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《自然》《科学》一周(11.20-11.26)材料科学前沿要闻

原标题:《自然》《科学》一周(11.20-11.26)材料科学前沿要闻

1.冷原子气体与晶体之间的光子量子态转移

Photonic quantum state transfer between a cold atomic gas and a crystal

界面根本上不同的量子系统,是建立未来混合量子网络的关键。这种异构网络提供的功能优于同类网络,因为它们能够将不同量子节点的独特优势合并到单一网络架构中。然而,由于接口光子的波长和带宽匹配等存在的基础挑战和技术挑战,光混合互连取得的进展非常少。Maring 等人报导了两个具有光子存储能力的不同物质量子系统之间的光量子互连。研究表明,量子态可以通过级联的量子频率转换,利用 1552 纳米通信波长的单个光子,实现在冷原子系综和稀土掺杂晶体之间的转移。而且,证明了冷原子集合中光子和单个集体自旋激发之间的量子相关性可以转移到固态系统。在冷原子集合中产生的单光子时间量子比特可以从晶体中被转换、存储并检索,其中一定条件下的量子比特保真度超过 85%。该研究结果揭示了将不同功能的量子节点进行光学连接的前景,代表了向着实现大规模混合量子网络迈出的重要一步。(Nature DOI: 10.1038/nature24468)

2. 含有扭曲结构的三维机械超材料

(Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist)

经由合理设计得到的人造材料可以实现普通材料无法达到的机械性能。加上个普通的线性弹性杆就使它能以多种方式变形。但与静态情况下的旋光性对应的扭曲严格为零。这种自由度的不可用性,妨碍了模式转换方面的应用以及使用坐标转换来实现先进的机械设计。Frenzel 等人的目标是实现微结构的三维弹性手性机械超材料,克服了这个限制。在整个毫米级的样品上,测量得到的每个轴的应变扭曲都超过 2o/%。根据固定的样本尺寸扩展单位单元的数量,由于超材料硬化,所以扭曲是稳健的,这表明了特征长度尺度并使上述应用得以实现。(Science DOI: 10.1126/science.aao4640)

3. 从无序固体中塑性的普遍特征得到结构与性质的关系

Structure-property relationships from universal signatures of plasticity in disordered solids

当变形超出结晶固体弹性极限时,结晶固体会通过围绕结构缺陷进行局部粒子重排从而发生塑性流动。无序的固体也会流动,但没有明显的结构缺陷。Cubuk 等人利用微观结构数量,即“柔软度”,将无序固体中的结构与可塑性联系了起来,其中“柔软度”是通过机器学习设计得到的,能够最大限度地预测重排。结合实验结果与计算能够测量柔软度的空间相关性和应变响应,以及两种可塑性度量:重排的大小和屈服应变。所有这四个量在涉及原子到晶粒,直径跨度为七个数量级,弹性模量跨度为 13 个数量级的无序填充物的价值上保持了显著的共性。这些共同点分别将空间相关性和柔软度的应变响应,与重排大小和屈服应变联系了起来。(Science DOI: 10.1126/science.aai8830)

4. 可控分子筛骨架的弹性和孔结构用以分离乙烷和乙烯

(Control of zeolite framework flexibility and pore topology for separation of ethane and ethylene

通过吸附而不是使用低温蒸馏来分离乙烯的新材料是分子分离的关键里程碑,这是因为这些分子在工业上有着众多广泛的扩展用途。与当前使用的通过蒸汽裂化生产的乙烯再经低温蒸馏的方法相比,该技术具有巨大的节能潜力。Bereciartua 等人介绍了一种柔性纯硅沸石(ITQ-55)的合成和结构测定。这种材料可以动态地从乙烷中分离乙烯,且具有前所未有的接近 100 的选择性,这得益于它具有大型心形笼的独特孔隙结构和骨架的灵活性。对这些性质的控制扩大了沸石挑战分离应用的边界。(Science DOI: 10.1126/science.aao0092)

5. Mott 绝缘体 Ca2RuO4 中电流引起的强反磁性

(Current-induced strong diamagnetism in the Mott insulator Ca2RuO4)

