近日，中国科学院合肥物质院等离子体所聚变堆包层与安全研究中心的霍志鹏副研究员及其指导的硕士研究生鲁义东研制了一类用于中子伽马混合场辐射屏蔽的微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料，同时针对材料的微结构与热、力学以及辐射屏蔽性能之间的关联机制展开了实验研究，并申请了1项发明专利。相关研究成果发表在材料科学1区TOP期刊Composites Science and Technology上。 辐射防护三要素包含时间防护、距离防护和屏蔽防护三种基本措施。在条件受限情况下，辐射工作人员必须长时间在辐射场环境工作，因此辐射屏蔽材料成为最重要的一道核安全屏障。核反应产生的高能中子和伽马射线穿透性强，会对人体造成组织损伤、生殖损伤和基因损伤，因此，如何屏蔽中子和伽马射线成为核辐射防护的研究重点。传统的铅硼聚乙烯复合材料被广泛应用于中子伽马混合屏蔽场合，但铅作为一种重金属元素具有高生物毒性，对人和环境有害。稀土元素钐（Sm）同时具有高热中子吸收截面与高原子序数，是一种理想的中子伽马双功能吸收剂。然而目前针对稀土元素相关的辐射屏蔽材料研究缺乏深入的材料微结构与复合材料性能之间关联机制的研究报道。因此，合成具有特定微观形貌和高比表面积的稀土填料用于中子伽马复合屏蔽材料的研发十分必要。 本研究采用均相共沉淀法合成了一系列具有不同比表面积和粒径分布的微米板Sm2O3填料，XRD测试确定了合成Sm2O3填料的物相为立方晶系、体心立方格子，空间群为Ia（206），晶体学计算结果表明填料的晶粒尺寸随反应物硝酸钐和尿素的摩尔比（R值）的减小而减小，而填料颗粒的比表面积随R值减小而增大。合成Sm2O3填料的N2吸附/脱附等温线符合国际纯粹化学联合会（IUPAC）分类的IV型，回滞环为H3型，与SEM图像印证进一步确定其微观形貌为层状堆叠带狭缝状孔隙的板状结构，其BET比表面积可达9.12m2/g。研究发现通过改变R值可以调控Sm2O3晶粒生长过程中奥斯特瓦尔德熟化和取向生长机制之间的竞争平衡，获得尺寸均一、高比表面积的微米板Sm2O3填料。当反应物溶液中尿素水解的氢氧根离子浓度增大，Sm2O3晶粒沿（622）、（440）、（400）晶面的生长受到促进，而沿（222）晶面的生长受到抑制，晶粒沿晶面生长存在各向异性，晶粒沿优势晶面取向生长形成一维纳米晶体，随后相邻纳米晶体通过直接键合和结晶进一步组装形成二维类板结构，二维类板结构遵循奥斯特瓦尔德熟化机制继续生长，最终形成尺寸2-3 m的三维微米板结构。随后制备了一系列不同比表面积微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料，并研究了Sm2O3填料的微结构对于复合材料热稳定性、力学与辐射屏蔽性能的影响。 结果表明，尺寸均一、高比表面积的微米板Sm2O3填料可以在基体分子链中产生更多的限制位点以提高复合材料的热稳定性和力学性能，且在复合材料基体中具有更佳的分散性，其与中子和伽马光子发生相互作用的机率更大，有利于提高复合材料的辐射屏蔽性能。辐射屏蔽测试表明厚度为15cm的优选复合材料对252Cf中子源辐照屏蔽率达98.7%，对Cs-137伽马源辐照屏蔽率达72.1%，优于不含微米板Sm2O3填料的对照组材料。该工作从材料学的角度为辐射防护技术的进步提供了新思路。 该研究得到了安徽省生态环境科研项目、安徽省高校协同创新项目、聚变堆主机关键系统综合研究设施和合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）等项目的资助。 图1微米板Sm2O3（a）填料和微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料（b-c）的断面SEM 图2微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料的DSC（a）和应力应变曲线（b） 图3微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料的中子（a）和伽马透射率（b） 图4微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料的中子伽马屏蔽机制示意图 查看详细>>

