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导读： 来自麻省理工学院研究人员以及其合作伙伴已经发现了一种性能比硅好得多的材料。下一步是找到实用和经济的方法来制造它。　　来自麻省理工学院研究人员以及其合作伙伴已经发现了一种性能比硅好得多的材料。下一步是找到实用和经济的方法来制造它。硅是地球上丰富的元素之一，以其纯粹的形式，这种半导体材料已成为许多现代技术的基础，包括微电子计算机芯片和太阳能电池。然而，硅作为一种半导体的特性实际上远非理想。 　　其中一个原因是，尽管硅允许电子轻易地在其结构中流动，但它对”空穴”–电子带正电的对应物的适应性要差得多，而利用这两者对特定类型的设备至关重要。此外，硅在传输热量方面做得很差，这导致了计算机中频繁的过热问题和昂贵的冷却系统。 　　现在，来自麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一个科学家团队已经进行了实验，显示一种名为立方砷化硼的材料克服了这两个限制。除了为电子和空穴提供高迁移率外，它还具有出色的导热性。据研究人员说，它是迄今发现的好的半导体材料，也许是可能的好的材料。 　　迄今为止，立方砷化硼只在实验室规模的小批次中被制造和测试，而这些批次并不均匀。事实上，为了测试材料中的小区域，科学家们不得不使用开始由麻省理工学院前博士后白松开发的特殊方法。要确定立方砷化硼是否能以实用、经济的形式制成，更不用说取代无处不在的硅还需要更多的工作。但研究人员说，即使在不久的将来，这种材料也能找到一些用途，其独特的性能将产生重大的影响。 　　2022年7月21日，麻省理工学院博士后JungwooShin和麻省理工学院机械工程教授GangChen；休斯顿大学的ZhifengRen；以及麻省理工学院、休斯顿大学、德克萨斯大学奥斯汀分校和波士顿学院的其他14人在《科学》杂志上报告了这些发现。 　　早期的研究包括DavidBroido的工作，他是新论文的共同作者，从理论上预测该材料将具有高导热性。随后的工作通过实验证明了这一预测。这项新工作通过实验证实了Chen小组在2018年做出的预测，从而完成了分析：立方砷化硼也将具有非常高的电子和空穴迁移率，”这使得这种材料真的很独特，”Chen说。 　　早期的实验表明，立方砷化硼的热导率几乎是硅的10倍。”因此，仅就散热而言，这非常有吸引力，”Chen说。他们还表明，这种材料有一个非常好的带隙，这一特性使它作为一种半导体材料具有巨大的潜力。 　　现在，新的工作填补了这一空白，表明凭借其电子和空穴的高迁移率，砷化硼具有理想半导体所需的所有主要品质。”这很重要，因为在半导体中，我们的正电和负电都是等价的。因此，如果你建立一个设备，你希望有一种材料，让电子和空穴都以较小的阻力移动，”Chen说。 　　硅具有良好的电子迁移率，但空穴迁移率较差，而其他材料，如广泛用于激光器的砷化镓，同样具有良好的电子迁移率，但空穴迁移率不高。 　　论文的主要作者Shin说：”热量现在是许多电子产品的一个主要瓶颈。”碳化硅正在取代硅，用于包括特斯拉在内的主要电动车行业的电力电子，因为它的导热性比硅高三倍，尽管它的电子迁移率较低。想象一下，砷化硼可以实现什么，它的导热性比硅高10倍，移动性比硅高很多。它可以改变游戏规则”。 　　Shin补充说：”使这一发现成为可能的关键里程碑是麻省理工学院的超快激光光栅系统的进展，”这种技术开始是由Song开发。他说，如果没有这种技术，就不可能证明这种材料的电子和空穴的高流动性。 　　他说，立方砷化硼的电子特性开始是根据Chen的小组所做的量子力学密度函数计算来预测的，而这些预测现在已经通过在麻省理工学院进行的实验得到了验证，该实验使用光学检测方法对Ren和休斯顿大学的团队成员制作的样品进行检测。 　　该材料的导热性不仅是所有半导体中好的，而且科学家们还说它的导热性在所有材料中排名第三–仅次于钻石和富含同位素的立方氮化硼。”而现在，我们预测了电子和空穴的量子力学行为，也是从第一原理出发，这也被证明是真实的，”Chen说。”这令人印象深刻，因为除了石墨烯之外，我实际上不知道有任何其他材料具有所有这些特性。而这是一种具有这些特性的散装材料。” 　　