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 楼主: 王德奎|查看: 2885|回复: 24
[自然科学] 

前沿科学中心物质材料应用研究

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:24:39|显示全部楼层
本源量子可提供多种版本的量子测控一体机,支持超导与半导体量子芯片,是世界上首台可以同时支持两种不同固态量子计算技术路线的集成化测控设备。同时还在研制适用于离子阱、金刚石、NEMS等更多量子物理体系研究需要的系统级方案以及独立功能模块。量子测控一体机将主要应用于量子芯片的测试研究与量子计算机的原理搭建等场景;此外其本身作为高端仪器仪表,还可应用于精密测量、基础科学研究、雷达探测等更广泛的领域中──量子测控一体机的核心指标以及模块设计,均由其技术团队独立研发而成,模块设计采用的是“完全多功能一体化方式”,这与当今发布的其他几款由商用仪器搭建的量子计算机控制系统有明显区别。
当前由于我国高端仪器仪表严重依赖进口,传统的量子计算控制系统多使用国外进口商业仪器搭建,成本高昂(超千万元)且功能冗余、兼容性差;而专门针对量子芯片设计的量子测控一体机,不仅功能专精、性能优异,成本也可节约一半以上(批量生产成本仍有下降空间)。这套设备的优势来自于高度的集成化,相当于把很多台不同功能的设备融合到一台设备中去,专为量子计算优化设计,从而带来功能上的专精、性能上的优势,精度更高、速度更快、成本更低,仪器占用空间小并且方便运携。未来本源量子研发团队将对量子测控一体机进行持续改进升级,使其向着集成度更高、信号指标更高、模块化独立产品、量子计算机汇编语言等多个方向优化,并满足更多位数量子芯片的测控需求。
对于何时推出量子计算机样机,要根据各个集成测试模块的进度来调整工作内容的安排──量子计算机的研发是一个长期的工作,这里面包含“开发──迭代开发”这样不断向前演进的研发周期。在合适的时机中科院量子信息重点实验室会推出量子计算机样机──量子测控一体机的研发成功,使得可以进入到整个量子计算机系统的集成工作中来。这个过程需要一些时间──除了硬件上的适配和调试之外,包括控制程序、量子算法程序等软件相关的调试都要作;调试完成之后还要进行一段时间的运行测试,以确保整个系统的正常、可靠运行,同时也会给下一步的研发提供相关数据。
D超冷原子操纵提供量子计算新途径材料研究
先前人们利用光场或磁场等外场对超冷原子进行搅动来制备涡旋,原子的旋转与外界搅动之间并不发生相干耦合。但2019年3月29日新华网报道,由中科院武汉物理与数学研究所研究员江开军教授领衔的研究团队,和青岛大学以及美国莱斯大学、澳大利亚斯威本科技大学的科研人员组成的联合研究团队,利用带有涡旋的光驱动原子两能级(分别记为自旋向上和自旋向下)间发生跃迁,在这个过程中,将光的涡旋相干地转移给原子──在实验中,原子的状态可以分为三种:自旋向上的原子转而自旋向下的原子不转;自旋向上的原子不转而自旋向下的原子转;两种原子朝相反方向旋转。通过控制光的强度和频率,可以操控原子体系旋转的状态──这好比两个人在舞厅跳舞,自旋向上和自旋向下分别代表男生和女生,而光场代表音乐,在不同的音乐节奏下,男生和女生以不同的旋转方式翩翩起舞。这从实验上获得了耦合体系的基态相图,即“舞蹈”的“音乐节奏”。
这是科学家首次在实验中实现自旋-轨道角动量耦合的稳定状态──利用涡旋光和原子相互作用,将超冷原子缓慢地旋转起来,实现了旋转的原子和涡旋光之间相干耦合,即超冷原子的自旋-轨道角动量耦合效应,让原子伴着光子“跳舞”,并揭示了这种“舞蹈”的“音乐节奏”──在实验中所采取的方法,为研究超冷原子体系的相变和非平衡动力学行为提供了新的途径。
E光使物体悬浮并推其移动的方法材料研究
30多年前光学镊子的出现,使科学家能够用激光束的辐射压力移动和操纵微小物体,被许多人认为是光学镊子之父的亚瑟·阿什金,也因在该领域的杰出贡献而获得了2018年诺贝尔物理学奖──光是操纵物质的有力工具,但光学镊子只能在小范围内操纵非常小的物体,对于大尺寸物体则无能为力。2019年3月21日《科技日报》报道,美国加州理工学院的科学家通过在物体表面创建特定的纳米结构,设计出一种使用光即可使物体悬浮并推其移动的新方法。这一理论方法将有很多实际用途,甚至可用于新一代光能驱动航天器的开发。光是操纵物质的有力工具,因为加州理工学院设计的这一新方法,可以用光束操纵小至微米级、大至米级的多种不同形状和尺寸的物体,不仅可以使物体悬浮空中,还可推其循光束行进方向移动。
该方法的关键是在物体表面创建特定的纳米级结构,这种结构会与光相互作用通过控制沿物体表面光散射的各向异性,实现对毫米级、厘米级甚至米级尺度物体的自稳定光学操纵。物体在受到扰动时可以自行调整,产生恢复扭矩以使其保持在光束行进路线中;并不要求高度聚焦的激光束,也不会过分限制物体形状、尺寸和材料组成。从理论上讲,具有多种实际用途既可用于非接触式晶圆的制造和组装,也可用于轻型航天器的轨迹控制。这样的航天器不需要携带燃料,可利用纳米级结构构建的激光推进光帆,通过激光加速,其速度甚至可接近光速。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:25:19|显示全部楼层
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2凝聚态量子霍尔效应拓扑绝缘材料研究
A三维新型手性费米子拓扑量子材料研究
在固体中一些材料的体态电子结构,因某些对称性或者拓扑的保护致使能带交叉时不会杂化,出现能带简并。这个特征介于金属和绝缘体或半导体之间,属于半金属材料,也被称为拓扑半金属。在简并点附近会激发各种类型的费米准粒子。迄今为止,实验已经证明“固体宇宙”中存在3种费米准粒子:四重简并的狄拉克费米子、二重简并的韦尔费米子、以及三重简并费米子。只有韦尔费米子具有手性,狄拉克费米子和三重简并费米子本身没有手性。
而手性是指一个物体与其镜像不能重合的现象,比如我们的双手,左右与右手不能重合。手性现象在自然界中广泛存在,在物理学中表示一种重要的“对称性”。在相对论物理中,手性是指无质量粒子的自旋和动量方向平行或者反平行,尽管90年前理论预测了存在无质量手性费米子──韦尔费米子,但它们作为基本粒子的存在尚未经过实验证实。而2019年3月21日科学网报道,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员丁洪、钱天和副研究员孙煜杰团队,与中国人民大学物理学系雷和畅等合作者,共同发现三维材料CoSi中存在新型手性费米子的确定证据实验,证明了新型手性费米子的存在,为探索由手性费米子引起的新奇物理现象提供了一个较为理想的平台──通过破缺对称性,比如外加磁场,将它们退简并成手性的韦尔费米子。
