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2019,48 (5)

2019,48 (4)

2019,48 (3)

2019,48 (2)

2019,48 (5) 
封面故事:中子星具有超高密度、超强磁场等极端物理属性,是检验基本物理规律极佳的天然实验室。然而,人们迄今对于中子星自身基本属性的认识还是相对模糊的。例如,双中子星合并的直接产物除了黑洞之外是否还可能是中子星?有理论预言,如果中子星内部压强随着核密度变大而显著增加,则双中子星合并可以产生大质量毫秒快转的极强磁场中子星——磁星,但这一预言多年来从未被观测所证实。中国科学技术大学薛永泉教授课题组领衔发现了首例双中子星合并形成的磁星所驱动的X射线暂现源——其辐射仅持续约7小时,证实了之前的理论预言,表明了双中子星合并直接产物可以是大质量毫秒磁星,有力约束了中子星物态方程与极强磁场等基本物理,排除了一批核物质模型,深化了对中子星基本属性的认识,并为未来双中子星合并与中子星属性的研究指明了一个新的方向。该成果于4月10日在线发表在国际权威期刊Nature上。(图片提供:王国燕、何聪)


2019,48 (4) 
封面故事 本期封面显示的是由中国科学院理化技术研究所饶伟研究员和宋恺研究员团队发现的基于液态金属结构色的可伪装柔性机器人。相应的研究结果发表于ACS Applied Materials & Interfaces (Hou Y et al. Coloration of Liq-uid-Metal Soft Robots:From Silver-White to Iridescent)。镓基合金液态金属一直以闪亮的银白色金属光泽示人。研究团队提出液态金属在牺牲金属或电场的刺激下可产生变色现象,使得液态金属具备了类似章鱼等头足纲动物柔软可变形变色的特点。封面图像显示的是液态金属仿章鱼柔性机器人,它不仅可以实现身体的灵活变形,还可以改变成彩虹色的外形进行自适应伪装。研究表明,镓基液态金属的变色机制是由于其表面产生了百纳米厚的三氧化二镓介孔薄膜,其色彩来源有干涉和散射两种形式。此结果为开发具有智能伪装功能的柔性机器人的设计提供了重要思路。


2019,48 (3) 
封面故事:本期封面显示的是由北京大学物理学院量子材料科学中心王健与谢心澄科研团队所发现的对数周期的量子振荡。图中的橙色曲线是拓扑材料中电阻随磁场的对数成周期性振荡的量子振荡曲线。图中的小球是
相对论空穴与非相对论电子或负电缺陷组成的相对论量子准束缚态的示意图。这种两体准束缚态满足离散标度不变性,可以很好地解释对数量子振荡的发现。相关研究发表于 Science Advances (Huichao Wang et al. Discovery of log-periodic oscillations in ultraquantum topological mate-rials. Science Advances,2018,4:eaau5096)。这一发现是人类首次在固体材料系统中观测到第三种规律的量子振荡,是量子振荡近90年历史上的新篇章。


2019,48 (2) 
封面故事:电网安全事关能源供给安全乃至国家安全,故障是电网安全的最大威胁,处置不当会损毁设备,扩大事故范围,甚至引发大停电。电力线路是传输分配电能的大动脉,运行环境恶劣,故障几率高。电力线路继电保护是检测并切除故障线路的技术,是电网安全的第一道防线。清华大学电机系董新洲教授及其团队发明的“电力线路行波保护关键技术及装置”有力保障了我国电力线路安全,也让中国在电力线路继电保护技术走在了国际前列。这项技术解决了超特高压线路和配电线路继电保护难题,电压等级覆盖了10—1000 kV,被国内外继电保护厂商产业化,已应用于全国31个省、市、自治区和欧美等国家和地区的电力、军工、航天等多个行业领域;也让中国团队在国际继电保护领域树立了声望,引领了国际继电保护技术的发展。该成果荣获2017年度国家技术发明奖二等奖。(来源于清华映像)


2019,48 (1) 
封面故事 智能机器人作为包含多学科知识的技术,几乎是伴随着人工智能产生的。现代社会的很多方面需要智能机器人参与,使得该领域的研究成为热点。到目前为止,在世界范围内还没有统一的智能机器人定义。大多数专家认为,智能机器人至少要具备三个要素:一是感觉要素,用来认识周围环境状态;二是运动要素,对外界做出反应性动作;三是思考要素,根据感觉要素所得到的信息,思考出采用什么样的动作。要完成人类指定的各项“任务”,需要给机器人安装“大脑芯片”,使其智能性更强,在认知学习、自动组织、对模糊信息的综合处理等方面才能前进一大步。虽然目前我们不常见到智能机器人的身影,但随着这项技术的不断发展和成熟,智能机器人必将走进千家万户,更好地服务人们的生活。(封面图片来自清华映像)


