DAOrayaki |QT/ 物理学家直面中子寿命之谜

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:130 USD

研究种类:Quantum Computing, New Research, Survey

原文作者:   Paradigm

创作者:Sylvia@DAOrayaki.org

审核者:Hahaho@DAOrayaki.org

原文:  QT/ Physicists confront the neutron lifetime puzzle

简要概括

  • 为了解决一个长期存在的关于中子可以在原子核之外“存活”多久的谜题,物理学家提出了一个狂野但可测试的理论,即假设我们的左手宇宙存在一个右手版本。他们设计了一个令人费解的实验,试图检测一种已被推测但未被发现的粒子。如果找到,理论上的“镜像中子”——中子的暗物质孪生体——可以解释两种类型的中子寿命实验的答案之间的差异,并提供对暗物质的首次观察。
  • 通信网络需要处理或重新路由信息的节点。物理学家现在已经开发出一种用于量子通信网络的网络节点,它可以将单个光子存储在蒸汽电池中,然后再将它们传递出去。
  • 半导体的能级可以通过光粒子(光子)和受激电子之间的耦合来重新排列,从而使以前的暗物质变得具有光学活性。在他们的实验中,研究人员成功地操纵了半导体二硒化钨的超薄样品中的能级结构。研究小组报告说,这种通常具有低发光率的材料开始发光。
  • 迄今为止,使用悬浮纳米粒子进行传感一直受到位置测量精度的限制。现在,研究人员已经展示了一种新的光学干涉测量方法,其中被粒子散射的光被镜子反射。这为使用悬浮粒子作为传感器开辟了新的可能性,特别是在量子状态下。
  • 新研究着眼于封装在碳 60 中的稀有气体原子的正电子散射,以研究无法用电子测试的量子特性。
  • 研究人员对光在复杂介质中的行为方式有了新的发现,这些介质往往会使光明显扭曲。他们证明了“失真”是一个视角问题,概述了一个适用于所有光和大量媒介的简单规则,包括水下、光纤、大气中的传输,甚至通过活的生物样本。他们解决问题的新颖量子方法解决了关于某些形式的光是否坚固的长期争论,纠正了社会上的一些错误观念。
  • 研究人员表明,微型酿酒厂的废料可以用作碳源来合成量子点。
  • 量子计算机是 21 世纪未来的关键技术之一。研究人员开发了一种操纵光的新技术,可用作未来光学量子计算机的基础。
  • 研究人员开发了一种方法,使量子传感器能够检测任意频率,而不会丧失测量纳米级特征的能力。量子传感器检测磁场或电场中最微小的变化,但直到现在它们还只能检测到几个特定的频率,限制了它们的用途。
  • 一项新的评论调查了在铁基超导体中寻找马约拉纳费米子的情况。难以捉摸的马约拉纳费米子或“天使粒子”同时表现得像一个粒子和一个反粒子——并且令人惊讶地保持稳定而不是自我毁灭。马约拉纳费米子有望实现零阻力的信息和通信技术,解决现代电子产品不断增长的能源消耗(已经占全球电力消耗的 8%),有望实现计算的可持续发展的未来。拓扑超导体中的马约拉纳零能量模式使这些奇异的量子材料成为实现拓扑量子计算的主要候选材料。
  • 更多信息!

量子计算市场

根据 MarketsandMarkets 最近发布的市场研究报告《受 COVID-19 影响的量子计算市场对产品(系统和服务)、部署(本地和基于云)、应用程序、技术、终端行业和地区的影响——到 2026 年的全球预测》,量子计算市场预计将从 2021 年的 4.72 亿美元增长到 2026 年的 17.65 亿美元,复合增长率为 30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期应用预计将推动全球市场的增长。促进量子计算市场增长的其他关键因素包括各国政府增加投资以开展与量子计算技术相关的研发活动。几家公司正专注于在 COVID-19 之后采用 QCaaS。反过来,这有望促进量子计算市场的增长。然而,稳定性和纠错问题预计将抑制市场的增长。

根据《量子计算市场研究报告:按产品、部署类型、应用程序、技术、行业——行业份额、增长、驱动因素、趋势和到 2030 年的需求预测》报告,到 2030 年,量子计算市场预计将达到 649.88 亿美元。在预测期内,机器学习 (ML) 有望在所有应用类别中以最高的复合年增长率取得进展,因为量子计算正被整合到 ML 中,以改善后者的使用情况。

最新研究

《实验搜索中子以反映中子振荡作为中子寿命异常的解释》

作者:《物理评论快报》L. J. Broussard、J. L. Barrow、L. DeBeer-Schmitt、T. Dennis、M. R. Fitzsimmons、M. J. Frost、C. E. Gilbert、F. M. Gonzalez、L. Heilbronn、E. B. Iverson、A. Johnston、Y. Kamyshkov、M. Kline、P. Lewiz、C. Matteson、J. Ternullo、L. Varriano、S. Vavra

