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物理  
  物理--2016, 45 (1)   发布日期: 2016-01-12

磁共振是揭示物质组成、分子结构和动力学信息的基本工具之一,已被广泛应用于基础研究和医学等领域。然而目前通用的磁共振谱仪的研究对象通常为数十亿个分子,成像分辨率仅为毫米量级。基于金刚石氮-空位(NV)的单分子磁共振技术,展现出纳米级高分辨率、单分子高灵敏度的优势。基于此技术,我国科研人员在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该研究不仅将磁共振的研究对象推进到单个分子,并且“室温大气”这一宽松的实验环境为其在生命科学等领域的应用提供了必要条件,使得纳米磁共振成像及诊断成为可能。
封面图是全文核心思想的艺术化表现,金刚石探针的上方是研究对象Mad2 蛋白分子,绿色激光用于对探针进行操控和读出,红色荧光的强度则反映了研究对象的信号强弱。具体论文请参见Science ,DOI: 10.1126/science.aaa2253。

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评述

搜寻高红移类星体 Hot!

左文文,吴学兵
2016, 45(1): 1-10     全文: PDF (3009 KB)   ( 下载: 609 )
摘要

2015年,以中国天文学家为主的国际研究团队宣布发现了目前已知的宇宙早期发光本领最强、中心黑洞质量最大的类星体。这颗类星体SDSS J0100+2802如同一座最明亮的灯塔照亮了人类探索神秘的早期宇宙的道路,它的发现刷新了人类使用2米级望远镜发现高红移类星体的纪录,更对宇宙早期黑洞的成长理论提出了新的挑战。文章将着重介绍:(1)类星体的发现;(2)类星体的本质以及描述其物理性质的参数;(3)研究类星体的重大科学意义;(4)类星体尤其是高红移类星体的搜寻方法;(5)最亮的高红移类星体的发现历程;(6)对今后高红移类星体研究的展望。

脉冲强磁场专题

脉冲强磁场技术发展现状与趋势 Hot!

彭涛,李亮
2016, 45(1): 11-18     全文: PDF (2496 KB)   ( 下载: 843 )
摘要

脉冲强磁场是现代科学研究的重要工具,因其可以较容易地实现50 T以上磁场,因而在最近20年快速发展。最高磁场强度已经由70 T左右发展到目前的100 T,磁场波形也由以前单一的短脉冲发展到现在的长脉冲、平顶脉冲、长短合成脉冲等多种波形。随着电源与控制技术的发展,脉冲强磁场技术也在一定时间内实现了高稳定度磁场,拓宽了脉冲强磁场的实用范围;同时,脉冲磁体技术发展催生出能快速冷却的、具有高重频和异形结构的脉冲磁体,以满足X射线实验、中子实验和太赫兹实验要求。文章详细介绍了脉冲强磁场技术的发展现状与发展趋势,还介绍了武汉国家脉冲强磁场科学中心的磁场技术。

脉冲强磁场磁特性科学测量系统及其应用 Hot!

刘永杰,林梓泉,王俊峰
2016, 45(1): 19-25     全文: PDF (3076 KB)   ( 下载: 655 )
摘要

作为一种极端条件下的实验技术,脉冲强磁场下的磁化测量在磁性材料等研究领域发挥着重要作用。武汉国家脉冲强磁场科学中心建成了两套先进的脉冲强磁场磁化测量系统,并已对外开放运行。文章介绍了该测量系统的组成、测量原理和系统特点,以及该系统在量子磁性材料、功能磁性材料、强关联材料等研究领域中的应用,并对未来的发展提出了展望。

脉冲强磁场下稀土材料的发光行为研究 Hot!

韩俊波,韩一波,李亮
2016, 45(1): 26-35     全文: PDF (3983 KB)   ( 下载: 587 )
摘要

脉冲强磁场具有峰值磁场强及扫场速度快的特点,在一个磁场脉冲内可获得从零场到最高磁场强度的全部数据,因而测量结果具有较高的精确度和对比度。稀土发光材料因具有发光谱线丰富、发光效率高的特点,在照明、显示和传感等领域有着广泛的应用。在强磁场作用下,稀土发光材料展现出发光强度和颜色可调的特征,在磁场传感、磁场标定和磁控发光器件等方面有重要应用价值。文章利用武汉国家脉冲强磁场科学中心磁光测量装置,系统地研究了铒、铕等稀土元素掺杂的发光材料在脉冲强磁场作用下的发光光谱、发光强度以及精细能级结构等特征随磁场变化的规律,初步探索了脉冲强磁场下的磁光谱在晶体结构分析、能级结构确定、磁场标定以及磁场传感等方面的应用。