2018,47 (12) 
本期封面显示的是由中山大学物理学院光学科研团队提出的能谷光子晶体中赝自旋和拓扑调控,相关研究发表于Nature Materials (Dong et al. Valley photonic crystals for control of spin and topology. Nature Materials 2017,16:298)。该研究利用光子晶体内禀的能谷自由度和自旋能谷耦合效应,实现了能谷附近的能带劈裂,提出了类比电子能谷霍尔效应的光学赝自旋—路径关联传输,即光子能谷霍尔效应;并在双各向异性光子晶体中实现了赝自旋能流的单向传输和拓扑光子界面态。该工作不仅提出了新型拓扑光学原理和设计方法来调控光场,在光子自旋和轨道角动量运用等方面带来有益启示;而且还有望推广到多种超材料体系,实现抗散射和单向传输,为高保真混合集成器件和系统、拓扑纳米光子学等提供新方案。


2018,47 (11) 
本期封面图片反映的是爱因斯坦探针(Einstein Probe,EP)卫星的概念设计图。该卫星是中国科学院空间科学先导专项二期部署的空间科学任务之一,是一颗面向时域天文学和高能天体物理的天文探测卫星,发射时间为2022年底。借助仿生龙虾眼光学系统设计,EP卫星能够填补国际上在软X射线波段的大视场、高灵敏度全天监测设备的空白。封面背景图片显示一个黑洞正在通过潮汐引力瓦解接近它的恒星(潮汐瓦解事件,图片来源:Sophia Dagnello,NRAO/AUI/NSF/NASA)。该过程释放的引力能会在黑洞周围形成强辐射场,从而使科学家能够发现该黑洞,并计算黑洞的质量和自旋等物理参数。作为其首要科学目标之一,EP卫星将对全天的黑洞潮汐瓦解事件进行系统性探测,从而探究黑洞的起源、演化和极端引力场环境的物质吸积过程。


2018,47 (10) 
本期封面显示的是由南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授研究团队所设计的基于金属纳米环阵列的高灵敏度生化传感器及其光纤探头集成。相应的研究发表于ACS Sensors (Liang et al. Subradiant dipolar interactions in plasmonic nanoring resonator array for integrated label-free biosensing. ACS Sensors,2017,12:1796)。该研究利用纳米盘和纳米孔结构在空间叠加构建金属纳米环阵列结构解决了金属纳米结构传感器中共振模式存在的宽带宽和低峰值对比度问题。基于模式耦合和杂化理论,该工作分别从面内和面外两个方面解释了金纳米环阵列中窄带共振模式存在的物理机制,同时从体折射率灵敏度、传感品质因数和传感分辨率三方面系统研究了该共振模式的传感性能,并进一步实现了对蛋白分子的特异性检测。由于该纳米结构对入射光偏振不敏感,因而其可以被集成在光纤结构上,实现了传感器的小型化、便携式集成。基于金属纳米环结构的光纤探针为解决目前纳米结构实验测试设备成本高、体积大和普及性差等问题提供了一条有效的解决途径。


2018,47 (9) 
本期封面反映的是,北京大学物理学院极端光学创新研究团队利用大规模集成硅基纳米光量子芯片技术,对高维度光量子纠缠体系的高精度、普适化量子调控和量子测量。图中示意了该大规模集成光量子芯片,相应的研究结果发表于Science (Wang J et al. Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics. 2018,360:285)。集成光学量子芯片技术,使用半导体微纳加工方法,单片集成光量子器件,从而对量子信息的载体单光子进行处理、计算、传输和存储等。研究团队提出了一种新型的高维量子态方式,通过硅基纳米光子集成技术,实现了目前集成度最复杂的光量子芯片(550多个元器件),达到了对高维量子纠缠体系(15×15维)的高精度、可编程,且任意通用量子操控和量子测量,并展示出高维量子体系在量子通信和量子计算方面的独特优势。


2018,47 (8) 
本期封面显示的是由南京大学物理学院缪峰教授科研团队所制作出的基于二维层状材料的耐高温忆阻器及其应用。相应研究发表于Nature Electronics (Wang et al. Robust memristors based on layered two-dimensional materials. Nat. Electron.,2018,1:130)。该研究针对传统忆阻器中由于氧化物缺乏热稳定性所导致的器件耐热性较差的问题,利用两种具有超高热稳定性的二维层状材料——硫氧化钼(氧化二硫化钼)和石墨烯分别作为电活性层和电极,制备出了可在高达340℃的高温下稳定工作的忆阻器,并创下了忆阻器工作温度的新纪录。此项工作不仅展示了二维层状材料异质结构在忆阻器领域中的巨大应用前景,对未来极端环境下电子元件的设计与研究有着重要的指导意义;同时也指出,因为二维材料异质结构可以结合不同二维材料的优异性质,也给人们提供了一种解决其他领域电子器件技术挑战的可能的通用途径。