为了解决一个长期存在的关于中子可以在原子核之外“存活”多久的谜题,物理学家提出了一个狂野但可验证的理论,即假设我们的左手宇宙存在一个右手版本。他们在能源部橡树岭国家实验室设计了一个令人费解的实验,试图检测一种已被推测但未被发现的粒子。如果发现,理论上的“镜像中子”——中子的暗物质孪生体——可以解释两种中子寿命实验的答案之间的差异,并提供对暗物质的首次观察。

领导这项研究的 ORNL 的 Leah Broussard 说:“暗物质仍然是科学中最重要和最令人费解的问题之一——明确的证据表明,我们并不了解自然界中的所有物质。”

中子和质子构成原子核。然而,它们也可以存在于原子核之外。去年,使用 Los Alamos 中子科学中心,现在在 ORNL 的合著者 Frank Gonzalez 领导了有史以来最精确的测量自由中子在衰变或变成质子、电子和反中微子之前的寿命。答案是 877.8 秒,前后增减 0.3 秒,或不到 15 分钟——暗示了粒子物理学标准模型的裂缝。该模型描述了亚原子粒子的行为,例如构成中子的三个夸克。夸克的翻转引发中子衰变为质子。

通过实验装置的单中子的演变,将在文本中描述

为 ORNL 研究计算了中子振荡的概率的 Gonzalez 说:“中子寿命是标准模型中的一个重要参数,因为它被用作计算夸克混合矩阵的输入,该矩阵描述了夸克衰变率。如果夸克没有像我们预期的那样混合,这就暗示了标准模型之外的新物理学。”

为了测量自由中子的寿命,科学家们采用了两种应该得出相同答案的方法。一种是将中子困在一个磁瓶中并计算其消失的时间。另一种方法则是在中子衰变时计算光束中出现的质子。事实证明,中子在光束中的寿命似乎比在瓶子中的寿命长 9 秒。

插入 YouTube 视频:

https://www.youtube.com/watch?v=TfMP5BUdKpA

多年来,困惑不解的物理学家考虑了许多造成这种差异的原因。一种理论是,中子从一种状态转变为另一种状态,然后又返回。Broussard说:“振荡是一种量子力学现象,如果一个中子既可以作为常规中子也可以作为镜像中子存在,那么只要不禁止这种转变,你就可以得到这种振荡,在两种状态之间来回摇摆。”

ORNL 领导的团队使用一种新颖的消失和再生技术首次搜索振荡成暗物质镜中子的中子。这些中子是在美国能源部科学办公室用户设施——散裂中子源中制造的。一束中子被引导到 SNS 的磁反射仪。在 ORNL 和田纳西大学诺克斯维尔分校联合任命的物理学家 Michael Fitzsimmons 使用该仪器施加一个强磁场以增强中子状态之间的振荡。然后光束撞击到由碳化硼制成的“墙”上,碳化硼是一个强大的中子吸收体。

SNS 光束线 4A 的实验示意图,将在本文中描述

如果中子确实在规则和镜像状态之间振荡,当中子状态撞击墙面时,它将与原子核相互作用并被吸收到墙中。然而,如果它处于理论上的镜像中子状态,那么它就是暗物质,不会发生相互作用。

因此,只有镜像中子才能穿过墙面到达另一边。就好像中子通过了一个“门户”,通往某个黑暗区域——这是物理学界使用的一个形象化的概念。然而,过去相关工作的新闻报道对这一概念进行了自由发挥,将 Broussard 团队正在探索的理论化镜像宇宙与电视剧《怪奇物语》中的“颠倒”替代现实进行了比较,这很有趣。实际上,该团队的实验并不是在探索通往平行宇宙的那样字面上的门户。

从左至右,ORNL 的 Matthew Frost 和 Leah Broussard 使用散裂中子源的中子散射仪器来寻找中子的暗物质孪晶。图片来源:美国能源部 Genevieve Martin/ORNL

本文共同作者 UT 物理学家 Yuri Kamyshkov,ta 与同事长期追求中子振荡和镜像中子,ta 认为:“在墙的另一边的动力学是相同的,我们试图诱导可能是镜像中子,即暗物质孪生态,使其变回常规中子。如果我们看到任何再生的中子,这可能表明我们已经看到了一些真正奇特的东西。发现暗物质的粒子性质将产生巨大的影响。”

ORNL 的 Matthew Frost 与 Kamyshkov 一起在 UT 获得博士学位,他与 Broussard 一起进行了实验,并协助进行数据提取、缩减和分析。在 ORNL 的中子散射科学家 Lisa DeBeer-Schmitt 的帮助下, Frost 和 Broussard 进行了初步测试。

