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具有千個晶體管的二維半導(dǎo)體問世

2023 年11 月13 日，據(jù)最新一期《自然·電子學(xué)》報道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員提出了一種基于二硫化鉬的內(nèi)存處理器，專門用于數(shù)據(jù)處理中的基本運算之一：向量矩陣乘法。這種操作在數(shù)字信號處理和人工智能模型的實現(xiàn)中無處不在，其效率的提高可為整個信息通信行業(yè)節(jié)約大量能源。

新處理器將1 024個元件組合到一個一平方厘米的芯片上。每個元件都包含一個2D 二硫化鉬晶體管及一個浮動?xùn)艠O，用于在其存儲器中存儲電荷，以控制每個晶體管的導(dǎo)電性。以這種方式耦合處理，從根本上改變了處理器執(zhí)行計算的方式。

研究人員指出，通過設(shè)置每個晶體管的電導(dǎo)率，他們可向處理器施加電壓并測量輸出，一步執(zhí)行模擬矢量矩陣乘法。

二硫化鉬的選擇在內(nèi)存處理器的開發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。與當(dāng)今計算機處理器中使用最廣泛的半導(dǎo)體硅不同，二硫化鉬形成穩(wěn)定的單層，只有3 個原子厚，僅與周圍環(huán)境發(fā)生微弱的相互作用。它的薄度提供了生產(chǎn)極其緊湊器件的潛力。2010 年，研究團隊使用透明膠帶從晶體上剝離的單層材料創(chuàng)建了第一個單二硫化鉬晶體管。

從單個晶體管發(fā)展到超過1 000 個晶體管的關(guān)鍵進步在于可沉積材料的質(zhì)量。經(jīng)過大量工藝優(yōu)化后，該團隊現(xiàn)在可生產(chǎn)均勻覆蓋二硫化鉬均質(zhì)層的整個晶圓。這讓他們能采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具在計算機上設(shè)計集成電路，并將這些設(shè)計轉(zhuǎn)化為物理電路，從而為大規(guī)模生產(chǎn)打開了大門。

二硫化鉬有點像石墨，可以用作潤滑劑，也能用膠帶在表面粘下一層薄膜。二硫化鉬薄膜因其“二維”半導(dǎo)體的特性，有望突破晶體管微縮化的瓶頸，構(gòu)筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型芯片。近年來，國際上在單層二硫化鉬的制備等方面不斷突破，在晶圓質(zhì)量和器件性能上不斷探索極限，中國在這個方向處于前列。未來，可能借此研發(fā)出耗電極低、可穿戴且隨意彎折的芯片和顯示屏。

（來源：科技日報）

等效原理將接受迄今最精確測試

科技日報2023 年11 月16 日報道，德國科學(xué)家已經(jīng)將國際空間站上的鉀原子和銣原子冷卻到接近絕對零度，以對愛因斯坦廣義相對論的基本原理（等效原理）開展迄今為止最精確測試，這也是國際空間站上進行的首個涉及兩種極冷原子的實驗。相關(guān)論文發(fā)表于2023 年11 月15 日出版的《自然》雜志。

等效原理是愛因斯坦廣義相對論的一個關(guān)鍵原理，指當(dāng)引力是作用在物體上的唯一力時，所有物體都以相同加速度下落，幾十年來科學(xué)家一直在對該原理開展測試。迄今對該原理最靈敏的測試中，一項涉及在加利福尼亞州的一個特殊設(shè)施內(nèi)使極冷的銣原子自由下落的測試，另一項則涉及探索引力對隨衛(wèi)星進入太空的物質(zhì)質(zhì)量會產(chǎn)生何種影響。萊布尼茨大學(xué)團隊計劃通過在太空中使用超冷原子，將上述兩項測試結(jié)合在一起。

在最新研究中，該團隊使用了國際空間站上的冷原子實驗室，以研究只有在原子極冷和引力極低時才能觀察到的量子效應(yīng)。在冷原子實驗室內(nèi)，原子被限制在芯片內(nèi)，磁力和激光的推動、拉動和撞擊會使其變得非常冷。在絕對零度以上僅十億分之一攝氏度下，由于量子效應(yīng)，這些原子的“行為”像一組重疊的“物質(zhì)波”，而非單個粒子。

研究人員冷卻了同一芯片上的鉀原子和銣原子，然后有效地將芯片變成了兩個獨立的干涉儀。干涉儀會根據(jù)“物質(zhì)波”碰撞產(chǎn)生的模式來測量加速度，如果兩個干涉儀記錄的加速度值不同，等效原理就會被打破。

雖然研究人員已成功地在冷原子實驗室中制造了兩個干涉儀，但需要進一步優(yōu)化，才能用其全面測試等效原理。在冷原子實驗室獲得的結(jié)果預(yù)計將比基于衛(wèi)星的測試結(jié)果準(zhǔn)確數(shù)百倍，比基于地球的實驗結(jié)果準(zhǔn)確數(shù)十萬倍。