在光学和微纳加工领域，精确操纵激光以满足日益增长的微型化需求，是推动现代电子和生物医学设备发展的重要挑战。近日，日本东北大学的研究人员成功演示了通过干涉技术增强径向偏振光束的纵向电场，以提升激光烧蚀技术的精度，成功实现了小于100 nm直径的精细特征加工。这项技术不仅在半导体制造领域具有潜在应用价值，还可能革新医学领域的微观操作，同时为激光加工技术提供了一种实现纳米级精度的新方法。 图1研究人员通过塑造激光光束，使其发生全内反射，将来自激光的径向偏振光聚焦到玻璃片远侧的非常小的点上，从而增强了其纵向电场 缩小激光焦点尺寸：实现细微尺寸特征加工 使用几百飞秒（10-15 s）的激光脉冲，可以精细雕刻出微米级别的特征，而且几乎不会产生热量。但是，现代电子及生物医疗设备通常需要100 nm或更低的细微尺寸特征。满足这些尺寸要求主要是通过缩小激光焦点的大小，然而，这一目标通常受到激光的波长和用于集束光线的透镜数值孔径制约。 缩小光斑尺寸的一种方法是使用径向偏振光束，即光束的电场矢量全部指向其中心。这种光束可以通过在焦点处产生纵向电场，从而提高分辨率，相较于传统的线性或圆偏振光而言有所改进。径向偏振已经在一种特定形式的显微镜技术中得到应用，它也有潜力改善超快激光加工技术。 然而，在不同材料之间的界面处产生足够强的纵向电场是一个主要挑战。纵向电场的强度随着所涉及两种材料的折射率平方比例的变化而变化，因此，当光线从空气进入玻璃等材质时，其强度可能会严重减弱。 创新聚焦策略：径向偏振光束和干涉增强 最近，日本东北大学的Yuichi Kozawa及其同事展示了如何通过将径向偏振光束聚焦在透明材料内侧的远表面，而非较近的外侧表面，来克服这一问题。他们还通过利用入射波和反射波之间的干涉来增强纵向场的强度。 研究人员首先通过计算机模拟，研究了径向偏振光束的纵向场强度及其光斑尺寸在通过高数值孔径透镜聚焦时的变化情况。他们发现，在空气中，强度在焦点处达到最高，形成一个紧凑的圆形斑点。仿真结果表明，如果光束聚焦于玻璃块表面，折射率的差异会降低强度，形成一个环形斑点。 然而，Yuichi Kozawa及其团队展示了他们能通过将光聚焦至玻璃的远侧，并把透镜放入油中来恢复较小的光斑尺寸。由于油的折射率与玻璃相同，去除了上层界面的影响，消除了其边界条件并重新获得了纵向场的强度。 通过实验验证了这些模拟结果，他们使用约300 fs、波长为1040 nm的激光脉冲，通过一个分段的半波片后，将其聚焦在硼硅酸盐玻璃板的前面或后面。采用三种不同的透镜和方位光，他们发现只有在使用径向偏振光束并且用数值孔径为1.4的透镜将脉冲聚焦至玻璃板的背面时，才能生成直径约为200 nm的圆形烧蚀坑，而不是环形坑。 图2通过单次激光照射玻璃背面，使用环形的径向偏振光束制造出一个大小约为波长1/16的烧蚀坑 增强纵向场强度：提高激光加工空间分辨率 此外，研究人员还探索了如何通过最大化入射波和从玻璃背面反射的波之间的干涉来增强纵向场强度。正如他们在论文中解释的那样，当所有光线反射而非折射时，即当光束以玻璃和空气的临界角入射时，这一现象就会发生。因此，他们推理，通过将光束轮廓塑造成一个狭窄的环形来限制入射波的角度，应该可以实现这一点。 通过实验，他们证实了这个想法。在实验中，他们利用空间光调制器传递激光脉冲，以产生具有不同参数的环状图案，随后对这些脉冲施加径向偏振，并将其聚焦至玻璃板的远端。实验结果表明，环形参数可以在一系列数值内变化，仍能生成光斑形状的烧蚀坑。但实验也证实，只有当这些参数接近于实现临界角所需的数值时，才能得到最小的光斑，该光斑宽度仅为67 nm，约为激光光波长的1/16。 Yuichi Kozawa及其同事认为，这些结果证明了通过操纵径向偏振激光束的纵向电场，可以控制烧蚀特征的大小。因此，他们表示，这项工作有望提高激光加工的空间分辨率，实现纳米级加工工艺。 研究人员解释说，这种利用全内反射的想法可以应用于许多现有的技术，这些技术涉及将激光束聚焦在透明材料的远表面。他们补充说，通过改变激光波长，其他材料也可以应用这种方法，例如，可以使用1100 nm或更长的激光加工硅。 查看详细>>

