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物理  
  物理--2021, 50 (10)   发布日期: 2021-10-12

封面故事:一种可以发电的“果冻”,这是南方科技大学的刘玮书课题组开发的一种以离子作为载能子实现热到电的转换的特殊准固态离子热电凝胶材料,其基体材料与小朋友所喜欢的果冻一样,是生物质明胶。该离子热电凝胶材料获得了高达17 mV/K的热电势,将25个5×5×1.8 mm3的单元组装成柔性可穿戴设备,利用人体温差实现高达2.2 V的电压和5 μW的最大输出功率,为未来物联网系统中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。该工作还揭示了此类凝胶材料中离子输运选择性强化效应,从而产生离子扩散诱导的高热电势,并与热电化学效应协同作用,拓宽了热电材料的研究领域。该研究成果发表于Science,2020,368:1091。

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评述

从物联网时代的高熵能源到迈向碳中和的蓝色大能源——接触起电的物理机理与摩擦纳米发电机的科学构架 Hot!

王中林,陈鹏飞
2021, 50(10): 649-662     全文: PDF (20345 KB)   ( 下载: 1148 )
摘要

能源,人类活动的重要物质基础。人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。然而,随着人们进入物联网、人工智能时代,传统的从发电厂传输到公共事业单位等固定站点的“有序”电力供给方式已难以满足无处不在的物联网分布式电子设备“随机、高熵”性的能源需求。摩擦纳米发电机,以麦克斯韦位移电流为内在驱动力,可以有效地将不规则、低频和分布式的机械能转化为电能,它利用接触起电和静电感应的耦合效应,具有重量轻、成本效益高且易于扩展的显著特点。与通常的机械能收集技术,即电磁发电机相比,摩擦纳米发电机在低频(通常为0.1—3 Hz)下具有比电磁发电机更高的效率和输出性能。此外,摩擦纳米发电机还可用作自供电传感器,使用其电输出信号主动检测由机械扰动引起的动态过程。这些优势使得摩擦纳米发电机在低频环境能量收集上具有广阔的应用前景,例如它可以收集人体运动的能量为小型电子设备供电,还可以收集大范围海洋波浪能等可再生的蓝色能源,助力实现碳中和的伟大目标。

极深地下探秘宇宙的“熊猫X”实验 Hot!

张园园,刘江来
2021, 50(10): 663-669     全文: PDF (11508 KB)   ( 下载: 1099 )
摘要

近百年的天文学观测表明宇宙中有大量看不见的“暗物质”存在,但是我们对暗物质的本质却所知甚少。宇宙中也充斥着一种很像暗物质的“幽灵粒子”——中微子,它们的身上也有着众多未解之谜。对暗物质和中微子研究的突破很可能带来下一次物理学的革命。国际上最深的、位于四川凉山州的中国锦屏地下实验室为这样的实验研究提供了得天独厚的场所。过去的20年,液氙探测技术的发展使之成为了探测暗物质、研究中微子性质的核心手段之一。文章主要介绍了暗物质与中微子的未解之谜、液氙探测技术的发展、国内外一些液氙实验的发展态势以及我国液氙探测暗物质“熊猫X”实验的现状和未来。

前沿进展

从激光加速到激光离子加速器 Hot!

许天琦,吴学志,颜学庆
2021, 50(10): 671-677     全文: PDF (4976 KB)   ( 下载: 1182 )
摘要

高能离子束在基础研究、材料学、生物学及医学等诸多领域有着重要价值和广泛应用,其产生方法也受到了越来越多的关注。激光等离子体相互作用能够产生比常规射频加速器高三个量级的加速电场,由此可以建造占地小、成本低、峰值流强高的新型加速器。文章介绍了激光离子加速的基本物理概念及实验进展,并对激光离子加速器的工程设计及应用前景进行了简介。

实验技术

光量子信息利器——超导纳米线单光子探测器 Hot!

尤立星
2021, 50(10): 678-683     全文: PDF (4275 KB)   ( 下载: 1116 )
摘要

利用超导宏观量子效应与环境电磁场的相互作用,超导探测器可以实现量子极限灵敏度探测。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具备高探测效率、低暗计数等优异的性能,已经在量子信息、深空通信、激光雷达等领域得到了广泛的应用,并为中国“九章”光量子计算原型机、量子密钥分发等领域达到国际领先水平提供了核心探测技术支持。文章简述了SNSPD的基本原理,对其性能、制冷技术、应用以及常见的问题等进行了介绍,并对未来发展做了展望。

研究快讯

电调控磁拓扑的实现 Hot!

韦文森,吴耀东,汤进
2021, 50(10): 684-686     全文: PDF (7234 KB)   ( 下载: 935 )
摘要

作为数学的一个重要分支,拓扑学主要研究空间在连续形变下的拓扑不变性。拓扑磁性是研究磁性材料中自旋的整体排列在空间具有某些不变性的学科,一般用磁性拓扑荷来描述(topological charge Q)。磁性拓扑荷表征一个磁结构的磁矩分布状态映射到一个序参量空间(通常为一个单位布洛赫球)时环绕序参量空间的次数。当环绕次数为1时(Q=1),该磁结构具有拓扑非平庸特性。当环绕次数为0时(Q=0),磁结构具有拓扑平庸特性。具有不同拓扑荷的磁结构不可以通过磁矩连续变化实现相互转换,因此具有拓扑保护特性。如何破坏这种拓扑保护特性,实现磁拓扑态的可调控性是新型拓扑磁结构研究领域中的热点。

双折射晶体中的“面—体”复合型双曲极化激元 Hot!