在众多关于新型手性费米子的理论预言中,过渡金属硅化物CoSi属于能带结构比较理想的材料。也正因如此,该材料引起了国际上多个研究团队的关注。角分辨光电子能谱实验可以提供直接的证据,但需要原子级平整的样品表面。由于CoSi是三维材料,传统的解理方法获得的表面无法满足实验要求。但借助“抛光-轰击-退火”的方法,经过长时间的不断摸索,终于在CoSi单晶样品上得到原子级平整的表面,并在上海光源“梦之线”观测到清晰的体态和表面态能带。实验结果显示在体布里渊区的中心和角落处,存在体态能带简并点,并通过分析表面态确定了简并点处存在手性的费米子,这与理论计算结果高度吻合──这种全新的奇特拓扑量子材料狄拉克半金属和三重简并点半金属中,表现出的许多物理性质。例如,手性反常导致的负磁阻效应和表面态费米弧,本质上都是来源于手性的韦尔费米子。
现有的理论已经证明,在“固体宇宙”中还存在着多种类型的除韦尔费米子以外的手性费米子以及相关的材料,但直接的实验证据仍然缺乏。日本、美国、英国的3个研究团队,也在CoSi这一类材料中寻找新型手性费米子的证据,但中国科学家在样品质量、数据质量等方面获得了最高质量的结果。此次发现韦尔费米子之外的新型手性费米子不仅是拓扑半金属领域上的突破,也可为探索手性费米子相关的物理现象提供更多的途径,而具有重要的科学意义和应用价值。
B三维量子霍尔效应材料的研究
量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。从上世纪八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了根据对称性破缺理论的朗道-金兹伯格-威尔逊相变和物质分类理论的传统凝聚态物理学标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。
早在1987年就有从理论上预言三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征,但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。但2019年5月15日科学网报道,合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)和中国科大物理系的乔振华教授,与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆(ZrTe5)块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的──在层状碲化锆材料中,垂直磁场的出现使得体内电子在垂直磁场的平面中形成朗道能级;而在侧边界,存在手性传输的电流。在垂直磁场的平面内,边界电子形成单向传输的边缘态,产生该效应的关键是电子之间的关联作用导致电荷密度波的形成。
无论二维还是三维量子霍尔效应,系统的体相都必须是绝缘的。对于三维体系,由于沿着磁场方向的电子运动不受磁场影响,一个初始的金属态在弱电子关联效应下是无法变成绝缘体的。而当系统进入仅有一个朗道能级被占据的量子极限区域,电子之间的关联效应大大增强,导致费米面的不稳定。其结果是形成了一种奇特的量子态—电荷密度波,即电子的密度沿着磁场方向以一定的周期振荡,整个体系转化为三维量子霍尔绝缘体。碲化锆是一种各向异性较强的三维层状材料,碲原子和锆原子沿着x方向形成一维原子链,该原子链沿着y方向堆叠为一层,xy面内的原子层再沿着z方向堆叠成为体材料。费米面的形状尽管存在各向异性,但还是一个封闭的椭球面,所以整个体系仍为三维系统。当沿着z方向施加磁场时,该研究团队在实验上观测到一系列电阻振荡。尤其重要的是,当体系进入量子极限区域时,纵向电阻为零,而霍尔电阻的数值和z方向的费米波矢相关联。
该研究发现和理解掺杂莫特绝缘体产生的奇异量子现象,是凝聚态物理研究中的核心问题。掺杂莫特绝缘体的一个典型例子就是铜氧化物高温超导体。在该体系中d波高温超导、赝能隙、电子-玻色子耦合等三个重要量子现象逐步被实验发现。并且,人们进一步意识到这三者之间相互密切联系。例如,赝能隙与d波超导密切相关(不管是作为可能的竞争者还是属于一种预配对);电子-玻色子耦合则可能为超导提供配对所需的“胶水”;而最近的实验证明电子-玻色子耦合与赝能隙也紧密联系。尤其在铜氧化物高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8+σ的研究中发现电子-玻色子(声子)耦合和赝能隙间可以形成一个正反馈,并有可能进一步增强d波超导。综上赝能隙、d波超导以及电子-玻色子耦合的发现和理解,对于最终揭示铜氧化物高温超导体中的物理规律至关重要。铱氧化物Sr2IrO4作为一种典型的自旋轨道耦合莫特绝缘体,在理论上跟铜氧化物高温超导体可以被相同的微观模型所描述。因此,一个很自然的问题是,在Sr2IrO4体系中是否可以发现如铜氧化物中所呈现的奇异量子现象。近些年,实验上确实在电子掺杂的Sr2IrO4体系中发现了与铜氧化物中类似的赝能隙和d波能隙,然而电子-玻色子耦合还没有被发现。
该工作中使用高分辨角分辨光电子能谱对电子掺杂Sr2IrO4进行了系统的研究,发现了电子-玻色子耦合的直接实验证据的这第三个与铜氧化物类似的特征。这一最新发现不仅揭示了铱氧化物与铜氧化物另一个共同的物理性质,而且为研究掺杂莫特绝缘体中的核心问题:赝能隙、d波能隙以及电子-玻色子耦合间的关系,提供了一个崭新的窗口。在这个效应中,由于维度的不同,现象背后的微观物理机制,也展现其新颖与诱人的方自旋轨道耦合莫特绝缘体研究取得进展。而上述的这些工作,也终于将经历了30余年等待的三维量子霍尔效应这一预言展现于世人面前。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:26:24|显示全部楼层
C量子三维光学拓扑绝缘体材料研制
为何科学家锲而不舍地研究三维光学拓扑绝缘体呢?这是因为光学拓扑绝缘体的实验研究局限于二维空间。在二维光学拓扑绝缘体中,表面波传播时只有一维单向的拓扑边界态,而表面波在三维光学拓扑绝缘体中传播时,其拓扑表面态表现为二维无质量狄拉克费米子。而三维光学拓扑绝缘体的设计理论,因其参数十分苛刻,很难实现。而拓扑绝缘体自提出以来一直是凝聚态领域的一大研究热点,关于拓扑物质的研究工作荣获了2016年的诺贝尔物理学奖。拓扑绝缘体介于导体和绝缘体之间,其内部表现为绝缘体,而材料表面表现为导体。其表面电流源于材料内部电子能带的拓扑特性,能够对缺陷、拐角、无序等“免疫”,故而实现电子的高效运输。
据2019年1月15日科学网报道,三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系,有望大幅度提高光子在波导中传输效率的这项研究,已由浙江大学教授陈红胜课题组和新加坡南洋理工大学教授Baile Zhang、Yidong Chong课题组合作完成──国际联合研究团队通过联合攻关,成功设计出三维光学拓扑绝缘体,并突破了实验上的技术难点,完成了测量,首次实验实现了具有宽频带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体。三维拓扑绝缘体的本质特征在于材料体内具有三维能隙,而材料表面具有二维狄拉克锥形式的能带。此前科学家们验证电子拓扑绝缘体需要购买高昂的检测设备。此次国际联合团队根据光子或电磁波的特性搭建电磁波三维扫场平台,进行了实验测试。他们通过对三维光学拓扑绝缘体内部及表面电磁场分布成像,提取电磁波模式的色散特征。该研究团队在实验中成功观测到该材料的三维能隙,以及具有二维狄拉克锥形式的表面态──这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。