镜像物质模型 [19] 的参数空间,排除了 95% 的 C.L.(灰色区域)以及与中子寿命异常一致的预测(红色带)。计算出的传输概率由虚线等高线给出。400-600 neV 区域使用不同的数据集。

结论:没有看到中子再生的证据。Broussard说:“百分之一百的中子停止了;百分之零的种子穿过了墙,无论如何,这个结果对于这个领域的知识进步仍然很重要。”

由于严格的实验没有发现镜像中子的证据,物理学家得以排除一个牵强附会的理论。这使他们在难题的解决方案上又前进了一步。如果中子寿命之谜仍未解决很令人难过,请从 Broussard 那里得到安慰:“物理学之所以难,是因为我们在这方面做得太好了。只剩下真正困难的问题——以及幸运的发现了。”

《基态蒸汽电池量子存储器中的单光子存储》

作者:Gianni Buser、Roberto Mottola、Björn Cotting、Janik Wolters、Philipp Treutlein 在 PRX Quantum

通信网络需要处理或重新路由信息的节点。巴塞尔大学的物理学家现在已经开发出一种用于量子通信网络的网络节点,该网络节点可以将单个光子存储在蒸汽电池中,并在之后将它们传递出去。

在量子通信网络中,信息是通过单个光粒子(光子)传输的。在这种网络的节点上,需要缓冲元件,它们可以临时存储,然后重新发射光子中包含的量子信息。

巴塞尔大学 Philipp Treutlein 教授小组的研究人员现已开发出一种基于玻璃电池内的原子气体的量子存储器。原子不必特别冷却,这使得存储器易于生产和通用,甚至可用于卫星应用。此外,研究人员已经实现了一个单一的光子源,使他们能够测试量子存储器的质量和存储时间。

来自单个光子源的光粒子(下)被存储在蒸汽电池中(上)。检测器(右)显示同时发射的第二个光子,该检测器触发控制激光脉冲,从而启动存储过程。(图片来源:巴塞尔大学物理系)

作为博士生参与该实验的 Gianni Buser 说:“过去 20 年以来,人们一直在研究蒸汽电池中暖原子对量子存储器的适用性。然而,通常会使用衰减的激光束——因此也是经典之光。”

在经典之光中,一定时期内击中蒸汽电池的光子数量遵循一个统计分布;平均而言,它是一个光子,但有时可能是两个、三个或没有。为了用“量子光”(即始终精确地一个光子)测试量子存储器,Treutlein 和他的同事开发了一种专用的单光子源,每次精确发射一个光子。发生这种情况的瞬间,会有第二个光子预示,它总是与第一个光子同时发出。这使得量子存储器能够在正确的时刻被激活。

然后单个光子被引导到量子存储器中,在控制激光束的帮助下,光子使超过 10 亿个铷原子呈现出原子的两个可能能级的所谓叠加状态。光子本身在这个过程中消失了,但其中包含的信息被转化为原子的叠加状态。然后,控制激光的短暂脉冲可以在一定的存储时间后读出该信息,并将其转换回光子。

Treutlein 实验室的另一位博士生 Roberto Mottola 解释说:“到目前为止,一个关键点是噪音——在读出过程中产生的额外光线,可能会影响光子的质量。”使用一些技巧,物理学家们能够充分降低这种噪音,以便在保证数百纳秒的存储时间后,单光子质量仍然很高。

“这些存储时间不是很长,我们实际上并没有为这项研究优化它们,”Treutlein 说,“但现在它们已经比存储的单个光子脉冲的持续时间长了一百多倍。”这意味着巴塞尔研究人员开发的量子存储器已经可以用于有趣的应用。例如,它可以同步随机产生的单个光子,然后可以用于各种量子信息应用。

《铁基超导体中的马约拉纳零模式》

作者:Lina Sang、Zhi Li、Guangsai Yang、Muhammad Nadeem、Lan Wang、Qikun Xue、Alexander R. Hamilton、Xiaolin Wang

一项新的多节点 FLEET 审查调查了在铁基超导体中寻找马约拉纳费米子的情况。

难以捉摸的马约拉纳费米子,或在 1937 年提出的“天使粒子”,同时表现得像一个粒子和一个反粒子——并且令人惊讶地保持稳定而不是自我毁灭。马约拉纳费米子有望实现零阻力的信息和通信技术,解决现代电子产品不断增长的能源消耗(已经占全球电力消耗的 8%),并有望实现计算的可持续发展。此外,正是由于拓扑超导体中马约拉纳零能模式的存在,使得这些奇异的量子材料成为实现拓扑量子计算的主要候选材料。凝聚状态系统中马约拉纳费米子的存在将有助于 FLEET 寻找未来的低能电子技术。

单层 FeSe/STO 的 ARPES 和 STM 实验结果

电子、质子、中子、夸克和中微子(称为费米子)等基本粒子都有其独特的反粒子。反粒子与它的普通伙伴质量相同,但电荷和磁矩相反。常规的费米子和反费米子构成物质和反物质,并且在结合时相互湮灭。

