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高性能超導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)制成

科技日?qǐng)?bào)2024年8月11日?qǐng)?bào)道，美國(guó)布法羅大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研制出世界性能最高的高溫超導(dǎo)（HTS）導(dǎo)線(xiàn)段，為人類(lèi)駕馭磁力開(kāi)辟了全新可能性，其有望改變現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施，甚至實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變。相關(guān)報(bào)告發(fā)表在最新一期《自然·通訊》上。

高溫超導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)能在高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體所需溫度下無(wú)阻力傳輸電力。新HTS導(dǎo)線(xiàn)以稀土鋇銅氧化物為基礎(chǔ)，涵蓋所有磁場(chǎng)和從5開(kāi)爾文到77開(kāi)爾文的工作溫度范圍，這個(gè)溫度范圍高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體發(fā)揮作用所需的溫度。

在4.2開(kāi)爾文時(shí)，新HTS導(dǎo)線(xiàn)在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況（也稱(chēng)為自場(chǎng)）下，每平方厘米可承載1.9億安培的電流；而在7特斯拉磁場(chǎng)下，每平方厘米可承載9 000萬(wàn)安培的電流。

在更高的20開(kāi)爾文（商業(yè)核聚變的預(yù)期應(yīng)用溫度）時(shí)，在自場(chǎng)下，這些導(dǎo)線(xiàn)每平方厘米仍可承載超過(guò)1.5億安培的電流；在7特斯拉磁場(chǎng)下，每平方厘米可承載超過(guò)6 000萬(wàn)安培的電流。

就臨界電流（在超導(dǎo)體中，可視為無(wú)阻流動(dòng)的最大直流電流）而言，這相當(dāng)于4.2開(kāi)爾文時(shí)，4毫米寬的導(dǎo)線(xiàn)段在自場(chǎng)下可承載1 500安培的超電流；在7特斯拉磁場(chǎng)下，可承載700安培的超電流。在20開(kāi)爾文時(shí)，在自場(chǎng)下可承載1 200安培的超電流；在7特斯拉磁場(chǎng)下，可承載500安培的超電流。

值得注意的是，盡管該團(tuán)隊(duì)研制的HTS薄膜厚度僅為0.2微米，但其承載的電流卻可與厚度幾乎是其10倍的商用超導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)相媲美。

這些導(dǎo)線(xiàn)表現(xiàn)出強(qiáng)大的將磁渦旋釘住或固定在適當(dāng)位置的能力。在4.2開(kāi)爾文時(shí)，其釘扎力（釘扎磁渦旋的能力）約為每立方米6.4太牛頓；在20開(kāi)爾文時(shí)，其釘扎力約為每立方米4.2太牛頓，兩者的磁場(chǎng)強(qiáng)度均為7特斯拉。

這是迄今為止報(bào)告的所有磁場(chǎng)和工作溫度下，臨界電流密度和釘扎力的最高值。

（2024年8月11日 張夢(mèng)然 科技日?qǐng)?bào)）

超冷原子傳感技術(shù)成功檢測(cè)

太空環(huán)境變化

科技日?qǐng)?bào)2024年8月14日?qǐng)?bào)道，美國(guó)國(guó)家航空航天局的冷原子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用原子干涉儀等量子傳感工具，成功測(cè)量了國(guó)際空間站的細(xì)微振動(dòng)。這是科學(xué)家首次使用超冷原子檢測(cè)太空環(huán)境的變化。相關(guān)論文發(fā)表于13日出版的《自然·通訊》雜志。

原子干涉儀可精確測(cè)量重力、磁場(chǎng)和其他力?？茖W(xué)家一直在地球上利用該傳感器研究重力的基本性質(zhì)，促進(jìn)了飛機(jī)和船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。他們也渴望在太空中應(yīng)用該技術(shù)，因?yàn)樘盏奈⒅亓Νh(huán)境可延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間，并獲得更高靈敏度。但原子干涉儀此前無(wú)法單獨(dú)在太空長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在最新研究中，冷原子實(shí)驗(yàn)室的原子干涉儀做到了這一點(diǎn)。

2018年，冷原子實(shí)驗(yàn)室進(jìn)駐國(guó)際空間站。科學(xué)家希望將其長(zhǎng)期置于低地球軌道的微重力環(huán)境，通過(guò)相關(guān)研究推進(jìn)量子科學(xué)發(fā)展。該實(shí)驗(yàn)室能將原子冷卻到幾乎絕對(duì)零度。在此溫度下，一些原子會(huì)形成玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。在BEC下的原子處于相同量子態(tài)，其微觀(guān)量子特性會(huì)變得宏觀(guān)，更便于科學(xué)家開(kāi)展相關(guān)研究。在微重力環(huán)境下，BEC可以達(dá)到更低溫度并存在更長(zhǎng)時(shí)間，為科學(xué)家提供了更多研究機(jī)會(huì)。其中的原子干涉儀是利用原子的量子特性進(jìn)行精確測(cè)量的傳感器之一。

