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河南科技Henan Science and Technology科技资讯总第800期第6期2023年3月科学家首次观察到量子隧穿效应科技日报2023年3月1日报道，在经典物理世界中，从一座大山的这边穿到那边，只能消耗体力翻山越岭。但在量子物理世界里，有一种“穿墙术”存在，这就是量子隧穿效应。奥地利因斯布鲁克大学物理学家首次在实验中观察到了这种效应，这是有史以来观察到的最慢的带电粒子反应。相关研究论文2023年3月1日发表在 自然 杂志上。研究团队此次试图在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧穿效应。团队选择了氢来进行实验，他们将氘（氢的同位素）引入一个离子阱，使其冷却，然后用氢气填充离子阱。由于温度非常低，带负电的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而，在极少数情况下，当两者发生碰撞时，确实会发生反应。这是由隧穿效应引起的。研究第一作者罗伯特怀尔德解释说，量子力学中，粒子具有波动性，这使其可以突破能量障碍并发生反应。“在实验中，我们给量子阱中可能发生的反应大约15分钟的时间，然后确定形成的氢离子数量。从它们的数量中，我们可以推断出反应发生的频率。”2018年，理论物理学家计算出，在这个系统中，每千亿次碰撞中只有一次发生量子隧穿。这与现在科学家测量的结果非常吻合，经过多年研究，研究人员首次证实了化学反应中隧穿效应的精确理论模型。在此基础上，研究人员可以开发出更简单的化学反应理论模型，并已成功进行测试。隧穿效应可被用于扫描隧道显微镜和闪存中，也可用于解释原子核的阿尔法衰变，还可解释星际暗云中分子的一些天体化学合成。鉴于此，团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。（来源：科技日报）科学家发现世界首例光阴极量子材料西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者，发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超传统的光阴极材料，且无法为现有理论所解释，为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。2023年3月9日，相关研究成果以 一种钙钛矿氧化物上的反常强烈相干二次光电子发射 为题，在线发表于 自然。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为论文共同第一作者，西湖大学理学院终身副教授何睿华为论文通讯作者。光阴极材料是当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。一直以来，它存在固有的性能缺陷所发射的电子束“相干性”太差，也就是，电子束的发射角太大，其中的电子运动速度不均一。这样的“初始”电子束要想满足尖端科技应用的要求，必须科技资讯2第6期依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性，而这些特殊工艺和辅助技术的引入极大地增加了“电子枪”系统的复杂度，提高了建造要求和成本。尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足的发展，它已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量级上的提升，而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了，只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。何睿华团队意外在一个物理实验室中“常见”的量子材料“钛酸锶（SrTiO3）”上实现了突破。此前对钛酸锶为首的氧化物量子材料研究，主要是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究，但何睿华团队却通过一种强大的、但很少被应用于光阴极研究的实验手段角分辨光电子能谱技术，出乎意料地捕捉到这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力，它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能相干性，且无法为现有光电发射理论所解释。自然 论文匿名审稿人指出：“这一发现可能会导致光阴极技术发生范式转变，该技术长期以来一直受困于（电子枪）电子束不能同时具有高相干性和高束流强度的矛盾，其根源就在于初始电子束的本征非相干性。”