他说，现在的挑战是找出实用的方法，以可用的数量制造这种材料。目前制造它的方法产生了非常不均匀的材料，因此该团队必须找到方法来测试只是小块的局部材料，这些材料足够均匀以提供可靠的数据。虽然他们已经证明了这种材料的巨大潜力，但”它是否或在哪里会被真正使用，我们并不知道，”Chen说。 　　”硅是整个行业的主力，我们已经有了一种更好的材料，但它是否真的会威胁这个行业？我们不知道。”虽然这种材料看起来几乎是一种理想的半导体，它是否真的能进入设备并取代目前的一些市场，我认为这仍有待证明。” 　　而且，虽然热和电性能已被证明是优秀的，但一种材料的许多其他性能还有待测试，例如它的长期稳定性，Chen说。”为了制造设备，还有许多其他因素我们还不知道。”这有可能真的很重要，而人们甚至还没有真正注意到这种材料。现在，砷化硼的理想特性已经变得更加明确，表明这种材料”在许多方面是好的半导体，也许人们会更加关注这种材料。” 　　展望商业用途，Ren说，”一个巨大的挑战将是如何像硅一样有效地生产和净化立方砷化硼。……硅花了几十年的时间赢得了桂冠，其纯度超过99.99999999%，即今天大规模生产的’10个9’。” 　　为了使它在市场上变得实用，”它确实需要更多的人开发不同的方法来制造更好的材料并对其进行表征”。Chen说，这种开发的必要资金是否能得到，还有待观察。

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导读： 钙钛矿在创造太阳能电池板方面有很大的潜力，可以很容易地沉积在大多数表面上，包括柔性和纹理的表面。　　钙钛矿在创造太阳能电池板方面有很大的潜力，可以很容易地沉积在大多数表面上，包括柔性和纹理的表面。这些材料的生产成本也很低，重量轻，而且与今天主要是硅的领先光伏材料一样高效。鉴于它们的巨大潜力，它们是越来越多研究和投资的对象。然而，希望利用其潜力的公司必须在钙钛矿太阳能电池具有商业竞争力之前解决一些重大障碍。 　　硅和碲化镉是光伏领域的另外两个主要“竞争者”，指的是特定的材料。另一方面，术语钙钛矿指的是整个化合物家族，此类氧化物很早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙化合物。这种矿物于1839年被发现，并以俄罗斯地质学家列夫·佩罗夫斯基(LevPerovski)的名字命名。 　　钛酸钙（CaTiO3）是原始矿物钙钛矿，有一个独特的晶体构造。它有一个三部分结构，其组成部分已被标记为A、B和X，其中不同成分的晶格是交错的。钙钛矿家族由许多可能的元素或分子组合组成，这些元素或分子可以占据这三部分中的每一部分，并形成与原始钙钛矿本身类似的结构。 　　“你可以将原子和分子混合并匹配到结构中，但有一些限制。例如，如果你试图把一个太大的分子塞进结构中，你会使它变形。ZUI终，你可能会导致三维晶体分离成二维分层结构，或完全失去有序的结构，”麻省理工学院机械工程教授兼光伏研究实验室主任TonioBuonassisi说。“钙钛矿是高度可调控的，就像一种建造你自己的冒险类型的晶体结构。” 　　这种交错格子的结构由离子或带电分子组成，其中两个（A和B）带正电，另一个（X）带负电。通常情况下，A和B离子的大小相当不同，A离子更大。 　　在整个钙钛矿类别中，有许多类型，包括金属氧化物钙钛矿，它们已在催化和能源储存和转换中找到应用，如燃料电池和金属空气电池。但据Buonassisi说，十多年来，研究活动的一个主要焦点是卤化铅钙钛矿。 　　在这一类别中，仍有大量的可能性，世界各地的实验室正在进行繁琐的工作，试图找到在效率、成本和耐用性方面表现ZUI佳的变体–迄今为止，这是ZUI具有挑战性的三者。 　　许多团队还专注于消除铅的使用的变化，以避免其对环境的影响。然而，Buonassisi指出，“随着时间的推移，铅基设备的性能不断提高，而其他成分在电子性能方面都没有接近。”探索替代品的工作仍在继续，但就目前而言，没有一个能与卤化铅版本竞争。 　　Buonassisi说，钙钛矿提供的巨大优势之一是它们对结构中的缺陷有很大的容忍度。与硅不同的是，硅需要极高的纯度才能在电子设备中发挥良好的作用，而钙钛矿即使存在许多缺陷和杂质也能正常工作。 　　