研究人員指出，等效原理是理解引力的基石，但這些實驗不僅僅測試廣義相對論，可能會有一些標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有囊括的新粒子打破這一原理。

（來源：科技日報）

新激光裝置用超快脈沖探測超材料

科技日報2023 年11 月16 日報道，一項基于激光的新技術(shù)提供了一種安全、快速的解決方案，可加速超材料的實際應(yīng)用。這項技術(shù)由美國麻省理工學(xué)院工程師開發(fā)，通過兩個激光器系統(tǒng)探測超材料，一個用于快速破壞結(jié)構(gòu)，另一個用于測量其振動響應(yīng)的方式，就像用木槌敲擊鐘并記錄其混響一樣。激光可在超材料的微小梁和支柱上產(chǎn)生振動，就好像結(jié)構(gòu)受到物理撞擊、拉伸或剪切一樣。此項研究發(fā)表在2023 年11 月15 日出版的《自然》雜志上。

此項名為激光誘導(dǎo)共振聲波譜的新系統(tǒng)，使用的超材料由普通聚合物制成，研究人員將其3D打印成由微觀支柱和橫梁制成的微型腳手架塔。每座塔都通過重復(fù)和分層單個幾何單元來形成圖案，當(dāng)首尾相連地堆疊時，塔式排列可賦予整個聚合物新的特性。

該團隊構(gòu)建了一個桌面裝置，其中包括兩個超聲波激光器。一個用于激發(fā)超材料樣品的“脈沖”激光器，另一個用于測量由此產(chǎn)生振動的“探測”激光器。

該團隊在一塊不大于指甲蓋的芯片上打印了數(shù)百個微型塔，每個塔都有特定的高度和結(jié)構(gòu)。他們將這座超材料微型“城市”放置在雙激光器裝置中，然后用重復(fù)的超快脈沖激發(fā)每個塔，而第二臺激光器測量了塔的振動。

利用超快激光脈沖，該團隊可在幾分鐘內(nèi)激發(fā)并測量數(shù)百個微型結(jié)構(gòu)。這項新技術(shù)首次提供了一種安全、可靠和高通量的方法來動態(tài)表征微尺度超材料，并允許輕松地重建激光裝置。

（來源：科技日報）

芯片上實現(xiàn)光學(xué)誘導(dǎo)超導(dǎo)性

科技日報2023 年11 月14 日報道，據(jù)發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上的論文，德國馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究所研究人員證明，用激光束開啟超導(dǎo)性的能力可集成在芯片上，這開辟了一條通往光電子應(yīng)用的道路。

此前，該所研究人員已經(jīng)確定了一種增強K3C60 光誘導(dǎo)超導(dǎo)性的策略。此次研究則進一步表明，光誘導(dǎo)K3C60 的電響應(yīng)不是線性的，材料的電阻取決于施加的電流。這是超導(dǎo)電性的一個關(guān)鍵特征。

在高溫下對材料進行光學(xué)操縱以產(chǎn)生超導(dǎo)電性是研究重點。截至目前，研究人員已在幾種量子材料上證明這一策略是成功的。在以前對這些材料的光驅(qū)動態(tài)的研究中，研究人員已經(jīng)觀察到了增強的電相干和消失電阻。

在這項研究中，研究人員利用芯片上的非線性太赫茲光譜學(xué)開辟了皮秒傳輸測量的領(lǐng)域。他們通過共面波導(dǎo)將K3C60薄膜連接到光導(dǎo)開關(guān)上。

使用可見的激光脈沖觸發(fā)開關(guān)，他們向材料發(fā)送僅持續(xù)一皮秒的強電流脈沖。在以大約一半光速穿過固體材料后，電流脈沖到達(dá)另一個開關(guān)，該開關(guān)充當(dāng)探測器，以揭示重要信息，如超導(dǎo)特性的電學(xué)特征。

同時，通過將K3C60 薄膜暴露在中紅外光下，研究人員能夠觀察到這種光激發(fā)材料中的非線性電流變化。這種所謂的臨界電流行為和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩個關(guān)鍵特征。此前，這兩者都沒有被測量到，因此，此次激發(fā)固體中的臨界電流行為的演示具有特別重要的意義。

此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，K3C60 的光驅(qū)動狀態(tài)類似于所謂的顆粒超導(dǎo)體，由弱連接的超導(dǎo)島組成。

