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具有千个晶体管的二维半导体问世

2023 年11 月13 日，据最新一期《自然·电子学》报道，瑞士洛桑联邦理工学院研究人员提出了一种基于二硫化钼的内存处理器，专门用于数据处理中的基本运算之一：向量矩阵乘法。这种操作在数字信号处理和人工智能模型的实现中无处不在，其效率的提高可为整个信息通信行业节约大量能源。

新处理器将1 024个元件组合到一个一平方厘米的芯片上。每个元件都包含一个2D 二硫化钼晶体管及一个浮动栅极，用于在其存储器中存储电荷，以控制每个晶体管的导电性。以这种方式耦合处理，从根本上改变了处理器执行计算的方式。

研究人员指出，通过设置每个晶体管的电导率，他们可向处理器施加电压并测量输出，一步执行模拟矢量矩阵乘法。

二硫化钼的选择在内存处理器的开发中发挥了至关重要的作用。与当今计算机处理器中使用最广泛的半导体硅不同，二硫化钼形成稳定的单层，只有3 个原子厚，仅与周围环境发生微弱的相互作用。它的薄度提供了生产极其紧凑器件的潜力。2010 年，研究团队使用透明胶带从晶体上剥离的单层材料创建了第一个单二硫化钼晶体管。

从单个晶体管发展到超过1 000 个晶体管的关键进步在于可沉积材料的质量。经过大量工艺优化后，该团队现在可生产均匀覆盖二硫化钼均质层的整个晶圆。这让他们能采用行业标准工具在计算机上设计集成电路，并将这些设计转化为物理电路，从而为大规模生产打开了大门。

二硫化钼有点像石墨，可以用作润滑剂，也能用胶带在表面粘下一层薄膜。二硫化钼薄膜因其“二维”半导体的特性，有望突破晶体管微缩化的瓶颈，构筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型芯片。近年来，国际上在单层二硫化钼的制备等方面不断突破，在晶圆质量和器件性能上不断探索极限，中国在这个方向处于前列。未来，可能借此研发出耗电极低、可穿戴且随意弯折的芯片和显示屏。

（来源：科技日报）

等效原理将接受迄今最精确测试

科技日报2023 年11 月16 日报道，德国科学家已经将国际空间站上的钾原子和铷原子冷却到接近绝对零度，以对爱因斯坦广义相对论的基本原理（等效原理）开展迄今为止最精确测试，这也是国际空间站上进行的首个涉及两种极冷原子的实验。相关论文发表于2023 年11 月15 日出版的《自然》杂志。

等效原理是爱因斯坦广义相对论的一个关键原理，指当引力是作用在物体上的唯一力时，所有物体都以相同加速度下落，几十年来科学家一直在对该原理开展测试。迄今对该原理最灵敏的测试中，一项涉及在加利福尼亚州的一个特殊设施内使极冷的铷原子自由下落的测试，另一项则涉及探索引力对随卫星进入太空的物质质量会产生何种影响。莱布尼茨大学团队计划通过在太空中使用超冷原子，将上述两项测试结合在一起。

在最新研究中，该团队使用了国际空间站上的冷原子实验室，以研究只有在原子极冷和引力极低时才能观察到的量子效应。在冷原子实验室内，原子被限制在芯片内，磁力和激光的推动、拉动和撞击会使其变得非常冷。在绝对零度以上仅十亿分之一摄氏度下，由于量子效应，这些原子的“行为”像一组重叠的“物质波”，而非单个粒子。

研究人员冷却了同一芯片上的钾原子和铷原子，然后有效地将芯片变成了两个独立的干涉仪。干涉仪会根据“物质波”碰撞产生的模式来测量加速度，如果两个干涉仪记录的加速度值不同，等效原理就会被打破。

虽然研究人员已成功地在冷原子实验室中制造了两个干涉仪，但需要进一步优化，才能用其全面测试等效原理。在冷原子实验室获得的结果预计将比基于卫星的测试结果准确数百倍，比基于地球的实验结果准确数十万倍。

