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新发现表明，超高能宇宙射线的能量来自于磁性湍流。 超高能宇宙射线起源于极其强烈的天体物理环境——例如黑洞和中子星周围的混乱区域——它们的能量显著高于我们太阳产生的能量粒子。这些宇宙射线携带的能量约为地球上最强粒子加速器大型强子对撞机产生的粒子能量的1000万倍。 但是，这些能量来自哪里呢？多年来，科学家们认为，这种能量源于极端天体物理场景中的冲击，例如当一颗恒星在形成黑洞之前爆炸，可以在大规模爆炸中散发粒子。 尽管该理论似乎合理，但本周发表在《天体物理学杂志通讯》上的新研究提出了不同的解释。研究表明，磁性湍流更可能是宇宙射线能量的来源。研究人员发现，在这些极端环境中，磁场扭曲和纠结，这迅速加速粒子，并大幅增加其能量，直到达到一个尖锐的极限。 “这些结果解决了天体物理学家和粒子物理学家长期以来感兴趣的关于这些宇宙射线如何获得能量的问题，”哥伦比亚大学天体物理实验室的副研究科学家以及研究作者之一卢卡·科米索表示。…

研究人员提出了一种新颖的超导量子处理器设计，这可能导致量子革命所需的强大大规模设备。不像传统的在二维网格中排列处理量子比特的量子芯片，研究小组开发了一种模块化量子处理器，具有可重配置的路由器作为核心。这一创新使任何两个量子比特能够自由连接和纠缠，而以前的模型只允许量子比特与其最近的邻居进行通信。 芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员开发了一种尖端设计的超导量子处理器，旨在实现大规模、韧性设备的可行架构，满足量子革命的需要。 与传统的将信息处理量子比特置于二维网格的量子芯片设计相比，克莱兰实验室团队设计了一种模块化量子处理器，该处理器包含一个可重配置的路由器作为中央枢纽。这种设计允许任意两个量子比特连接和纠缠，克服了旧系统的限制，后者仅允许量子比特与其最近的对手进行交互。 芝加哥大学普利兹克分子工程学院的安德鲁·克莱兰教授指出：“量子计算机无法直接与经典计算机进行比较，尤其是在内存大小或中央处理器大小等参数方面。相反，量子计算机利用根本不同的扩展方法：尽管扩展经典计算机的能力需要更大的中央处理器或提高时钟速度，但增强量子计算机的能力只需要增加一个量子比特。”…

最近的生物技术进展展示了一种拆解和提取碳纤维增强聚合物中基体的方法，使得回收的碳纤维层具有与新制造材料相似的机械特性。 目前，碳纤维材料在各个行业中都十分普遍，从冰球棒到商用飞机都有其身影。全球每年生产的碳纤维量达到数百万吨，因此研究人员一直在探索经济实用的回收策略。 然而，回收碳纤维的问题在于，它由碳原子在基体中互相连接的纤维构成，创造新的可用材料时面临重大挑战。 堪萨斯大学分子生物学杰出教授Berl Oakley解释说：“这通常是一种编织的织物与基体交织在一起，基体通常由环氧树脂或聚苯乙烯构成，固定所有东西在一起。你有织物和基体的组合，因此目标是回收织物以供将来使用，同时也溶解基体而不产生有害或浪费的副产品。最终目标是从这些材料中回收价值。”…

当量子计算机处理数据时，它们需要将数据转换为一种可以理解的形式，称为量子数据。传统上，这种“量子编译”的算法一次仅优化一个目标。然而，一个研究团队开发了一种新算法，允许同时优化多个目标，使量子机器能够同时执行多个任务。 量子计算机与经典计算机根本不同。它们并不是使用表示0和1的比特，而是利用“量子比特（qubits）”，由于量子原则如叠加和纠缠，它们可以同时存在于多种状态中。 为了使量子计算机有效地模拟动态系统或操作数据，它必须将复杂输入转换为其可以处理的“量子数据”。这种转变称为量子编译。 从本质上讲，量子编译通过将特定目标转化为一系列可执行步骤来“编程”量子计算机。就像GPS应用程序将您所期望的位置翻译为一个逐步的路线一样，量子编译将一个总体目标分解为计算机可以执行的一系列详细的量子操作。 历史上，量子编译算法专注于一次优化一个目标。尽管这种方法可能有效，但也有其缺陷。许多复杂的应用需要量子计算机同时处理多个任务。例如，在建模量子动态过程或为实验准备量子态时，研究人员经常需要同时运行多个操作以获得精确的结果。在这种情况下，试图逐个处理每个目标可能效率低下。…

