迄今最靈敏力傳感器問(wèn)世

英國(guó)《新科學(xué)家》網(wǎng)站2023 年11 月2 日?qǐng)?bào)道，法國(guó)科學(xué)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(cè)量拎起單個(gè)電子所需力十分之一大小的力，未來(lái)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(qiáng)核力和弱核力。但一些試圖揭示宇宙奧秘的實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)結(jié)果表明，可能存在未知的第五種力。

科學(xué)家認(rèn)為這種力很弱，只能在離其非常近的距離才能測(cè)量，因此需要極其靈敏的設(shè)備。鑒于此，法國(guó)國(guó)家計(jì)量與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的雅恩·巴蘭德團(tuán)隊(duì)使用銣原子制造了迄今已知最靈敏的力探測(cè)器。

巴蘭德團(tuán)隊(duì)首先將120 000個(gè)銣原子置于一個(gè)真空金屬—玻璃圓柱內(nèi)，隨后使用激光將原子冷卻到接近絕對(duì)零度，由此產(chǎn)生的超冷原子對(duì)電場(chǎng)和光非常敏感，因此，可用電場(chǎng)和光來(lái)精確控制這些超冷原子的量子態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)使用這種控制方法，將這些組件變成了一個(gè)干涉儀。這是一個(gè)充滿物質(zhì)波的設(shè)備，其中物質(zhì)波會(huì)相互碰撞，并在附近有力時(shí)產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的變化。

為測(cè)試該傳感器的靈敏度，團(tuán)隊(duì)測(cè)量了設(shè)備中原子和鏡子之間的力。這種力由發(fā)生在看似空曠空間中的量子過(guò)程引起，非常微弱。該團(tuán)隊(duì)以前所未有的精度對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明其大小低至4 qN（1 qN=10～30 牛頓），即單個(gè)電子重量的十分之一。

加拿大西蒙·弗雷澤大學(xué)杰夫瑞·麥吉爾克表示，這么小的力極難測(cè)量，而新傳感器可在幾微米外對(duì)其開(kāi)展測(cè)量，未來(lái)有望發(fā)現(xiàn)新的力。

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最高分辨率單光子超導(dǎo)相機(jī)問(wèn)世

科技日?qǐng)?bào)2023 年10 月26 日?qǐng)?bào)道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）團(tuán)隊(duì)制造了一款包含40 萬(wàn)像素的超導(dǎo)相機(jī)，分辨率是其他同類(lèi)設(shè)備的400倍。2023年10月26日發(fā)表在《自然》雜志的此項(xiàng)成果，未來(lái)將可用于生物醫(yī)學(xué)成像及天文觀測(cè)等領(lǐng)域。

該相機(jī)由超細(xì)電線網(wǎng)格組成，冷卻至接近絕對(duì)零度，電流在其中毫無(wú)阻力地移動(dòng)，直到電線被光子擊中。在這款超導(dǎo)納米線相機(jī)中，即使是單個(gè)光子所傳遞的能量也可被檢測(cè)到，因?yàn)樗鼤?huì)關(guān)閉網(wǎng)格上特定位置（像素）的超導(dǎo)性。結(jié)合所有光子的所有位置和強(qiáng)度就形成了圖像。

超導(dǎo)相機(jī)的每個(gè)超導(dǎo)組件都必須冷卻到超低溫才能正常工作，而將每個(gè)像素單獨(dú)連接到冷卻系統(tǒng)幾乎是不可能的。NIST 與美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、科羅拉多大學(xué)博爾得分校研究人員組成的團(tuán)隊(duì)克服了這一障礙，將來(lái)自許多像素的信號(hào)組合到幾條室溫讀出線上。

超導(dǎo)線材的一般特性是允許電流自由流動(dòng)直至達(dá)到某個(gè)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(gè)光子撞擊一個(gè)像素，也會(huì)破壞超導(dǎo)性。電流不再能夠無(wú)阻力流過(guò)納米線，而是被分流到連接每個(gè)像素的小型電阻加熱元件，分流電流產(chǎn)生可快速檢測(cè)的電信號(hào)。

團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建了具有交叉超導(dǎo)納米線陣列的相機(jī)，這些納米線形成多行和多列，這使團(tuán)隊(duì)能夠一次測(cè)量來(lái)自整行或整列像素的信號(hào)，而不是記錄每個(gè)單獨(dú)像素的數(shù)據(jù)，從而大大減少了讀出線的數(shù)量。