（來源：科技日報）

國內(nèi)首臺大功率純電新能源調(diào)車機車下線

2023 年11 月16 日，我國首臺大功率純電新能源調(diào)車機車在株洲下線。機車最大牽引功率達(dá)1 500 千瓦，是我國目前功率最大的新造純電調(diào)車機車。機車采用大容量磷酸鐵鋰動力電池作為唯一動力源，搭載首創(chuàng)的1 200 千瓦超大功率液冷快充設(shè)備，可實現(xiàn)“3 秒一度電”的“超級快充”，充滿電可牽引1 200 噸貨物運行128 公里，可充分滿足鋼企鐵水運輸及調(diào)車作業(yè)需求。

該調(diào)車機車由中車株洲電力機車有限公司研制，為漣鋼集團量身打造。中國中車資深技術(shù)專家康明明介紹，它能有效解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機車高污染和高油耗問題，同時還能夠滿足冶金、港口、電力、石化、礦山等行業(yè)內(nèi)部的鐵路運輸需求，具備綠色低碳、經(jīng)濟適用、智能先進等特點。

據(jù)估算，同等工況、同工作量下使用該型車，每臺車每年可減少二氧化碳排放量約150噸，相當(dāng)于種植8 200棵樹。相比既有內(nèi)燃機車，該純電機車每年有望節(jié)約能耗成本約100萬元，降低全生命周期成本20%以上。機車配置基于永磁同步牽引電機的電傳動系統(tǒng)，整車效率較內(nèi)燃機車可提升12%。

此外，研發(fā)團隊搭建了新型儲能系統(tǒng)，采用能量分割、分級保護、火災(zāi)檢測和自動滅火等技術(shù)，從物理層到系統(tǒng)層總共設(shè)計了“十三重保護”，保障動力電池安全可靠。機車還搭載了自適應(yīng)控制、智能輔助駕駛、無線遙控、車地聯(lián)控等智能控制技術(shù)，可實現(xiàn)全方位的機車部件及內(nèi)外部信息監(jiān)控，提高了機車智能化水平和運行效率。

（來源：科技日報）

南開團隊在無機合成及配位化學(xué)領(lǐng)域獲重大突破

2023 年11 月17 日，國際頂級期刊《科學(xué)》（第382 卷第6672 期）在線發(fā)表南開大學(xué)最新研究成果。該研究表述了全金屬富勒烯[KaAu12Sb20]5-的合成及成鍵機制，展示了一種全新的化合物合成技術(shù)及對金屬鍵的精準(zhǔn)調(diào)控在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的應(yīng)用，為新材料的創(chuàng)制提供了嶄新的研究思路。

1985年，人類首次發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子構(gòu)成的足球狀碳簇C60，也被稱為富勒烯。正是因為這一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，他們在1996年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

富勒烯因具有獨特的高度對稱的結(jié)構(gòu)、特殊的物理性質(zhì)及多種多樣的化學(xué)反應(yīng)特性，自被發(fā)現(xiàn)以來一直備受矚目，使得人們不斷探索其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。富勒烯的成鍵特性也被逐漸擴展到無機合成化學(xué)領(lǐng)域，理論上預(yù)測無機富勒烯將表現(xiàn)出非同尋常的穩(wěn)定性和反應(yīng)性，這激發(fā)了科學(xué)家們的極大興趣，但其合成依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授孫忠明課題組通過研發(fā)一種新的合成方法，將高溫固相合成與金屬有機化學(xué)跨相結(jié)合，成功制備了全金屬富勒烯[KaAu12Sb20]5-。

這一化合物呈現(xiàn)出接近阿基米德十二面體的結(jié)構(gòu)，每一面皆由內(nèi)含一個金原子的銻五邊形平面構(gòu)成，內(nèi)徑約為0.90 納米，略大于C60 分子的直徑（0.71 納米）。在這個相對較大的團簇空腔內(nèi)，僅內(nèi)嵌了一個鉀離子，并且團簇整體無需有機配體的保護，其結(jié)構(gòu)依然能夠具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，這使其成為迄今為止配位環(huán)境最接近富勒烯的純無機化合物。

這一裸露的重金屬球狀團簇的穩(wěn)定性得以實現(xiàn)，一方面歸因于中心的鉀離子起到了模板支撐作用，另一方面金-銻之間獨特的異金屬鍵在維持整體結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

理論計算結(jié)果顯示，該分子的最顯著特征之一是其三維球芳香電子結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致在團簇表面形成了一層離域π 電子云，賦予全金屬富勒烯化合物獨特的物理化學(xué)特性。這一發(fā)現(xiàn)有望在光電材料或室溫催化等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具備廣泛的應(yīng)用潛力。

美國化學(xué)與工程新聞報道這一研究工作時認(rèn)為，這種無機富勒烯可能有助于化學(xué)家設(shè)計并合成其他精密構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)。德國圖賓根大學(xué)化學(xué)家Andreas Schnepf 教授表示，這種分子具有引人注目的鍵合特性，他認(rèn)為這些團簇在溶液中可能展現(xiàn)出有趣的反應(yīng)性和應(yīng)用潛力。

（來源：中國科學(xué)報）