三维光学拓扑绝缘体的设计过程并非一帆风顺,但借团队在新型人工异向介质材料上雄厚的研究基础,经过十几个版本迭代,历时数月设计出了电磁双各向异性介质单元。在这一研究过程中设计提出了一种由多个开口谐振器构成的电磁单元结构,该电磁单元结构具有很强的电磁双各向异性特性,这是实现宽频带三维光学拓扑绝缘体并使实验得以成功验证的关键。由于表面光子受到拓扑保护,该三维光学拓扑绝缘体可以用来构建光子“高速公路”,让光子在传输过程中,不被杂质、缺陷或者拐角影响,或者说,使各类缺陷“隐身”。为验证上述理论,该研究团队通过对三维曲面上表面态的成像,实验验证了表面波在界面传播时能够无障碍地绕过Z型拐角。这一现象表明,对表面波来说,这些拐角就像被“隐形”不可见一样,而能够绕过拐角实现高效传播,正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。
这项研究实现的三维光学拓扑绝缘体,或可适用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面波电磁调控器件中。该研究将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系,有望启发其它波色子系统(如声子及冷原子等)中三维拓扑绝缘体地实验实现,对拓展三维拓扑态体系具有重要意义。实验实现三维光学拓扑绝缘体十分重要,将推动该新兴领域的发展。
D锁定电子“高速公路”的材料研究
手机或电脑用上一段时间就会发热,用不到一天就得充电,越用越卡……在物理学家看来,这个问题的本质在于电子运动会消耗能量。这不仅是制造算力要求高的电子器件的限制,也是科学界长期关注的难题──要让电子运动绝对无能耗,就必须将其杂乱无章的运动变成“高速公路”一样的有序运动──对电子运动制定规则的“量子霍尔效应”成为解决这个问题的希望。但由于实现“量子霍尔效应”需要庞大的外加磁场,成本高昂,因此无磁场的“量子反常霍尔效应”成为科学家的梦想。所以研究量子反常霍尔效应,是科学发展中自然的选择,这也是学术发展的趋势。
2019年1月8日2018年度国家科技奖揭晓,中科院院士、清华大学副校长薛其坤教授领导的清华大学、中科院物理研究所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目,获得自然科学奖项中唯一的一等奖。薛其坤1994年才在物理所获得博士学位,并于1999年从日本留学归国后入选中科院“百人计划”加盟物理所,直到2005年调入清华大学。基于团队在拓扑物态领域积累的经验,薛其坤教授踏上寻找“量子反常霍尔效应”的征途──这其中中科院物理所崔琦实验室,完成了对这一实验现象的极低温电输运测量,获得了量子反常霍尔效应的关键实验证据。该实验室于2006年成立,掌握着国际领先的极低温输运测量技术。其创始人崔琦就曾因发现分数量子霍尔效应,获得过1998年的诺贝尔物理奖。以崔琦先生名字命名的实验室,能够参与到量子反常霍尔效应的实验发现这一工作中来,得益于不同单位科学家之间的通力合作。
在理论上,实现“量子反常霍尔效应”所需材料的条件非常苛刻。近几年“火”起来的拓扑绝缘体,给薛其坤团队提供了思路。2009年,科学家从理论上预言了碲化铋(Bi2Te3)能够实现“量子反霍尔效应”。随后中科院物理所研究人员从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的碲化铋等拓扑绝缘体薄膜,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系,预言在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中可真正观察到“量子反常霍尔效应”。基于上述预言,薛其坤团队与清华大学、中科院物理所、斯坦福大学的研究者合作,对量子反常霍尔效应的实验开始了“大浪淘沙”的攻关。在物理所学习和工作期间,薛其坤主要开展了分子束外延生长及高质量薄膜制备的实验,调入清华大学工作后仍与物理所研究团队保持着密切合作。
研究团队共生长测量了超过1000个样品,可谓“千里挑一”。随后,他们一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,与当时在物理所工作的何珂、马旭村充分酝酿,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂碲化铋拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。目前团队已将量子反常霍尔效应的观测温度从30mk提升到1K,实现了30倍的增长。量子反常霍尔效应可以用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,克服芯片发热和能量损耗问题,加速信息技术革命进程,但距离产业化应用还有很长的一段路要走。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:27:00|显示全部楼层
E量子材料研究实现声二阶拓扑绝缘体
在空气声系统中首次观测到不同空间维度的拓扑相变,并利用多维度的拓扑相和拓扑相变实现了二阶拓扑绝缘体,揭示了高阶拓扑相形成的新机制。2019年3月27日科学网报道,南京大学教授卢明辉、陈延峰团队与苏州大学教授蒋建华团队合作,在声子晶体中发现二阶拓扑相和多维拓扑相变──为了验证声二阶拓扑绝缘体,他们利用3D打印技术制备了一系列样品,并在实验上进行了测量表征,不仅发现了一维的边界态,在边界态的带隙中也观测到零维的角态,这正是二阶拓扑绝缘体的特征。
一维边界态可随着系统几何参数的变化发生拓扑相变,类似于二维的体随几何参数的变化发生的拓扑相变。利用这一现象,研究实现了在空间不同维度上对声波的拓扑调控,即可以通过改变系统几何参数控制二维体态、一维边界态以及零维角态的产生和消失。此研究以空间多维度的拓扑相为基础,实现了声二阶拓扑绝缘体,所揭示的多维度拓扑性质,为深入研究高阶拓扑相提供了新的理论和实验。同时,该研究所提出的物理机制,可推广到其他经典体系中,为高阶拓扑相研究提供了新的平台。
F、二维拓扑相变材料基于拓扑原理的全新知识
长久以来研究人员坚信热力学扰动,会毁坏二维平面内物质的所有有序性──即便是在绝对零度条件下,也是如此──拓扑相变并非常规的相变,就像水冰和液态水那样的相变。在拓扑相变中发挥关键作用的因素,是平面材料中的微小漩涡。在低温下它们会形成紧密的“对”。随着温度上升,相变发生了:这两个成对的小漩涡突然之间相互远离并各自在材料中独自运动──状态转变发生在物质状态相互转变时,如冰融化变成水。但据北京大学博导周程教授介绍,在1970年代早期戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨,在英国伯明翰相遇并决定一同对这一主流观点提出挑战。