为钙钛矿寻找有前景的新候选成分有点像大海捞针，但ZUI近研究人员想出了一个机器学习系统，可以大大简化这一过程。作为该研究的共同作者之一Buonassisi说，这种新方法可能会导致新替代品的开发速度大大加快。 　　虽然钙钛矿继续显示出巨大的前景，而且一些公司已经在准备开始一些商业生产，但耐久性仍然是它们面临的ZUI大障碍。虽然硅太阳能电池板在25年后还能保持90%的电力输出，但钙钛矿的降解速度要快得多。已经取得了很大的进展–ZUI初的样品只持续了几个小时，然后是几周或几个月，但较新的配方的可用寿命长达几年，适合于一些对寿命不重要的应用。 　　Buonassisi说，从研究的角度来看，钙钛矿的一个优点是它们在实验室里相对容易制造–化学成分很容易组装起来。但这也是它们的缺点：“这种材料在室温下很容易组合在一起。但它在室温下也很容易分离。来得容易，去得也容易！” 　　为了处理这个问题，大多数研究人员专注于使用各种保护材料来封装钙钛矿，保护它不暴露在空气和水分中。但其他研究人员正在研究导致这种降解的确切机制，希望能找到本质上更坚固的配方或处理方法。一个关键的发现是，一个被称为自催化的过程在很大程度上要归咎于这种分解。 　　在自催化过程中，一旦材料的一个部分开始降解，其反应产物就会作为催化剂开始降解结构的邻近部分，并开始进行失控反应。在对其他一些电子材料的早期研究中也存在类似的问题，如有机发光二极管（OLED），并ZUI终通过对原材料增加额外的净化步骤而得到解决，所以在钙钛矿的情况下可能会找到类似的解决方案，Buonassisi建议。 　　Buonassisi和他的合作研究人员ZUI近完成了一项研究，表明一旦钙钛矿达到至少十年的可用寿命，由于其较低的初始成本，将足以使其在经济上可行，成为大型公用事业规模太阳能农场的硅替代品。 　　他说，总体而言，钙钛矿的开发进展令人印象深刻，令人鼓舞。他说：“通过短短几年的工作，它已经实现了与碲化镉相当的效率。碲化镉存在的时间更长，但仍在努力实现这一水平。在这种新材料中达到这些更高的性能的容易程度几乎令人目瞪口呆。比较为实现1%的效率改进所花费的研究时间，钙钛矿的进展比碲化镉的进展快100到1000倍。这就是它如此令人兴奋的原因之一。”

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导读： 国际大型强子对撞机之美（LHCb）合作组织在大型强子对撞机（LHC）上观察到了三种从未见过的粒子。　　国际大型强子对撞机之美（LHCb）合作组织在大型强子对撞机（LHC）上观察到了三种从未见过的粒子。这一发现包括一种新的”五夸克”和有史以来第一对”四夸克”，其中包括一种新型的四夸克。 　　它们将帮助物理学家更好地理解夸克如何结合在一起成为这些复合粒子。夸克是基本粒子，可分为六个种类：上、下、粲、奇、顶和底。它们通常以两组和三组的形式结合在一起，形成强子，如构成原子核的质子和中子。然而，在极少数情况下，它们也可以结合成四夸克和五夸克粒子，被称为”四夸克”和”五夸克”。这些外来强子在大约六十年前就被理论家们预测到了，与传统强子同时出现，但直到近日，它们才被LHCb和其他实验所探测到。 　　在过去20年中发现的大多数外来强子都是四夸克或五夸克，包含一个粲夸克和一个粲反夸克，剩下的两个或三个夸克是一个向上、向下或奇怪的夸克或其反夸克。然而，在过去两年中，LHCb发现了不同种类的奇异强子。两年前，合作方发现了一个由两个粲夸克和两个粲反夸克组成的四夸克，以及两个由一个粲反夸克、一个上夸克、一个下夸克和一个怪反夸克组成的”开粲”四夸克。去年，它发现了有史以来第一个”双开粲”四夸克的例子，它有两个粲夸克和一个上反夸克和一个下反夸克。开放的魅力意味着该粒子包含一个魅力夸克而没有一个相等的反夸克。 　　LHCb合作组织今天宣布的发现包括新种类的强子。第一种是在分析带负电的B介子的”衰变”中观察到的，是由一个粲夸克和一个粲反夸克以及一个向上、一个向下和一个奇怪的夸克组成的五夸克。它是第一个被发现包含一个奇怪夸克的五夸克。这一发现具有高达15个标准差的统计学意义，远远超过了粒子物理学中声称观察到一个粒子所需的5个标准差。 　　第二种是一个带双电的四夸克。它是一种由一个粲夸克、一个奇怪的反夸克、一个上反夸克和一个下反夸克组成的开粲四夸克，在对带正电和中性的B介子的衰变进行联合分析时，它和它的中性对应物一起被发现。以6.5（双电荷粒子）和8（中性粒子）个标准差的统计学意义观察到的新四夸克，代表着一对四夸克的首次被观察到。