合著作者教授 (伍伦贡大学) 说:“马约拉纳费米子是这一规则的唯一例外,它是一种复合粒子,它就是其自身的反粒子。”

然而,尽管对马约拉纳粒子进行了深入的搜索,但几十年来一直无法找到它存在的线索,因为两种相互冲突的特性(即正电荷和负电荷)使其呈中性状态,并且它与环境的相互作用非常微弱。

APRES 研究了不同 x 的 FeTe1-xSex 薄膜 Γ点的能带色散

尽管在欧洲核子研究中心( CERN )等高能物理设施中进行了广泛的搜索,但马约拉纳粒子的存在尚未被发现,它可能作为一种单粒子激发存在于能带拓扑结构和超导性共存的凝聚物质系统中。

伍伦贡大学的 FLEET 博士后 Muhammad Nadeem 博士说:“在过去的二十年里,马约拉纳粒子已在许多超导体异质结构中被报道,并已被证明在量子计算应用中具有强大的潜力。”

几年前,据报道,一种称为铁基拓扑超导体的新型材料在没有制造异质结构的情况下承载马约拉纳粒子,这对于在实际设备中的应用具有重要意义。

第一作者,伍伦贡大学博士生 Lina Sang 说。“我们的文章回顾了这些材料的最新实验成果:如何获得拓扑超导材料、拓扑状态的实验观察,以及马约拉纳零模式的探测。”

在这些系统中,准粒子可能会模拟一种特定类型的马约拉纳费米子,例如“手性”马约拉纳费米子,一种沿着一维路径移动的马约拉纳费米子,以及一种在零维空间中保持界限的马约拉纳“零模式”。

如果这种承载马约拉纳费米子的凝聚状态系统在实验中是可获得的,并且可以通过一种简单的技术来表征,那么它将有助于研究人员指导低能技术的工程,这些技术的功能是通过利用马约拉纳费米子的独特物理特性来实现的,例如作为容错拓扑量子计算和超低能电子。

《通过腔体中的强光物质耦合增亮暗单层半导体》

作者:《自然通讯》杂志 Hangyong Shan、Ivan Iorsh、Bo Han、Christoph Rupprecht

固体是否可以发光,例如作为发光二极管 (LED),取决于其晶格中电子的能级。由奥尔登堡大学物理学家 Hanyong Shan 博士和 Christian Schneider 教授领导的一个国际研究小组成功地操纵了半导体二硒化钨的超薄样品中的能级,使这种通常具有低发光率的材料开始发光。

据研究人员称,他们的发现是通过光场控制物质特性的第一步。Schneider 说。“这个想法已经讨论了多年,但尚未令人信服地实施。” 光效应可用于优化半导体的光学特性,从而有助于开发创新的 LED、太阳能电池、光学元件和其他应用。特别是有机半导体的光学特性——具有半导体特性的塑料,用于柔性显示器和太阳能电池或作为纺织品中的传感器——可以通过这种方式得到增强。

a 样品结构示意图,具有 WSe2 单层,覆盖有 h-BN,并嵌入两个介电 DBR 之间。两个箭头代表激子和微腔光子之间的拉比振荡。b 样品的光学显微图像:WSe2 单层和 h-BN 边界分别用黄色和白色虚线表示。c 通过强耦合实现 WSe2 基态增亮方案

二硒化钨属于一种不寻常的半导体,由过渡金属和硫、硒或碲三种元素之一组成。在他们的实验中,研究人员使用了一个样品,该样品由具有三明治结构的钨和硒原子的单晶层组成。在物理学中,这种只有几个原子厚的材料也被称为二维(2D)材料。它们通常具有不寻常的特性,因为它们包含的电荷载流子的行为方式与较厚固体中的电荷载流子完全不同,有时被称为“量子材料”。

由 Shan 和 Schneider 领导的团队将二硒化钨样品放在两个专门准备的镜子之间,并使用激光激发材料。通过这种方法,他们能够在光粒子(光子)和激发电子之间产生耦合。该团队还能够证明,实验结果与理论模型的预测高度匹配。

Schneider 解释说:“在我们的研究中,我们证明通过这种耦合,可以重新排列电子跃迁的结构,从而使暗物质有效地表现得像亮物质。我们实验中的效果如此强烈,以至于二硒化钨的低态变得具有光学活性。”

《通过其镜像的干扰测量悬浮的纳米粒子的位置》

作者:《物理评论快报》Lorenzo Dania、Katharina Heidegger、Dmitry S. Bykov、Giovanni Cerchiari、Gabriel Araneda、Tracy E. Northup

迄今为止,使用悬浮纳米粒子进行传感受到位置测量精度的限制。现在,由 Tracy Northup 领导的因斯布鲁克大学的研究人员展示了一种新的光学干涉测量方法,其中粒子散射的光被镜子反射。这为使用悬浮粒子作为传感器开辟了新的可能性,特别是在量子状态下。