他们选定了二维平面内相变作为研究课题──索利斯这样做的原因,主要是因为好奇;而科斯特立茨则完全是因为无知。他们的这次合作带来了对于物质相变的全新理解,并被认为是20世纪凝聚态物理学领域最重要的成就之一。现在他们的理论被称为“科斯特立茨-索利斯相变”(KT相变)或BKT相变──此处多出来的这个“B”,代表瓦迪姆·贝里辛斯基,这是一位已故的俄罗斯物理学家,他曾经提出过相似的理论观点。KT相变背后的理论,也有最初的提出者以及后来者们进一步发展并在试验中得到了确认。
实验的发展最终带来了一系列全新的物质状态需要得到解释──神秘的量子跃迁。在1980年代戴维和邓肯提出了一项突破性的理论,对先前有关材料导电性原理的理论提出了挑战──先前的相关理论,最早是从1930年代开始发展的,经过几十年的发展,当时的主流观点认为相关理论已经非常完善。因此当在1983年戴维·索利斯证明先前的理论体系是不完善的,并且在低温条件下以及在强磁场环境下,需要引入一种全新的,基于拓扑原理的理论时,很多人都感到非常意外和惊讶。在大约同一时期邓肯·霍尔丹在对磁性原子链进行分析时,同样得到了一个非常相似出人意料的结果。他们的工作在随后新物质相的理论发展中,起到了指导作用。
利用拓扑,科斯特立茨和索利斯阐述了一种非常冷的物质的拓扑状态变化。在寒冷条件下,涡对就会在特定温度下形成和突然分开。这是20世纪凝聚态物理学领域最重要的发现之一──这一理论的美妙之处,就在于它能够被应用于低维度下各种不同的材料,即KT相变理论是普适的。现在它已经成为一种重要的工具,不仅被应用于凝聚态物质,同时也在其他物理学领域发挥作用,如原子物理以及统计力学等领域。
3复合材料和混合材料研究的重要作用
在过去十年中,金属、块体金属玻璃、高性能合金、陶瓷和玻璃等领域取得了令人振奋的进展。由于复合材料和混合材料能够承受恶劣环境,如体相材料、复合材料和涂层材料,以及它们在设备中的功能性,因此它们已经得到了高价值的应用。材料科学一些重要研究进展,是纯发现驱动科学的产物,如拓扑绝缘体;而另一些则是通过协调一致的技术努力而产生的,如大猩猩玻璃是由前身是美国康宁公司在1960年代生产的,具防弹功能的特种玻璃,常被用于直升机,在正常情况下,非故意损坏不会造成划痕,是一种环保型铝硅钢化玻璃,现在主要应用于防刮划性能要求高的高端智能手机屏幕;还有一些则是这两者的某种结合,如增材制造和超分子材料vitrimers。美国政府推出的材料基因组计划和国家纳米技术计划,在促进美国材料研究方面,就发挥过重要作用。
例如,涂层技术的进步提高了可靠性,并将其用于热保护和环境保护系统──在越来越多的应用中,分层材料系统正在取代先进的单片材料,在这些应用中,每一层的独特性能和功能显著提高了性能和寿命。在聚合物、各种生物材料以及软物质(如胶体和液晶)方面都取得了巨大的进展。又如超导材料一直是一个富矿,而量子材料领域则更为普遍,正在迅速发展,包括量子自旋液体、强相关薄膜和异质结构、新型磁体、石墨烯和其他超薄材料,以及拓扑材料等。
另外像石墨烯激发人们对新物理现象的研究,在太阳能电池、晶体管、相机传感器、数字屏幕和半导体等许多电子应用领域具有潜在的应用价值──而另一个活跃的领域是增材制造的发展,虽然这一领域只有几十年的历史,但目前已成为一个重要工艺,既可用于大规模生产,也可用于一次性按需制造。其他重要进展包括经济实惠的发光二极管(LED)照明、平板显示器和改进的电池等。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:27:49|显示全部楼层
A、红外隐身复合新材料应用广阔
自然界中的一切物体,都会辐射红外线。物体辐射红外线能力的大小,和其表面温度直接相关。因此无论白天黑夜,红外探测仪都可以测量到目标与背景间的辐射差,得到不同物体的红外图像。现有的红外隐身技术原理通常是改变目标热辐射特性,但这些隐身材料大多有耗能持续、应用范围窄、反应慢等不足。但据2019年4月8日新华网报道,发现新型红外隐身材料的中科院苏州纳米所张学同研究员领导的科研团队,发现的这种红外隐身材料新材料,可以在不需要额外能源的情况下,躲过红外探测仪的“法眼”,应用前景广阔。
此研究首先制造了一种坚固、轻便、可折叠的柔软纳米纤维气凝胶薄膜,这种薄膜具有优异的隔热性能──将这种薄膜用相变材料聚乙二醇(PEG)浸泡,并进行防水处理就得到一种轻薄、坚固、柔韧,但红外隐身性能优异的复合新材料,发明出一种可以适应不断变化的温度,且不需要额外耗能的红外隐身材料。由于纳米纤维气凝胶薄膜本身是一种良好的绝热材料,而聚乙二醇受热时会储存热量并软化,凝固时又释放热量后重新硬化,在模拟太阳光照下,覆盖目标物的复合薄膜可以从太阳吸收热量,达到抑制升温目的,就像周围环境一样,使得目标物体对红外探测仪“隐形”。
当夜晚来临,薄膜又能缓慢地释放热量,以匹配周围环境。此外,选用合适厚度的气凝胶薄膜覆盖在发热目标与相变复合薄膜之间,也能做到让发热物体“隐身”。新材料不仅可以用于红外隐身,还可以用作电子隔热材料、电池隔膜材料等应用。
B攻克铌酸锂纳米光学材料研究
信息时代网络中每一个比特的电子数据,都要经过铌酸锂调制器转换为光子信息,进而通过光纤传向世界。因此,铌酸锂被誉为光电子时代的“光学硅”。然而,如何实现铌酸锂器件的微纳化、集成化,是各国科学家竞相研究的世界难题。据2019年4月10日科学网报道,南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室教授许京军团队和副教授任梦昕团队,五年攻关成功实现了铌酸锂纳米结构的加工。
铌酸锂因其电光特性而闻名,已成为最广泛使用的光学材料之一。早在30年前人们就试图制造高质量、小型化的铌酸锂器件,希望以此制造出高集成度的光电芯片,以实现超高速、大容量的光电信息转换、传输与处理──实现这一目标的关键,在于铌酸锂纳米结构的加工,即可在纳米尺度内按照需求任意地调控光的特性与行为。但长久以来,由于铌酸锂硬度高、化学性质不活泼等问题,导致传统机械刻划或化学腐蚀方法均无法实现铌酸锂纳米结构的加工。
这一棘手问题极大地阻碍了微小化、集成化铌酸锂光电芯片及其器件的研发。许京军和任梦昕团队研发的这种特殊的铌酸锂制备与处理工艺,是利用一束聚焦的高能镓离子束,实现了选择性地轰击与去除铌酸锂分子,在仅百纳米厚度的铌酸锂薄膜表面,加工出了有序周期排列的纳米线阵列,首次获得了一种名为“铌酸锂超构表面”的新型人工材料。此新型材料实现了对入射光颜色的选择性透过,并获得了与蝴蝶翅膀类似的结构性颜色效果,找到了一种可有效调控并赋予铌酸锂全新光学性质的手段。这标志着已经具备了基于铌酸锂实现纳米尺度下,对光行为进行精细操控的能力,为铌酸锂这一独特的光电材料,在微纳光子学、集成光子学等领域的应用开启了大门。
C、智能手机薄膜的材料研究
根据摩尔定律,过去50年间晶体管一直在小型化。摩尔定律观察到,一块芯片上的晶体管数量约每18个月增加一倍,成本则减半。但如今已经面临不能再进一步扩大晶体管的局面──智能手机包含数十亿个被称为晶体管的微小开关,这些开关让人们可以处理除打电话以外的无数任务,比如发送短信、在社区导航和自拍。它们包括一个导电通道,其电导率可通过一个栅终端改变。而栅终端通过一个只有5~6个原子厚的介电薄膜,从通道中被分离出来。