研究快讯

探索量子与经典的界限——宏观系统内Leggett—Garg不等式的实验检验

周宗权,李传锋,郭光灿
2016, 45(1): 36-38     全文: PDF (1739 KB)   ( 下载: 702 )
摘要

量子力学是现代物理学的支柱理论,它精确地描述了微观世界的粒子行为。以量子理论为基础,人类发展出半导体、激光、核磁共振、电子显微镜、量子信息等一系列重大技术。量子力学的应用极大促进了人类物质文明的进步,然而,关于量子力学的理解与表述却众说纷纭,至今争议不断。
量子力学使用波函数描述系统状态,它允许系统处于任意叠加态,测量后叠加态随机地塌缩到本征态上。这与我们对宏观世界的经验是显著不同的,宏观系统永远处于确定的状态,且与测量装置无关。那么从量子到经典是如何过渡的?量子力学会是普适的理论吗,它应用的边界在哪里,这一问题自量子力学诞生之初就引起物理学界乃至哲学界广泛的兴趣。

物理攫英

三个课题组关闭了验证贝尔理论实验中的漏洞

李涛、龙桂鲁 译
2016, 45(1): 39-40     全文: PDF (1521 KB)   ( 下载: 774 )
摘要

通常情况下,量子力学很难与经典世界的直觉相符。我们知道,经典粒子具有确定的位置和动量,而量子波函数仅能给出几率分布。除此之外, 量子理论认为,无论两粒子相距多远,只要它们处于纠缠态,那么测量其中一个粒子,就可以瞬间改变另一个粒子的波函数。
在量子世界里,这些反直觉效应还有很多,那么它们是错觉吗?有科学家提出,或许利用系统隐变量可以补充量子理论,使其重新获得定域实在性。这样,每次测量的结果可仅依赖于过去光锥中已发生的事件。1964 年,贝尔指出可通过测量相距很远的两个系统,观察它们之间的关联,以将量子理论和任何定域实在论区分开。已有的实验室中的贝尔验证实验已倾向于量子力学理论。但到目前为止,这些实验存在两类严重的漏洞,即定域性漏洞和探测漏洞,只有建立在部分假设基础之上才能证伪隐变量理论。

薄片上弯曲的X射线

王树峰 译
2016, 45(1): 41-41     全文: PDF (1273 KB)   ( 下载: 539 )
摘要

在薄片上一个细微的波导像光纤一样将X 射线弯折,这可能会推进分子尺度的成像。
通常来说,控制X光传播的技术不改变它的直线传播特性,不过科研工作者现在可以制备出弯曲的波导,而且小到可以置入一小块薄片中。这种波导是在一小片金属上刻入的纳米尺度通道,它可以束缚纤细的相干X射线束,从而用于高分辨X射线成像。这个装置将光束偏折了30°,因此比传统设备在更小的尺度上实现方向的控制。这个波导可以增强纳米尺度X射线成像的分辨率,也可以用于化学反应的超快探测。

我们处于希格斯深渊的边缘吗?

徐仁新 译
2016, 45(1): 42-42     全文: PDF (1376 KB)   ( 下载: 618 )
摘要

我们的宇宙或处于亚稳态,但可能比此前认为的稳定些。
粒子宇宙学家审查已知粒子物理定律是否跟观测到的宇宙演化一致,以及这些定律预示着怎样的未来。我们需要修改个别定律吗?宇宙是稳定的还是“亚稳的”?俄罗斯Dubna联合核子研究所的Bednyakov及其合作者给出新的理论分析,将这些基本问题跟大型强子对撞机(LHC)的最新发现联系起来。他们的结论是:若标准模型正确,包括希格斯玻色子质量在内的测量值暗示宇宙正处于亚稳态。不过,他们也认为,宇宙可能要比此前的看法更稳定。

物理与生活

从空气阻力墙理论到足球的“电梯球”技术

葛惟昆,贾继莹,张京雷
2016, 45(1): 43-45     全文: PDF (2046 KB)   ( 下载: 773 )
摘要

现代足球不但在规则和比赛阵型等技战术层面有了长足的发展,而且在技术上也有许多改进和创新。“香蕉球”和“电梯球”就是两个极具魅力和美感的踢球方式,并经常在足球比赛的实战中发挥威力。“香蕉球”是指足球飞行中在与地面平行的方向发生偏转,偏转运行的轨迹呈弧线形,可以绕进球门。其物理原因在于球的侧向旋转,从而出现马格努斯效应,产生对足球的侧向推力,其运行轨迹类似香蕉形。在2008 年第7 期《物理》发表的阎守胜论文《趣谈球类运动的物理》[1]中已经做过讨论,孙葆洁和葛惟昆在清华大学开设的慕课(MOOC)《足球运动与科学》中也有过详述。这里我们专门从物理原理上介绍在2008 年以后发展的一种新的足球任意球技术,即所谓的“电梯球”,即指大力踢出的足球,下落很快,像是从电梯上下坠。它实际上是高速飞行的足球受到重力和大雷诺数阻力下的运动轨迹。2012 年,意大利人首次把它称为“电梯球”,用来形容他们的中场核心皮尔洛在波兰踢出的一个任意球(图1 中足球正在从最高点急速下落)。