研究人員表示，對(duì)引力進(jìn)行精確測(cè)量可提供更多關(guān)于暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)的信息。原子干涉儀也可利用全新方式檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

（2024年8月14日 劉霞 科技日?qǐng)?bào)）

硅光子芯片讓“量子羅盤(pán)”

更小更精確

科技日?qǐng)?bào)2024年8月14日?qǐng)?bào)道，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員利用硅光子微芯片組件，執(zhí)行了一種名為原子干涉的量子傳感技術(shù)。這是一種測(cè)量加速度的超高精度方法，也是研發(fā)無(wú)需全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)也能進(jìn)行導(dǎo)航的“量子羅盤(pán)”最新成果。研究論文發(fā)表在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》上。

智能手機(jī)、健身追蹤器或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備內(nèi)部都有微小的傳感器用于追蹤位置和移動(dòng)。同樣技術(shù)的“升級(jí)”版本，大小和一個(gè)柚子相當(dāng)，精度要高出千倍，它們借助GPS幫助有更高需求的領(lǐng)域進(jìn)行導(dǎo)航。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種高精度傳感器的體積和技術(shù)成本正在大幅縮減。

新的高性能硅光子調(diào)制器是一款在微芯片上控制光的設(shè)備。每個(gè)原子干涉儀都需要一個(gè)激光系統(tǒng)，而激光系統(tǒng)又需要調(diào)制器。

通常，作為傳感器系統(tǒng)的原子干涉儀需要占據(jù)一個(gè)小房間。而一個(gè)完整的“量子羅盤(pán)”（量子慣性測(cè)量單元）則需要6個(gè)原子干涉儀。團(tuán)隊(duì)成功用一顆牛油果大小的真空室取代了大型耗電真空泵，并將多個(gè)部件整合成一個(gè)單一的剛性裝置。

新調(diào)制器是微芯片上激光系統(tǒng)的核心。它能夠承受強(qiáng)烈的振動(dòng)，并將取代通常大小如冰箱的傳統(tǒng)激光系統(tǒng)。激光器在原子干涉儀中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)。團(tuán)隊(duì)則使用了4個(gè)調(diào)制器來(lái)改變單個(gè)激光器的頻率，以執(zhí)行不同的功能。

調(diào)制器經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生不需要的回聲，即邊帶，這需要進(jìn)行抑制。團(tuán)隊(duì)的抑制載波單邊帶調(diào)制器將這些邊帶降低了前所未有的47.8分貝，從而使邊帶強(qiáng)度降低至原來(lái)的近十萬(wàn)分之一。

成本此前是部署量子導(dǎo)航設(shè)備的主要障礙?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)可以在一塊8英寸的晶圓上制造數(shù)百個(gè)調(diào)制器。將龐大且昂貴的組件微縮成硅光子芯片有助于降低成本。

（2024年8月14日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào)）

葉狀聚光器可大幅提高

太陽(yáng)能發(fā)電效率

科技日?qǐng)?bào)2024年8月19日?qǐng)?bào)道，發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC）是一種利用光致發(fā)光材料將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為可被光伏電池捕獲利用的裝置。據(jù)發(fā)表在最新一期《能源光子學(xué)雜志》上的論文，日本立命館大學(xué)研究人員提出了一種新型葉狀LSC模型，可增強(qiáng)光子的收集和傳輸能力，大幅提高太陽(yáng)能發(fā)電效率。

與依賴(lài)鏡子和透鏡的傳統(tǒng)聚光器不同，LSC能夠收集散射光，并已應(yīng)用于光伏建筑一體化等領(lǐng)域，其半透明和多彩的特性還帶來(lái)了美學(xué)效益。然而，在將LSC擴(kuò)展到較大面積應(yīng)用時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是克服光在波導(dǎo)內(nèi)的自吸收現(xiàn)象，以提高光子到達(dá)光伏電池的效率。

葉狀LSC設(shè)計(jì)使用較小且相互連接的發(fā)光元件來(lái)解決擴(kuò)展性問(wèn)題。研究人員將發(fā)光板放置在中央發(fā)光光纖周?chē)?，且板的?cè)面朝向光纖。入射光子被發(fā)光板轉(zhuǎn)換成聚光光子，然后穿過(guò)光纖，被光伏電池收集到光纖頂端。透明光導(dǎo)將多個(gè)光纖連接到單個(gè)光伏電池上，有效增加了LSC的入射面積，同時(shí)減少了由于自吸收和散射造成的光子損失。

這種模塊化的LSC設(shè)計(jì)方法具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，減小單個(gè)模塊尺寸，如將方形葉狀LSC的邊長(zhǎng)從50毫米減小到10毫米，可顯著提高光子收集效率。模塊化設(shè)計(jì)還便于更換損壞的單元。

