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具有千個晶體管的二維半導體問世

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

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柵極，用于在其存儲器中存儲電荷，以控制每個晶體管的導電性。以這種方式耦合處理，從根本上改變了處理器執行計算的方式。

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

二硫化鉬的選擇在內存處理器的開發中發揮了至關重要的作用。與當今計算機處理器中使用最廣泛的半導體硅不同，二硫化鉬形成穩定的單層，只有3 個原子厚，僅與周圍環境發生微弱的相互作用。它的薄度提供了生產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建了第一個單二硫化鉬晶體管。

從單個晶體管發展到超過1 000 個晶體管的關鍵進步在于可沉積材料的質量。經過大量工藝優化后，該團隊現在可生產均勻覆蓋二硫化鉬均質層的整個晶圓。這讓他們能采用行業標準工具在計算機上設計集成電路，并將這些設計轉化為物理電路，從而為大規模生產打開了大門。

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”半導體的特性，有望突破晶體管微縮化的瓶頸，構筑出速度更快、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，德國科學家已經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。相關論文發表于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鍵原理，指當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施內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星進入太空的物質質量會產生何種影響。萊布尼茨大學團隊計劃通過在太空中使用超冷原子，將上述兩項測試結合在一起。

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。在冷原子實驗室內，原子被限制在芯片內，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，這些原子的“行為”像一組重疊的“物質波”，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“物質波”碰撞產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，但需要進一步優化，才能用其全面測試等效原理。在冷原子實驗室獲得的結果預計將比基于衛星的測試結果準確數百倍，比基于地球的實驗結果準確數十萬倍。

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，可能會有一些標準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提供了一種安全、快速的解決方案，可加速超材料的實際應用。這項技術由美國麻省理工學院工程師開發，通過兩個激光器系統探測超材料，一個用于快速破壞結構，另一個用于測量其振動響應的方式，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生振動，就好像結構受到物理撞擊、拉伸或剪切一樣。此項研究發表在2023 年11 月15 日出版的《自然》雜志上。

此項名為激光誘導共振聲波譜的新系統，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。每座塔都通過重復和分層單個幾何單元來形成圖案，當首尾相連地堆疊時，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。一個用于激發超材料樣品的“脈沖”激光器，另一個用于測量由此產生振動的“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百個微型塔，每個塔都有特定的高度和結構。他們將這座超材料微型“城市”放置在雙激光器裝置中，然后用重復的超快脈沖激發每個塔，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激發并測量數百個微型結構。這項新技術首次提供了一種安全、可靠和高通量的方法來動態表征微尺度超材料，并允許輕松地重建激光裝置。

（來源：科技日報）

芯片上實現光學誘導超導性

科技日報2023 年11 月14 日報道，據發表在最新一期《自然·通訊》雜志上的論文，德國馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所研究人員證明，用激光束開啟超導性的能力可集成在芯片上，這開辟了一條通往光電子應用的道路。

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

在高溫下對材料進行光學操縱以產生超導電性是研究重點。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動態的研究中，研究人員已經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開辟了皮秒傳輸測量的領域。他們通過共面波導將K3C60薄膜連接到光導開關上。

使用可見的激光脈沖觸發開關，他們向材料發送僅持續一皮秒的強電流脈沖。在以大約一半光速穿過固體材料后，電流脈沖到達另一個開關，該開關充當探測器，以揭示重要信息，如超導特性的電學特征。

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是超導體的兩個關鍵特征。此前，這兩者都沒有被測量到，因此，此次激發固體中的臨界電流行為的演示具有特別重要的意義。

此外，研究小組發現，K3C60 的光驅動狀態類似于所謂的顆粒超導體，由弱連接的超導島組成。

（來源：科技日報）

國內首臺大功率純電新能源調車機車下線

2023 年11 月16 日，我國首臺大功率純電新能源調車機車在株洲下線。機車最大牽引功率達1 500 千瓦，是我國目前功率最大的新造純電調車機車。機車采用大容量磷酸鐵鋰動力電池作為唯一動力源，搭載首創的1 200 千瓦超大功率液冷快充設備，可實現“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車作業需求。

該調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。中國中車資深技術專家康明明介紹，它能有效解決傳統內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、礦山等行業內部的鐵路運輸需求，具備綠色低碳、經濟適用、智能先進等特點。

據估算，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，相當于種植8 200棵樹。相比既有內燃機車，該純電機車每年有望節約能耗成本約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，整車效率較內燃機車可提升12%。

此外，研發團隊搭建了新型儲能系統，采用能量分割、分級保護、火災檢測和自動滅火等技術，從物理層到系統層總共設計了“十三重保護”，保障動力電池安全可靠。機車還搭載了自適應控制、智能輔助駕駛、無線遙控、車地聯控等智能控制技術，可實現全方位的機車部件及內外部信息監控，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領域獲重大突破

2023 年11 月17 日，國際頂級期刊《科學》（第382 卷第6672 期）在線發表南開大學最新研究成果。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及對金屬鍵的精準調控在結構化學中的應用，為新材料的創制提供了嶄新的研究思路。

1985年，人類首次發現了由60個碳原子構成的足球狀碳簇C60，也被稱為富勒烯。正是因為這一重大科學發現，他們在1996年獲得了諾貝爾化學獎。

富勒烯因具有獨特的高度對稱的結構、特殊的物理性質及多種多樣的化學反應特性，自被發現以來一直備受矚目，使得人們不斷探索其在不同領域中的應用。富勒烯的成鍵特性也被逐漸擴展到無機合成化學領域，理論上預測無機富勒烯將表現出非同尋常的穩定性和反應性，這激發了科學家們的極大興趣，但其合成依然面臨巨大挑戰。

南開大學材料科學與工程學院教授孫忠明課題組通過研發一種新的合成方法，將高溫固相合成與金屬有機化學跨相結合，成功制備了全金屬富勒烯[KaAu12Sb20]5-。

這一化合物呈現出接近阿基米德十二面體的結構，每一面皆由內含一個金原子的銻五邊形平面構成，內徑約為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，僅內嵌了一個鉀離子，并且團簇整體無需有機配體的保護，其結構依然能夠具有很好的化學穩定性，這使其成為迄今為止配位環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定性得以實現，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構完整性方面發揮了至關重要的作用。

理論計算結果顯示，該分子的最顯著特征之一是其三維球芳香電子結構，這導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特性。這一發現有望在光電材料或室溫催化等領域發揮重要作用，具備廣泛的應用潛力。

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

（來源：中國科學報）