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导读： 气体检测在各个领域都至关重要，包括污染监测、公共安全保障和个人卫生保健。为了满足这些需求，传感设备必须体积小、重量轻、价格低廉、易于使用，并适用于各种环境和基材，如服装或管道。　　气体检测在各个领域都至关重要，包括污染监测、公共安全保障和个人卫生保健。为了满足这些需求，传感设备必须体积小、重量轻、价格低廉、易于使用，并适用于各种环境和基材，如服装或管道。 　　而近日，来自美国宾夕法尼亚州立大学的联合团队就成功地合作开发出了一种新型的环境传感器，这种传感器未来将有望用于同时探测多种可能预示疾病或污染的气体，而其关键在于结合一种特殊的激光书写技术。 　　据悉，该大学工程学院工程科学与力学助理教授HuanyuLarryCheng和埃伯利理学院化学助理教授LaurenZarzar及其团队将激光书写（LaserWriting）技术和响应式传感器技术结合起来，制造了第一个高度可定制的微型气体传感设备。 　　在研发过程中，他们面临的大挑战就是创造出具有预期性能的设备，同时这种设备还需要能够根据所需的基础设施进行定制，以精确地同时感知不同的目标气体。 　　而借助激光书写技术，研究人员能够扩大他们对如何直接合成、设计和集成新材料(尤其是纳米材料和纳米材料复合材料)到复杂系统中的理解，从而能够创造越来越复杂和有用的传感技术。 　　据悉，LaurenZarzar的研究小组开发了激光诱导热体素（laser-inducedthermalvoxel）技术工艺，这使得他们能够同时、直接地创建金属氧化物并使其集成到传感器平台上。金属氧化物是一种能够与各种化合物发生反应，从而触发传感机制的材料。使用激光书写时，研究人员将金属盐溶解在水中，然后将激光聚焦到溶液中。高温会分解溶液，留下金属氧化物纳米颗粒，可以烧结到传感器平台上。 　　该工艺在流程设计上得到了简化，不再需要规划好固定的预定义掩模。在以往的方法中，任何改变或调整都需要创造一个新的掩模版，既费时又费钱。根据LaurenZarzar的说法，激光书写技术是“无掩模的”，且与热体素工艺相结合时能够对多种设计或材料进行快速迭代和测试，以找到有效的组合。 　　据介绍，精确的图案化刻印（patterning）也非常关键，它让电子鼻能够在同一时间内精确地检测多种气体。该论文的共同第一作者亚历山大·卡斯顿奎(AlexanderCastonguay)表示：“这种精确的检测需要在ZUI薄的微观尺度上，将不同的材料近距离地拼接在一起。以往，很少有图案化技术能够产生这样的分辨率，但我们的方法可以做到这一点。我们计划使用上述技术和材料来开发电子鼻原型。” 　　在近期的实验中，研究人员测试了目前用于传感器的五种不同金属与金属组合。根据AlexanderCastonguay的说法，不同金属氧化物接触的点被称为异质结（heterojunction），在两种材料的界面上形成了一个独特的环境，从而增强了气体传感器的响应。研究小组发现，氧化铜和氧化锌的异质结对测试气体(乙醇、丙酮、二氧化氮、氨和硫化氢)的反应，比单纯的氧化铜要强出5-20倍。 　　研究团队指出，这一发现支持了科学文献中其他报告的观点，即创建混合的氧化物系统能够显著地提高传感器的响应效率。除此之外，这一发现还证明了激光诱导热体素技术在混合氧化物气体传感器制造中的有效性，未来有助于创造出新颖的、可定制的传感器。

