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4、全碳等離子激光器問世

澳大利亞莫納什大學(xué)的科學(xué)家日前在《美國(guó)化學(xué)會(huì)•納米》雜志上撰文稱，他們研發(fā)出了全球首個(gè)完全由碳基材料制成的等離子激光器。該技術(shù)有望在提高運(yùn)行速度的同時(shí)，徹底改變電子產(chǎn)品的外形。未來，如名片般輕薄柔軟的手機(jī)甚至能被直接印制在衣服上。

等離子激光器的大名叫表面等離子體激元納米激光器（spaser），實(shí)際上是一種高效的納米光源。它能夠通過自由電子的振動(dòng)發(fā)出光束，而不像傳統(tǒng)激光器那樣需要電磁波和占用巨大的空間。傳統(tǒng)激光器的運(yùn)行需要放大光子，而等離子激光器則是通過放大表面等離子體。等離子體的運(yùn)用能夠使其突破傳統(tǒng)激光器的限制，速度更快、體積更小，讓超高分辨率成像和微型光學(xué)電路成為現(xiàn)實(shí)。有研究稱，這種電路比目前最快的硅基電路還要快上百倍。

負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的莫納什大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)院（ECSE）博士蓋魯帕辛哈稱，與半導(dǎo)體等離子激光器相比，碳基等離子激光器還將提供更多優(yōu)勢(shì)。

蓋魯帕辛哈說：“目前傳統(tǒng)的等離子激光器大部分由金、銀等金屬納米顆粒和半導(dǎo)體量子點(diǎn)制成，而我們的設(shè)備則由石墨烯諧振器和碳納米管增益元件組成。使用碳意味著，這種激光器的效率更高、更柔軟便攜，能夠在高溫下工作，并且更加環(huán)保。根據(jù)這些特性，未來有望制造出能夠直接印制在衣服上的微型手機(jī)。目前研究人員已經(jīng)在納米天線、電導(dǎo)體和波導(dǎo)上進(jìn)行了測(cè)試。”

物理學(xué)家組織網(wǎng)發(fā)表在4月17日的一篇文章稱，這項(xiàng)新研究還首次證實(shí)了石墨烯和碳納米管之間可以交互并通過光進(jìn)行能量傳遞。這種基于光的傳導(dǎo)，速度極快還非常節(jié)能，特別適用于制造計(jì)算機(jī)芯片。因?yàn)榫哂袠O其卓越的機(jī)械、電氣和光學(xué)性能，而且還是優(yōu)良的熱穩(wěn)定材料，能夠承受高溫，石墨烯和碳納米管能夠完全勝任很多高效、輕量級(jí)的應(yīng)用。以該技術(shù)為基礎(chǔ)的高速芯片可以被用來替代目前大量使用的、基于晶體管的裝置，如微處理器、存儲(chǔ)器和顯示器等。新技術(shù)能夠輕易突破硅基材料目前所面臨的小型化和帶寬瓶頸。

蓋魯帕辛哈說，除了在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用外，這種激光器還有望在癌癥的放射療法上獲得應(yīng)用，結(jié)合納米標(biāo)記技術(shù)，石墨烯和碳納米管產(chǎn)生的高強(qiáng)度電場(chǎng)能將癌細(xì)胞各個(gè)擊破，而不傷及健康細(xì)胞。此外，在分子檢測(cè)和高靈敏度生物醫(yī)學(xué)測(cè)試上該技術(shù)也能一顯身手。

5、 “以退為進(jìn)”提高激光器光強(qiáng)度

在諸如激光器等光學(xué)系統(tǒng)中，能量損失是影響功效的主要障礙，它以令人沮喪的方式持續(xù)不斷地存在。為了克服激光器系統(tǒng)能量損失，操作人員經(jīng)常用超量光子或光束來刺激系統(tǒng)以獲取所需。但是，美國(guó)華盛頓大學(xué)的工程師們最近用一種新方法扭轉(zhuǎn)或消除了這種損失局面，而他們的方法正是通過給激光器系統(tǒng)增加一些“損失”來收獲能量。換一種說法就是，他們已經(jīng)發(fā)明了一種“以退為進(jìn)”的妙招。這一成果發(fā)表在10月17日出版的《科學(xué)》雜志上。

該成果的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)由華盛頓大學(xué)電子系統(tǒng)工程系教授楊蘭（音譯）博士領(lǐng)銜，五名隊(duì)員來自美國(guó)、日本和澳大利亞。他們共進(jìn)行了三個(gè)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出這一新妙招。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)10月17日（北京時(shí)間）報(bào)道，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們通過改變對(duì)兩個(gè)微型諧振器的距離改變其匹配狀態(tài)，對(duì)其中一個(gè)采用“一給命令就消失”的可控操作；在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過變化損失量，他們能操控匹配狀態(tài)并測(cè)算出兩個(gè)諧振器之間的光強(qiáng)度，結(jié)果，令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能量損失增加的時(shí)候，兩個(gè)諧振器的總強(qiáng)度先是上升然后又有所下降，但最終重新顯現(xiàn)出了較高的光強(qiáng)度；在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們通過在二氧化硅中增加損失量獲得了兩個(gè)非線性現(xiàn)象。

“光強(qiáng)度在光學(xué)系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的參量。”楊蘭說，“不同于給系統(tǒng)增加更多能量的標(biāo)準(zhǔn)方法，我們反其道而行之，通過調(diào)節(jié)損失量來獲取更有效的能量。”