  纳米结构二维金单层在催化、电子学和纳米技术方面开辟了令人兴奋的机遇。 研究人员成功开发出了几乎自由悬挂的纳米结构二维（2D）金单层，这是纳米材料工程中的一项显著成就，可能带来催化、电子学和能源转换的新可能性。 黄金是一种惰性金属，通常形成固体三维（3D）结构。然而，当它被制作成二维形态时，展现出显著的特性，包括独特的电子行为、改善的表面反应性，以及在催化和先进电子学中的巨大潜力。 生产二维金单层的一个主要挑战是确保各向同性金属键在纯二维格式中的稳定性。为了解决这个问题，来自伦德大学和北海道大学的研究团队采用了一种创新的自下而上的方法，并结合高性能计算，成功创造出具有独特纳米结构图案、大规模的金单层，表现出卓越的热稳定性和有希望的催化特性。…

对于研究人员来说，揭示新的超分辨率显微镜技术通常需要多年的努力。显微镜的光学配置种类繁多，例如镜子或透镜的位置。在马克斯·普朗克光科学研究所（MPL），科学家们创建了一个人工智能（AI）框架，能够自主识别显微镜中的新实验设计。这个框架称为XLuminA，以比传统方法快10,000倍的速度优化设计。他们的研究成果最近发表在《自然通讯》上。 光学显微镜今天主要用于生物科学。通过人类的创造力和创新，研究人员开发了超分辨率（SR）技术，这些技术突破了光的经典衍射极限——大约250纳米——使他们能够在细胞层面上检查生命的最小功能单位。从历史上看，揭示新的显微镜方法在很大程度上依赖于人类的直觉和经验，考虑到潜在光学配置的巨大范围，这带来了重大挑战。例如，从五种类型中选择10个组件的设置，如镜子、透镜或光束分离器，可能导致超过一亿种独特的排列。这里的复杂性表明，许多强大的技术仍然可能被隐藏，而仅靠人类的洞察力可能无法揭示它们。这就是AI可以发挥关键作用的地方，有效而公正地探索这个广阔的领域。“实验是我们理解宇宙在大规模和小规模下的门户。由于可能的实验安排如此之多，我们不确定是否所有的卓越设置都被发现了。这正是人工智能可以提供帮助的地方，”MPL“人工科学家实验室”负责人马里奥·克伦解释道。 为了解决这个问题，“人工科学家实验室”的专家们与超分辨率显微镜权威、MPL“物理糖科学”研究小组负责人莱昂哈德·莫克尔进行了合作。他们共同创建了XLuminA，这是一个前沿的开源框架，旨在发现新的光学设计原则。他们专注于充分利用XLuminA在超分辨率显微镜中的优势。该框架作为一个AI增强的光学模拟器，能够自动检查所有可能的光学配置。XLuminA的一个显著优势是其速度；它采用先进的计算技术以比传统方法快10,000倍的速度评估潜在设计。“XLuminA标志着将AI驱动的发现与超分辨率显微镜相结合的先锋一步。在过去几十年中，超分辨率显微镜为细胞生物学的基本过程提供了突破性的见解，而有了XLuminA，我相信我们可以加速这一成功轨迹，揭示具有无与伦比能力的新设计，”莱昂哈德·莫克尔表示。 研究的第一作者卡拉·罗德里格斯与她的团队通过展示XLuminA能够自主重发现三种基础显微镜技术来验证他们的方法。从简单的光学设置开始，该框架能够重发现一种用于图像放大系统的方式。然后，团队进入更复杂的挑战，成功重发现了诺贝尔奖获奖的STED（受激发射耗尽）显微镜和另一种利用光涡旋进行超分辨率的方法。此外，他们展示了XLuminA的真正发现能力。研究人员要求该框架在可用的光学元件基础上识别最佳的超分辨率设计。该框架独立构思了一种将STED显微镜和光涡旋方法中的基础物理原则结合成一种新的实验蓝图的方法，这个蓝图以前从未被报道过。这种新的设计超越了每种独立的超分辨率技术。“当我看到XLuminA所产生的第一个光学设计时，我意识到我们已经将一个令人兴奋的概念变为现实。XLuminA为探索显微镜中的全新领域铺平了道路，以惊人的速度实现自动光学设计。我为我们的成就感到非常自豪，特别是考虑到XLuminA可能对扩展我们对世界的理解所作的贡献。光学领域自动化科学发现的未来非常乐观！”，主要作者及XLuminA的主要开发者卡拉·罗德里格斯表示。 该框架的灵活结构使其易于修改以适应各种显微镜和成像技术。在未来，团队计划整合非线性相互作用、光散射和时间信息，这将有助于模拟如iSCAT（干涉散射显微镜）、结构化照明和定位显微镜等系统。该框架可以被不同的研究团队使用并根据其需求进行定制，为跨学科协作研究提供了显著优势。