當(dāng)光子撞擊像素時(shí)，會(huì)形成一個(gè)微小的熱點(diǎn)。熱點(diǎn)反過(guò)來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)電壓脈沖，電壓脈沖由兩端的檢測(cè)器記錄。脈沖到達(dá)末端檢測(cè)器所需的時(shí)間差，就揭示了像素所在的列。探測(cè)器可識(shí)別短至五十萬(wàn)億分之一秒的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差異。采用新的讀出架構(gòu)后，團(tuán)隊(duì)在增加像素?cái)?shù)量方面取得了快速進(jìn)展。幾周之內(nèi)，像素?cái)?shù)量從2萬(wàn)躍升至40萬(wàn)。

這一讀出技術(shù)能很容易地?cái)U(kuò)展到更大的相機(jī)，具有數(shù)千萬(wàn)或數(shù)億像素的超導(dǎo)單光子相機(jī)很快就會(huì)面世。

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自適應(yīng)神經(jīng)連接光子處理器問(wèn)世

科技日?qǐng)?bào)2023 年10 月25 日?qǐng)?bào)道，德國(guó)明斯特大學(xué)、英國(guó)?？巳卮髮W(xué)和牛津大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種所謂的基于事件的架構(gòu)，該架構(gòu)使用光子處理器，通過(guò)光來(lái)傳輸和處理數(shù)據(jù)。與大腦類(lèi)似，這使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的連接不斷適應(yīng)成為可能。這種可變的連接是學(xué)習(xí)過(guò)程的基礎(chǔ)。該研究發(fā)表在2023年10月20日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模型（例如復(fù)雜、強(qiáng)大的人工智能應(yīng)用程序）將傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)流程推向極限。新型計(jì)算架構(gòu)模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，有望實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能的數(shù)據(jù)處理。

機(jī)器學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要的是由外部興奮信號(hào)激活并與其他神經(jīng)元有連接的人工神經(jīng)元。這些人工神經(jīng)元之間的連接稱(chēng)為突觸，就像生物原始神經(jīng)元一樣。研究團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)由近8 400個(gè)光學(xué)神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)，這些神經(jīng)元由波導(dǎo)耦合相變材料制成。

研究表明，每個(gè)神經(jīng)元之間的兩個(gè)連接確實(shí)可以變得更強(qiáng)或更弱（突觸可塑性），且可形成新的連接，或消除現(xiàn)有的連接（結(jié)構(gòu)可塑性）。與其他類(lèi)似研究相比，突觸不是硬件元件，而是根據(jù)光脈沖的特性進(jìn)行編碼。換句話說(shuō)，根據(jù)光脈沖的相應(yīng)波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行編碼，這使得在一塊芯片上集成數(shù)千個(gè)神經(jīng)元并以光學(xué)方式連接它們成為可能。

與傳統(tǒng)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(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它將能以快速、節(jié)能的方式應(yīng)用于人工智能。

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超原子半導(dǎo)體創(chuàng)下速度與效率紀(jì)錄

科技日?qǐng)?bào)2023 年10 月26 日?qǐng)?bào)道，半導(dǎo)體已經(jīng)變得無(wú)處不在，但它們也有局限性。半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生激子（電子—空穴對(duì)），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(fā)表在2023 年10 月26 日《科學(xué)》雜志的論文中，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)化學(xué)家團(tuán)隊(duì)描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導(dǎo)體：一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。

任何材料的原子結(jié)構(gòu)都會(huì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生被稱(chēng)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(dǎo)致激子在電子設(shè)備周?chē)鷶y帶能量和信息，以納米和飛秒的速度散射，這就帶來(lái)了能量損失。

Re6Se8Cl2中的激子在與聲子接觸時(shí)不是散射，而是與聲子結(jié)合，產(chǎn)生新的準(zhǔn)粒子，稱(chēng)為聲激子—極化子。雖然極化子存在于許多物質(zhì)中，但Re6Se8Cl2中的極化子有一種特殊的性質(zhì)：它們能夠進(jìn)行彈道流動(dòng)或無(wú)散射流動(dòng)。這種彈道行為可能意味著研制出更快速、更高效的設(shè)備。

在該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，Re6Se8Cl2中的聲激子—極化子的移動(dòng)速度是硅中電子的兩倍，在不到一納秒的時(shí)間內(nèi)穿過(guò)了幾個(gè)微米的樣品?？紤]到極化子的傳輸壽命可以持續(xù)大約11 納秒，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為聲激子—極化子一次傳輸距離可覆蓋超過(guò)25微米。由于這些準(zhǔn)粒子是由光而非電流和門(mén)控控制的，因此理論設(shè)備的處理速度有可能達(dá)到飛秒，這比目前的千兆赫電子器件可實(shí)現(xiàn)的納秒快6 個(gè)數(shù)量級(jí)，且都是在室溫下進(jìn)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(dǎo)體。Re6Se8Cl2可被剝離成原子薄片，這一特征意味著它們可能會(huì)與其他類(lèi)似材料結(jié)合起來(lái)，出現(xiàn)更多獨(dú)特的性質(zhì)。然而，Re6Se8Cl2不太可能實(shí)現(xiàn)商用，因?yàn)槠浞肿又械牡谝环N元素——錸是地球上最稀有的元素之一，因此極其昂貴。