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这种被叫做Candidatus Methanoperedens的细菌利用甲烷来生长并自然出现在淡水如沟渠和湖泊中。在荷兰，这种细菌大多在地表和地下水被氮污染的地方茁壮成长，这是因为它们需要硝酸盐来分解甲烷。 　　研究人员开始想知道更多关于发生在微生物中的转换过程。此外，他们还很好奇是否有可能用它来发电。微生物学家和这项研究的论文作者Cornelia Welte表示：“这可能对能源部门非常有用。在目前的沼气装置中，甲烷由微生物产生，随后燃烧并驱动涡轮机，进而产生电力。然而只有不到一半的沼气被转化为电能，而这是可实现的ZUI大能力。我们希望评估我们是否可以利用微生物做得更好。” 　　来自奈梅亨的微生物学家们此前已经表明，使用在过程中使用铵而不是甲烷的anammox细菌来发电是可能的。微生物学家Heleen Ouboter说道：“这些细菌的过程基本上是相同的。我们创造一种有两个终端的电池，其中一个是生物终端，另一个是化学终端。我们在其中一个电极上种植细菌，细菌将甲烷转化产生的电子捐献给该电极。” 　　通过这种方法，研究人员成功地将31%的甲烷转化为电能，不过他们希望能实现更高的效率。Welte说道：“我们将继续专注于改进该系统。”

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导读： 近日，来自艾姆斯实验室和爱荷华州立大学的一个研究小组及来自美国、德国和英国的合作者发现了一种新型费米弧。　　近日，来自艾姆斯实验室和爱荷华州立大学的一个研究小组及来自美国、德国和英国的合作者发现了一种新型费米弧。研究小组在对稀土单核化物NdBi（neodymium-bismuth）的研究中发现了一种新型费米弧，它在当材料变成反铁磁时并处于低温的条件下出现。 　　金属中的费米面是被电子占据和未被占据的能量状态之间的一个边界。费米面通常是封闭的轮廓，并形成球体、椭圆体等形状。位于费米面的电子控制着材料的许多特性如导电性和导热性、光学特性等。在极其罕见的情况下，费米表面包含不相连的部分，这些部分被称为费米弧，通常跟超导等奇异状态有关。 　　研究小组的负责人Adam Kaminski指出，新发现的费米弧是电子带分裂的结果，它是由占样品50%的Nd原子的磁序造成。然而，研究小组在NdBi中观察到的电子分裂并不是典型的带分裂行为。 　　有两种既定的带状分裂类型–Zeeman和Rashba。在这两种情况下，带子在分裂后都保持其原来的形状。研究小组观察到的带分裂导致了两个不同形状的带。随着样品温度的降低，这些带子之间的分离度增加，带子形状发生变化，这表明费米子质量发生了变化。 　　“这种分裂是非常非常不寻常的，因为不仅这些带子之间的分离度在增加，而且它们的曲率也在改变，”Kaminski说道，“这跟人们迄今为止观察到的其他任何情况都非常不同。” 　　以前已知的韦尔半金属中的费米弧的情况一直存在，因为它们是由材料的晶体结构引起的，而这种结构是很难控制的。然而研究小组在NdBi中发现的费米弧是由样品中Nd原子的磁性排序引起的。 通过施加磁场以及可能通过将Nd离子换成另一种稀土离子如铈、镨或钐（Ce、Pr或Sm），则可以很容易地改变这种顺序。 由于埃姆斯实验室在稀土研究方面处于世界领先地位，因此可以很容易地探索这种成分的变化。 　　“只要样品变成反铁磁性，这种新型的费米弧就会出现。因此，当样品出现磁性秩序时这些电弧就会出现，似乎是凭空出现的，”Kaminski说道。 　　据Kaminski介绍称，这些新费米弧的另一个重要特征是，它们具有所谓的自旋纹理。在正常的金属中，每个电子状态都被两个电子占据，一个自旋向上，一个自旋向下，所以没有净自旋。新发现的费米弧则在其每个点都有单一的自旋方向。由于它们只存在于磁有序的状态下，通过施加一个磁脉冲如来自超快激光的磁脉冲，这些电弧可以非常迅速地被打开和关闭。 　　“拥有这样的自旋装饰或自旋纹理是非常重要的，因为电子学的追求之一是摆脱基于电荷的电子学。你现在使用的一切都基于在电线中移动电子，这引发了耗散，”Kaminski说道。 　　控制电子自旋的能力跟信息技术的一个新分支有关，即自旋电子学–它是基于电子自旋而不是沿着电线移动电荷。 　　Kaminski解释道：“我们不是移动电荷，而是翻转自旋的方向，或导致自旋沿导线的传播。这些自旋变化在技术上不应该耗散能量，所以以自旋形式存储信息或以自旋形式移动信息不需要花费很多能量。” 　　Kaminski强调了这一发现对该领域的重要性，但他说在这些发现能被用于新技术之前仍有许多工作要做。

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