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基于硅基材料,具有直接带隙是 物理世界 2020年的突破

17 Dec 2020 哈米什约翰斯顿

物理世界 2020年度突破前往Elham Fadaly,Alain Dijkstra和Eindhoven Technology大学的Erik Bakkers在荷兰,JensRenèSuckert在德国德国德国杰纳,一个用于创造一个国际团队 基于硅基材料,具有直接带隙 发射用于光电信的波长的光。

其他成就在我们的九个方面受到高度赞扬 2020年的前十大突破。

Elham Fadaly和Alain Dijkstra
Silicon看到了光线:Elham Fadaly(左)和Alain Dijkstra在他们的艾因霍温实验室。 (礼貌:Sicco Van Grieken / Surf)

毫不夸张地说,找到发出有用光的基于硅基材料一直是光电子的圣杯。通常,硅具有间接电子带隙,这意味着它不会发光。结果,硅必须与其他直接带间隙半导体材料集成,以产生供应驱动互联网信息的光的光的光电器件。虽然这种集成是可能的,但它很难且昂贵。

为了创造直接乐队缺口,Bakkers及其同事必须找到一种以六边形晶体结构的硅锗合金晶体生长一种方式,而不是通常的钻石状结构。它们通过创造合金的纳米线来完成这一点,发出红外线。除了在光学电信和光学计算中具有应用,可以使用新的基于硅基材料来产生化学传感器。

 采访Erik Bakkers

然而,由于Bakkers在上述音频访谈中指出,在实用设备中使用之前还有更多的工作要做。特别是,该团队将不得不制定如何让材料在平面上生长,而不是纳米线,使其可以用于大规模的半导体处理。

Bakkers期望团队很快就能创造一种基于硅的激光。最终,他希望这些材料可用于制造在可以产生光信号的芯片上的激光器。将光学信号转换为电子信号所需的其他组件 反之亦然 也可以制造,包括光放大器和探测器。

实际上,突破可能导致硅设备的新机会世界。

今年和九个赛跑者的突破是选自五年 物理世界 编辑已筛选在今年网站上发布的数百名研究更新。除了报告 物理世界 在2020年,我们的选择必须符合以下标准:

  • 知识或理解的重大进展
  • 技术为科学进步和/或现实世界应用发展的重要性
  • 一般兴趣 物理世界 readers

这是九个赛跑者,其中占2020年的物理世界的其余部分前10个突破。

拍摄量子测量的快照

Markus Hennrich. 斯德哥尔摩大学的同事,瑞典以及德国Siegen大学的研究人员以及西班牙的巴斯克乡村和塞维利亚,用于使用一系列“弱”测量(主题) 物理 世界 2011年的突破)探测量子力学叠加倒塌的性质。虽然测量行为通常将量子系统强制成明确的古典状态,但Hennrich和同事的工作表明,一些测量不会破坏所有量子信息。通过在锶的单一离子的实验期间采取一系列“快照”,该团队透露,测量不是瞬间的,而是逐步将叠加状态转换为古典的。由于弱测量原则上可能在量子状态中允许在Quantum状态中检测到错误,而不会在此过程中销毁这些状态,因此可以使用该工作来改善量子计算机中的纠错。

Ligo揭示了镜子中工作时的量子相关性,称重数十公斤

Haocun Yu.李麦卡尔 Massachusetts理工学院及其同事们对LIGO科学合作,表明量子级相关可以在称重数十公斤的宏观物体上留下它们的标记。该团队探索了Ligo干涉仪及其镜子的激光束之间的精致相互作用 - 每个重量为40千克。他们观察到辐射噪声有助于镜子的运动,这是Heisenberg的不确定性原理的结果。当使用激光的挤压真空状态时,他们表明量子噪声低于标准量子限制,这表明激光束和镜子之间的量子相关性。该研究可能导致利胶和类似的观察者改善了引力波的检测。

薄膜Perovskite探测器削减成像剂量

Wanyi Nie. 洛斯阿拉姆斯国家实验室的同事,用于使用薄膜佩洛夫斯库特来创建一个极其敏感的X射线探测器。使用同步射线梁表征其薄膜佩洛夫斯克矿探测器,研究人员发现钙钛矿材料的X射线吸收系数平均比硅的硅的较高10〜40倍高,用于更高能量的X射线。他们还证明,新的X射线检测器比传统的基于硅的设备更敏感100倍。这种新型的固态X射线探测器可以在极低的辐射剂量下使医学和牙科成像能够使用较少减少的X射线剂量来产生相同的质量图像,使扫描更安全。聂还指出,应尽可能地制造大型探测器阵列,其成本远低于半导体检测器。