物理学漫谈

带间级联激光器的发明——我的经历与物理

杨瑞青
2016, 45(1): 46-51     全文: PDF (2515 KB)   ( 下载: 812 )
摘要

纵观这些经历,在学习和研究工作中,什么是关键和重要的?多数情况下,专业领域方向和研究课题的选择应该占首要位置。如果专业方向不对,就可能变成“英雄无用武之地”; 而研究课题选择不当,结果就没多大意义,也没有实际应用的价值,发表的文章除了哄哄外行装装门面,与废纸无异,浪费了时间和资源。那么如何选择,什么是有意义和有价值的,如何评判?
让我们先来讨论专业方向的选择。物理学是很多学科的基础,对逻辑思维,分析和解决问题能力的培养极为有益。但经过上百年的发展,物理学的很多分支都相当成熟,有些已经过了高峰期,就像一个矿藏被开发了很多年,留下的宝贝不多了,也就不需要那么多人在那些传统的方向上开垦。所以在物理本科或研究生阶段后,对多数人来讲,转入与物理相关和应用的领域, 不仅前景更加广阔,而且大有可为。我本人是在获得物理学博士学位后做的调整,考虑到现代社会的节奏加快,越到后面变化就越困难, 对有些人,在年轻的时候尽早调整应该更合适些。具体选择什么方向,则要依据个人的兴趣爱好及当时的情形做较为长远的分析和计划。或许下面对研究课题选择的讨论能对这个问题有所启示。

超导“小时代”

超导“小时代”之五:神奇八卦阵

罗会仟
2016, 45(1): 52-56     全文: PDF (3687 KB)   ( 下载: 965 )
摘要

把一堆原子放在一起,它们会怎么排列?原子核之间显然隔着十万八千里,而且被一堆带负电的电子云屏蔽了,就是想发生点关系,也是腿短莫及啊!原子和原子之间,主要是离原子核比较远的那些电子(外层电子)和电子之间的相互作用,而这些电子的空间分布,是某些特定对称形状的电子云。那么,一个无比自然且和谐的结果是,原子间的排列也会形成某些特定的对称结构。有了电子云喊口令,原子们不是一盘散沙,而是整齐划一的队伍,这就是微观世界的八卦阵!这种对称有多漂亮?用一把原子大小的尺子去量一下就知道。X射线作为电磁波的一种,其波长就和原子直径差不多,如果用一束X 射线打进规则的晶体中去,就会出现对称的衍射斑点。类似地,用一束电子或一束中子也可以实现,衍射斑点的分布就像你看到蝴蝶的花纹一样漂亮—— 这就是对称之美(图6)。可不要小瞧这微观世界的八卦阵,它厉害着呢!不同的原子排列方式不仅决定了材料的外形,而且决定了材料的许多基本物理性质。举个最常见的例子,一颗璀璨的钻石和一支写字的铅笔芯有什么异同?它们都是碳原子组成的!谁说朽木不可雕?朽木可以变成木炭或铅笔,也可以变成钻石!区别在于,铅笔芯里主要是石墨,由一层层的六角排列碳原子构成,所以碳原子特容易剥落,可以轻易留下字迹;但是钻石内部是由碳原子密堆起来的,碳原子间存在非常稳定的结构,形成了自然界硬度最高的材料—— 金刚石。碳原子的不同排布就如同孙悟空的七十二变一样,除了石墨和金刚石, 还可以有单原子层的石墨烯,卷成管子的碳纳米管,60 个碳原子组成的足球烯等等( 图7)。这些材料性质千差万别,又同宗同源, 我们称之为“ 同素异形体”。也不要太恐慌,微观世界的八卦阵型其实并不是想象中的那么多。数学家告诉我们,微观八卦阵(空间群)最多也就是230 种,这230 种又可以划分为7 大类和14小类[5]。不要问我为什么,反正,世界,就是如此简洁!

物理学讲堂

广义相对论与黎曼几何系列之九:二维曲面上的平行移动和曲率

张天蓉
2016, 45(1): 57-58     全文: PDF (1467 KB)   ( 下载: 1006 )
摘要
根据上一篇最后得到的“无限小”平行移动公式,理论上便知道了如何改变一个矢量的坐标分量使其作平行移动,但在实际情况下往往不是那么容易操作的。因此,首先举几个实际中的简单例子,给二维曲面特殊情形下的平行移动作点直观说明。在这些例子中,我们感兴趣的只是矢量绕某个闭曲线作平行移动一周后的方向变化。
科学基金

2015年物理科学一处评审工作综述

倪培根,张守著,陈树琪,熊锐
2016, 45(1): 59-64     全文: PDF (1532 KB)   ( 下载: 906 )
摘要

2015 年物理科学一处共受理各类申请项目3178 项,比2014 年2960 增加了218 项,其中面上项目申请数量增加174 项,青年基金申请数量增加82 项,地区基金申请量减少24 项。经初步审查,不予受理项目22 项,占申请总数的0.69%,比去年有较大幅度下降。经过通讯评议和会议评审,有961 项获得资助,总资助直接费用57366 万元。资助数与2014 年度相比,资助项目增加了51 项,资助经费增加了5000 万元左右。表1 列出了今年各类项目申请、资助和批准经费的详细情况,并与2014 年做了对应比较。

书评和书讯

2015年度值得推荐的物理学新书

《物理》编辑部
2016, 45(1): 65-67     全文: PDF (1485 KB)   ( 下载: 845 )
摘要
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