据最新一期《科学》杂志报道，美国哈佛大学研究人员开发出一种新型光学器件，即“超表面”，可在单一的平面上完成复杂量子操作。超表面可同时承担多种传统光学元件功能，解决了光子量子信息处理领域长期存在的体积庞大、组件繁多等扩展性难题，有望推动常温下量子计算和量子网络的实现。光子是光的基本粒子，具有高速、抗干扰的特性，正逐渐成为常温下高速传输信息的有力候选者。通常，要将光子引导至所需的量子态，需要在大型芯片上布设复杂的波导结构，或使用由透镜、反射镜、分束器等构成的庞大装置。这些组件使光子之间能够实现纠缠，而纠缠正是量子信息并行传输与处理的关键机制。然而，构建并维护这样的复杂系统颇具挑战，因为它们依赖大量精密易损的部件，难以扩展。如果大部分装置可以被一个超薄的单一表面取代，使所需构件大大减少，而它操控光的方式却丝毫不逊于传统系统，会怎么样？此次，哈佛团队开发的超表面提供了一种集成化解决方案，有望彻...
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国哈佛大学科学家合作，研制出一款新型集成芯片，实现了太赫兹波与光信号的相互转换。相关研究成果发表于最新一期《自然-通讯》杂志，有助推动超高速通信、测距、高分辨光谱以及超快计算等领域的发展。太赫兹波与光在频率范围和产生机制上存在显著差异。太赫兹波指频率在0.1太赫兹（1012赫兹）至10太赫兹之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波（用于WiFi等电信技术）与红外线（用于激光器和光纤）之间。光是指电磁波谱中的可见光部分。虽然太赫兹波在6G通信、无损检测、医疗成像等领域展现出巨大潜力，但如何让其与现有光通信技术无缝衔接，一直是困扰科学家的难题。2023年，该研究团队曾利用超薄铌酸锂光子芯片，实现了激光调控太赫兹波的突破。如今，他们更进一步：新型集成芯片就像为两种电磁波打造了“双语翻译器”，不仅能让光“说”出太赫兹波，还能把太赫兹波“译”回光信号。这种双向转换能...
梵高的名画《星空》百余年来拨动着无数艺术爱好者的心弦。那旋转涌动的夜空，似乎与物理学中量子湍流的纹理产生了耐人寻味的共鸣。日本大阪公立大学与韩国科学技术院研究团队首次在量子流体中观测到“量子开尔文—亥姆霍兹不稳定性”（KHI），并发现了一种形态酷似《星空》中弯月的新型涡旋结构，即偏心分数斯格明子（EFS）。这一现象早在数十年前便被理论预测，却从未在实验中直接观测到。相关论文发表在最新一期《自然-物理学》上。KHI是经典流体力学中的重要现象，当两种速度不同的流体在边界处相遇时，会形成波浪与涡旋。这种现象可在风吹起的海浪、翻卷的云层，甚至《星空》旋动的天空中找到。研究团队提出疑问：量子流体中也会发生类似的不稳定性吗？为验证这一设想，团队将锂原子气体冷却至接近绝对零度，制备出一种多组分玻色—爱因斯坦凝聚态（量子超流体），并在其中形成两股速度不同的流体。在它们的交界面上，首先出现了波状指形结构...
固体氧化物燃料电池（SOFC）因高效率和长寿命而备受关注，但其运行温度通常高达700—800℃，需使用昂贵的耐高温材料，这制约了其广泛应用。据最新一期《自然-材料》杂志报道，日本九州大学研究团队研制出可在300℃中温条件下高效运行的新型SOFC，有望推动低成本、低温SOFC的开发，并可大幅加快其商业化进程。SOFC采用陶瓷作为电解质，运行温度高，适合固定式发电。如果将陶瓷电解质的运行温度降低，制造和维护成本也能降低。研究发现，电解质由不同原子组合并按晶格结构排列，质子需在这些原子间穿行。过去的研究尝试通过加入化学掺杂剂来提高质子传输速度。然而，这一方法虽然能增加质子数量，却常导致晶格堵塞，使质子运动变慢。新研究旨在找到既能容纳大量质子又能让其自由运动的氧化物晶体。研究团队最终发现，将高浓度的钪掺杂到锡酸钡和钛酸钡中，可在300℃条件下实现超过0.01S/cm的质子电导率，这一数值与传统...
最新发表在《科学进展》上的一项研究称，美国莱斯大学领导的团队在碳化硅体系中实现了迄今最强的声子干涉效应。该效应被称为“Fano共振”，即两个频率分布不同的声子相互干涉而产生的现象，其强度比此前报道的研究结果高出两个数量级。这一基于声子的技术有望推进分子级传感技术的发展，还在能量采集、热管理及量子计算等领域开辟新的应用路径。就像池塘上的涟漪可以相互增强或抵消一样，光、声和原子振动等多种波也会相互干涉。在量子层面，这种干涉现象为高精度传感器提供动力，并有望应用于量子计算。此次展示的正是一种强烈的声子干涉效应。声子是材料结构中振动的量子单元，可长时间保持波动特性，被认为在稳定、高性能器件中极具潜力。新突破依托于在碳化硅基底上构建二维金属界面。团队在石墨烯与碳化硅之间嵌入几层银原子，形成紧密结合的界面，显著增强了碳化硅中不同振动模式的干涉效应，使其达到了创纪录的水平。团队接着利用拉曼光谱法研究...
