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东京科技大学和东京央华工业公司（TOK）的科学家报告称，一种新开发的嵌段共聚物可能会显著增强半导体制造中的集成和微型化。这种创新化合物经过化学工程设计，能够进行精确的定向自组装，并能形成半径宽度小于10纳米的垂直层状结构，超越传统的嵌段共聚物。 微型化在现代电子设备中发挥着至关重要的作用，并且在过去几十年中，这一方面为显著的性能提升奠定了基础。为了继续这一趋势，必须在半导体芯片上创造更精细的电路图案，而半导体芯片是所有电子设备中的重要组成部分。专家预测，到2037年，半导体设备中特征之间的最小距离——称为“半径”——将需要缩小到大约8纳米，这突显了增强光刻技术（在半导体材料上制作复杂电路图案的过程）的重要性。 显然，在任何材料上生成如此精细的结构是一项重大挑战。应对这一挑战的一种有前景的方法是使用嵌段共聚物（BCPs）进行定向自组装（DSA）。简单来说，BCPs由两种或多种不同聚合物部分（称为区块）组成的长链状分子构成。DSA过程利用BCPs中各个区块之间的相互作用，使其能够自发且有序地排列成结构。尽管这种方法有效，但通过DSA创建小于10纳米（小于10 nm）的特征仍然困难。 2024年7月6日，《自然通讯》上发表的一项最新研究，来自东京工业大学（东京科技）和东京央华工业（TOK），拓展了这一领域的可实现范围。研究团队由早川照昭教授领导，开发了一种新BCP，经过精心设计，可在基材上创建极小的线条图案，呈层状领域（由精细分层结构组成）。这些微小图案可能为新型半导体技术打下基础。…

科学家们创建了一种人工智能工具，该工具生成复杂的细胞代谢模型，促进了对细胞运作的更好理解。理解细胞如何分解营养物质并产生能量的过程，称为代谢，在生物学领域中至关重要。然而，分析大量关于细胞功能的数据以揭示代谢状态的任务相当复杂。 当代生物学产生了大量与各种细胞功能相关的数据集，有时被称为“组学”数据集。这些数据集揭示了细胞功能的不同方面，如基因表达和蛋白质水平。然而，整合和解释这些数据集以理解代谢过程是困难的。 动力学模型是应对这一复杂性的解决方案，它提供了数学框架，展示细胞代谢。它们像详细的地图，解释分子如何相互作用和转变，展示了物质如何随时间转化为能量和其他产物。这帮助科学家揭示支持细胞代谢的生化机制。然而，由于识别控制细胞过程的参数的难度，创建动力学模型被证明是一个艰巨的挑战。 由Ljubisa Miskovic和Vassily…

研究人员开发了一种突破性的物质量子态，称为高阶拓扑磁体，这可能有助于解决量子技术领域中的重大挑战。当各种量子态融合时，它们可以形成新的集体物质。在量子世界中，当具有量子特性的原子等成分聚集在一起时，它们可以形成大规模的量子态，这些量子态以独特的量子激发为特征，而这些激发在其他地方是找不到的。 阿尔托大学与中国科学院物理研究所的合作导致了人工量子材料的创制，该材料是通过在氧化镁基底上逐原子构建的磁性钛层。研究人员精确控制了该材料中原子之间的相互作用，从而创造出一种新颖的物质量子态。阿尔托大学的Jose Lado制定了这种拓扑量子磁性理论框架，而中国科学院物理研究所由副教授Kai Yang领导的团队通过精确的原子操作技术使用扫描隧道显微镜构建和分析了该材料。 本研究标志着新量子态的首次展示，称为高阶拓扑量子磁体。这种类型的磁体可能提供一种有前景的方法，以改善量子应用中对抗去相干的保护。…

一个研究团队在超导拓扑晶体绝缘体SnTe的单个涡旋中发现了首个多个马约拉纳零模（MZMs）。他们利用晶体对称性来管理这些MZMs之间的连接，为容错量子计算机的发展铺平了道路。这一重要发现已发表在《自然》上。 由香港科技大学物理系副教授刘俊伟教授带领的研究团队，与上海交通大学的贾金峰教授和李耀毅教授合作，通过在超导拓扑晶体绝缘体SnTe的一个涡旋中发现多个马约拉纳零模（MZMs）取得了突破。他们利用晶体对称性来控制这些MZMs之间的相互作用。该发现为开发可靠的量子计算机开辟了新途径，具体细节已在《自然》上发表。 MZMs是具有零能量的独特准粒子，其行为遵循非阿贝尔统计，这允许不同的编织顺序而不改变交换的整体数量。这与电子和光子等典型粒子不同，后者的不同运动会导致相同的最终状态。这些特性使得MZMs对局部干扰具有韧性，使其非常适合用于稳定的容错量子计算。尽管在制造人工拓扑超导体方面取得了进展，由于其空间分离，操控和编织MZMs一直很困难，这使得它们合并所需的运动变得复杂。 该合作研究结合香港科技大学和上海交通大学的理论和实验专长，采用了一种新颖的方法，通过利用晶体对称性保护的MZMs的特殊特征来克服现有挑战。他们成功展示了在SnTe的单个涡旋中，受磁镜对称性保护的多个MZMs的存在和合并，而无需实际空间运动或强磁场。他们的方法利用了低温扫描隧道显微镜、高质量材料生长和广泛的理论模拟的技能。 上海交通大学的实验团队注意到，在倾斜磁场作用下，SnTe/Pb异质结构中零偏压峰（这是MZMs的一个关键指标）发生了显著变化（见图4a-b）。对此，香港科技大学的理论团队进行了详细的数值模拟，以确认这些变化与晶体对称性保护的MZMs直接相关。通过采用核多项式方法，他们有效地模拟了具有数亿轨道的大涡旋系统，使进一步研究涡旋系统中晶体对称性保护的MZMs以外的新特性成为可能。这项研究为识别和操控受晶体对称性保护的多个MZMs开辟了新的可能性。他们的发现为在实验中展示非阿贝尔统计和基于这些多个MZMs创建创新的拓扑量子比特和量子门奠定了基础。…