悬浮纳米粒子是检测生物、化学或机械来源的超弱力,甚至是测试量子物理学基础的有前途的工具。然而,这种应用需要精确的位置测量。奥地利因斯布鲁克大学实验物理系的研究人员现在展示了一种新技术,可以提高检测亚微米悬浮物体位置的效率。

Tracy Northup 研究小组的博士生 Lorenzo Dania 说:“通常,我们使用一种称为光学干涉测量法的技术来测量纳米粒子的位置,其中将纳米粒子发射的部分光线与参考激光器发出的光线进行比较。然而,激光束的形状与纳米粒子发射的光模式(称为偶极辐射)大不相同。”这种形状差异目前限制了测量精度。

自零差技术的基本原理

因斯布鲁克大学教授 Tracy Northup 和她的团队展示的新技术解决了这一限制,方法是用镜子反射的粒子光代替激光束。该技术建立在一种跟踪钡离子的方法的基础上,该方法是由因斯布鲁克大学的 Rainer Blatt 及其团队近年来开发的。去年,两个团队的研究人员提议将这种方法扩展到纳米粒子。现在,研究人员使用悬浮在电磁陷阱中的纳米粒子,证明这种方法优于其他最先进的检测技术。该结果为使用悬浮粒子作为传感器(例如,测量微小的力)以及将粒子的运动带入量子力学描述的领域开辟了新的可能性。

《揭示复杂介质中矢量结构光的不变性》

作者:《自然-光子学》Isaac Nape、Keshaan Singh、Asher Klug、Wagner Buono、Carmelo Rosales-Guzman、Amy McWilliam、Sonja Franke-Arnold、Ané Kritzinger、Patricia Forbes、Angela Dudley、Andrew Forbes

由南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的研究人员领导的一个团队,与来自比勒陀利亚大学(南非)以及墨西哥和苏格兰的合作者,对光在复杂媒介、媒介中的行为方式有了新的发现,这些介质往往会使光明显扭曲。他们证明了“失真”是一个视角问题,概述了一个适用于所有光线和大量媒介的简单规则,包括水下、光纤、大气中的传输,甚至通过活体生物样本。

他们用于解决这个问题的新颖量子方法解决了关于某些形式的光是否坚固的长期争论,纠正了社会中的一些错误观念。重要的是,这项工作概述了所有光都具有保持不变的属性,这一见解是解开其余感知失真的关键。为了验证这一发现,研究小组通过其他高度失真的系统进行的稳健传输,利用这一成果在嘈杂的渠道中进行无差错通信。

这是由金山大学物理学院的 Andrew Forbes 教授领导的研究。该团队解释了复杂光线在复杂介质中传播的简单规则。首先,他们发现所有这些介质都可以以相同的方式处理,并且分析不依赖于所使用的光类型。以前,每种介质和光束的选择都被视为一种特殊情况,现在不再如此——新的一般理论涵盖了所有的情况。其次,他们表明,尽管存在失真,但光的一个属性——它的“矢量性”——保持不变,不受介质的影响。这始终是真实的,以前没有被注意到。它是在非理想条件下利用光的关键。

如果你让光通过不完美的介质,比如大气,它就会被扭曲。例如,在炎热道路附近闪烁的海市蜃楼效应或闪烁的星星都是由于大气湍流而使光扭曲失真的例子。光线有时也会被故意扭曲,就像游乐场的镜子让你看起来更高、更瘦或更圆。在这种情况下,我们都知道扭曲只是一个视角问题——没有镜子的情况下快速看一眼自己,就会发现真实情况——但在其他扭曲系统中也是如此吗?有没有办法观察光线使失真消失?金山大学领导的团队表明,是的,有些属性永远不会被扭曲,而其他属性可以通过改变视角来解开。

问题是如何理解光发生了什么,它是如何被扭曲的,以及如何找到新的视角?为了回答这些问题,该团队使用了最通用的光形式,即矢量光。光具有电,其方向可以在整个场中变化,有时指向向上、向下、向左、向右等。光的“矢量性”是光的电场方向的混合程度。换句话说,它是衡量光的电场方向在不同位置的相似程度:如果它在所有地方都相同(同质),则值为 0,如果它在所有地方不同(不均匀),则值是 1。即使电场本身的模式发生变化,这种矢量同质性也不会改变。原因在于量子纠缠态,这个话题似乎与光学失真几乎没有共同之处。这个新发现是通过将量子世界的工具应用于光学失真世界而实现的。

金山大学物理学院的 Andrew Forbes 教授说:“我们发现,矢量是光的单一属性,在穿过任何复杂介质时都不会改变。这意味着我们有一些特殊的东西可以在使用光进行通信或传感时加以利用。”

