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告別硅芯片時代:X射線激光器發現最快電氣轉換率

       OFweek激光網訊——硅芯片的時代即將一去不復返!計算機芯片的細微設計變化可能將幫助打造更微型、更快速且更加強大的計算機。

  來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員發現,磁鐵礦(最具磁性的天然礦物質)可能將實現最快的電氣轉換速度。電氣轉換(或是從非導電狀態轉換至導電狀態)就是當前一般電路板的工作原理。

  該研究團隊使用SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)X射線激光器發現,該設備只用了萬億分之一秒(比現用晶體管快一千倍)就可以通過磁鐵礦樣品中的電氣轉換開關。

  據該研究論文(發表于"Nature Materials"7月28日期刊上)首席作者兼斯坦福大學材料科學研究員Roopali Kukreja介紹,該項目揭開了此類材料的電氣轉換"速度極限"。

  當用激光脈沖沖擊磁鐵礦樣品時,其電子結構會重組成由數個導電區域包圍的非導電"孤島"。

  首先,研究人員利用可見光激光器來沖擊樣品,以將電子結構分割成可重組為孤島的原子級。隨后,使用超亮、超短波X射線脈沖以特定的間隔沖擊樣品,以測量該材料從非導電狀態轉換至導電狀態所需的時間。在這之后,磁鐵礦樣品被冷卻至-190℃以將分子變化鎖定在適合的位置。后續研究在混合材料上進行,演示出了該材料在室溫條件下的超快轉換屬性,結果表明此混合材料比磁鐵礦在商業上更可行。

  該團隊未來將繼續對其他可誘導電氣轉換的混合物和技術進行研究,以試圖研發出更優質的晶體管。

  據LCLS實驗首席調查員兼斯坦福材料與能源科學研究所資深研究員Hermann Dürr介紹,針對新型材料的全球調查結果表明,LCLS X射線將可以幫助進一步了解原子級工藝。

  Dürr表示,雖然人們已于數千年前認識到了磁鐵礦的磁性,但這種材料還存在許多有待揭開的未知奧秘。

Viki 譯 Alex 校對

  SLAC 國家加速器實驗室簡介:

  SLAC 國家加速器實驗室,原名斯坦福直線加速器中心。 為美國能源部所屬的國家實驗室,在能源部的方案下由斯坦福大學指揮運作。主要的研究方向有運用電子束進行基本粒子物理的實驗及理論研究、原子物理、固態物理、使用同步輻射光源的化學、生物以及醫學研究。

  斯坦福線性加速器中心成立于1962年,占地426英畝(1.72平方公里),位于斯坦福大學主校區的西邊。主要的加速器長達兩英哩,為當時最長的線性加速器。于1966年首次啟動。

  在此地進行的研究創造了三個諾貝爾物理獎:

1976年 魅夸克的存在證據。見J/ψ介子。

  1990年 質子及中子內部的夸克結構。

  1995年 τ子的發現。

  在90年代的前半段,斯坦福線性對撞機運用大型探測器,投入Z玻色子的研究。

  2005年時SLAC 的員工超過一千人,其中約150人屬于擁有博士學位的物理學家。并且每年提供超過三千名的訪問學者使用粒子加速器進行高能物理實驗,及斯坦福同步輻射實驗室進行同步輻射研究。2006年諾貝爾化學獎的研究便受惠于此。

  在2008年十月,美國能源部宣布中心更名為 SLAC 國家加速器實驗室。

  X射線激光器簡介:

  X射線激光器被稱作自由電子激光器。與傳統激光器不同,自由電子激光器并不是通過光照或電流刺激某種物質發射光子,而是使用粒子加速器讓極小的電子云穿過磁鐵組,這些磁鐵把電子推來推去,直到電子釋放出光脈沖。傳統激光器的激光波長是由發射光子的物質本身的屬性決定,而自由電子激光器理論上只需改變電子的能量和磁鐵組的排列就可發出各種波長的激光。

  位于美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室內、迄今世界最強大的X射線激光器——直線加速器相干光源(LCLS)于6月30日發表了它自啟動以來的第一項實驗成果:其強大而獨特的能力,達到了可操縱原子樣本上單個電子的水平,從內到外逐個將電子剝離,形成了所謂的“空心原子”。

  由于體現出了X射線令人驚訝的強度與操控度,該結果讓科學界人士大為贊賞;甚至包括研究人員自己在內,直到實驗成功才真正相信,X射線已可達到如此精準之地步。

  SLAC國家加速器實驗室隸屬美國能源部,40余年來執著于對自然界基本規律的探索,以物理實驗手段揭示了許多自然界的秘密。

  2009年4月,直線加速器相干光源(LCLS)在這里成功誕生。這個巨型激光器長130米,由實驗室3公里長的直線粒子加速器提供動力,每次啟動發光裝置研究人員需花2小時。該設備制成耗時3年,而從計劃提出到完成開工準備歷時幾乎10年。

  誕生伊始,研究員第一次使用大功率X射線激光器發出直線連續光,此X射線已經比其他任何人造光源發出的脈沖亮度都要高,測試光的波長為0.15納米(nm),是當時人類創造的最短波長同時具有最大能量的光。

此后一年時間來LCLS并未發表科研成果,但卻一直被視為激光領域“質的飛躍”或“里程碑式的杰作”。因為其完全不同于所有以前的激光器:這是國際上最早提出的第四代光源之一,亦是世界上第一個發射硬X射線的自由電子激光器。所謂硬X射線,通常定義為能量較高、波長極短的X射線。

  從原理上來看,LCLS首度結合了原子尺度空間和時間分辨率,以相干量子波的形式輸出X射線,是研究人員從以往傳統激光器發展出來的新型光源;從效果上來講,LCLS亮度能比以往光源高10億倍,產生脈沖短暫到百萬分之二納秒,為滿足各種應用需求,LCLS的輸出可以在原子、分子和光學領域的不同設備之間進行切換。科學家們預想,經過微調之后的LCLS的脈沖可幫助排列出眾多材料的內部原子結構。

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