成为绿色的激光器并不容易。多年来，科学家们成功地制造了紧凑的红光和蓝光激光器，但开发其他颜色的激光器，特别是绿色激光器，一直都很具有挑战性。一个新的研究团队通过开发可以集成到芯片上的微型激光器，发出橙色、黄色和绿色光，解决了这个问题。这一进展为量子传感、通信和信息处理开辟了许多可能性。 制造绿色激光器是一项困难的任务。 长期以来，研究人员已经生产出小型高质量的红光和蓝光激光器。然而，向半导体中注入电流的标准方法对于制造产生黄色和绿色光的小型激光器并不那么有效。这种在绿色光谱中稳定的微型激光器的稀缺性被称为“绿色缺口”。弥补这一缺口为水下通信、医疗治疗等新机会铺平了道路。 虽然绿色激光指示器已经存在25年，但它们发出的绿色光范围有限，缺乏与其他设备在芯片上的集成，因此无法在实际应用中协调工作。 美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员现在通过修改一个小型光学组件——一个足够小以便放置在芯片上的环形微谐振器，解决了绿色缺口的问题。…

某些微生物可以引起疾病或使食物变质，但其他微生物对我们的生存至关重要。这些微小生物体也可以被改造以创造特定物质。近期发表在《ACS可持续化学与工程》上的一项研究详细介绍了研究人员如何重新工程化一种这样的微生物，以帮助应对温室气体。这种微生物吸收二氧化碳（CO2）并产生美伐酸，这是一种重要的药物成分。 我们大气中温室气体的不断增加已导致全球变暖。为解决这一问题，有必要显著减少温室气体排放，特别是CO2。此外，消除大气中现有的CO2也至关重要。目前的研究集中在开发捕获CO2的方法，其中一种有前景的方法是利用微生物。通过应用基因工程，科学家可以改变这些微生物的自然途径，将它们转变为能够生产各类物质的小工厂，例如胰岛素。 作为这一微生物工厂的候选者之一，Cupriavidus necator H16是一种已知能在极少资源下生长的细菌。它主要以CO2和氢气为食，使其成为捕获和转化这些气体为更大化合物的理想选择。然而，尽管细菌的DNA可以被调整以创造令人兴奋的产品，但它在时间上难以保持这些新的遗传指令。从技术上讲，质粒（包含遗传信息的分子）并不非常稳定。卡塔琳·科瓦奇和她的团队试图增强C.…

为了深入研究黑洞的谜团，东北大学的科学家们开发了一个高度详细的模拟程序，模拟吸积盘内的湍流，达到了迄今为止最高的分辨率。来自东北大学和宇都宫大学的研究团队在理解发生在“吸积盘”中的复杂湍流特性方面取得了重大进展，这些吸积盘是围绕黑洞旋转的充满气体的结构。通过利用尖端的超级计算机，他们进行了前所未有细节的模拟。 科学家们对黑洞奇特而极端的特性充满兴趣。然而，由于黑洞捕捉光线，无法通过望远镜直接观察。因此，研究人员研究黑洞对其附近环境的影响。吸积盘提供了一种间接观察黑洞的方式，因为它们会发出可被望远镜探测到的电磁辐射。 “准确模拟吸积盘的行为显著增强了我们对黑洞周围物理动态的理解，”川面洋平表示。“它提供了重要的见解，帮助我们解读从事件视界望远镜收集的数据。” 该团队使用了强大的超级计算机，包括理研的“富岳”（被认为是2022年前世界上最快的计算机）和NAOJ的“ATERUI II”，进行极具细节的模拟。尽管之前已经存在吸积盘的数值模拟，但由于计算能力的限制，没有成功观察到惯性范围。这项研究首次成功重现了连接吸积盘湍流中大尺度和小尺度湍流漩涡的“惯性范围”。…