2019年4月29日《中国科学报》报道,美国加州大学伯克利分校的科学家提出的晶体管发展新思路──负电容场效应晶体管(NC-FETs)的新的器件概念,它不仅解决了为半导体行业寻找新的电子开关这一迫切问题,还是一个针对被共同称为“朗道开关”的广义类相变装置的概念性框架。NC-FETs只需添加一层薄薄的铁电材料,便可以大大提高传统晶体管的效率。如果投入使用,同样的芯片可以计算更多,并且需要更少的频繁充电。
D原子同为固体和液体的新物质形态材料研究
迄今为止,人们普遍认为,物理材料中的原子只能以固态、液态或气态这3种状态之中的一种存在。对原子施加压力,会导致两个相互链接的固体晶格结构的形成,其中一个晶格中原子之间的化学相互作用很强,这意味着,当结构被加热时它们保持固态;而其他原子则熔化成液态。据2019年4月9日《科技日报》报道,原子可同时为固态和液态──一种新的物质形态──链融态,其中原子可同时以固态和液态存在。这是英国爱丁堡大学和中国西安交通大学科学家团队进行的研究,他们发现在极端条件下,某些元素可“一人分饰两角”,同时展现出固态和液态的特性。这是他们对钾这种简单的金属施加高温高压,会创造出链融态──其中钾元素的大部分原子,形成固体晶格结构;但该结构同时还包含另一组以流体排列的钾原子。
在研究中该团队使用功能强大的计算机,模拟了20000个钾原子在极端条件下的表现,结果表明,形成的新结构代表了新的、稳定的物质态。在合适的条件下,包括钠和铋在内的6种以上的元素,能以新发现的这种状态存在。例如,钾是众所周知的最简单的金属之一,。他们证明这个不寻常但稳定的状态,是部分固体和部分液体,在其他材料中重构这一状态或有多种应用。不过新发现的结构究竟仅代表一种独特的物质状态,还是两种状态之间的过渡状态仍需进一步确定。
 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:28:36|显示全部楼层
4从银河系方面认识重元素材料起源的研究
恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分,通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。类似银河系这样的大型星系,被认为是通过并合矮星系形成的,但天文学家对银河系中有多少恒星来自于矮星系以及这些恒星具有什么样的特征仍知之甚少。2019年4月30日人民网报道,中科院国家天文台赵刚研究员领导的中日合作研究团队,证实银河系内一颗重元素(包括银、铕、金、铀等)含量超高的恒星,起源自被银河系瓦解的矮星系,首次揭示了这类稀有恒星的吸积起源,深化了对重元素产生机制的认识,为基于恒星化学成分识别来自附近矮星系的恒星提供了重要线索。
他们依托我国重大科技基础设施LAMOST望远镜提供的海量光谱数据,在银河系晕内发现了目前已知铁含量最高的快中子俘获过程元素超丰恒星──快中子俘获过程是重元素产生的重要机制之一,例如铕(Eu), 金(Au)和铀(U)等重元素都属于快中子俘获过程元素。这颗恒星的铕相对于铁的丰度是太阳的10倍有余,大大超出同类恒星的平均值,目前在银晕中仅发现了30多颗该类型的恒星。更为新奇的是,这颗恒星的镁元素以及其它alpha元素(包括硅、钙和钛等元素)的含量异常低,仅为同类恒星的五分之一,而具有类似化学成分的恒星在银河系近邻矮星系中却是普遍存在。这是国际上首次在银河系中发现低镁的快中子俘获过程元素超丰恒星。
通过与日本国立天文台的天文学家进行后续8米光学望远镜高分辨率光谱联合观测,研究团队确定了这颗恒星中24种元素的含量,并与矮星系恒星和银晕场星进行了细致比较。对比发现这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明显不同于银河系的晕族恒星,表明这颗恒星来自于被银河系瓦解的矮星系,是银河系并合事件的确切和可靠的化学证据。进一步的分析显示这颗恒星是在其原属的矮星系,经历了极为罕见的中子星并合事件之后形成的。
中子星并合产生大量的快中子俘获过程元素, 显著提高了矮星系内快中子俘获过程元素的含量。这颗恒星的发现首次揭示了银河系内快中子俘获过程元素超丰恒星的吸积起源,为银河系并合矮星系提供了清晰的证据,显示银晕中的快中子俘获过程元素超丰恒星极可能全部来自于瓦解的矮星系,同时为中子星并合是快中子俘获过程发生的主要天体物理场所提供了证据支持。它的化学丰度特征将有助于识别吸积自附近矮星系的恒星,为研究银河系的并合历史提供理想的示踪体,加深人类对星系形成和演化的认识。
5)前沿科学量子通信材料资源的开发
A潘建伟院士团队量子物理实验室的目标
2016年8月16日我国墨子号量子科学实验卫星发射成功,在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发、地星量子隐形传态等三大科学目标,在量子通信领域跻身国际领先地位。量子物理实验室,需要激光器、电子学、材料学、探测技术等方面的材料和人才。中国科技大学教授潘建伟院士为组建实验室,国内国外两头跑,将一批有志于从事量子物理研究的年轻学生送出国门,他们有一条不成文的约定:学成后必须回国。2019年3月22日中国科大新闻网报道,潘建伟获美国光学学会2019年度伍德奖──由于“在量子力学基础和光量子信息,包括量子力学非定域性检验、量子密钥分发、量子隐形传态以及光量子计算领域的先驱性实验研究贡献而获此荣誉”。这是自伍德奖设立40余年来,中国科学家在本土的研究工作首次获得该奖。
2019年1月21日“观察者”网报道,中国科大教授潘建伟、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得突破── 在量子模拟研究方向上,人们首先研究的是理论上可以处理的问题,通过理论和实验比较来演示量子模拟的可靠性和潜在的优越。2016年潘建伟、陈帅等在超冷原子量子模拟中,实现了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚,发展了超冷原子人造规范场模拟凝聚态拓扑问题的新途径;2017年潘建伟、陆朝阳等针对玻色取样任务的光量子计算原型机,超越了早期的电子管和晶体管计算机,但仍需要技术上的进一步发展才可能超越目前的经典超级计算机。
量子模拟最有前途的现实应用,是真正解决那些经典数值计算方法无法有效求解的重要多体问题。例如在化学物理领域通过量子力学计算原子分子相互作用势能面,以及模拟粒子在这一势能面下分子碰撞的动力学,就是这样一类重要科学问题。理论上计算原子分子的势能面,需要求解多电子体系的薛定谔方程来得到电子系统的基态能量。由于电子之间存在强关联,其基态能量无法精确求解。因此理论量子化学发展各种方法来近似求解势能面,并在小质量少电子的分子体系取得了成功。但是对大质量多电子的分子体系,理论计算的势能面已经无法可靠地模拟分子碰撞中的动力学行为。通过构建针对特定问题的专用量子模拟系统,势能面的信息可以由实验测量原子分子的散射共振来获得。散射共振的测量结合理论建模可以准确地反推出势能面的全局信息,从而给出势能面最精准的刻画。
