几条室温读出线上。

超导线材的一般特性是允许电流自由流动直至达到某个最大“临界”电流。为了利用这种行为，研究人员向传感器施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，即使单个光子撞击一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够无阻力流过纳米线，而是被分流到连接每个像素的小型电阻加热元件，分流电流产生可快速检测的电信号。

团队此次构建了具有交叉超导纳米线阵列的相机，这些纳米线形成多行和多列，这使团队能够一次测量来自整行或整列像素的信号，而不是记录每个单独像素的数据，从而大大减少了读出线的数量。

当光子撞击像素时，会形成一个微小的热点。热点反过来产生两个电压脉冲，电压脉冲由两端的检测器记录。脉冲到达末端检测器所需的时间差，就揭示了像素所在的列。探测器可识别短至五十万亿分之一秒的信号到达时间差异。采用新的读出架构后，团队在增加像素数量方面取得了快速进展。几周之内，像素数量从2万跃升至40万。

这一读出技术能很容易地扩展到更大的相机，具有数千万或数亿像素的超导单光子相机很快就会面世。

（来源：科技日报）

自适应神经连接光子处理器问世

科技日报2023 年10 月25 日报道，德国明斯特大学、英国埃克塞特大学和牛津大学联合团队现已开发出一种所谓的基于事件的架构，该架构使用光子处理器，通过光来传输和处理数据。与大脑类似，这使得神经网络内的连接不断适应成为可能。这种可变的连接是学习过程的基础。该研究发表在2023年10月20日的《科学进展》杂志上。

现代计算机模型（例如复杂、强大的人工智能应用程序）将传统数字计算机流程推向极限。新型计算架构模拟生物神经网络的工作原理，有望实现更快、更节能的数据处理。

机器学习中的神经网络需要的是由外部兴奋信号激活并与其他神经元有连接的人工神经元。这些人工神经元之间的连接称为突触，就像生物原始神经元一样。研究团队使用了一个由近8 400个光学神经元组成的网络，这些神经元由波导耦合相变材料制成。

研究表明，每个神经元之间的两个连接确实可以变得更强或更弱（突触可塑性），且可形成新的连接，或消除现有的连接（结构可塑性）。与其他类似研究相比，突触不是硬件元件，而是根据光脉冲的特性进行编码。换句话说，根据光脉冲的相应波长和强度进行编码，这使得在一块芯片上集成数千个神经元并以光学方式连接它们成为可能。

与传统的电子处理器相比，基于光的处理器提供了更高的带宽，仅低能耗就可以执行复杂的计算任务。从长远来看，它将能以快速、节能的方式应用于人工智能。

（来源：科技日报）

超原子半导体创下速度与效率纪录

科技日报2023 年10 月26 日报道，半导体已经变得无处不在，但它们也有局限性。半导体中会产生激子（电子—空穴对），这意味着能量以热的形式损失，信息传输是有速度限制的。发表在2023 年10 月26 日《科学》杂志的论文中，美国哥伦比亚大学化学家团队描述了迄今为止速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re6Se8Cl2的超原子材料。

任何材料的原子结构都会振动，从而产生被称为声子的量子粒子。激子则是由电子和空穴之间的相互作用引起的。声子和激子可以相互作用，声子的反作用可导致激子在电子设备周围携带能量和信息，以纳米和飞秒的速度散射，这就带来了能量损失。

Re6Se8Cl2中的激子在与声子接触时不是散射，而是与声子结合，产生新的准粒子，称为声激子—极化子。虽然极化子存在于许多物质中，但Re6Se8Cl2中的极化子有一种特殊的性质：它们能够进行弹道流动或无散射流动。这种弹道行为可能意味着研制出更快速、更高效的设备。

在该团队进行的实验中，Re6Se8Cl2中的声激子—极化子的移动速度是硅中电子的两倍，在不到一纳秒的时间内穿过了几个微米的样品。考虑到极化子的传输寿命可以持续大约11 纳秒，该团队认为声激子—极化子一次传输距离可覆盖超过25微米。由于这些准粒子是由光而非电流和门控控制的，因此理论设备的处理速度有可能达到飞秒，这比目前的千兆赫电子器件可实现的纳秒快6 个数量级，且都是在室温下进行的。