研究人员利用醋蒸汽通过一种廉价的、室温的方法显著增强了紫外线传感器，这可能会导致可穿戴技术的改善。麦考瑞大学的科学家们引入了一种创新技术来制造紫外线（UV）光传感器，可能会导致更高效和更适应的可穿戴设备。 这项研究的结果于七月发表在期刊Small上，揭示了醋酸蒸汽——基本上是醋的烟雾——如何迅速提升由氧化锌纳米颗粒制成的传感器的有效性，而无需高温处理。 麦考瑞大学工程学院的共同作者黄淑娟教授解释道：“通过短时间地让传感器暴露于醋蒸汽中，传感器表面相邻的氧化锌颗粒结合在一起，形成导电桥。” 连接氧化锌纳米颗粒对于构建微型传感器至关重要，因为它创造了允许电子流动的通道。 研究团队发现他们的蒸汽方法可以使紫外线探测器的响应性比未处理的探测器提高128,000倍，同时仍能准确探测紫外线而不受到干扰，产生高灵敏度和可靠的传感器。…

通过使用迈克尔逊干涉仪在操作 FT-IR光谱中同步光催化剂的周期性激励，富士山俊树领导的研究团队成功检测并表征了参与光催化氢气生产的反应性电子物种。这项研究挑战了传统观点，揭示在光催化中发挥作用的并不是金属共催化剂中自由可用的电子，而是被困在这些共催化剂边缘的电子直接贡献。 自1972年本田和藤岛首次发现光化学氢气生产以来，异相光催化领域受到相当大的关注，并继续成为一个动态的研究领域。深入了解参与光催化还原的反应性电子物种和活性位点对于开发能够增强氢气产生作为可持续能源来源的新催化剂至关重要。 尽管其重要性显著，但实现对光催化中微观过程的详细理解一直是一个挑战。这一困难源于光激发反应性电子物种产生的微弱光谱信号容易被由热激发非反应电子产生的强背景信号所掩盖，尤其是在长时间的光子照射下。这种背景干扰通常是由于在真实光催化反应过程中催化剂样品的温度升高造成的。 来自研究生院先进研究所分子科学研究所的研究团队（佐藤裕昌博士和富士山俊树教授）成功地显著减少了热激发电子的信号，从而使得观察到参与光催化氢气生产的反应性光激发电子成为可能。这一突破是通过一种新方法实现的，该方法通过迈克尔逊干涉仪将光催化剂的毫秒周期性激励与FT-IR光谱学同步。…

研究人员在使用数字量子计算机精确模拟高阶拓扑（HOT）晶格方面取得了显著进展。这些复杂的晶格形式对我们理解具有稳定量子态的高级量子材料至关重要，这些材料在各种技术应用中有着很高的需求。 新加坡国立大学（NUS）的科学家利用数字量子计算机实现了高阶拓扑（HOT）晶格的令人印象深刻的模拟，其精度无与伦比。这些先进的晶格设计对理解展示强量子态的前沿量子材料至关重要，这些材料在众多技术应用中备受追捧。 对拓扑物质状态的探索，尤其是它们的高阶版本，已引起物理学家和工程师的重大兴趣。这种日益增长的吸引力主要是由于拓扑绝缘体的发现——这些材料可以让电流仅沿其表面或边缘流动，而保持其内部部分绝缘。得益于独特的拓扑特性，在边缘移动的电子不受材料缺陷或变化的影响。因此，采用这些拓扑物质制造的设备在增强传输或信号传输技术方面展现出巨大潜力。 利用许多体量子相互作用，由NUS物理系助理教授李清华领导的团队设计了一种可扩展的方法，来表示大型、复杂的HOT晶格，以反映真实的拓扑材料，当前由数字量子计算机支持的简单自旋链。该技术利用量子计算机量子比特所能容纳的大量信息，同时以抗噪声的方式最小化对计算资源的需求。这一创新为通过数字量子计算机模拟先进的量子材料开辟了一条新途径，为拓扑材料设计展现出新的可能性。 该研究的结果已发表在《自然通讯》杂志上。…

天文学家发现了一对在128亿年前合并的星系。这些星系的特征表明，它们的合并将形成一个巨大的星系，被认为是宇宙中最明亮的天体之一。这一发现对理解早期宇宙中星系和黑洞的发展至关重要。 类星体是极其明亮的天体，其能量来源于落入位于星系中心的超大质量黑洞的物质。在宇宙的早期阶段，主流理论认为，当两 ​​个富含气体的星系发生碰撞并合并成一个更大的星系时，它们的引力将气体吸引向一个或两个星系中的超大质量黑洞，从而触发类星体活动。 为了探索这一理论，由 Takuma…

一组科学家通过一种新型偏振复用器探索了6G通信的可能性。 太赫兹通信标志着无线技术的新水平，提供的数据速率远远超出当前系统的水平。 在太赫兹频率下运行使这些系统具备了卓越的带宽，从而促进了超快速无线通信和数据传输。然而，太赫兹通信中的一个主要难题是高效管理和利用可用的频谱。 研究团队创造了首个基于无基板硅基础的超宽带集成太赫兹偏振（去）复用器，并成功在亚太赫兹J波段（220-330 GHz）进行测试，适用于6G通信及其更高级别的应用。…