高性能超導導線制成

科技日報2024年8月11日報道，美國布法羅大學領(lǐng)導的團隊研制出世界性能最高的高溫超導（HTS）導線段，為人類駕馭磁力開辟了全新可能性，其有望改變現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施，甚至實現(xiàn)商業(yè)核聚變。相關(guān)報告發(fā)表在最新一期《自然·通訊》上。

高溫超導導線技術(shù)能在高于傳統(tǒng)超導體所需溫度下無阻力傳輸電力。新HTS導線以稀土鋇銅氧化物為基礎(chǔ)，涵蓋所有磁場和從5開爾文到77開爾文的工作溫度范圍，這個溫度范圍高于傳統(tǒng)超導體發(fā)揮作用所需的溫度。

在4.2開爾文時，新HTS導線在沒有外部磁場的情況（也稱為自場）下，每平方厘米可承載1.9億安培的電流；而在7特斯拉磁場下，每平方厘米可承載9 000萬安培的電流。

在更高的20開爾文（商業(yè)核聚變的預期應(yīng)用溫度）時，在自場下，這些導線每平方厘米仍可承載超過1.5億安培的電流；在7特斯拉磁場下，每平方厘米可承載超過6 000萬安培的電流。

就臨界電流（在超導體中，可視為無阻流動的最大直流電流）而言，這相當于4.2開爾文時，4毫米寬的導線段在自場下可承載1 500安培的超電流；在7特斯拉磁場下，可承載700安培的超電流。在20開爾文時，在自場下可承載1 200安培的超電流；在7特斯拉磁場下，可承載500安培的超電流。

值得注意的是，盡管該團隊研制的HTS薄膜厚度僅為0.2微米，但其承載的電流卻可與厚度幾乎是其10倍的商用超導導線相媲美。

這些導線表現(xiàn)出強大的將磁渦旋釘住或固定在適當位置的能力。在4.2開爾文時，其釘扎力（釘扎磁渦旋的能力）約為每立方米6.4太牛頓；在20開爾文時，其釘扎力約為每立方米4.2太牛頓，兩者的磁場強度均為7特斯拉。

這是迄今為止報告的所有磁場和工作溫度下，臨界電流密度和釘扎力的最高值。

（2024年8月11日 張夢然 科技日報）

超冷原子傳感技術(shù)成功檢測

太空環(huán)境變化

科技日報2024年8月14日報道，美國國家航空航天局的冷原子實驗團隊利用原子干涉儀等量子傳感工具，成功測量了國際空間站的細微振動。這是科學家首次使用超冷原子檢測太空環(huán)境的變化。相關(guān)論文發(fā)表于13日出版的《自然·通訊》雜志。

原子干涉儀可精確測量重力、磁場和其他力?？茖W家一直在地球上利用該傳感器研究重力的基本性質(zhì)，促進了飛機和船舶導航技術(shù)的發(fā)展。他們也渴望在太空中應(yīng)用該技術(shù)，因為太空的微重力環(huán)境可延長測量時間，并獲得更高靈敏度。但原子干涉儀此前無法單獨在太空長時間運行，在最新研究中，冷原子實驗室的原子干涉儀做到了這一點。

2018年，冷原子實驗室進駐國際空間站?？茖W家希望將其長期置于低地球軌道的微重力環(huán)境，通過相關(guān)研究推進量子科學發(fā)展。該實驗室能將原子冷卻到幾乎絕對零度。在此溫度下，一些原子會形成玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。在BEC下的原子處于相同量子態(tài)，其微觀量子特性會變得宏觀，更便于科學家開展相關(guān)研究。在微重力環(huán)境下，BEC可以達到更低溫度并存在更長時間，為科學家提供了更多研究機會。其中的原子干涉儀是利用原子的量子特性進行精確測量的傳感器之一。

研究人員表示，對引力進行精確測量可提供更多關(guān)于暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)的信息。原子干涉儀也可利用全新方式檢驗愛因斯坦的廣義相對論。

（2024年8月14日 劉霞 科技日報）

硅光子芯片讓“量子羅盤”