来自难以捉摸的融合循环的Borexino Slow Solar Neutrinos

到了 Boreborino. 观察中微子从太阳中碳 - 氮气(CNO)循环的中微子的合作。为此,该团队必须首先煞费苦心地最大限度地减少钻孔探测器中的背景辐射的影响,该探测器包括278吨的超纯液闪烁体,位于意大利的Gran Sasso Mountain。该观察结果证实了恒星核酸合作的理论首次提出了80多年前,并鼓励物理学家使用下一代中微子探测器来试图解决太阳的“金属益智” - 关于碳,氮和碳丰富的谜团氧气中的氧气。

首先观察铁电向型液晶

Noel Clark. 和科罗拉多大学博尔德大学的同事和美国犹他大学,在预计存在后,在液晶中观察到液晶的铁电象征物质阶段超过100年。在该阶段,在液晶点的特定贴剂或域内的所有分子大致相同的方向 - 一种称为极性排序的现象,该现象是由Peter debye和Max在1910年代回来的首先假设。克拉克和同事发现,当它们将弱电场施加到称为RM734的有机分子时,朝向含有液晶的电池边缘开发的尖刺调色板。在此阶段,RM734被证明比传统的列目液晶更响应电场。虽然需要进一步的工作来识别在室温下显示现象的材料,但铁电线可以在新型显示屏中找到应用程序的应用程序,以便再见计算机存储器。

基本常数为声速设定上限

Kostya Trachenko. 伦敦皇后大学学报, Bartomeu Monserrat.克里斯·挑战 剑桥大学与 Vadim Brazhkin. 俄罗斯科学院的计算表明,固体和液体中声速的上限取决于仅两维数量 - 细结构恒定和质子 - 电子质量比。该团队的理论预测由一系列固体材料中的声音速度的实验数据和金属氢气中声速的计算来备份 - 一种尚未在实验室中产生的材料,但应该具有最快的速度声音。该研究提供了深入了解基本常数如何在物理性质上施加限制。

向光子扩展扭曲

和reaalù., 乔格良宝, 程伟邱 和纽约市,新加坡国立大学,中国地质大学和奥斯汀大学的纽约市大学的国际合作队,奥斯汀大学,表明光明的分散和衍射无衍射的传播在二十氧化钼的扭曲层中,在扭曲层中击败衍射限制的分辨率。他们的工作建立在发现“魔法角度”石墨烯 - 物理世界 2018年的一年突破 - 通过使用2D材料的扭曲层来改变传播光子的行为,而不是电子。正如扭曲的是对超导电性和电子状态的循环导致了一连串的研究,新的光子变体对纳米成像,量子光学,计算和低能量光信号处理具有重要意义。

混合梁增强颗粒治疗精度

到一个队的团队 joao seco. 在德国癌症研究中心和 西蒙豪华 伦敦大学学院(UCL.),用于证明混合粒子束如何能够同时癌症治疗和治疗监测。该想法是使用包含两个碳离子的梁,该梁提供靶肿瘤的治疗辐照,氦离子和直线穿过患者行进,因此可以用于成像。在使用骨盆幽灵的Heidelberg离子束治疗中心的实验中,研究人员表明,幽灵内部气球的小膨胀甚至导致氦范围内的可观察变化。他们还证明小型幻象旋转改变了测量信号。实验揭示了使用混合光束来监测分级内解剖学变化的潜力,从而能够更准确地递送颗粒治疗,并最终为癌症患者提供更好的结果。

第一室温超导体

ranga dias. 与罗切斯特大学的同事以及美国内华达大学拉斯维加斯在美国,在富裕的压力下在富含氢物质的温度下观察高达15°C的超导性。超导体承载电流,没有电阻,具有来自MRI扫描仪的高场磁体的一系列应用,以粒子促进剂。基于超导体的实用装置必须冷却至非常寒冷的温度,这是昂贵的,并且可以涉及使用氦气,所以凝聚物物理学家的长期目标是开发在室温下是超导体的材料。由DIAS和同事制造的碳质硫磺氢化物材料将先前的高温记录缩短约35°C,是第一个索取室温超导性的高温记录。虽然需要260万大气压的压力来实现室温超导,研究人员认为可以通过改变材料的化学来降低压力。

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