2018,47 (7) 
本期封面反映的是由中国科学院物理研究所科研团队首次在三氧化钨外延薄膜中发现的线缺陷,图中示意了应力工程诱导的线缺陷情形。相应研究发表于Journal of Materials Chemistry C(Effects of line defects on the electronic and optical properties of strainengineered WO3 thin films. 5,11694,2017)。三氧化钨由于其出色的物理化学性质,在智能窗、清洁能源和气体探测方面有广泛的应用,高质量的单晶薄膜是研究其物理化学性质的基础。该项工作利用激光分子束外延生长方法准备了三氧化钨外延薄膜,通过应力工程有效地调控其晶格的扭转和排列,并在异质结面上首次发现了罕见的线缺陷。理论计算结果表明,界面上的线缺陷对薄膜材料性质有着重要的影响。该研究工作在缺陷诱导的材料改性进而实现催化等功能性质增强方面具有重要参考价值。


2018,47 (6) 
本期封面反映的是中国科学院物理研究所科研团队基于磁电耦合忆耦器实现神经突触可塑性的模拟,图中示意了该忆耦器的三明治结构和工作原理,相应的研究结果发表于Advanced Materials(Shen J X et al. Mimicking Synaptic Plasticity and Neural Network Using Memtranstors. Adv. Mater.,2018,30:1706717)。忆耦器是一种基于非线性磁电耦合效应的记忆元件(memelement),由我国科学家在2015年提出,可用于实现新型低能耗非易失信息存储器。该项工作进一步拓展了忆耦器的功能,首次利用忆耦器成功模拟了神经突触可塑性和学习功能,证明了基于忆耦器构建低能耗神经网络的可行性,为未来突触电子学和类脑计算机的开发提供了一种新的物理原理和技术途径。与目前人们广泛关注的基于忆阻器的突触电子学器件相比,忆耦器由高度绝缘的材料构成,因而具有更低的功耗。


2018,47 (5) 



2018,47 (4) 
本期封面显示的是用新型自隐形材料制作的飞机模型在单频雷达波下全向完美匹配的全波仿真数据。该隐形材料由浙江大学和中科院物理所合作研发,初步的研究成果发表于美国科学院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (D. Ye et al. Invisible metallic mesh. PNAS,2016,113:289)。该研究通过设计特定形状的导体及介质单元获得了在指定微波频段具有和自由空间完全相同电磁参数的宏观人工电磁材料,使自由空间任意角度入射的电磁波均不发生任何散射或折射,从而实现全向完美隐形。与以前的电磁隐身衣超材料不同,这类自隐形材料更易实现,可以有很多潜在的军用和民用可能性,更多内容见本期的“隐身漫谈”。


2018,47 (3) 
以金属锂为负极的Li-O2电池是下一代锂电池的发展方向,其正极催化材料是降低充放电过电势、促进产物Li2O2沉积和分解的重要保障。本期封面反映的是由浙江大学材料学院能源材料课题组制备的基于碳布生长的ZnO阵列,为第八届浙江省高校暨浙江大学材料微结构探索大赛获奖作品,原图由扫描电子显微镜S-4800拍摄。本作品以ZnO团簇为创作对象,呈现为一只嘻哈范的毛毛虫在晴日里享受日光浴。该材料是Li-O2电池正极材料制作过程中的中间产物,经过后续修饰及实验处理可用于高比能量密度Li-O2电池。作品将科学性和艺术性完美结合,以独特角度反映材料微观结构,揭示了材料魅力之源。(浙江大学成浩、杨瑜盼供图)


2018,47 (2) 
通过溶胶—凝胶法结合乙醇超临界干燥法,我们制备获得了ZrO2-Al2O3复合气凝胶隔热材料。ZrO2极低的热导率配合Al2O3的高温热稳定性使得ZrO2-Al2O3复合气凝胶材料在高温隔热领域具有很好的应用。封面图中的“贵宾犬”是使用SEM扫描电镜拍摄的ZrO2-Al2O3复合气凝胶结构的电镜照片。图中的结构是由数个ZrO2-Al2O3复合结构纳米球堆积而成的,它们在电镜的观察视野当中正巧组成了一只贵宾犬的形状。该纳米球的外壳由Al2O3纳米片组成,而内核由ZrO2纳米颗粒组成。整体来看,整个结构由于外部的Al2O3纳米片的卷曲呈现出一种毛绒绒的效果,与贵宾犬卷曲的毛发十分相似。经过简单的上色处理后,一只活泼可爱的贵宾犬的形象跃然于眼前。(浙江大学 史振宇、秦少翔 供图)

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