更小更精確

科技日報2024年8月14日報道，美國桑迪亞國家實驗室研究人員利用硅光子微芯片組件，執(zhí)行了一種名為原子干涉的量子傳感技術(shù)。這是一種測量加速度的超高精度方法，也是研發(fā)無需全球定位系統(tǒng)（GPS）信號也能進行導航的“量子羅盤”最新成果。研究論文發(fā)表在最新一期《科學進展》上。

智能手機、健身追蹤器或虛擬現(xiàn)實設(shè)備內(nèi)部都有微小的傳感器用于追蹤位置和移動。同樣技術(shù)的“升級”版本，大小和一個柚子相當，精度要高出千倍，它們借助GPS幫助有更高需求的領(lǐng)域進行導航。隨著技術(shù)的進步，這種高精度傳感器的體積和技術(shù)成本正在大幅縮減。

新的高性能硅光子調(diào)制器是一款在微芯片上控制光的設(shè)備。每個原子干涉儀都需要一個激光系統(tǒng)，而激光系統(tǒng)又需要調(diào)制器。

通常，作為傳感器系統(tǒng)的原子干涉儀需要占據(jù)一個小房間。而一個完整的“量子羅盤”（量子慣性測量單元）則需要6個原子干涉儀。團隊成功用一顆牛油果大小的真空室取代了大型耗電真空泵，并將多個部件整合成一個單一的剛性裝置。

新調(diào)制器是微芯片上激光系統(tǒng)的核心。它能夠承受強烈的振動，并將取代通常大小如冰箱的傳統(tǒng)激光系統(tǒng)。激光器在原子干涉儀中執(zhí)行多項任務(wù)。團隊則使用了4個調(diào)制器來改變單個激光器的頻率，以執(zhí)行不同的功能。

調(diào)制器經(jīng)常會產(chǎn)生不需要的回聲，即邊帶，這需要進行抑制。團隊的抑制載波單邊帶調(diào)制器將這些邊帶降低了前所未有的47.8分貝，從而使邊帶強度降低至原來的近十萬分之一。

成本此前是部署量子導航設(shè)備的主要障礙?，F(xiàn)在，團隊可以在一塊8英寸的晶圓上制造數(shù)百個調(diào)制器。將龐大且昂貴的組件微縮成硅光子芯片有助于降低成本。

（2024年8月14日 張佳欣 科技日報）

葉狀聚光器可大幅提高

太陽能發(fā)電效率

科技日報2024年8月19日報道，發(fā)光太陽能聚光器（LSC）是一種利用光致發(fā)光材料將陽光轉(zhuǎn)化為可被光伏電池捕獲利用的裝置。據(jù)發(fā)表在最新一期《能源光子學雜志》上的論文，日本立命館大學研究人員提出了一種新型葉狀LSC模型，可增強光子的收集和傳輸能力，大幅提高太陽能發(fā)電效率。

與依賴鏡子和透鏡的傳統(tǒng)聚光器不同，LSC能夠收集散射光，并已應(yīng)用于光伏建筑一體化等領(lǐng)域，其半透明和多彩的特性還帶來了美學效益。然而，在將LSC擴展到較大面積應(yīng)用時，一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是克服光在波導內(nèi)的自吸收現(xiàn)象，以提高光子到達光伏電池的效率。

葉狀LSC設(shè)計使用較小且相互連接的發(fā)光元件來解決擴展性問題。研究人員將發(fā)光板放置在中央發(fā)光光纖周圍，且板的側(cè)面朝向光纖。入射光子被發(fā)光板轉(zhuǎn)換成聚光光子，然后穿過光纖，被光伏電池收集到光纖頂端。透明光導將多個光纖連接到單個光伏電池上，有效增加了LSC的入射面積，同時減少了由于自吸收和散射造成的光子損失。

這種模塊化的LSC設(shè)計方法具有多個優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，減小單個模塊尺寸，如將方形葉狀LSC的邊長從50毫米減小到10毫米，可顯著提高光子收集效率。模塊化設(shè)計還便于更換損壞的單元。

為進一步提高系統(tǒng)效率，研究人員將傳統(tǒng)平面LSC技術(shù)（如邊緣鏡和串聯(lián)結(jié)構(gòu)）融入葉狀LSC設(shè)計中。實驗表明，可使用單點激發(fā)技術(shù)，根據(jù)入射光的光譜和強度，對這些葉狀結(jié)構(gòu)的光學效率進行分析計算。