Forbes 说:“这是光模式的一个特殊方面——偏振模式的外观。‘偏振'’只是描述构成光的电场方向的一种奇特方式。模式也被扭曲了,但它的内在本质(同质或非同质)并不扭曲。”

该团队的方法使研究人员能够确定如何通过媒媒介以不花费任何光的方式纠正任何失真。换句话说,没有损失。

“我们表明,即使光线非常扭曲,扭曲只是视角问题。人们可以以一种恢复其原始“不失真”特性的方式查看光。复杂媒介中的复杂光线可以通过非常简单的规则来普遍理解。这很了不起。”

例如,只要改变测量的方式,通过非常失真的媒介进行的任何通信都可以“无失真”。该团队通过一系列系统,从湍流到液体或光纤,通过实验证明了这一点。

《来自碳60和稀有气体内嵌体的正电子散射》

作者:Km Akanksha Dubey, Marcelo F. Ciappina 发表于《欧洲物理学报》D版

粒子散射是对原子和较大分子的量子特性的一个重要测试。虽然历史上电子一直在主导着这些实验,但当带负电的粒子不匹配时,带正电的反物质对应物——正电子,可以被用于有前景的应用。

一篇新的论文研究了塞在富勒烯内的稀有气体原子,即被称作是“稀有气体内嵌体”的正电子散射。这篇论文的作者是来自印度巴特那理工学院的 Km Akanksha Dubey 和中国汕头广东理工学院的 Marcelo Ciappina。

Ciappina 表示:“我们的重点是研究稀有气体内嵌体的正电子散射过程。作为内嵌体系统的参考,我们也考虑了直接暴露碳60 目标的正电子散射。在我们的研究中,我们选择把稀有气体原子封装在碳60(C60)内,因为它们可能是最受欢迎和最值得研究的内嵌体。稀有气体内嵌体是非常稳定的形式;被封装的原子始终可以在碳60 的几何中心找到它们的平衡位置。"

该研究是基于之前的正电子与碳60和稀有气体内嵌体等巨大目标碰撞的研究结果进行的,但两个主要的区别是,与裸碳60散射相比,该研究阐明了被包裹的不同大小的原子的共振散射;在射弹-目标复合体的不同散射场下,也测试了共振。

Ciappina 说:“令我们惊讶的是,与正电子-碳60碰撞的情况相比,稀有气体内嵌体中的共振形成有所改变,尽管正电子散射中的主导散射场在本质上是排斥性的。”较低能量的共振受到交替考虑下各种散射场的显著影响。

“因此,正电子散射中的散射共振在碳60和稀有气体内嵌体中找到了它们的自然栖息地,并且可以通过将稀有气体原子保持在其中而有利地控制共振状态。”

随着对这一碰撞过程的多方面深入了解,该论文的发现的潜在应用可能包括正电子束光谱学和纳米材料研究等领域。

《酿酒厂废粮产生的碳点将用于金属传感》

作者:Aurel Thibaut Nkeumaleu, Daniele Benetti, Imane Haddadou, Michael Di Mare, Claudiane M. Ouellet-Plamondon, Federico Rosei in RSC Advances

近几年来,废粮,即啤酒厂的谷物残渣,已被重新用于动物饲料。现在,这种材料也可用于纳米技术!魁北克大学:国立科学研究院(INRS)的 Federico Rosei 教授的团队已经证明,小型酿酒厂的废料可以作为碳源来合成量子点。这项工作是与高等工程技术学院(ÉTS)的 Claudiane Ouellet-Plamondon 一起合作完成的。

量子点通常被认为是“人造原子”,被用于光的传输。由于具有一系列有趣的物理化学特性,这种类型的纳米技术已经成功地被应用于生物医学传感器或下一代显示器里的 LED 中。但是它也存在一个缺点,目前的量子点是用重金属和有毒金属生产的,比如“镉”。碳是一个有趣的替代选择,因为它具有生物相容性和可及性。

TEM;(b) HRTEM 的碳量子点图像;(c) CDs 的尺寸分布(CD 在 250℃ 下制备 10 分钟)。

选择啤酒厂废料作为源材料是由 INRS 博士后 Daniele Benetti 和 ÉTS 硕士研究生 Aurel Thibaut Nkeumaleu 共同提出的。他们想利用无障碍材料进行各种实验,这就是科学家们如何与 Brasseurs de Montréal 合作以获得他们的谷物残渣的原因。

Rosei 教授表示:“从循环经济的角度来看,使用废粮既突出了一种对生态负责的废料管理方法,也是一种合成碳量子点的替代原料。”

使用啤酒厂废料作为碳量子点的来源的好处是,它天然富含氮和磷,避免了对纯化学品的需求。

ÉTS 加拿大可持续多功能建筑材料研究主席 Claudiane Ouellet-Plamondon 表示:“这项研究非常有趣,引发了‘我们可以用啤酒副产品做什么’的思考。此外,ÉTS 坐落于前 Dow 啤酒厂的遗址,该啤酒厂是魁北克省 60 年代之前的主要啤酒厂之一。因此,这项工作也和历史遗产有一定的联系。”