高强度X射线激光脉冲触发分子受控“绽放”，定格量子“舞步”的精彩瞬间。图片来源：德国法兰克福大学在量子世界的微观舞台上，分子内的原子正跳着永不谢幕的“舞蹈”。德国法兰克福大学研究团队利用世界上最强大的X射线激光器——位于德国汉堡的X射线自由电子激光器（XFEL），首次成功捕获分子内部原子在能量最低状态下的“协同舞蹈”，为研究量子现象提供了全新见解。相关成果发表于最新一期《科学》杂志。即便在接近绝对零度的环境中，分子内部的原子也不会停止运动。这些由量子力学支配的“零点运动”，长期以来被认为是不可观测的量子现象。如今，XFEL打破了这一认知壁垒。研究团队采用了库仑爆炸成像技术。该技术通过剥离分子中的电子使其发生碎裂，并进一步探测碎片动量以获得分子结构信息。当高强度X射线激光脉冲轰击含11个原子的碘吡啶分子时，分子内部的电子被迅速剥离，分子瞬间“绽放”成多个带电原子碎片。随后，研究团队用自制...
美国加州大学圣迭戈分校桑福德干细胞研究所研发了一种石墨烯介导的光刺激（GraMOS）新技术，能加速大脑类器官发育和成熟。这是一种安全、非遗传、生物相容且无破坏性的技术，能够在数天至数周内有效调控神经活动。该技术为理解阿尔茨海默病等神经退行性疾病如何破坏大脑回路提供了新视角，还能实现类器官对机器人设备的实时控制。相关研究成果发表于新一期《自然-通讯》杂志。该技术能够在不改变细胞遗传密码的前提下，显著加快大脑类器官的成熟过程，从而为神经系统疾病的研究、脑机接口开发以及活体神经组织与技术系统的融合开辟全新路径。大脑类器官在研究神经系统发育和疾病机制方面具有重要价值。然而，这种类器官通常成熟缓慢。以往的神经刺激手段要么依赖基因改造，要么使用直流电刺激，而后者往往会对脆弱的神经元造成损伤。GraMOS技术巧妙利用了石墨烯独特的光电特性，将光信号转化为温和的电刺激，从而促进神经元之间的连接与信息交...
新型显微镜将衍射光学器件与25个微型相机相结合进行成像。图片来源：美国加州大学圣克鲁斯分校美国加州大学圣克鲁斯分校团队开发出一种新型显微技术，突破了快速3D成像的极限。他们利用25台相机组成高速显微镜，能一次性捕捉整个小型生物体内部的实时细胞动态过程。该技术为发育生物学、神经科学和运动研究等领域提供了前所未有的观察手段，将推动生物医学研究向更高维度和智能化方向发展。相关成果发表于最新一期《光学》期刊。传统显微镜在获取3D图像时，通常依赖机械聚焦或逐层扫描不同深度，这一过程速度较慢，无法捕捉快速发生的生物动态，还容易造成图像畸变或信息丢失。为解决这一问题，团队开发了名为M25的新型显微镜系统。该系统基于多焦点显微镜技术进行扩展，利用25个同步工作的相机，同时记录来自不同焦平面的图像，从而实现无需扫描的高速3D成像。研究表明，新显微镜可在高达180×180×50微米的3D空间内，以每秒超过...
据新一期《自然-通讯》杂志报道，美国康奈尔大学研究人员开发出一种“一步式”3D打印方法，制造出性能创纪录的超导体。其中，打印的氮化铌超导体在纳米多孔结构的作用下，其上临界磁场提升至40—50特斯拉，创造了该化合物迄今最高纪录。这一突破简化了传统复杂工艺，有望推动从医学成像磁体到量子器件等多领域的发展。早在2016年，该团队首次利用嵌段共聚物实现了自组装超导体。这类柔性链状分子能够自发排列成有序、重复的纳米级结构。到2021年，该团队已证明软材料方法能制备出性能与传统方法相当的超导体。此次新方法则迈出更大一步。团队采用由嵌段共聚物和无机纳米颗粒组成的“墨水”，在3D打印过程中实现自组装，随后通过热处理转化为多孔晶体超导体。这种“一步式”工艺省去了传统方法中的多重合成、粉末制备、添加黏结剂和多轮加热等步骤，极大提高了效率。通过该工艺，团队可直接制备具有三重结构层次的超导材料。在原子尺度，原...
美国普林斯顿大学研究团队开发出一种创新“曲线球”系统，可高速稳定传递超高频信号。这一神经网络系统，能够动态塑造无线信号的传输路径，就像“曲线球”一样绕过障碍物，从而维持稳定、高速的通信连接，可应对万物互联趋势加剧和数据需求激增难题。该研究成果发表于最新一期《自然-通讯》杂志。超高频信号，尤其是位于微波频谱上端的亚太赫兹频段，虽然具备传输当前无线系统10倍数据量的潜力，对虚拟现实、全自动驾驶汽车等高带宽需求应用至关重要，但其信号以高度定向的波束形式传播，极易被物体阻挡，即使用户在房间移动或经过书柜，也可能导致连接中断。这一特性严重限制了其在复杂室内环境中的实际应用。鉴于无线带宽的压力持续攀升，亚太赫兹频段为实现更高传输速率和网络容量提供了关键突破口。然而，如何在复杂、动态环境中保持可靠连接，一直是阻碍其应用的核心挑战。传统方案依赖外部反射器来绕开障碍，但在多数现实场景中，反射器并不可靠或...
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