分子的散射共振是典型的量子现象,只有在超低温度下才会显现出来。近年来,随着超冷原子分子技术的发展,完全可控的超冷基态分子可以从接近绝对零度的原子气中被制备出来。自2008年美国科学院院士黛博拉·金和叶军的联合实验小组,制备了铷钾超冷分子以来,多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测,十多年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。在该项研究中中国科大教授潘建伟、赵博等成功观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振。
在实验中他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子,并将之与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这是一个令人振奋的工作──当前超冷化学研究的主要困难,在于势能面的短程部分的信息无法从以往的实验中获取,这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则,是当前原子分子物理研究的亮点。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:29:28|显示全部楼层
B郭光灿院士团队量子密钥研究获重要突破
随着量子密钥分发系统速率不断提高,单光子探测器的后脉冲效应将显著增强。后脉冲是指探测器中的雪崩光电二极管在发生雪崩之后,一段时间内随机产生二次雪崩的现象,其非完美性会带来安全性漏洞,是实际系统安全性测评的重要内容。过去忽略后脉冲效应的模型需要修正。2019年1月4日《人民日报》报道,中国科技大学教授郭光灿院士团队,在量子密钥分发实际安全性研究中获得重要突破──利用探测器雪崩时的漏洞,量子黑客可有效控制该探测器的响应,并获取全部密钥信息而不被感知。鉴于此,他们基于自身多年来对探测器的深入研究,针对量子密钥分发系统中单光子探测器实际特性提出了新的模型。该模型将高阶后脉冲考虑在内,给出了新的计数率和误码率的计算方法,显著提升了高速实用化系统的核心性能指标。
雪崩光电二极管探测器的非完美性会带来安全性漏洞,是实际系统安全性测评的重要内容。科研人员发现了门控模式单光子探测器的一种潜在漏洞,提出并实现了雪崩过渡区攻击方法。在门控信号从开启到关闭的过渡阶段,探测输出具有很强的非线性特性。通过控制攻击信号的光强和在过渡区的位置,量子黑客攻击方法,其实为实际系统的安全性测评和标准化,提供了技术储备。
2019年3月6日科学网还报道,郭光灿院士团队在高维量子密码领域的研究中也取得新进展──该团队韩正甫研究组,利用量子态的不同自由度之间的映射方法,设计并实验验证了一种保真度和稳定性极佳的高维量子密钥分发方案。高维量子密钥分发利用高维量子态编码,可以在单个量子态上加载多于1比特的经典信息,从而有效提高安全密钥生成率;同时,高维量子密钥分发可容忍更高的系统误码率,因此具有更强的抗噪能力。该团队量子密码组陈巍、银振强等学者,还基于光子的偏振—轨道角动量不可分离态,提出了偏振和轨道角动量双自由度之间的态映射方法和实现方案,进而实现了对高维量子态的高精度制备和测量。该方案在操控光子偏振态的同时,可以通过映射装置同时高精度的操控光子的轨道角动量量子态,从而实现高保真度的信息加载和提取。
该研究为解决高维量子密钥分发的态制备和态测量两大难题,开拓了一条有效的解决思路,为高维量子密钥分发技术的实用化起到了积极的推动作用。与现有技术相比,该方案的最大优势在于编解码过程不需要进行光子态的干涉操控,因而具有很低的本底误码率和极佳的稳定性。该方法实现的高维量子密钥分发系统的平均误码率,仅为0.60%±0.06%;利用弱相干光源实现了1.849比特/脉冲(理论极限为2比特/脉冲)的高筛后安全密钥率。并且由于系统只需操控光子的偏振态,有望实现与二维量子密钥分发系统相同的高工作速率。
C奠定量子纠缠通信基础的材料研究
自旋是微观粒子的基本属性,电子的自旋态有两个。对于人工合成的超导量子比特来说,两个自旋态对应于能量值0和1。这两个值在量子计算中也被看作是比特的二进制数。手征性是指物体和它的镜像不能重叠。这就好比我们左右手,互为镜面对称,但上下叠放时却不重合。微观物体也有这种特性。联系自旋之间的相互作用,分对称相互作用和反对称相互作用两种。此前,对称自旋交换相互作用已经在人工量子系统里实现,反对称自旋交换作用在人工系统中还很难合成。2019年1月23日新华网报道,浙江大学和中国科技大学的学者,联合中美多个研究团队,在人工量子系统中合成了反对称自旋交换作用,演示了利用“手征自旋态”制备量子纠缠的新方法。
在这项研究中浙江大学教授王大伟、王浩华等学者,在超导量子比特系统中,同时利用量子叠加和自旋的手征性演化方法,合成了反对称自旋交换作用,当多个粒子的集体状态处于不可分解的叠加态时,量子纠缠就出现了。量子纠缠态的特征,是相互纠缠的粒子之间“牵一发而动全身”,当其中一个的状态被测量确定时,其他粒子的状态也就确定了。该成果将对研究量子磁性、提高多粒子纠缠态制备速度、利用手征自旋态进行量子计算等,具有积极意义。
6)从电子到光子说人工智能芯片材料
A、光子人工智能芯片的发展应用
对于光子人工智能芯片的发展,国内电子芯片设计领域能力很强,但在核心加工环节有一个很强的技术壁垒,需依赖国外的高制程光刻机,在成本等多个方面都会受限。
光子人工智能芯片的生产过程自主可控,全流程可在国内完成,采用国内130nm微电子工艺加工完成,摆脱了对于国外高制程光刻机的依赖,无需在工艺制程上进行追赶──芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成,摆脱了对国外高制程光刻机的依赖,是我国在芯片领域换道超车的核心技术。未来芯片主要还是针对人工智能领域的应用与发展。2019年1月7日《新京报》报道,光子人工智能芯片项目落户顺义,由清华、北大、北交大等等多所高校的在校博士生组成的创业团队,研发的光子人工智能芯片,将这项新技术推向了台前,并且未来可广泛应用于手机、自动驾驶、智能机器人、无人机等领域。该团队负责人、光子芯片的研发者之一──白冰,目前正在北京交通大学通信与信息系统专业攻读博士学位。
白冰博士说:光子芯片的计算速度为电子芯片的1000倍,但功耗仅为其百分之一;算力是传统电子人工智能芯片的1000倍,但功耗只有其百分之一,低延迟,还抗电磁干扰──计算能力是传统芯片的三个数量级,功耗却只有传统芯片的百分之一。芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成,摆脱了对国外高制程光刻机的依赖,是我国在芯片领域换道超车的核心技术。目前光子人工智能芯片的产品部署主要集中于设备端,预计于2022年将光子芯片运用到云端。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:30:24|显示全部楼层
B、啥是光子人工智能芯片
集成电路的发展沿着摩尔定律已趋于极限,硅光子技术是超越摩尔研究领域的发展方向之一。通过硅光集成,用光代替原来的电进行传输,成本有可能降低到原来的十分之一,甚至更低。所以光子人工智能芯片,是指采用硅基光子集成技术,让光提供算力,为人工智能应用提供高性能的硬件支持。