接下來(lái)的時(shí)間里，研究人員將利用先進(jìn)成像技術(shù)研究Re6Se8Cl2為何能表現(xiàn)出如此非凡的行為。

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室溫操縱量子光流體實(shí)現(xiàn)突破

科技日?qǐng)?bào)2023 年11 月1 日?qǐng)?bào)道，根據(jù)2023 年10 月30 日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》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(xué)技術(shù)研究院物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(jìn)展，標(biāo)志著高速、全光學(xué)極化邏輯器件發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。這種邏輯器件長(zhǎng)期以來(lái)都是下一代非常規(guī)計(jì)算的關(guān)鍵。

極化子是光和物質(zhì)耦合形成的混合粒子，通常被描述為一種可以通過(guò)其物質(zhì)成分控制的光量子流體。最近，研究人員通過(guò)引入一種在室溫下對(duì)“液態(tài)光”凝聚體進(jìn)行主動(dòng)空間控制的新方法，向前邁出了里程碑式的一步。這一進(jìn)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(fā)曲線的情況下操縱極化子凝聚體。

研究人員在腔內(nèi)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(jiǎn)單但令人難以置信的巧妙舉措，為人們打開(kāi)了一扇通向各種可能性的大門(mén)。

通過(guò)使用雙色光束激發(fā)，使這種非耦合半導(dǎo)體層中的光吸收部分飽和，研究人員實(shí)現(xiàn)了在形成極化子凝聚體的同時(shí)，對(duì)有效折射率進(jìn)行超快調(diào)制。激發(fā)態(tài)吸收也讓他們揭開(kāi)了局部誘導(dǎo)極化子耗散的秘密。

這些機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，就像一塊設(shè)計(jì)精美的拼圖一樣，碎片拼在一起后，產(chǎn)生了對(duì)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(jìn)行的。

研究人員表示，這一突破開(kāi)啟了有機(jī)極化電子平臺(tái)的新時(shí)代，為環(huán)境條件下的“液體光”計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)控制光與物質(zhì)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(tǒng)腔體結(jié)構(gòu)的限制。

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無(wú)線技術(shù)成功利用電壓控制磁性

科技日?qǐng)?bào)2023 年10 月31 日?qǐng)?bào)道，西班牙巴塞羅那自治大學(xué)和巴塞羅那材料科學(xué)研究所研究人員首次將無(wú)線技術(shù)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(guò)感應(yīng)極化，無(wú)需連接電線即可控制其磁性。這種范式轉(zhuǎn)變可促進(jìn)磁性納米機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)和計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用。在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)和計(jì)算系統(tǒng)中，基本的信息管理過(guò)程或不再需要電線。相關(guān)論文發(fā)表在2023年10月30日的《自然·通訊》雜志上。

電子設(shè)備依賴于操縱組件的電磁屬性，無(wú)論是用于計(jì)算還是存儲(chǔ)信息等過(guò)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(lái)的大量研究通過(guò)施加電壓來(lái)執(zhí)行這種控制的協(xié)議，但總是需要直接將電線連接在材料上。

此次，研究團(tuán)隊(duì)成功地去掉了電線，通過(guò)施加電壓來(lái)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(dǎo)電性的液體中，并通過(guò)兩個(gè)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(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)，使氮離子離開(kāi)氮化鈷層，并導(dǎo)致樣品中出現(xiàn)磁性。感生磁性可根據(jù)所施加的電壓、驅(qū)動(dòng)時(shí)間及樣品的布置進(jìn)行調(diào)制，還可根據(jù)樣品相對(duì)于施加電場(chǎng)的取向來(lái)進(jìn)行暫時(shí)或永久性的磁性改變。

研究人員表示，通過(guò)改變電壓來(lái)無(wú)線控制樣品的磁性，代表著這一研究領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)可能廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，例如在沒(méi)有電線的情況下控制納米機(jī)器人的磁性，或者在無(wú)線計(jì)算中，在有電壓但無(wú)電線的情況下寫(xiě)入和擦除磁性存儲(chǔ)器中的信息。

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