当 Mott 绝缘体的冷冻电子受到各种刺激的干扰时,它们可以拥有令人惊讶地各种各样的量子现象。超导电性,金属-绝缘体转变以及由元素替代、压力和磁场引起的巨磁电阻是较为突出的例子。Sow 等人报告了 Mott 绝缘体钌酸钙(Ca2RuO4)由直流电流诱导的强磁性。施加每平方厘米仅有 1 安培的电流密度导致它比其他非超导材料更强的反磁性。随着系统变成半金属,这种变化与运输性质的变化是一致的。这些发现表明,直流电流可能是控制 Mott 绝缘过渡区域附近材料性能的一种手段。(Science DOI: 10.1126/science.aah4297)

6.在有机-无机卤化铅钙钛矿半导体中进行连续波激射

(Continuous-wave lasing in an organic–inorganic lead halide perovskite semiconductor)

杂化有机-无机钙钛矿已成为用于可调谐、溶液处理半导体激光器的非常有前景的增益介质。但是,目前还没有实现连续波运作。Jia 等人研究表明,光泵浦连续波激射在甲基碘化铅(MAPbI3)分布反馈激光器中可以超过阈值激励强度约 17kW•cm-2 维持一个多小时,这种反馈维持在MAPbI3 四方到斜方的相变温度 T≈160K以下。Jia 等人发现与 T>160K 下纯四方相 MAPbI3 发生的激射终止现象相反,在 T≈100K 时,从正常存在的更大带隙的正交主基质泵中光生的四方相包裹体中,想要实现连续波增益是有可能的。在这个混合相系统中,四方包裹体作为载流子复合体沉降,降低了透明度阈值,与无机半导体量子阱相似,可以作为工程改进的钙钛矿增益介质的模型。(Nature Photonics DOI: 10.1038/s41566-017-0047-6)

7. 临时形成高导电畴壁从而对铁电畴壁电阻开关存储器进行非破坏性地读取

(Temporary formation of highly conducting domain walls for non-destructive read-out of ferroelectric domain-wall resistance switching memories)

绝缘铁电薄膜中的可擦除导电畴壁可用于对铁电存储器中的极化状态进行非破坏性电学读取。但是由这些器件提取的畴壁电流,还没有达到能够驱动高速运行的读取电路所需的强度和稳定性。这篇文章的研究展示了台面几何结构外延形成的 BiFeO3 薄膜中利用特的畴壁构型存储的数字数据的非破坏性读取。在读取操作期间能够形成导电壁的部分开关域,在读取电压被移除时自发回缩,减少了畴壁处移动缺陷的累积并且有可能改善器件稳定性。三端子存储器件在 5V 的工作电压下产生 14nA 的读取电流,工作温度高达 85℃。间隙长度也可以小于膜厚度,能够允许实现器件尺寸远低于 100nm 的铁电存储器。(Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5028)

8.用于建筑一体化光伏发电的发光太阳能聚光器

(Luminescent solar concentrators for building-integrated photovoltaics)

目前,低人口密度地区正通过实现所谓的净零能耗建筑向着充满活力的可持续建筑进行过渡。但在城市地区还未能实现,因为安装地面光伏(PV)的土地成本过高,且屋顶空间太少无法满足维持高层建筑电力需求所需的光伏组件。因此,将太阳能收集装置以光伏窗或封装元件的形式整合到建筑立面中的新技术正在研究当中。发光太阳能聚光器(LSC)是用于半透明、无电极光伏玻璃系统的最有前景的技术,它可以“无形”地整合到建筑环境中,而不会对建筑美学或居民的生活质量产生不利影响。经过 40 多年的研究,近年来在实现宽带吸收的无重吸收发射体方面取得的突破性进展,使得 LSC 的性能达到了可以在不久的将来实现商业化的程度。在这篇综述中,Meinardi 等人探索了实现这一变化的成功策略,考核和比较了不同类型的发色团和波导材料,并讨论了有待进一步研究的问题。(Nature Reviews Materials DOI: 10.1038/natrevmats.2017.72)

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