有许多物理学家致力于材料研究,每年我们都期待撰写有关该领域一些最令人兴奋的研究的文章。今年也不例外,以下是 2023 年我们最喜欢的一些材料故事。
在使用人工智能设计新材料的时代,令我感到欣慰的是,我们也对木材重新产生了兴趣。它无疑是人类使用的最古老的材料之一,如今世界各地的研究人员正在开发新的方法来利用这种可再生资源来创造令人兴奋的材料。现在, 伊萨克·恩奎斯特 of 林雪平大学有机电子实验室 和瑞典的同事用一块木板制造了一个晶体管。他们通过在整个材料中掺入导电聚合物来实现这一点,从而为离子导电电解质创造空间。他们的新制造技术使得使用木材作为众多电子元件的模板成为可能,但该团队承认木制晶体管的性能远不及传统设备。一种可能的应用是将电子设备集成到活植物中——但即使木制晶体管几乎没有实际用途,它仍然是一个巧妙的技巧。
与木材一样,水是一种无处不在的材料,具有非凡的特性。与大多数物质不同,固态水的密度低于液态水,这使得水生生物能够在地球上大片温度经常低于 0°C 的地区生存。已知冰至少有 20 种不同的晶体结构。现在,由王丽芬和白学东领导的中国研究人员 北京凝聚态物理国家实验室 和 松山湖材料实验室 东莞率先证实了立方冰的存在,其水分子具有菱形立方结构。这种冰被认为是造成沙伊纳光晕的原因,这是一种极其罕见的光学效应,会在太阳周围形成约 28° 的光环。这与通常由六角形冰晶折射引起的 22° 光晕不同。研究小组在由单层石墨烯制成的冷冻板上制造了立方冰,并使用低温透射电子显微镜监测其形成。他们的技术对于研究各种冰在表面如何形成可能很有用。
20 世纪物理学的胜利之一是 BCS 超导理论,该理论于 1950 世纪 XNUMX 年代发展,用于解释为什么某些材料在极低的温度下电阻为零。这个想法是这些超导体中的电子配对产生玻色子。然后,这些“库珀对”可以凝结成一种类似超流体的物质,可以毫无阻力地流动。虽然有间接证据证明库珀对的存在,但物理学家尚未测量到电子对中电子自旋之间的负相关性——这将是库珀对存在的直接证据。现在,以瑞士和意大利物理学家为首的 阿鲁纳夫·博多洛伊 巴塞尔大学使用两个量子点从一小块超导体中提取库珀对。然后,他们将这些对分开并测量它们的自旋极化,发现它们通常指向相反的方向——正如 BCS 理论所预测的那样。
几十年前,当我还在上大学时,分形曾风靡一时,部分原因是伯努瓦·曼德尔布罗特 (Benoit Mandelbrot) 创建的高质量可视化。因此,当它们今天出现在研究中时,我总是很感兴趣。二月里, 克劳迪奥·卡斯特诺沃 剑桥大学和英国、德国、美国和阿根廷的同事表明,自旋冰中潜藏着一种新型的分形。自旋冰是具有磁矩的材料,由于它们在低温下无法形成周期性结构,因此会受到抑制。相反,这些瞬间被冻结,其混乱程度类似于水冰中的情况。 2009 年,物理学家认为某些自旋冰的激发行为类似于磁单极子。现在,Castelnovo 及其同事证明,这些磁单极子在不断分支轨迹的分形世界中移动,而不是在 3D 中自由移动。团队成员表示,研究自旋冰中的单极子对于许多应用来说可能很重要 乔纳森·尼尔森·哈伦 他居住在剑桥和德累斯顿。 “自旋冰是拓扑磁体最容易获得的实例之一,而自旋冰中的磁单极子是最容易理解的分段激发的例子之一,”他说。
北极熊的白色皮毛在白雪皑皑的北极景观中提供了伪装作用。然而,你可能会认为白色外套在阳光下无法给熊保暖。事实并非如此,因为北极熊的皮毛旨在将阳光引导到熊的深色皮肤上,在那里阳光可以被有效吸收。更重要的是,毛皮非常善于捕获熊皮肤辐射的热量——本质上会产生温室效应。现在, 特丽莎·安德鲁 和马萨诸塞大学阿默斯特分校的同事们以北极熊为灵感,创造了一种新型双层织物,可以吸收太阳和室内照明的能量,并将其捕获以保持温暖。当暴露在 130 W/m 的光强度下时2 (英格兰阴暗的仲冬日)它可以让穿着者像棉织物一样保暖,但温度比棉织物低 10°C,同时重量减轻 30%。安德鲁说:“我们的北极熊织物对于管理空间供暖非常有用,空间供暖会消耗大量能源,通过使用环境照明而不是房间供暖来为室内人员供暖,以更节能的方式进行。”
我们确实喜欢这里的准粒子 物理世界,所以我们很高兴物理学家在 2023 年终于发现了“派恩斯恶魔”。 1952 年首次预测 大卫派恩斯 和 大卫·博姆,该准粒子是等离子体中的量子化电子密度涨落。当金属不同能带中的电子彼此异相移动时,准粒子就会形成,从而使整体电荷保持静态。实际上,恶魔是中性准粒子的集体运动,而且恶魔也没有质量,无法与光相互作用。所有这些使得准粒子非常难以检测。现在, 彼得·阿巴蒙特 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 (UIUC) 的教授和同事使用一种称为电子能量损失光谱的技术来识别钌酸锶单晶中与派恩斯恶魔相关的激发,从而找到了该恶魔存在的证据。
人类似乎对混凝土又爱又恨。这种材料的实用性支撑着大部分建筑环境,但我们谴责其有时残酷的外观以及在其生产过程中排放的大量二氧化碳。现在,美国麻省理工学院领导的一个团队 弗朗茨-约瑟夫·乌尔姆, 马西奇 和 仰韶角 开发了一种混凝土,可用于制造超级电容器来储存能量。生产从炭黑和水泥的干燥混合物开始,并向其中添加水和高效减水剂。当材料凝固时,它会形成类似分形的孔隙网络,使材料成为具有非常大表面积的导体。这正是您想要的电容器电极,表面积越大,电容越大。据该团队介绍,一个 3.55 m 立方体大小的混凝土电容器将能够存储约 10 kWh 的能量。因此,用包含这些电容器的地基建造的房屋可以存储一天的能量(例如由太阳能电池板产生的能量),并在需要时释放它。这种材料还可以用于风力涡轮机的底座,在那里它可以储存多余的能量,直到需要时为止。该技术还可以用于在道路和停车场等基础设施中储存可再生能源,这些能源可以通过感应方式转移到车辆上。
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