研究人员指出，等效原理是理解引力的基石，但这些实验不仅仅测试广义相对论，可能会有一些标准模型中没有囊括的新粒子打破这一原理。

（来源：科技日报）

新激光装置用超快脉冲探测超材料

科技日报2023 年11 月16 日报道，一项基于激光的新技术提供了一种安全、快速的解决方案，可加速超材料的实际应用。这项技术由美国麻省理工学院工程师开发，通过两个激光器系统探测超材料，一个用于快速破坏结构，另一个用于测量其振动响应的方式，就像用木槌敲击钟并记录其混响一样。激光可在超材料的微小梁和支柱上产生振动，就好像结构受到物理撞击、拉伸或剪切一样。此项研究发表在2023 年11 月15 日出版的《自然》杂志上。

此项名为激光诱导共振声波谱的新系统，使用的超材料由普通聚合物制成，研究人员将其3D打印成由微观支柱和横梁制成的微型脚手架塔。每座塔都通过重复和分层单个几何单元来形成图案，当首尾相连地堆叠时，塔式排列可赋予整个聚合物新的特性。

该团队构建了一个桌面装置，其中包括两个超声波激光器。一个用于激发超材料样品的“脉冲”激光器，另一个用于测量由此产生振动的“探测”激光器。

该团队在一块不大于指甲盖的芯片上打印了数百个微型塔，每个塔都有特定的高度和结构。他们将这座超材料微型“城市”放置在双激光器装置中，然后用重复的超快脉冲激发每个塔，而第二台激光器测量了塔的振动。

利用超快激光脉冲，该团队可在几分钟内激发并测量数百个微型结构。这项新技术首次提供了一种安全、可靠和高通量的方法来动态表征微尺度超材料，并允许轻松地重建激光装置。

（来源：科技日报）

芯片上实现光学诱导超导性

科技日报2023 年11 月14 日报道，据发表在最新一期《自然·通讯》杂志上的论文，德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所研究人员证明，用激光束开启超导性的能力可集成在芯片上，这开辟了一条通往光电子应用的道路。

此前，该所研究人员已经确定了一种增强K3C60 光诱导超导性的策略。此次研究则进一步表明，光诱导K3C60 的电响应不是线性的，材料的电阻取决于施加的电流。这是超导电性的一个关键特征。

在高温下对材料进行光学操纵以产生超导电性是研究重点。截至目前，研究人员已在几种量子材料上证明这一策略是成功的。在以前对这些材料的光驱动态的研究中，研究人员已经观察到了增强的电相干和消失电阻。

在这项研究中，研究人员利用芯片上的非线性太赫兹光谱学开辟了皮秒传输测量的领域。他们通过共面波导将K3C60薄膜连接到光导开关上。

使用可见的激光脉冲触发开关，他们向材料发送仅持续一皮秒的强电流脉冲。在以大约一半光速穿过固体材料后，电流脉冲到达另一个开关，该开关充当探测器，以揭示重要信息，如超导特性的电学特征。

同时，通过将K3C60 薄膜暴露在中红外光下，研究人员能够观察到这种光激发材料中的非线性电流变化。这种所谓的临界电流行为和迈斯纳效应是超导体的两个关键特征。此前，这两者都没有被测量到，因此，此次激发固体中的临界电流行为的演示具有特别重要的意义。

此外，研究小组发现，K3C60 的光驱动状态类似于所谓的颗粒超导体，由弱连接的超导岛组成。

（来源：科技日报）

国内首台大功率纯电新能源调车机车下线

2023 年11 月16 日，我国首台大功率纯电新能源调车机车在株洲下线。机车最大牵引功率达1 500 千瓦，是我国目前功率最大的新造纯电调车机车。机车采用大容量磷酸铁锂动力电池作为唯一动力源，搭载首创的1 200 千瓦超大功率液冷快充设备，可实现“3 秒一度电”的“超级快充”，充满电可牵引1 200 吨货物运行128 公里，可充分满足钢企铁水运输及调车作业需求。