即第一个层面是电子“人工智能芯片”──如果一个芯片要跑得非常快、非常省电,一定是芯片的物理结构跟软件高度匹配,这样才能达到一个比较高的效率。包括现在的人脸识别、自动驾驶、安防监控、AI金融、AI医疗等,实际上都是一种人工智能算法,要设计一款芯片结构跟其特征匹配,这就是人工智能芯片。
第二个层面是“光子人工智能芯片”──已有的人工智能芯片都是电子芯片;电子芯片在计算速度和功耗方面会有瓶颈。光子人工智能芯片是依托硅基光子集成技术,在内部用光完成矩阵运算与数据交换。它的计算过程与人工智能算法高度匹配,计算速度比普通电子芯片高,功耗比电子芯片低。
第三个层面是“光子”与传统芯片比,有两方面优势:一个优势是计算速度,光子人工智能芯片的计算速度大概是电子芯片的三个数量级,约1000倍,单个电子芯片的计算速度大约是7.8TFlops,而光子人工智能芯片的计算速度大概是3200TFlops。第二个优势是功耗,光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的百分之一,单位电子芯片和耗电量大概300W,对应的光子人工智能芯片的耗电量只有4W。
第四个层面是对比不同芯片在同一情境下,是否具有优势,要考虑性能功耗比、单位美元提供算力两方面──性能功耗比是指消耗单位瓦特提供的性能,重在强调涉及多少电费,单位美元提供算力则重在强调芯片的生产成本。在这两方面,光子人工智能芯片比电子芯片更有优势──光子人工智能芯片,可广泛用于手机、安防监控、自动驾驶、服务机器人、无人机、工业物联网、企业服务器和数据中心等关键人工智能领域。比如在分拣机器人机械臂上装上摄像头,让它识别有什么东西,控制它去抓取等。光子人工智能芯片的发展,得益于人工智能的发展。光学计算芯片其实在实验室一直存在,但它一直没有比较好的应用场景,没有办法落地应用。
这个过程是近年来伴随着人工智能的兴起,人工智能的算法特征恰好跟光学芯片物理性能匹配,这使得光学计算有了走出实验室、走向产业应用的机会。特别是中科院“百人计划”,很多回国的专家,也都一直致力于硅光工艺平台的建设。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:30:57|显示全部楼层
四、前沿材料人物造就以新型照明光源为例
1)前沿照明光源应用材料的科学研究
A、从新冠病毒到中村修二式传奇
联系虚拟世界改进现实世界的物质材料以适应社会发展的需要,有人推进前沿科研的同时,自然界也在对人类自身这种材料在进行改进,并且不仅是一次、两次──最能说明的就是2020年暴发新冠病毒肺炎疫情,已成为世界性突发公共卫生事件引发全球,生命健康安全和经济社会秩序的重大危机。而最令人不解的是, 新冠病毒肆虐引发全球瘟疫,人类社会几乎所有国家都面临着巨大的考验、我国的抗击胜利之时,狡猾、凶险的“新冠”病毒,又冒出“无症状感染”出现有很多矛盾的信息──关于无症状比例、传染性强弱、转归比例等令人迷惑的在科学上的真相,最终应该只有一个明确答案。
但如果无症状感染者,转归确诊率很低,大多数至始至终没有症状,而又具备相当强的传染性,无疑就等于潜藏在人群中的隐性炸弹。因为2020年4月9日《晚霞报》发表《“伤寒玛丽”的故事》一文报道,“伤寒玛丽”是美国历史上著名健康带菌者的“零号名人”,本名叫玛丽·梅伦(1869--1938),1869年出生在爱尔兰,1883年跟着家人移居美国。最初只能在有钱人的家里当女佣,后来她改行当了一名厨师。但每到一个地方就会爆发伤寒,她为了不受感染只得不停地更换工作。1906年银行家华伦的别墅中,家庭成员、女佣、厨师、园丁等共有11人,其中有6人得了伤寒。华伦通过律师找到处理伤寒疫情方面很有经验的专家乔治·索伯,寻找感染伤寒的原因。乔治·索伯通过排查,将目标锁定在厨师玛丽·梅伦的身上──原因是玛丽工作过的地方,都曾暴发过伤寒病例,累计感染者总数超过了22例,死亡1例;而每次伤寒爆发之后,玛丽都会重新换工作。
1907年乔治找到更换了工作的玛丽,然而却与玛丽发生了冲突──玛丽以移民身份在美国备受歧视,而自己健康的身体又被认为是伤寒病毒的源头。而当年“健康带菌者”是个闻所未闻的概念,她拒绝做血液、尿液或粪便化验。乔治最后只得在警察的帮助下,才控制住玛丽的愤怒。医院通过对玛丽血液、粪便的化验,证实乔治的推测,玛丽被送到纽约州附近的一个孤岛上进行隔离。到1910年玛丽被隔离了三年没有任何伤寒症状,她向卫生部门提起诉状,在一次次抗议之后,她和卫生部门达成和解──承诺不再做厨师而被解除隔离。
五年后的1915年纽约曼哈顿妇产医院又暴发伤寒,重症感染者25人,2人死亡。在这家医院的厨房里人们再次找到玛丽,只是她已名叫“玛丽·布朗”。自觉理亏的玛丽又返回之前的孤岛进行隔离。在孤岛上,医生和专家尝试者着在她身上使用了多种药物,都没有办法清除她身上的伤寒病毒,直到1938年她去世,从此记入医学史册。当然玛丽不是唯一的伤寒健康带原者;她也不是最致命的带原者;她亦不是唯一一位被告知了自己的传染情况后,依然违反了不得从事餐饮业并采取卫生措施规定的人。她的被歧视、女佣地位,悍妇性格,她也始终不肯相信自己可以传播伤寒。但历史上恶毒的“伤寒”,也唯有她被终身隔离──这说明啥?类似消灭天花全球要接种疫苗吗?
2020年4月20日世界卫生组织总干事谭德塞在日内瓦的新闻发布会上警告:缺乏团结正在助长新冠疫情的流行──新冠病毒是一种非常危险的病毒,它利用了人与人之间、政党与政党之间、国家与国家之间的分歧。他呼吁:“不要把这种病毒作为相互对抗或者赢得政治得分的机会。这很危险,就像在玩火。尽管新冠病毒溯源工作仍在进行中,科学家和医学界均尚无定论,世卫组织也多次表示,新冠病毒是全球现象,源头尚不确定。研究提供的证据证明,目前发生在新冠病毒基因组中的突变,具有影响病毒致病性的功能潜力”。
研究人员也在提醒:除了不断积累的基因组测序数据外,还应尽可能在细胞水平上进行病毒监测。最后,与流感类似,药物和疫苗的开发虽然紧迫,但也需要考虑到这些累积突变,尤其是始祖突变的影响,以避免潜在的缺陷。诚然,天花是人们用疫苗消除的第一种传染病──它是由天花病毒感染人,引起的一种烈性传染病,传染性强,死亡率极高。在人类消灭天花的过程当中,人们经过多年的探索和研究最终发明了牛痘疫苗。但距离牛痘疫苗发明近200年后,到1980年世界卫生组织才宣布全球彻底根除天花的目标才真正实现。
这是人类迄今唯一通过疫苗接种,消灭由于技术,如缺乏冷链造成运输和保存的困难,和文化的屏障,如牛痘在印度难以被接受的问题、资金在贫穷国家尤其突出,以及防疫体系,如后勤和合格的接种人员缺乏等原因,在得益于冻干疫苗和三叉针等疫苗接种技术的改进,各国政府、国际组织和非政府组织通力合作才取得的结果。
1976年全球开始推行牛痘疫苗接种,实现了对所有易感人群的保护,天花病毒的感染才被大大遏制,死亡率也有了明显的降低,进而成功阻断了天花的传播。但如果新冠疫苗成功问世,人们是否能像消灭天花一样,消灭新冠病毒呢?问题很多。一是尽管疫苗的开发取得了巨大的进步,全球主要的疾病杀手,比如疟疾、艾滋病,依然没有任何一种达到商业生产阶段的有效疫苗。二是如艾滋病病毒突变之快,更是让科学家伤透了脑筋──而新冠无症状感染者还分两类。
