振子

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style="background:#fff padding:15px "div class="pages_content" id="printContent"div class="content"p style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "近日，在追求更小、更节能的计算机方面科学家取得重要进展。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "为了解决电子移动产生的焦耳热限制，科学家们充分利用波的潜力，开发出一种磁振子电路，用自旋波来传播和处理信息。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "这种磁振子电路采用极简的二维设计，所需的能量比目前先进的电子芯片少约10倍，将来有望在量子计算和类脑的神经网络计算等领域获得应用。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "span style="font-weight: bold "磁振子，电子的替代品/span/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "电子器件中信息的传输和处理是通过对电子的操控完成的，但是电子移动所产生的焦耳热限制了电子器件向小型化和低功耗方向的发展。于是科学家不断寻找电子的替代品，例如光子或磁振子。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "在量子力学的等效波图中，磁振子可以被看作是量化的自旋波。利用磁振子开发磁控器件组件，包括逻辑门、晶体管和非布尔计算单元，已经获得成功。但作为电路组成部分的磁定向耦合器，由于其毫米尺寸和多模频谱始终无法实用。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "现在，德国凯泽斯劳滕工业大学和奥地利维也纳大学的科学家成功开发出一款亚微米尺寸的磁定向耦合器，并通过波的非线性效应设计了一个易于加工的基于二维平面的半加器，实现了用自旋波来传播和处理信息。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "科学家们开发的这个集成磁振子电路尺寸极小，采用了极简的二维设计，所需的能量比目前最先进的电子芯片要少约10倍。相关成果发表在《自然· 电子学》上。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "span style="font-weight: bold "充分利用自旋波的波动性/span/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "研究负责人、维也纳大学的安德列· 丘马克教授说：“最初计划的磁振子电路非常复杂，现在的版本比最初的设计至少好了100倍。”他把这归因于论文的第一作者，来自中国的王棋。/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "博士毕业于德国凯泽斯劳滕工业大学，目前在维也纳大学从事博士后研究的王棋介绍说：“该研究源自我博士期间的一个项目，从概念提出、理论计算、仿真设计以及实验制备和测试，整个工作持续了近4年时间，光是仿真设计就重复了几百次，现在这个设计已经是第四个版本。”/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "接受科技日报记者采访时，王棋介绍说：“目前的电子设备，信息都是用电子携带的，但是电子的定向移动会导致焦耳热，功耗高。我们现在用自旋波（磁振子）来携带信息，进行计算，可以大幅降低功耗。而且由于磁振子是一种波，波的一些特性可用来简化设计，从而降低器件的尺寸。简单地说，波的基本量有振幅和相位，我们的研究中主要用波的振幅来携带信号，即振幅大，信号为1；振幅小，信号为0。”/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "王棋说：“起初我们的思路是模仿电子设备，通过构造14磁振子晶体管实现半加器，后来发现结构太复杂而且不容易实现。我们意识到还没有充分利用自旋波的波动性。因此，在最新的设计中我们利用了波的干涉，使用了自旋波导之间偶极作用与自旋波能量相关这个非线性效应来实现了半加器的设计。不过出于成本的考虑，整个半加器是在一个二维平面上加工的。目前这个设计只是功耗更低，速度还没有电子芯片快。”/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "span style="font-weight: bold "自旋波研究有重要意义/span/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "王棋表示，这种磁振子电路的特殊之处在于，其信息由自旋波携带，信息的传播和处理过程中没有电子的参与，因此没有焦耳热，极大地降低了能量损耗。另一方面，通过利用波的干涉、衍射和非线性效应，又极大地简化了器件的设计。王棋说：“典型的半加器在电子芯片中需要14个晶体管，而我们的设计中只需要3根彼此靠近的纳米线。”/pp style="margin-bottom: 0.5em text-indent: 2em line-height: 1.5 font-family: 宋体 font-size: 12pt "王棋说：“目前的计算机都是建立在布尔体系（逻辑运算）之下的，我们的研究让人们看到了波的波动性的潜力，对于非布尔体系的计算，波比电子有很大的优势。目前的研究思路还是在和布尔体系下的电子计算机相比，这种情况下波的优势没有完全显现出来，将来我们要跳出布尔体系。”/pp style="line-height: 1.5 text-indent: 2em font-family: 宋体 font-size: 12pt margin-bottom: 0.5em "丘马克教授认为，磁振子电路在量子计算和类脑的神经网络计算等方面有广阔的应用前景。自旋波无热耗散、容易实现室温玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子效应的优点正在得到越来越多的关注。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。因此，自旋波研究具有重要的科学意义和应用潜力。/p/div/div/div/divlink href="http://www.stdaily.com/index/xhtml/images/ico/icon.ico" rel="icon" type="image/x-icon"/link href="http://www.stdaily.com/index/xhtml/images/ico/icon.ico" rel="shortcut icon" type="image/x-icon"/link href="http://www.stdaily.com/index/xhtml/css/f_footer.css" rel="stylesheet" type="text/css"/