日光下(a)和紫外灯下(b),随着加入 Cu2+ 离子,CD 蓝色光强度的视觉不断下降

除了使用生物基材料外,研究小组还想证明,用普通手段生产碳量子点是可能的。科学家们使用家用微波炉对废旧谷物进行碳化,形成黑色粉末。然后将其与蒸馏水混合,再放回微波炉中。通过离心机和高级过滤可以获得量子点。他们的成品能够检测和量化重金属,以及其他影响水质、环境和健康的污染物。

下一步将是对这些来自啤酒厂废物的碳量子点进行表征,进一步证明该概念。研究小组相信,这种纳米技术有可能成为各种水溶液的复杂检测传感器,甚至可以应用在活细胞中。

《用非线性电介质超表面实现非对称参数化图像生成》

作者:Sergey S. Kruk, Lei Wang, Basudeb Sain, Zhaogang Dong, Joel Yang, Thomas Zentgraf, Yuri Kivshar in Nature Photonics

量子计算机是21世纪的关键未来技术之一。帕德博恩大学的研究人员在 Thomas Zentgraf 教授的领导下,与澳大利亚国立大学和新加坡科技设计大学的同行们一起合作,开发了一种操纵光的新技术,可作为未来光学量子计算机的基础。

操纵光的新光学元件将使现代信息技术中的应用更加先进,尤其是在量子计算机中的应用。然而,目前存在的一个主要挑战是非互易性的光在纳米结构表面的传播,这些表面已经被控制在一个微小的尺度。帕德博恩大学超高速纳米光子学工作组组长 Thomas Zentgraf 表示:“在往复传播中,光可以通过相同的路径向前和向后穿过一个结构;然而,非往复传播就相当于一条单行道,它只能向一个方向扩散。非对称性是光学中的一个特殊特性,它使光在其方向相反时产生不同的材料特性。举个例子,由玻璃制成的窗户,它的一面是透明的,让光线通过,但它的另一面却像一面镜子,反射光线。这就是所谓的二象性。在光子学领域,这种二象性对于开发操纵光线的创新光学元件非常有帮助。

均匀超表面的对称线性和不对称非线性光谱响应

在帕德博恩大学工作组与澳大利亚国立大学和新加坡科技大学的研究人员目前的合作中,将非互易的光传播与激光的频率转换结合起来,换句话说,就是改变频率,从而也改变光的颜色。Zentgraf 小组的玛丽居里学者 Sergey Kruk 博士说:“我们在特别设计的结构中使用频率转换,其尺寸在几百纳米范围内,将人眼看不见的红外光转换成可见光。”实验表明,这种转换过程只在纳米结构表面的一个照明方向发生,而在相反的照明方向则完全被抑制。这种频率转换特性的二象性可以用来将图像编码到一个原本透明的表面。

Zentgraf 补充说:“我们将各种纳米结构排列在一起,使其产生不同的图像,这取决于样品表面是从正面还是背面被照亮,只有当我们使用红外激光进行照明时,这些图像才变得可见。”

在他们的第一次实验中,可见范围内的频率转换光的强度仍然非常小。因此,下一步是提高效率,在频率转换中使用更少的红外光。在未来的光学集成电路中,频率转换的方向控制可以通过直接用不同的光来完成光的切换,或者直接在一个小芯片上产生特定的光子条件进行量子-光学计算。Zentgraf 还说到:“也许我们会在未来的光量子计算机中看到这样的应用,利用频率转换定向生产单个光子会起到重要作用。”

《使用量子混频器感知任意频率的场》

Guoqing Wang、Yi-Xiang Liu、Jennifer M. Schloss、Scott T. Alsid、Danielle A. Braje、Paola Cappellaro 在《物理评论》第十期发表的文章

量子传感器可以检测磁场或电场中的最微小变化,这使得材料科学和基础物理学的精确测量成为可能。但是这些传感器只能够检测这些场的几个特定频率,限制了它们的用途。现在,麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法,使量子传感器能够检测任意频率,同时不损失纳米级特征的测量能力。

研究生 Guoqing Wang、核科学与工程和物理学教授 Paola Cappellaro 以及麻省理工学院和林肯实验室的其他四人在论文中提出了这种新方法,该团队已经申请了专利保护。

(a) 量子频率混合示意图。有效哈密顿(红色)是从信号(紫色)和偏置(绿色)哈密顿的频率混合中产生的。有效哈密尔顿频率 ωT 可以通过实验来探测。(b)电子自旋共振(ESR)实验,使用 NV 中心的集合来探测 ωT。