一类是新冠肺炎确诊病人,只是还在潜伏期,没有症状,需要把他们甄别出来纳入确诊病例管理;另一类是没有任何症状,没有任何影像改变,是真正的无症状感染者。他们不是病人,只是核酸检测阳性。无症状感染者的存在,是传染病的规律,麻疹、流感、SARS等都有一定比例的无症状感染者,他们都没引起在社会上的大传播。
三是关注新冠肺炎相关研究进展,包括病毒学、免疫学、病理学以及含抗体和疫苗在内的药物研发,世界卫生组织网站信息显示截至3月26日,全球还有至少52款候选疫苗处于临床前研究.。处于研发前沿的候选新冠病毒疫苗,可以概括为两大类。第一类是此前无同类疫苗获批过的新型疫苗,主要是指核酸疫苗,分为RNA(核糖核酸)疫苗和DNA(脱氧核糖核酸)疫苗,这类疫苗是将编码抗原蛋白的RNA或DNA片段直接导入人体细胞内。第二类是此前已得到广泛应用的传统类型疫苗,包括灭活病毒疫苗、基因工程亚单位疫苗、重组病毒载体疫苗等,多数在研新冠病毒疫苗都属于此类。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-4-23 18:31:32|显示全部楼层
比如中国团队研发的“重组新冠疫苗”,就属于重组病毒载体疫苗,采用5型腺病毒作载体,向人体内输送表达新冠病毒刺突蛋白的基因。有效的药物和疫苗开发摆在全世界面前,新药或是疫苗到底有无作用,如何评价?科学评价药物药效的试验方法制定最为关键,但对双盲实验作用,各国却也还有分歧。因此围绕人类健康与生物医药、信息技术、资源环境、公共安全与社会事业发展等领域,重点从病毒结构、功能、溯源、演化、传播与流行规律,病毒与宿主互作及免疫系统多层次多尺度调控机制,中医药防治病毒感染内在机制,诊疗与防护的多学科交叉的新技术、新策略,公共卫生应急管理,人工智能与大数据等方向(不限于上述方向),都需要研究创新的思路。
疫苗接种,被认为是医学科学最伟大的成就之一,也是回报率最高的公共卫生投入之一;这代表了医学界普遍的共识。但追溯疫苗发明的历史,会发现其中有科学的理性,有科学家的睿智、直觉和奉献,有国际组织、私人基金会、国家政府、制药公司的协作和斡旋,但也裹挟着政治、商业、国家安全、文化和宗教等各种力量的角逐,甚至还同时交织着一部若隐若现的反疫苗史。从传染病传播的三个要素的角度来分析,新冠病毒导致的疫情,回答仅靠疫苗还不够,还需要提高自身免疫力。新冠病毒最初来源于蝙蝠体内,经过某种尚且未知的中间宿主传染给人类。随着在人群体中的传播,感染了病毒的患者成了新的传染源,也需要及时接受隔离治疗,避免传染给更多的人。
从控制传染源这个角度来说,疫苗的作用是不大的。如无法给野生动物注射疫苗,也没法限制野生动物的活动区域。最好的方法是从我们自己做起,减少被病毒感染的机会。总之实现起来虽比困难,一方面相比于天花病毒基因组稳定的DNA病毒而言,新冠病毒由于是RNA病毒,更容易发生基因突变,这很有可能会让病毒本身的性质发生改变,也造成疫苗效果大打折扣。总之疫苗的研发,需要时间以及科学家们的努力,不同种类的疫苗也因其原理、效果、安全性、制备工艺等方面的不同而各有利弊。
2020年4月19日中国工程院院士李兰娟团队发布未经同行审议的新论文指出,新冠病毒已经出现了较多变异,而且相当一部分与适应性有关的突变,就富集在病毒S蛋白和人类ACE2受体结合处的界面。新冠病毒感染后的症状表现非常复杂,还与病人的年龄、身体状况等因素有关。为了客观评估这些突变对病毒致病性的影响,研究人员决定开展体外感染试验;药物和疫苗研发工作也有必要把这些突变纳入考虑。所以这里举发现新型照明光源材料的“中村修二的传奇”,来共勉全球人类抗击新冠情疫在技术材料创新上能取得突破。
获诺奖前的中村修二教授,是在日本的日亚这个乡镇企业就的业,而且是在日本三流大学德岛大学读硕士毕的业。中村修二1954年生于日本伊方町, 是个非典型的日本科学家:他出身普通渔民家庭,考试能力也平平。他读的德岛大学甚至没有物理系,但他自学能力非常强,对物理学具有深刻的理解,而且完全是靠自学而来的。他1993年在日本日亚化学工业株式会社就职期间,动手能力也非常强,上午调仪器,下午做实验。中村修二教授的创新,使得半导体生态光源(LED)生产商能够生产三原色(红、绿和蓝)LED,从而使实现1600万色成为可能。或许最为重要的是LED行业,利用这种新技术来开始白色LED的商业化生产。他基于GaN开发了高亮度蓝色LED,从而广为人知。当时开发一种蓝色LED被认为是不可能的,此前的20年间,只有红色和绿色LED。2014年中村修二因发明高效蓝色发光二极管,和赤崎勇、天野浩获得2014年诺贝尔物理学奖。
B、从我国光刻机看中村氮化镓基功率器件材料
在我国高端芯片生产过程中,最为关键的设备高端芯片用的光刻机,长期靠国外进口。但这种新型的化学气相沉积设备却是由中村修二在乡镇企业率先研制成功的──中村修二发明的高效率蓝色LED双气流MOCVD装置研制出的高效率蓝色发光二极管,也许和“量子通信和量子计算机”的二维拓扑绝缘体高端芯片研制风马牛不相及──但“高效率蓝色发光”是一种频率;“量子通信和量子计算机”联系的信息也是一种频率(表征一个东西变化的快慢)。
2020年1月3日人民网报道,上海微电子装备有限公司(SMEE)通过17年的“卧薪尝胆”,持续攻关,基本掌握了高端光刻机的集成技术,并部分掌握了核心部件的制造技术,实现了“用中国人的光刻机造中国芯”的梦想。2020年3月17日网易网报道,中国合肥莱德设备技术有限公司研发出真空蒸镀机。对于芯片从研发到量产的过程而言,光刻机犹如心脏一般稳稳站在产业链顶端,而光刻机制造行业则由ASML垄断全球。对于面板制造工艺而言,真空蒸镀机的地位,丝毫不亚于光刻机在芯片领域的地位,而真空蒸镀机行业则被日本公司佳能特机几乎垄断全球。真空蒸镀机的体积相对较大,生产线长度可达百米,因此真空蒸镀机与光刻机一样,对于全球市场而言十分稀缺,售价更是昂贵,一台高端蒸镀机的价格在7亿元左右,相当于一台EUV光刻机。
可能在核心技术方面,中国制造业的发展相对缓慢,例如上海微电子、合肥莱德设备等企业,都尚处在研发的初级阶段。不过中国企业以及中国技术,正在用坚定地步伐踏足全球各类产业链的顶端。无论是芯片还是面板的研发、量产阶段,国产芯和中国技术都有越来越多的中国企业加入其中。而文小刚教授的“量子拓扑绝缘体”课讲:根据量子力学,频率就对应能量,再根据相对论,能量就对应质量,质量就表征物质。据此文小刚教授认为:量子力学更深刻的含义,是统一信息与物质。他做研究的时候,这两者的边界已经十分模糊了,甚至不加以区分。
蓝色照明的发光二极管(LED)的心脏是一块半导体晶片。LED主要优点是寿命长,可达到10万小时,而白炽灯的寿命通常只有 1千小时,荧光灯的寿命也只有 1万小时左右。所以LED很早就被用来制作对可靠性要求很高的交通信号灯和汽车尾灯。而且LED属于冷光源,没有红外和紫外耗损,在同样亮度下,其耗电量大约仅为普通白炽灯的十分之一,荧光灯的二分之一。因此,LED很早就被用于白色照明、景观装饰和液晶显示等。目前,照明消耗了全球发电量的近四分之一,超过了水力和核能发电量的总和。若今后全球逐步改用LED照明,必将会产生巨大的节能减碳之环保效益。

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