這種葉狀的優(yōu)化LSC為設(shè)計更靈活、更具可擴展性的太陽能系統(tǒng)提供了新解決方案，使其更高效，適用于更多用途。

（2024年8月19日 張佳欣 科技日報）

量子信息和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)

同一光纖傳輸

科技日報2024年8月20日報道，德國萊布尼茲大學光子研究所所長邁克爾·庫士領(lǐng)導的團隊，首次讓量子信息和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)“搭乘”同一光纖通道成功傳輸。這意味著在理論上，未來的量子互聯(lián)網(wǎng)可使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。相關(guān)論文7月26日發(fā)表于《科學進展》雜志。

目前，大多數(shù)關(guān)于構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的研究都認為，需要為量子數(shù)據(jù)提供單獨的基礎(chǔ)設(shè)施或?qū)Ｓ猛ǖ?，以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的干擾。但最新研究表明，以糾纏光子形式出現(xiàn)的量子數(shù)據(jù)和以激光脈沖形式發(fā)送的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可共享相同的基礎(chǔ)設(shè)施，為更有效地實現(xiàn)量子通信鋪平了道路。

光纖電纜由細玻璃或塑料纖維組成，以紅外光脈沖的形式，通過不同的顏色通道傳輸數(shù)據(jù)，每個顏色通道對應(yīng)特定波長的光。研究人員此前證明，量子數(shù)據(jù)可通過標準光纖電纜傳輸。但糾纏光子的這種糾纏狀態(tài)非常脆弱，很容易因為噪聲或其他信號（例如共享同一光纖通道的其他數(shù)據(jù)）的干擾而出現(xiàn)退相干。退相干會使量子比特失去量子態(tài)，導致數(shù)據(jù)丟失。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，庫士團隊使用電—光相位調(diào)制技術(shù)，來精確調(diào)整激光脈沖的頻率，使其與糾纏光子的顏色相匹配。如此一來，量子數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠在相同的顏色通道中傳輸，而不會破壞糾纏光子所攜帶的量子信息。

研究人員表示，最新研究是將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)與量子互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的重要一步，有助釋放光纖電纜中的其他顏色通道，傳輸更多數(shù)據(jù)。

（2024年8月20日 劉霞 科技日報）

新型催化劑使葡萄糖

高效產(chǎn)果糖

科技日報2024年8月13日報道，從農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所獲悉，該所鄉(xiāng)村環(huán)境建設(shè)創(chuàng)新團隊開發(fā)了鋁負載功能木質(zhì)素生物聚合物催化劑（Alx-Lbp），實現(xiàn)了葡萄糖向果糖的高效催化異構(gòu)化。相關(guān)研究論文日前發(fā)表于國際期刊《應(yīng)用催化B：環(huán)境與能源》第353卷。

果糖作為甜度最高的天然單糖，被廣泛應(yīng)用于食品、日用化學產(chǎn)品和生物制藥等領(lǐng)域。目前，工業(yè)上主要通過生物酶異構(gòu)葡萄糖制備果糖，而利用化學催化法異構(gòu)葡萄糖制備果糖仍處于研發(fā)階段。

論文通訊作者、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所研究員郭海心告訴科技日報記者，科研人員利用機械化學法制備了Alx-Lbp，并將其用于化學催化法異構(gòu)葡萄糖制備果糖。無須煅燒處理即可制備這一新型催化劑，大幅降低了制備成本。同時，該催化劑在葡萄糖異構(gòu)過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和良好的穩(wěn)定性，果糖產(chǎn)率高達58.8%。

“具體來說，本研究采用了一種特殊的機械化學方法，利用過氧化氫和乙酸鋁對堿木質(zhì)素進行處理，成功合成了無須后續(xù)煅燒處理的Alx-Lbp。這種新型催化劑具有更強的親水性和更低的表面能，在140攝氏度的乙醇環(huán)境中反應(yīng)30分鐘，能將葡萄糖高效地轉(zhuǎn)化為果糖。值得一提的是，該催化劑還具有良好的可回收性，即使重復使用8次后，它仍能保持最初的催化活性?！惫Ｐ恼f，該研究為破解工業(yè)上“非用酶異構(gòu)葡萄糖產(chǎn)果糖不可”的現(xiàn)狀提供了新思路。

（2024年8月13日 馬愛平 科技日報）