量子传感器可以有多种形式;它们本质上是一些粒子处于微妙的平衡状态的系统,会受到它们所接触的场的微小变化的影响。它们可以采取中性原子、囚禁离子和固态自旋等形式,而且关于如何使用这种传感器的研究也迅速增加。例如,物理学家用它们来研究物质的奇异状态,包括所谓的时间晶体和拓扑相,而其他研究人员则用它们作为实验设备的表征,如实验性量子存储器或计算设备。但许多我们感兴趣的其它现象所跨越的频率范围比今天的量子传感器所能检测到的要宽得多。

该团队将他们设计的新系统称为“量子混合器”,它通过使用一束微波向探测器注入第二个频率,这将被研究的场的频率转换为不同的频率,即原始频率和新增信号的频率,这两个频率的差被调整为探测器最敏感的特定频率。这个简单的过程使检测器能够对任何所需的频率进行调整,同时不损失传感器的纳米级空间分辨率。

在他们的实验中,该团队使用了一个基于钻石中氮空穴中心阵列的特定装置,这是一个广泛使用的量子传感系统,并成功完成了使用频率为 2.2 千兆赫的量子比特探测器对频率为 150 兆赫的信号的检测;如果没有量子复用器,这种检测是不可能完成的。然后,他们对这一过程做了详细的分析,在弗洛凯理论的基础上推导出一个新的理论框架,并在一系列实验中测试该理论的数值预测。

虽然他们的测试使用了这个特定的系统,王同学表示:“同样的原理也可以应用于任何种类的传感器或量子设备。该系统将是自成一体的,检测器和第二频率的来源都被封装在一个装置中。这个系统可以被用来详细地表征一个微波天线的性能。它可以用纳米级的分辨率来描述(天线产生的)场的分布,所以它在这个方向上是非常有希望的。”

偏压振幅扫频

还有其他可以改变量子传感器频率灵敏度的方法,但这些方法需要使用大型设备和强磁场,这些设备会模糊细枝末节,不可能实现新系统提供的非常高的分辨率。王同学表示:“在今天这样的系统中,你需要使用强磁场来调整传感器,但这种磁场有可能破坏量子材料的特性,从而影响你想要测量的现象。”

Cappellaro 则说到:“该系统可能在生物医学领域开辟新的应用,因为它可以在单细胞水平上获得一系列的电或磁的活动频率。” 目前的量子传感系统将很难获得这种信号的有用分辨率。例如,也许可以使用该系统来检测来自单个神经元对某些刺激的输出信号,这些信号通常包括大量的噪音,使得此类信号难以分离。该系统还可用于详细描述外来材料的行为,如二维材料,这些材料的电磁、光学和物理特性正被密集研究。

该团队目前正在探索寻找扩大系统的可能性,以便能够同时探测一系列的频率,而不是目前系统的单一频率目标。他们还将和在林肯实验室的研究小组成员一起,使用林肯实验室里更强大的量子传感设备来定义该系统的能力。

其它阅读清单

https://twitter.com/quantumjournal/status/1542808997090234368

https://twitter.com/QuantinuumQC/status/1541431205182185472

参考链接:

1.《受 COVID-19 影响的量子计算市场对产品(系统和服务)、部署(本地和基于云)、应用程序、技术、终端行业和地区的影响——到 2026 年的全球预测》:

https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/quantum-computing-market-144888301.html

2.《量子计算市场研究报告:按产品、部署类型、应用程序、技术、行业——行业份额、增长、驱动因素、趋势和到 2030 年的需求预测》:

https://www.researchandmarkets.com/reports/5010716/quantum-computing-market-research-report-by?utm_source=dynamic&utm_medium=GNOM&utm_code=4m3fxs&utm_campaign=1375670+-+Worldwide+Quantum+Computing+Market+(2019+to+2030)+-+Drivers%2c+Restraints+and+Opportuni

3.《实验搜索中子以反映中子振荡作为中子寿命异常的解释》:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.212503

4.《基态蒸汽电池量子存储器中的单光子存储》:

https://arxiv.org/abs/2204.12389

5.《铁基超导体中的马约拉纳零模式》:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238522001734

6.《通过腔体中的强光物质耦合增亮暗单层半导体》:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30645-5

7.《通过其镜像的干扰测量悬浮的纳米粒子的位置》:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.013601

8.《揭示复杂介质中矢量结构光的不变性》:

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01023-w

9.《来自碳60和稀有气体内嵌体的正电子散射》:

https://www.researchgate.net/figure/DCSs-for-positron-scattering-with-C60-and-rare-gas-endohedrals-at-different-energies_fig1_359739680

10.《酿酒厂废粮产生的碳点将用于金属传感》:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ra/d2ra00048b

11.《用非线性电介质超表面实现非对称参数化图像生成》:https://arxiv.org/abs/2108.04425

12.《使用量子混频器感知任意频率的场》:

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.12.021061


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