研究人员表示，就能量传输而言，至少到目前为止，Re6Se8Cl2是已知最好的半导体。Re6Se8Cl2可被剥离成原子薄片，这一特征意味着它们可能会与其他类似材料结合起来，出现更多独特的性质。然而，Re6Se8Cl2不太可能实现商用，因为其分子中的第一种元素——铼是地球上最稀有的元素之一，因此极其昂贵。

接下来的时间里，研究人员将利用先进成像技术研究Re6Se8Cl2为何能表现出如此非凡的行为。

（来源：科技日报）

室温操纵量子光流体实现突破

科技日报2023 年11 月1 日报道，根据2023 年10 月30 日发表在《物理评论快报》上的论文Controlling the Spatial Profile and Energy Landscape of Organic Polariton Condensates in Double-Dye Cavities，俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院物理学家团队在室温量子光流体（又名极化凝聚体）的空间操纵和能量控制方面取得了进展，标志着高速、全光学极化逻辑器件发展的一个重要里程碑。这种逻辑器件长期以来都是下一代非常规计算的关键。

极化子是光和物质耦合形成的混合粒子，通常被描述为一种可以通过其物质成分控制的光量子流体。最近，研究人员通过引入一种在室温下对“液态光”凝聚体进行主动空间控制的新方法，向前迈出了里程碑式的一步。这一进展的不同之处在于，它能够在不依赖于通常使用的极化子激发曲线的情况下操纵极化子凝聚体。

研究人员在腔内引入了一层额外的共聚物层，这是一层与腔模式保持非共振的弱耦合层。研究人员表示，这一看似简单但令人难以置信的巧妙举措，为人们打开了一扇通向各种可能性的大门。

通过使用双色光束激发，使这种非耦合半导体层中的光吸收部分饱和，研究人员实现了在形成极化子凝聚体的同时，对有效折射率进行超快调制。激发态吸收也让他们揭开了局部诱导极化子耗散的秘密。

这些机制错综复杂的相互作用，就像一块设计精美的拼图一样，碎片拼在一起后，产生了对极化子凝聚体的空间分布、密度和能量的控制，而所有这些都是在室温下进行的。

研究人员表示，这一突破开启了有机极化电子平台的新时代，为环境条件下的“液体光”计算奠定了基础。通过控制光与物质相互作用的特性，他们可以充分利用极化电子的潜力，摆脱传统腔体结构的限制。

（来源：科技日报）

无线技术成功利用电压控制磁性

科技日报2023 年10 月31 日报道，西班牙巴塞罗那自治大学和巴塞罗那材料科学研究所研究人员首次将无线技术引入一种磁性装置。他们将非磁性的氮化钴（CoN）薄膜浸入电解液，通过感应极化，无需连接电线即可控制其磁性。这种范式转变可促进磁性纳米机器人在生物医学和计算系统的应用。在未来的生物医学和计算系统中，基本的信息管理过程或不再需要电线。相关论文发表在2023年10月30日的《自然·通讯》杂志上。

电子设备依赖于操纵组件的电磁属性，无论是用于计算还是存储信息等过程。由于电流加热电路，用电压代替电流控制磁性已成为许多器件提高能效的一种重要控制方法。近年来的大量研究通过施加电压来执行这种控制的协议，但总是需要直接将电线连接在材料上。

此次，研究团队成功地去掉了电线，通过施加电压来改变氮化钴层的磁性。为此，他们将磁性材料样品放入具有离子导电性的液体中，并通过两个铂板将电压施加到液体上，而不将任何电线直接连接到样品上。由此产生的感应电场，使氮离子离开氮化钴层，并导致样品中出现磁性。感生磁性可根据所施加的电压、驱动时间及样品的布置进行调制，还可根据样品相对于施加电场的取向来进行暂时或永久性的磁性改变。

研究人员表示，通过改变电压来无线控制样品的磁性，代表着这一研究领域的范式转变。这一发现可能广泛应用于生物医学等诸多领域，例如在没有电线的情况下控制纳米机器人的磁性，或者在无线计算中，在有电压但无电线的情况下写入和擦除磁性存储器中的信息。

（来源：科技日报）