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括兩個(gè)微小的直接匹配的二氧化硅諧振器，每一個(gè)都配備了不同的熔錐光纖連接器，能將光線從一個(gè)激光發(fā)射器的二極管引導(dǎo)到感光探測(cè)器；光纖逐漸變窄，確保光線在光纖和諧振器的正中間。楊蘭說，這個(gè)構(gòu)想可以在任何配對(duì)物理系統(tǒng)中應(yīng)用。

關(guān)鍵器件是一種叫做“鉻涂層二氧化硅納米錐”的微型裝置，能讓其中一個(gè)微型諧振器產(chǎn)生光強(qiáng)損失。這個(gè)微型裝置被放置在調(diào)控范圍只有20納米的極微小的光泄漏區(qū)域中。“用鉻來做涂層，是因?yàn)樗�是一種能大量吸收1550納米波長(zhǎng)的材料，而且能很好地對(duì)它調(diào)控‘損失’程度。”研究人員說。另一種關(guān)鍵裝備，是“納米定位器”，能通過調(diào)節(jié)距離來控制配對(duì)諧振器之間的長(zhǎng)度。

“損失獲能”現(xiàn)象具有“例外點(diǎn)”的特征，這種特征對(duì)系統(tǒng)特性影響甚大。在近些年的物理學(xué)研究中，“例外點(diǎn)”貢獻(xiàn)了一系列“反常”的表現(xiàn)和結(jié)果。“當(dāng)我們調(diào)試系統(tǒng)達(dá)到‘例外點(diǎn)’，基于光強(qiáng)度的非線性過程都受到了影響。”

“這項(xiàng)研究的美好之處在于，通常來講，‘損失’被認(rèn)為是不好的，但是我們把它變成了好的進(jìn)而扭轉(zhuǎn)了壞的影響，我們用激光器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。”楊蘭說。除了對(duì)激光器技術(shù)發(fā)展有所裨益，他們的發(fā)現(xiàn)成果在其他物理學(xué)領(lǐng)域，比如光子晶體表現(xiàn)、電漿子結(jié)構(gòu)和超材料等研究領(lǐng)域中，也會(huì)激發(fā)針對(duì)“損失”效果的新研究計(jì)劃。

6、美國(guó)探索用反物質(zhì)造伽馬射線激光器

傳統(tǒng)激光器的操作光波可從紅外線到X射線一網(wǎng)打盡，而伽馬射線激光器則依靠比X射線更短的光波來運(yùn)行，這就使其能產(chǎn)生波長(zhǎng)僅為X射線千分之一的光波，從而能對(duì)非常微小的空間進(jìn)行探測(cè)，并在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域大展拳腳。不過，長(zhǎng)期以來，建造伽馬激光器一直是個(gè)難題。現(xiàn)在，美國(guó)科學(xué)家讓一類名為“電子偶素（positronium）”的物質(zhì)—反物質(zhì)混合物作為增益介質(zhì)，將普通光變成了激光束。

據(jù)美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站5月8日?qǐng)?bào)道，在最新一期的《物理評(píng)論•原子分子物理》雜志上，馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所的王逸新（音譯）、布蘭登•安德森以及查爾斯•克拉克撰文表示，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向電子偶素提供特定能量，它將產(chǎn)生在其他能量下無法制造出的激光；而且，要制造出激光束，這種電子偶素必須處于玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)下。

克拉克解釋道，這種奇怪的效應(yīng)與電子偶素的“性格”有關(guān)。每個(gè)電子偶素“原子”實(shí)際上是一個(gè)普通的電子和一個(gè)正電子（電子的反物質(zhì)）。正電子和電子分別帶正負(fù)電荷。當(dāng)它們相遇時(shí)，會(huì)相互湮滅并釋放出兩個(gè)高能光子，這兩個(gè)光子位于伽馬射線范圍內(nèi)，反向移動(dòng)。

有時(shí)，電子和正電子會(huì)圍繞對(duì)方旋轉(zhuǎn)，就像電子圍繞著質(zhì)子旋轉(zhuǎn)組成原子一樣。然而，正電子比質(zhì)子輕，因此電子偶素并不穩(wěn)定，在不到十億分之一秒內(nèi)，電子和正電子會(huì)相互碰撞并發(fā)生湮滅。

為了制造出伽馬射線激光器，科學(xué)家們需要使電子偶素的溫度非常低，接近絕對(duì)零度（零下273攝氏度）。這一冷卻過程會(huì)讓電子偶素進(jìn)入波色—愛因斯坦凝聚態(tài)，這種狀態(tài)下物質(zhì)內(nèi)的所有原子，也就是電子—正電子對(duì)，進(jìn)入同樣的量子狀態(tài)，一舉一動(dòng)整齊劃一。

量子狀態(tài)的一個(gè)方面是自旋。電子偶素的自旋數(shù)要么為1，要么為0。一束遠(yuǎn)紅外線光脈沖能讓電子偶素的自旋數(shù)為0。自旋為零的電子偶素會(huì)湮滅并產(chǎn)生雙方向相干的伽馬射線束—激光束。研究人員表示，能做到這一點(diǎn)是因?yàn)樗�有電子偶素“原子”擁有同樣的自旋�?shù)。如果是自旋為0和自旋為1的電子偶素隨機(jī)組合，那么，光會(huì)朝各個(gè)方向散射。

研究人員也計(jì)算出，為了讓一臺(tái)伽馬射線工作，每立方厘米大約需要1018個(gè)電子偶素原子，聽起來有點(diǎn)多，但與空氣的密度相比還是少很多，同樣體積的空氣大約有2.5×1019個(gè)原子。

在1994年首次提出伽馬射線激光器這一概念的貝爾實(shí)驗(yàn)室的艾倫•米爾斯表示，研究人員可以借用數(shù)學(xué)方法，讓制造這種激光器所需要的環(huán)境更加精確。