该调车机车由中车株洲电力机车有限公司研制，为涟钢集团量身打造。中国中车资深技术专家康明明介绍，它能有效解决传统内燃机车高污染和高油耗问题，同时还能够满足冶金、港口、电力、石化、矿山等行业内部的铁路运输需求，具备绿色低碳、经济适用、智能先进等特点。

据估算，同等工况、同工作量下使用该型车，每台车每年可减少二氧化碳排放量约150吨，相当于种植8 200棵树。相比既有内燃机车，该纯电机车每年有望节约能耗成本约100万元，降低全生命周期成本20%以上。机车配置基于永磁同步牵引电机的电传动系统，整车效率较内燃机车可提升12%。

此外，研发团队搭建了新型储能系统，采用能量分割、分级保护、火灾检测和自动灭火等技术，从物理层到系统层总共设计了“十三重保护”，保障动力电池安全可靠。机车还搭载了自适应控制、智能辅助驾驶、无线遥控、车地联控等智能控制技术，可实现全方位的机车部件及内外部信息监控，提高了机车智能化水平和运行效率。

（来源：科技日报）

南开团队在无机合成及配位化学领域获重大突破

2023 年11 月17 日，国际顶级期刊《科学》（第382 卷第6672 期）在线发表南开大学最新研究成果。该研究表述了全金属富勒烯[KaAu12Sb20]5-的合成及成键机制，展示了一种全新的化合物合成技术及对金属键的精准调控在结构化学中的应用，为新材料的创制提供了崭新的研究思路。

1985年，人类首次发现了由60个碳原子构成的足球状碳簇C60，也被称为富勒烯。正是因为这一重大科学发现，他们在1996年获得了诺贝尔化学奖。

富勒烯因具有独特的高度对称的结构、特殊的物理性质及多种多样的化学反应特性，自被发现以来一直备受瞩目，使得人们不断探索其在不同领域中的应用。富勒烯的成键特性也被逐渐扩展到无机合成化学领域，理论上预测无机富勒烯将表现出非同寻常的稳定性和反应性，这激发了科学家们的极大兴趣，但其合成依然面临巨大挑战。

南开大学材料科学与工程学院教授孙忠明课题组通过研发一种新的合成方法，将高温固相合成与金属有机化学跨相结合，成功制备了全金属富勒烯[KaAu12Sb20]5-。

这一化合物呈现出接近阿基米德十二面体的结构，每一面皆由内含一个金原子的锑五边形平面构成，内径约为0.90 纳米，略大于C60 分子的直径（0.71 纳米）。在这个相对较大的团簇空腔内，仅内嵌了一个钾离子，并且团簇整体无需有机配体的保护，其结构依然能够具有很好的化学稳定性，这使其成为迄今为止配位环境最接近富勒烯的纯无机化合物。

这一裸露的重金属球状团簇的稳定性得以实现，一方面归因于中心的钾离子起到了模板支撑作用，另一方面金-锑之间独特的异金属键在维持整体结构完整性方面发挥了至关重要的作用。

理论计算结果显示，该分子的最显著特征之一是其三维球芳香电子结构，这导致在团簇表面形成了一层离域π 电子云，赋予全金属富勒烯化合物独特的物理化学特性。这一发现有望在光电材料或室温催化等领域发挥重要作用，具备广泛的应用潜力。

美国化学与工程新闻报道这一研究工作时认为，这种无机富勒烯可能有助于化学家设计并合成其他精密构造的纳米结构。德国图宾根大学化学家Andreas Schnepf 教授表示，这种分子具有引人注目的键合特性，他认为这些团簇在溶液中可能展现出有趣的反应性和应用潜力。

（来源：中国科学报）