论文合作者、西湖大学理学院研究员郑昌喜认为，合作团队发现的重要性“不在于往钛酸锶的神奇性质列表增添了一个新的性质，而在于这个性质本身，它可能重启一个极其重要、被普遍认为已发展成熟的光阴极技术领域，改变许多早已根深蒂固的游戏规则”。（来源：中国科学报）我国科学家成功创制“光晶体管”纳米尺度的光电融合是未来高性能信息器件的重要发展路线。如何在纳米尺度对光进行精准操控是其中最关键的科学问题。利用极化激元是实现纳米尺度光操控的新思路。2023年2月10日，科学 报道了一项极化激元领域的重要进展。经过十多年的不懈努力，国家纳米科学中心戴庆研究团队实现了极化激元的高效激发和长程传输。在此基础上，他们成功创制“光晶体管”，实现纳米尺度光正负折射调控，显著提升了纳米尺度光操控能力。光电融合是未来方向与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等诸多优势，在大幅提升信息处理能力方面被寄予厚望。因此，光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。“光电融合能够发挥光传输、电计算的优势，成为后摩尔时代的重要技术路线。”国家纳米科学中心研究员戴庆解释说。然而，由于光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，和能轻易通过电学调控的电子相比，对光子的纳米尺度调控并不容易。极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，也可以被认为是一种光子与物质耦合形成的准粒子。它具有优异的光场压缩能力，可以轻易突破光学衍射极限，从而实现纳米尺度上光信息的传输和处理。戴庆研究团队率先提出了利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，充分发挥它对光的高压缩和易调控优势，不仅有望实现高效光电互联，还可以提供额外的信息处理能力，从而进一步提升光电融合系统的性能。在近期的研究中，戴庆研究团队成功给低对称极化激元拍了照，实现了低对称声子极化激元的实空间成像，证实了近场“轴色散”效应，揭示了一种新的在纳米尺度实现光子操控的可行路径。同时，他们还大幅提高了纳米尺度的光子精确操控水平，成功将10微米波长的红外光压缩成几十纳米波长的极化激元，并调控性能，实现平面内的能量聚焦和定向传播。对此，戴庆解释道：“光电互联是光电融合的重要基础，它相当于光电两条高速公路交汇的收费站，而构筑极化激元光电互联相当于将原来的收费站改造成立交桥，从而大幅增加传输通道和提升信息处理的速度。”证实一项非常规物理现象在前期研究的基础上，研究团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。在戴庆看来，这项研究充分发挥了不同材料的纳米光子学特性，突破了传统结构光学方案在波河南科技科技资讯第6期3段、损耗、压缩和调控等多个方面的性能瓶颈。“相比人工结构，聚焦于材料自身的光子学特性是另一种更加直接获取光学功能的途径。”研究团队成员、国家纳米科学中心副研究员胡海打了个比方，“就像 舌尖上的中国 所说的 高端的食材往往只需要采用最朴素的烹饪方式。利用简便的范德华材料堆叠，便可以实现奇异的光学调控功能，比如我们展示的负折射效应。”所谓负折射，是指入射光与折射光在界面法线同侧的特殊物理现象。“简单来说，就是光沿 错误方向偏折了。”胡海解释说，“举个例子，负折射就像我们在镜中观察世界，与真实世界相比，一切都是颠倒的。”“我们利用电学栅压对极化激元这种光波的折射行为实现了动态调控，使其从常规的正折射转变到奇异的负折射。这意味着可以像操纵电子一样操纵光子，这对将来高性能光电融合器件与系统的发展有重要的促进作用。”戴庆表示，在应用上，这项研究面向光电融合器件走向大规模集成缺乏高效、紧凑光电互联方式的重大需求。在科学上，研究为解决突破衍射极限下高效光电调制的难题提供了新思路。（来源：科技日报）树脂负载铁酸钴改性材料问世安徽理工大学地球与环境学院青年教师朱敬林与南京大学环境学院潘丙才教授课题组合作，制备出树脂负载铁酸钴改性材料，并将这种材料用于活化过一硫酸盐降解有机膦酸。相关研究成果2023年2月5日发表于 危险材料杂志（Journal of Hazardous Materials）。毫米级的树脂材料具有丰富的孔道结构，比表面积也很大，而且具有令人满意的机械强度，常用作载体材料负载纳米颗粒，这些改性树脂材料广泛应用于分离、脱盐等深度水处理过程。“比如，树脂负载水合氧化铁深度去除水中的磷酸盐，这种材料可以使残留的磷酸盐浓度达到小于0.05 ppm，满足国家磷排放指标。同时，树脂负载水合氧化铁能再生重复使用，再生后交换容量稳定，操作简便，可控性能好，目前已经实现工程化应用。”朱敬林向 中国科学报 介绍。近年来，人们围绕树脂开发了一系列的改性材料，且在深度水处理领域展现出应用的潜力。但由于树脂是高分子有机材料，无法在以自由基为主导的氧化体系下稳定存在。因此，将树脂材料用于高级氧化过程仍存在巨大挑战。