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，研究人員將傳統(tǒng)平面LSC技術(shù)（如邊緣鏡和串聯(lián)結(jié)構(gòu)）融入葉狀LSC設(shè)計(jì)中。實(shí)驗(yàn)表明，可使用單點(diǎn)激發(fā)技術(shù)，根據(jù)入射光的光譜和強(qiáng)度，對(duì)這些葉狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)效率進(jìn)行分析計(jì)算。

這種葉狀的優(yōu)化LSC為設(shè)計(jì)更靈活、更具可擴(kuò)展性的太陽(yáng)能系統(tǒng)提供了新解決方案，使其更高效，適用于更多用途。

（2024年8月19日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào)）

量子信息和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)

同一光纖傳輸

科技日?qǐng)?bào)2024年8月20日?qǐng)?bào)道，德國(guó)萊布尼茲大學(xué)光子研究所所長(zhǎng)邁克爾·庫(kù)士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，首次讓量子信息和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)“搭乘”同一光纖通道成功傳輸。這意味著在理論上，未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)可使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。相關(guān)論文7月26日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志。

目前，大多數(shù)關(guān)于構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的研究都認(rèn)為，需要為量子數(shù)據(jù)提供單獨(dú)的基礎(chǔ)設(shè)施或?qū)Ｓ猛ǖ溃员苊鈧鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)的干擾。但最新研究表明，以糾纏光子形式出現(xiàn)的量子數(shù)據(jù)和以激光脈沖形式發(fā)送的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可共享相同的基礎(chǔ)設(shè)施，為更有效地實(shí)現(xiàn)量子通信鋪平了道路。

光纖電纜由細(xì)玻璃或塑料纖維組成，以紅外光脈沖的形式，通過(guò)不同的顏色通道傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)顏色通道對(duì)應(yīng)特定波長(zhǎng)的光。研究人員此前證明，量子數(shù)據(jù)可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光纖電纜傳輸。但糾纏光子的這種糾纏狀態(tài)非常脆弱，很容易因?yàn)樵肼暬蚱渌盘?hào)（例如共享同一光纖通道的其他數(shù)據(jù)）的干擾而出現(xiàn)退相干。退相干會(huì)使量子比特失去量子態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，庫(kù)士團(tuán)隊(duì)使用電—光相位調(diào)制技術(shù)，來(lái)精確調(diào)整激光脈沖的頻率，使其與糾纏光子的顏色相匹配。如此一來(lái)，量子數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠在相同的顏色通道中傳輸，而不會(huì)破壞糾纏光子所攜帶的量子信息。

研究人員表示，最新研究是將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)與量子互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的重要一步，有助釋放光纖電纜中的其他顏色通道，傳輸更多數(shù)據(jù)。

（2024年8月20日 劉霞 科技日?qǐng)?bào)）

新型催化劑使葡萄糖

高效產(chǎn)果糖

科技日?qǐng)?bào)2024年8月13日?qǐng)?bào)道，從農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所獲悉，該所鄉(xiāng)村環(huán)境建設(shè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了鋁負(fù)載功能木質(zhì)素生物聚合物催化劑（Alx-Lbp），實(shí)現(xiàn)了葡萄糖向果糖的高效催化異構(gòu)化。相關(guān)研究論文日前發(fā)表于國(guó)際期刊《應(yīng)用催化B：環(huán)境與能源》第353卷。

果糖作為甜度最高的天然單糖，被廣泛應(yīng)用于食品、日用化學(xué)產(chǎn)品和生物制藥等領(lǐng)域。目前，工業(yè)上主要通過(guò)生物酶異構(gòu)葡萄糖制備果糖，而利用化學(xué)催化法異構(gòu)葡萄糖制備果糖仍處于研發(fā)階段。

論文通訊作者、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所研究員郭海心告訴科技日?qǐng)?bào)記者，科研人員利用機(jī)械化學(xué)法制備了Alx-Lbp，并將其用于化學(xué)催化法異構(gòu)葡萄糖制備果糖。無(wú)須煅燒處理即可制備這一新型催化劑，大幅降低了制備成本。同時(shí)，該催化劑在葡萄糖異構(gòu)過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和良好的穩(wěn)定性，果糖產(chǎn)率高達(dá)58.8%。

“具體來(lái)說(shuō)，本研究采用了一種特殊的機(jī)械化學(xué)方法，利用過(guò)氧化氫和乙酸鋁對(duì)堿木質(zhì)素進(jìn)行處理，成功合成了無(wú)須后續(xù)煅燒處理的Alx-Lbp。這種新型催化劑具有更強(qiáng)的親水性和更低的表面能，在140攝氏度的乙醇環(huán)境中反應(yīng)30分鐘，能將葡萄糖高效地轉(zhuǎn)化為果糖。值得一提的是，該催化劑還具有良好的可回收性，即使重復(fù)使用8次后，它仍能保持最初的催化活性?！惫Ｐ恼f(shuō)，該研究為破解工業(yè)上“非用酶異構(gòu)葡萄糖產(chǎn)果糖不可”的現(xiàn)狀提供了新思路。

（2024年8月13日 馬愛(ài)平 科技日?qǐng)?bào)）