一项开创性的研究工作突出了激光技术的重要进步，为环境监测和生物医学成像等应用提供了更具成本效益和可扩展性的新选择。科学家们制造出了第一种利用胶体量子点（CQDs）的激光器，该激光器可以在整个扩展短波红外（SWIR）光谱范围内工作。 在扩展SWIR范围内运行的传统激光技术通常依赖于昂贵且复杂的材料，这限制了其可扩展性和经济性。为了解决这些问题，由ICREA教授Gerasimos Konstantatos领导的团队，在ICFO的研究人员Dr. Guy L.…

来自香港城市大学（CityUHK）及其本地合作伙伴的研究人员发现了一种新的涡旋电场，可能会显著改善未来的电子、磁性和光学设备。 最近，来自香港城市大学（CityUHK）及其本地合作伙伴的研究人员发现了一种新颖的涡旋电场，前景广阔，可能改善未来的电子、磁性和光学设备。 该研究发表在Science上，值得注意的是，它可能增强各种设备的性能，特别是通过提高内存可靠性和处理速度。通过进一步的研究，这一发现可能会影响量子计算、旋量电子学和纳米技术等领域。 “在过去，制造涡旋电场需要昂贵的薄膜沉积方法和复杂的工艺。然而，我们的研究结果表明，只需简单地扭转双层二维材料，就可以轻松产生这种涡旋电场，”来自化学系并且是CityUHK超钻石与先进薄膜中心的关键成员吕德辉教授解释道。 选择一个干净的界面通常涉及直接合成双层。在维持扭转角度的灵活性方面，尤其是低角度扭转，可能会面临挑战。吕教授的团队开发了一种开创性的冰辅助转印技术，这在实现干净的界面中至关重要，从而使得双层材料的扭转处理和创造变得更加轻松。…

新的研究揭示，量子力学中的强耦合概念为制造光学滤光片提供了前所未有的机会。 来自科隆大学、比利时哈瑟尔特大学和苏格兰圣安德鲁斯大学的合作团队利用强光-物质耦合的量子原理创造了一项创新的光学技术。这一突破解决了光学系统中长期存在的角度依赖性问题。他们的研究题为“通过超强光-物质耦合打破薄膜光学中的角色散极限”，发表在《自然通讯》上，介绍了超稳定薄膜极化子滤光片，承诺将革新光子学、传感器技术、光学成像和显示应用等领域。该研究由科隆大学化学和生物化学系的汉堡纳米与生物光子学中心主任马尔特·加瑟教授领导。光学滤光片在众多应用中发挥着至关重要的作用。然而，当光以不同角度照射到它们上时，效率显著降低；这导致光的颜色发生变化，具体取决于观察位置。这一性能下降是由于基本的物理定律，可能对光学传感器的准确性产生负面影响。该国际研究团队提出的解决方案利用了一个量子力学原理：当光子与有机材料的能态进行强耦合时，它们会产生被称为极化子的结构。传统的薄膜滤光片由多个交替的透明层组成，通常采用金属氧化物制成。光与每一层相互作用，部分被反射或透过。这些层的厚度通过光波的相长干涉和相消干涉决定了最终的颜色，类似于肥皂泡的闪光表面。通过这些薄层的精细相互作用，可以精确调节这些滤光片的光学特性。然而，这种方法固有的使得滤光片容易受到角色散的影响——当滤光片倾斜时，光谱特性可能向较短波长偏移（称为蓝移）。在他们的新方法中，研究人员将强吸收的有机染料纳入光学滤光片中，从而实现了干涉光与这些染料之间的强耦合。“通常，人们的目标是尽量减少光谱滤光片中的吸收以保持其光学质量。然而，我们故意利用有机材料的强光吸收能力来创造具有出色传输特性的角稳定极化子模式，”科隆大学研究的首席作者安德烈亚斯·米什科克博士解释道。该团队成功开发出具有显著角稳定性的滤光片，在超过80°的极端观察角度下，光谱偏移不到15nm。复杂的多层设计达到了高达98%的峰值传输率，媲美现有的最佳传统滤光片。在与哈瑟尔特大学的科恩·范德瓦尔教授团队的联合研究中，研究人员已将极化子滤光片嵌入有机光电二极管中，开发出了窄带光电探测器，为高光谱成像（例如材料表征）以及紧凑型光学传感器的发展铺平了道路。该研究还表明，这项技术有可能应用于聚合物、钙钛矿、量子点等材料，从而将这一新滤光片原理扩展到更广泛的波长范围。极化子滤光片的潜在应用包括微光学、显示技术、传感器系统和生物光子学。在所有这些领域，新开发的滤光片的角度无关特性可以简化光学系统的设计，同时增强其功能。马尔特·加瑟教授强调：“这标志着我们设计光学滤光片方式的变革。通过利用一种根本新颖的方法来解决角色散的挑战，我们正在解锁光学系统全新的可能性。”研究团队将极化子滤光片视为下一代光学组件的基础，具有显著的科学和经济潜力。未来的努力将集中在将滤光片纳入如LiDAR（光探测和测距）和荧光显微镜等传感器，并探索在显示技术中的应用。