目前，由于磁共振技术能够准确、快速和无破坏地获取物质的组成和结构信息，已被广泛用于基础研究和医学应用等多个领域。　　但是，当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式，其研究对象通常为数十亿个分子，成像分辨率仅为毫米量级，无法观测到单个分子的独特信息。　　近日，中国科学技术大学教授杜江峰领衔的研究团队将量子技术应用于单个蛋白分子研究，利用钻石中的一种特殊结构做探针，首次在在室温大气条件下，获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该成果使利用基于钻石的高分辨率纳米磁共振成像诊断成为可能。　　该研究成果于3月6日发表在《科学》上，同期《科学》&ldquo 展望&rdquo 栏目专文报道评价&ldquo 此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑&rdquo 。　　此前的研究显示，基于钻石的新型磁共振技术能将研究对象推进到单分子，成像分辨率提升至纳米级。但实现这一目标面临诸多挑战，主要是单分子信号太弱难以探测。　　之后，杜江峰研究团队利用钻石中的氮&mdash 空位点缺陷作为量子探针(以下简称&ldquo 钻石探针&rdquo )，选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象。首先将蛋白从细胞中分离并将标记物(氮氧自由基)固定在蛋白的特定位置，然后将此蛋白分子放置到钻石表面，此时标记物距离&ldquo 钻石探针&rdquo 约10纳米，会产生仅相当于地磁场十六分之一的极微弱的磁信号。&ldquo 钻石探针&rdquo 具有感知极弱磁信号的能力，在激光和微波操控下，它形成一个量子传感器，将单分子信号转化为光学信号而加以检测。　　经过两年多的努力，最终他们成功地在室温大气条件下首次获取了单个蛋白质分子的磁共振谱，并通过对比不同磁场下的多组磁共振谱的特征，获取了此蛋白质分子的动力学性质。　　随后，《科学》杂志将该工作选为当期亮点并配以专文报道，盛赞其&ldquo 实现了一个崇高的目标&rdquo &ldquo 能够有效克服以往测蛋白分子结构时需要提纯和长成单晶的困难，并且能够实现对单蛋白分子在细胞内的原位检测&hellip &hellip 是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑&rdquo 。　　此前，杜江峰组已成功探测到金刚石体内两个13C原子核自旋，并通过刻画其相互作用强度以原子尺度分辨率解析出了这两个同位素原子的空间取向，向单核自旋磁共振谱学和成像迈出了重要一步。　　另外，杜江峰教授通过与德美研究组合作，检测到(5nm)3有机样品中质子信号，取得纳米尺度核磁共振技术的突破性进展。同期的《科学》&ldquo 展望&rdquo 栏目专文评论为&ldquo 基于钻石的纳米磁探针，将磁共振成像的可探测体积到单个蛋白质分子水平&rdquo 。　　据了解，该研究不仅将磁共振技术的研究对象从数十亿个分子推进到单个分子，并且&ldquo 室温大气&rdquo 这一宽松的实验环境为该技术未来在生命科学等领域的广泛应用提供了必要条件，使得高分辨率的纳米磁共振成像及诊断成为可能。　　&ldquo 这项技术最直接的用途是在不影响蛋白质性质的前提下检测其结构和动力学性质，直接在细胞膜上或细胞内研究蛋白质分子。&rdquo 杜江峰表示，这对生命科学研究来说有极大吸引力。　　因此，该技术有望帮助人们从单分子的更深层次来探索生命和物质科学的机理，对于物理、生物、化学、材料等多个学科领域具有深远的意义。　　据介绍，以此为基础，和扫描探针、高梯度磁场等技术结合，未来可将该技术应用于生命及材料领域的单分子成像、结构解析、动力学监测，甚至直接深入细胞内部进行微观磁共振研究。　　该研究获得了国家自然科学基金项目的支持。

美国和加拿大科学家分别采用新型核磁共振成像(MRI)技术观测到人体内的分子变化，从而大大提高了MRI扫描的速度和精度，可在未来用于更快地检测癌症等疾病。研究发表在最新一期《科学》杂志上。　　两国科学家使用的MRI技术都通过操控分子的旋转来提高扫描的速度和精度，从而可以在分子层面快速地完成诸如分析药物药效或推断肿瘤生长速度等工作，以更好地为人类健康服务。　　加拿大研究人员通过操纵仲氢(仲氢是航天飞机上使用的燃料)，将仲氢的磁性转移到许多更容易探测的分子上面，并在动物身上进行了该技术的测试。结果表明，新技术可以将扫描的灵敏度增加1000倍左右，原来统计生物系统数据需要花费90天时间，现在只需几秒就可以完成。　　美国科学团队则调整了原子核的旋转来增强信号，在旋转状态的分子之间制造了很大不平衡，并且使分子变成了功能更加强大的磁体，可以产生更详细的图像。新技术得到的信号强度可能是传统MRI中氢原子所释放信号的几千倍甚至几万倍。