此次研究中，朱敬林等提出了将树脂负载铁酸钴材料用于非自由基为主导的体系下，通过活化过一硫酸盐降解有机磷酸，并在连续流实验中考察材料的催化性能和稳定性能。“我们研究发现，与未负载的纳米铁酸钴比较，树脂负载铁酸钴表观速率常数（归一化后）增加了38倍，且钴离子的浸出浓度更低。”朱敬林说。进一步，研究人员采用固定床实验探究树脂负载铁酸钴材料的稳定性，并采用实际废水作为处理对象，在长达200小时的固定床实验中，有机磷酸的降解率仍能达到80%左右，且其理化性能未发生显著改变。朱敬林说，“这项研究为有机载体在提高铁酸钴和其他纳米催化剂在实际应用过程中的稳定性和活性方面提供了重要的参考价值，在深度水处理氧化降解有机污染物方面具有潜在的应用价值。”审稿人认为：作者将铁酸钴纳米材料与树脂相结合用于非自由基体系降解有机磷酸，这是一项有趣的研究工作，改性树脂材料在固定床中表现出优异的催化性能和稳定性，为实际应用提供了参考，具有一定的意义。（来源：中国科学报）中国空间站成功实施首次点火实验2023年3月2日，记者从中国科学院空间应用工程与技术中心获悉，空间站梦天舱燃烧科学柜近日成功执行首次在轨点火测试。此次点火实验以甲烷为燃料，先后两次点火共持续约30秒，高速相机下传的实验画面清晰展现了甲烷预混火焰受扩散火焰包围的形貌。“这次点火成功，验证了空间站燃烧科学实验系统功能的完备性，以及整体实验流程的准确性与科学性，为后续空间科学燃烧实验项目打下良好基础。”燃烧柜科学实验系统主任设计师、中科院工程热物理研究所研究员郑会龙说。实验前，在地面科研人员的协同下，航天员将点火头安装在气体实验插件中，并将气体实验插件安装至燃烧科学实验柜的燃烧室中。之后，燃烧科河南科技科技资讯4第6期学实验柜自动完成燃烧环境气体配置、燃料气体喷出、点火头加热点火、参数采集与光学诊断、循环过滤及排废气等系列动作。燃烧科学实验责任科学家、清华大学副教授刘有晟介绍，点火实验出现的火焰结构呈现出典型的甲烷预混火焰特征，由于不受浮力的影响，外部的扩散火焰与地面相同实验结果相比更为短而圆。刘有晟说，微重力提供了地面无法模拟的条件，能够排除浮力对流，抑制颗粒或液滴沉降，微重力燃烧实验能为燃烧理论和模型的发展提供重要支撑。据悉，微重力燃烧科学规划了包含 79项实验目标在内的10个研究计划，预计将在2023年底之前完成40次以上的在轨燃烧实验，包括近极限火焰动力学、火焰合成纳米材料、火焰碳烟生成以及国际合作项目相关的科学实验，揭示流体与反应动力学在理想流场条件的交互作用结果，为我国微重力燃烧领域取得第一批空间站实验数据，服务于地面和空天燃烧应用装置和材料合成相关的理论发展。中科院空间应用工程与技术中心研究员、空间应用系统梦天实验舱总体主任设计师贺宇峰介绍，随天舟六号任务，空间应用系统还将上行微重力流体与燃烧、空间材料、空间辐射生物学等领域方向的实验项目，将在梦天舱内科学实验柜和舱外暴露平台持续开展相关实验。自空间站梦天舱 2022 年 10 月底发射入轨以来，梦天舱各科学实验柜陆续完成了供电检查、基本功能自检，并进行功能指标测试及参数调优，按计划开展了舱外载荷保温、高精度时频柜和超冷原子柜真空保持、有效载荷在轨测试等50余项任务。（来源：科技日报）我国高端油气钻井技术实现里程碑式跨越2023年3月3日，记者从中国海洋石油集团有限公司（以下简称中海油）获悉，历时十余年自主研发，我国高端油气钻井装备“璇玑”系统成功实现1000口井作业、100万米钻井总进尺，这标志着我国高端油气钻井技术实现里程碑式跨越。“璇玑”系统由旋转导向钻井与随钻测井两大技术组成，这两项技术被称为石油钻井技术“皇冠上的明珠”。通过这套系统，地面工程师可以精准控制几千米地下的钻头钻进方向，实现“瞄着”油气去，“看着”边界钻，甚至能做到在仅1米厚的薄油层中精准穿行数千米，把油气宝藏“吃干榨净”。同时它还能实时分析地层资料，大幅降低油气田开发成本，是全球高效开发常规油气、页岩气、煤层气、可燃冰等资源的关键核心装备。据介绍，旋转导向钻井技术因横跨 20多个学科、涉及1 000多道高端工艺，控制代码多达几百万行，曾被国际油田服务公司垄断达20余年。2014年，我国成功研发“璇玑”系统并实现海上作业，成为世界上第二个拥有该项技术的国家。自投用以来，“璇玑”系统作业“足迹”遍布我国海域以及新疆、山西等陆地油气田，并被出口至印度尼西亚、伊拉克等国家，多次完成大位移水平井、三维防碰井等高难度钻井。“应用突破 1 000 口井、钻井总进尺达 100 万米，是一个重要的里程碑。”“璇玑”系统技术带头人、中海油服总工程师尚捷介绍道，“商用以来，璇玑 系统经历了上万次的可靠性验证、结构优化和迭代升级。这期间，中海油技术团队破解了上百个技术难题。截至目前，该系统已获得国家级专利95项，关键作业指标一次入井成功率已达92%，达到世界一流水平。”2022年4月，“璇玑”系统智能化生产线在广东佛山建成投产，迈入大规模产业化阶段。同年 8月，中国海油建成了覆盖全球多个国家的“璇玑”系统专家支持中心，具备了同时为12个国家和地区提供724小时实时线上支持的能力。（来源：科技日报）河南科技科技资讯