《NPL为量子技术创造新机遇——先进的测量揭示纳米级现象》

  • 来源专题:计量基标准与精密测量
  • 编译者: 李晓萌
  • 发布时间:2024-04-18
  • 半导体二维材料只有几个原子厚,其中一些表现出局部发射,光从层的一小部分发射,一次只产生一个光子。这种局域发射具有独特的特性,对新量子技术至关重要,特别是在光电和量子器件应用中。

    研究表明,拉伸一种叫做二硒化钨的二维材料可以导致局部发射,许多人都在努力创造具有最大应变层的纳米结构。然而,NPL的先进测量表明,弯曲材料可以产生类似的效果。

    在最近发表的一篇文章中,国家物理实验室的科学家们提出,二维材料的弯曲是一种更好的设计这种特性的方法。

    拉伸和弯曲的影响并不总是容易区分,但通过结合先进的测量技术,他们的结果表明,这种替代范例是通往室温量子光源的有希望的途径。

    曲率比拉伸应变更容易设计,因此这一结果可以加速低成本量子技术的发展。

    NPL目前正在与英国和巴西的团队合作,进行量子化学建模和进一步的实验工作,以测试所提出的范式,并发展对几何曲率如何导致单层二硒化钨局部发射的理论理解。

    科学系主任Fernando Castro教授说:“这项工作是一个很好的例子,说明了如何将材料和测量科学不同领域的专业知识团队聚集在一起,以一种新的方式理解先进二维材料半导体的局部发射,为光电子学和量子应用开辟了新的机会。”

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  • 《中国科大揭示金属纳米催化剂尺寸效应》

    • 来源专题:中国科学院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-03-30
    • 金属纳米颗粒的尺寸效应对负载型金属纳米材料的催化活性和选择性有重要影响。从几何结构上看,随着金属颗粒尺寸的减小,低配位原子逐步暴露且比例渐渐升高,显著改变催化材料活性中心的结构和比例。从电子结构上看,金属颗粒的电子能级也因量子尺寸效应发生显著改变,极大地影响催化材料和反应物之间的轨道杂化和电荷转移。由于金属纳米催化颗粒的几何结构和电子结构随其尺寸同步改变,使得人们无法有效区分两种结构效应对催化反应活性、选择性的贡献以及对尺寸的依赖关系。如何揭示金属催化剂尺寸效应的内在本质,打破几何结构效应和电子结构效应与颗粒尺寸的强关联性,进而优化设计性能更好的催化剂,是目前多相催化领域的一大挑战。   针对这一问题,中国科学技术大学教授路军岭课题组和李微雪课题组展开实验和理论合作研究,首次揭示了金属纳米催化剂中几何效应和电子效应各自对催化反应随尺寸变化的调变规律,创造性地提出一种拆分剥离金属颗粒几何效应和电子效应的策略——金属纳米颗粒的“氧化物选择性包裹”。在具有重要应用背景的Pd催化苯甲醇选择性氧化到苯甲醛反应中,实现了高活性和高选择性转化。相关研究结果以Disentangling the size-dependent geometric and electronic effects of palladium nanocatalysts beyond selectivity 为题,发表在国际期刊《科学进展》上(Science Advances,2019, 5, eaat6413)。   醛类化合物是合成精细化学品的关键中间体。醇选择性氧化制醛是重要的基本化工过程。路军岭课题组系统研究了苯甲醇选择性氧化反应中金属Pd催化剂的尺寸效应,发现Pd颗粒的催化活性和选择性随颗粒尺寸均呈“火山型”变化趋势(图1A,B):在大尺寸时,虽然选择性高,但比活性较差;在4nm处,虽然比活性较高,但选择性较差;而在小纳米尺寸时,虽然选择性较高,但比活性较差。为了剥离几何效应对此变化趋势的贡献,该课题组基于原子层沉积(ALD)技术,利用Al2O3和FeOx分别选择性地包裹Pd颗粒的低配位和高配位原子(图1C,D),在不改变颗粒尺寸和电子结构情况下,实现了对Pd颗粒暴露原子的低配位/高配位比例的精准调控,为研究几何效应对催化反应的单独贡献奠定了基础。基于该策略,研究团队发现当催化剂尺寸大于4nm时,几何效应占主导地位:尺寸越大,低配位原子比例越低,选择性越好;当催化剂尺寸小于4nm时,尽管低配位原子比例越来越高,但选择性却越来越好,光电子能谱(XPS)数据表明Pd的电子结构发生显著变化,预示着电子效应可能反转了选择性的变化趋势。   为了理解实验中观测的催化反应活性和选择性随尺寸变化的双火山曲线变化规律,李微雪课题组展开了第一性原理的理论计算研究。在理论上首次发现在大尺寸Pd催化苯甲醇选择性氧化中,高低配位Pd表面上活性氢物种的氧化与加氢两个反应路径的竞争是几何效应产生的关键:高配位Pd原子处的活性氢物种容易与表面羟基反应生成水,有助于苯甲醛的产生;相反,低配位Pd原子处的活性氢物种更容易对苯甲基加氢,从而有助于甲苯的生成。该结果揭示了实验上观测大尺寸几何效应产生的微观机制。基于不同尺寸的Pd团簇模型(图2),计算发现由于电子效应导致Pd的功函数随粒径减小逐步降低,和实验上观测到的光电子能谱数据变化规律一致,Pd颗粒和反应物中间体之间有更多的电荷转移,形成更强的化学键,从而降低了反应活性,使得加氢到甲苯变难,苯甲醛选择性提高。这一结果从微观上证明了在小纳米粒子时的确是电子效应反转了选择性随尺寸的变化规律。   综上所述,研究人员发现在较大(>4nm)和较小(<4nm)的颗粒上,几何效应和电子效应分别控制主导反应的性能,从而使催化反应的选择性和活性都随颗粒尺寸呈“火山型”变化趋势。在此基础上,通过“氧化物选择性包裹”4nm颗粒的低配位原子,有效抑制了副反应的发生,获得高比质量活性和高选择性的催化剂(图1)。该工作提出的“氧化物选择性包裹”金属纳米颗粒的策略,不但能够有效拆分剥离金属颗粒的几何和电子效应,而且打破了催化性能随颗粒尺寸变化的“火山型”曲线。该策略为理解催化反应中的几何效应和电子效应提供了有效手段,并且为设计高活性、高选择性的金属催化剂提供重要指导。   论文第一作者是中国科大化学与材料科学学院博士生王恒伟和美国韦恩州立大学博士顾向奎。通讯作者路军岭和李微雪共同指导了该研究。该项研究得到国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重大研究计划、国家重点研发计划、中国科学院创新群体、中国科学院前沿重点研究课题、中央高校基本科研业务费、马克思-普朗克伙伴小组等资助。
  • 《量子计算可以创造光控存储技术》