李培宁,戴庆,仇成伟,张新亮
2021, 50(10): 687-689     全文: PDF (5449 KB)   ( 下载: 1082 )
摘要

光是人类认识宏观和微观世界的主要媒介,对光与物质相互作用的研究不断拓展着科学的边界,推动着技术的革命。然而,光的波动本性决定了我们很难将光场限制在深亚衍射极限的纳米尺度。如何在纳米尺度对光与物质的相互作用进行调控是当今光物理、光化学、光信息等众多研究领域的核心科学问题。极化激元光学是解决这一科学问题的有效手段之一。

物理攫英

日冕的难解之谜

陈鹏飞 编译
2021, 50(10): 690-692     全文: PDF (5678 KB)   ( 下载: 912 )
摘要
当月亮把太阳完全遮挡住时,便出现了日全食现象。这时候四周漆黑如夜,你看不到太阳,却能看到笼罩在太阳周围的淡淡光辉,这就是日冕!日冕的亮度只有太阳表面的百万分之一,然而其温度却比太阳表面高1百万度。如此反常的现象早在70多年前就被发现了,但至今仍是天文学中最大的谜团之一。

轻柔扭转DNA

王树峰 编译
2021, 50(10): 693-693     全文: PDF (1686 KB)   ( 下载: 852 )
摘要
DNA是细胞中遗传信息的存储媒介,它也越来越多地在生物和纳米技术中用做结构单元。这些情形中,DNA的扭转刚度这一性质至关重要。这一特性源自DNA分子标志性的右手双螺旋结构,它将复制、转录或DNA修复等过程与旋转运动和扭转力矩联系起来。分子的刚度控制着扭转力矩如何影响分子的形状:超过某个阈值,扭转会导致双螺旋链形成相缠超螺旋(plectonemic supercoils)的高阶结构,就像老式电话的螺旋线不可避免地缠结在一起。

青铜时代人类改进时钟精度之设计

戴闻 编译
2021, 50(10): 694-694     全文: PDF (1834 KB)   ( 下载: 877 )
摘要
开发精确、稳定的计时装置是物理学研究的基本组成部分。从改善卫星导航到理解植物的日常生命周期,准确的时钟“滴答”声都是必不可少的。但我们今天使用的时钟(钟摆时钟)仍然是属于相对较新的发明,距今只运转了365个年头,仅仅是现代人类在这个星球上漫步的30万年中的一小部分。在共振原子、盘旋齿轮和重力摆之前,人类先用水,然后利用太阳来测量时间的流逝。现在,三位考古学家和物理学家表示,他们已经辨认了第一个例子:组合使用水和太阳两种元素制作古代时钟。研究人员假设我们的前辈采用联合设计,是旨在提高守时准确性的早期努力。
谈书说人

谈书说人之六:“朗道势垒”究竟有多高?

刘寄星
2021, 50(10): 695-702     全文: PDF (9136 KB)   ( 下载: 735 )
摘要
不久前,俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的物理学史专家V.M.别列赞斯卡亚出版了一本书,书名叫做《异口同声说朗道——一个不落俗套的人》。在这本书里,作者刊出了30篇有关朗道的访问记录,其中10篇是作者本人2001年到2014年期间的访问记录,20篇是1978年出版《朗道传》的作者A.M.里万诺娃1962年到1976年期间的访问记录(里万诺娃去世后这些记录遗留在作者手中)。她们的访问对象包括了朗道生前的同学、同事、学生、朋友,访问内容则是被访者各自与朗道交往的故事以及对朗道的看法。
物理教育

物理学思维的艺术

廖玮
2021, 50(10): 703-709     全文: PDF (4049 KB)   ( 下载: 892 )
摘要
常常可以看到有人把物理学当作是逻辑严密的精妙理论,可以由少数的原理解释广泛的现象,例如牛顿力学体系。许多人以牛顿作为科学的典范,甚至有人把牛顿力学那样系统化的理论才当作是科学。这种对科学的理解实际上是把教科书上总结好的科学理论当作为科学,甚至当作是科学的全部,实质上是只把已经完成的理论当作科学。
物理思想进课堂

直觉——一种特别的物理学思维

祖宏迪,白欣,张玉峰,郑永和
2021, 50(10): 710-712     全文: PDF (4999 KB)   ( 下载: 816 )
摘要
在物理学探究历史发展过程的大多数时期,物理学家只拥有有关自然现象的有限经验,没有对应的物理概念,也不知道该使用什么样的数学工具,往往没有办法按照严密的逻辑或数学方法来完成从0到1的跨越。此时,一种特别的思维方式发挥了重要的作用,这就是“直觉”。直觉会有错误和失败,这种“大胆假设”之后“小心求证”的研究模式,时至今日依然是物理学前沿探索中可靠、可用且常用的方法之一。
科学咖啡馆

南极往事——中国科学院物理研究所“我国南极科学考察事业回顾与展望”主题讨论侧记

李轩熠,秦晓宇,成蒙
2021, 50(10): 713-714     全文: PDF (4565 KB)   ( 下载: 789 )
摘要
南极,白雪皑皑的神秘王国,冰封千里的冰雪世界,探险家们梦寐以求的圣地。作为地球上最寒冷的冰雪天险,人类涉足南极的历史不过一百余年。随着人们对南极大陆了解的深入,人们逐渐发现南极地区是地球上具有独特地理环境、丰富物质资源、重要科学价值与特殊战略地位的区域,对南极地区的探索从探险时代进入到了科学考察新时代。
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