科学家们创造了一种具有显著潜力的创新纳米激光器。这种激光器的尺寸微小到只能通过强力显微镜观察，但它的应用范围涵盖早期医疗诊断、数据传输和安全措施。这一突破性的发明还可以作为研究光与物质相互作用的重要工具。 立陶宛考那斯科技大学（KTU）的研究人员与日本科学家合作，设计了一种突破性的纳米激光器。这种激光器的尺寸极小，使得其结构仅在高倍显微镜下可见，但在早期医疗诊断、数据通信和安全技术等领域开启了可能性的大门。此外，它可能在研究光与物质的相互作用中发挥关键作用。 激光器可以根据其特定的应用，在光放大和生产方法上有所不同，从而影响辐射颜色和光束质量。 “纳米激光器利用比毫米小一百万倍的结构来生成和放大光，在材料的极小体积内产生激光辐射，”发明者之一、KTU的明道古斯·尤多纳斯博士解释道。 激光器像一个镜子大厅…

人工智能揭示了新的见解，表明实现快速去碳化将无法阻止全球变暖超过1.5摄氏度。本世纪最热的年份预计将打破当前的温度记录。 研究人员得出结论，限制全球变暖在工业化前水平以上1.5摄氏度的广泛目标现在几乎不可能实现。 这些发现于12月10日发表在《地球物理研究快报》中，指出即将到来的年份很可能会创造新的温度记录。作者指出，即使人类成功按现在的目标快速减少温室气体排放到2050年代的净零，全球变暖超过2摄氏度的概率仍然达到50%。 包括气候变化政府间委员会的重大评估在内的几项先前研究表明，按照当前速度去碳化可能将全球变暖控制在2摄氏度以下。 斯坦福大学多尔可持续发展学院的气候科学家诺亚·迪芬博格（Noah…

新的技术能够分析实验数据中的晶体结构，这在以前是较难解释的。 由东京大学的久保勇基和常幸志领导的合作研究团队创造了一种创新的计算技术，能够有效识别多相材料中发现的晶体结构，这些材料是包含多种类型晶体的粉末。这种方法能够直接从粉末X射线衍射图谱中预测结构，这些图谱是当X射线穿过与速溶咖啡颗粒大小相似的晶体时产生的。与传统方法不同，这一新方法不依赖于“晶格常数”，并可以应用于以前未经过检查的实验数据。因此，这一突破对于揭示新的材料相和促进新材料的发展至关重要。他们的研究结果发表在《化学物理学杂志》中。 许多物质可以显示出多种晶体结构，称为“相”，而仍处于同一固态中。了解各种材料的基础晶体结构对于掌握它们的性质和设计新材料的方法至关重要。传统技术通常依赖于所研究晶体的“晶格常数”。这意味着需要对晶体有先验知识才能确定其结构，因此在没有准确的晶格常数的情况下，分析现有实验数据变得困难。因此，潜在的未被发现的晶体结构可能隐藏在以前收集的数据中。 久保表示：“现实世界中的晶体结构多样性是巨大的；它们代表了自然界的一些伟大谜题。我们认为，通过开发自己识别未知晶体结构的方法，我们可以洞察这些自然之谜。” 传统方法往往涉及多种技术，计算密集度也较高。为了减轻这些成本，研究人员旨在创建一种能够直接利用实验数据进行预测的方法。他们的模型基于分子动力学，通过计算原子之间的相互作用来模拟原子运动。通过整合实验X射线衍射数据，他们改进了实验结果与其模拟之间的对齐。…