    • 来源专题:计量基标准与精密测量
    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2024-01-24
    • 近日,希伯来大学的一项新研究揭示了光和磁性之间以前未知的联系。这一发现可能会带来超快的光控存储技术和检测光的磁性部分的创新传感器。这一突破有望彻底改变我们在各个行业存储数据和构建设备的方式。 希伯来大学应用物理与电气工程研究所自旋电子学实验室负责人Amir Capua教授宣布,在光磁相互作用领域取得了关键突破。该团队的意外发现揭示了一种光学激光束控制固体磁性状态的机制,有望在各种行业中得到实际应用。 Capua教授表示:“这一突破标志着我们对光和磁性材料之间相互作用的理解发生了范式转变。”。“它为光控高速存储器技术,特别是磁阻随机存取存储器(MRAM)和创新的光学传感器开发铺平了道路。事实上,这一发现标志着我们对光磁动力学的理解发生了重大飞跃”。 这项研究通过揭示被忽视的光的磁性方面来挑战传统思维,与光辐射的快速行为相比,由于磁体的反应较慢,光的磁性通常较少受到关注。通过调查,该团队揭示了一个新的理解:快速振荡光波的磁性成分具有控制磁体的能力,重新定义了原理物理关系。有趣的是,确定了一个描述相互作用强度的基本数学关系,并将光磁场的振幅、频率和磁性材料的能量吸收联系起来。 这一发现与量子技术领域密切相关,并结合了迄今为止几乎没有重叠的两个科学界的原理:“我们是通过使用量子计算和量子光学界公认的原理而达成这一理解的,但在自旋电子学和磁学界则不然。“当磁性材料和辐射处于完美平衡时,它们之间的相互作用就确立了。然而,到目前为止,已经非常部分地描述了辐射和磁性材料都不平衡的情况。这种非平衡状态是量子光学和量子计算技术的核心。通过我们对磁性材料中这种非平衡状态的研究,同时借鉴量子物理学的原理,我们已经基本理解了磁体甚至可以对光的短时间尺度做出反应。此外,这种相互作用是非常重要和有效的。 Capua解释道:“我们的发现可以解释过去2-3年中报道的各种实验结果。”。 Capua教授表示:“这一发现具有深远的意义,特别是在使用光和纳米磁体进行数据记录的领域。”。“它暗示了超快、节能的光控MRAM的潜在实现,以及信息存储和处理在不同领域的巨大转变。” 此外,在这一发现的同时,该团队还引入了一种能够检测光的磁性部分的专用传感器。与传统传感器不同,这种尖端设计在各种应用中提供了多功能性和集成性,有可能以多种方式利用光来彻底改变传感器和电路设计。 这项研究由自旋电子学实验室的博士候选人Benjamin Assouline先生进行,他在这一发现中发挥了至关重要的作用。认识到他们突破的潜在影响,该团队已经申请了多项相关专利。 这项研究得到了以色列科学基金会、Peter Brojde创新工程和计算机科学中心以及希伯来大学纳米科学和纳米技术中心的支持 题为“Landau-Lifshitz-Gilbert方程中出现的磁化状态的螺旋度相关光学控制”的文章发表在《Physical Review Research》上。