有机聚合物半导体材料因独特的分子结构和弱的范德华作用，被赋予可溶加工和易柔性化的特点，在便携式和可植入式医疗监测设备等方面具有应用潜力。超柔性、高皮肤共形性和优异空间分辨率的X射线探测器，有望与弯曲物体和运动实体系统集成，以实现本征柔性和高灵敏的类皮肤X射线探测器。然而，基于有机聚合物半导体材料的X射线探测器件在辐照下的稳定性以及图像分辨率较差，制约了该类器件的应用。中国科学院院士、化学研究所有机固体院重点实验室研究员刘云圻与研究员郭云龙等，在高性能本征可拉伸有机光电材料和器件方面取得了系列进展。 近期，针对目前报道的可拉伸有机光电器件操作电压高、稳定性差和集成度低等问题，该团队提出了可拆卸界面辅助制备高密度本征可拉伸有机晶体管阵列的新策略。这一策略在图案化光刻胶上引入氟化锂牺牲层以构筑可拆卸界面，实现了高分辨本征可拉伸电极的可扩展集成。该研究制备的短沟道可拉伸有机晶体管具有低的工作电压、高的光电性能和优异的稳定性。基于该短沟道晶体管的可拉伸图像传感器展示出高达10 lp mm-1的分辨率，并实现了百万像素的图像。该策略提供了简单而通用的光电集成平台。相关成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。 此外，该团队在《国家科学评论》（National Science Review）“用于集成电路的新兴材料和晶体管”专题上发表了评述论文，总结了高迁移率半导体材料以及功能融合机械、光学和热学等特性的分子设计，分析并展望了功能化高迁移率聚合物半导体的研究进展和研究方向。 研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。 用于实现稳定、低压可拉伸有机晶体管和高分辨X射线成像的可拆卸界面策略 多功能集成的高迁移率有机聚合物半导体分子材料 查看详细>>

近日，南方科技大学量子科学与工程研究院陈洁菲副教授团队利用冷原子系综制备和调控单光子量子光源，首次实现空间和时间(2+1)维的单光子艾里子弹，可抵抗远距离传输中的光扩散问题，有望应用于远距离的量子态传输。相关研究成果以“Spatiotemporal single-photon Airy bullets”为题发表在国际物理顶级学术期刊《物理评论快报》，并获得编辑推荐。美国物理学会的在线杂志Physics Magazine报道了此项工作并对其重要性作详细评论。 研究背景 理想的单光子量子光源指的是每个脉冲仅由一个光子组成。有别于经典单光子水平的弱光，这种单光子光源没有光子数涨落。它适用于量子不可克隆原理，即通信中的窃听者无法复制单光子所携带的量子信息。另外，光子飞行速度高并与其他粒子相互作用极弱而不受环境影响。这些因素使得单光子在量子通信、量子信息处理中有非常重要的地位。光子可用于携带量子信息的自由度非常丰富，包括偏振，动量，轨道角动量，频率，时间。然而在自由空间远距离传输中，绝对理想的量子光源也受到扩散问题的困扰。扩散在时间维度表现为色散，与天空中的彩虹相同原理；在空间维度则表现为光束发散、衍射等。 艾里、贝塞尔光束这类空间无扩散的特殊光场就是为了解决上述问题。艾里函数是一维传播方程在近轴近似下的唯一无扩散解，因此在空间-时间（2+1）维的艾里调控能使光脉冲抵抗远距离传输中的色散和发散。前沿激光技术已经实现了光束在空间以及时间自由度的艾里子弹。但关于非经典光场的艾里调控非常有限。研究团队正是利用前沿的光量子操控技术，对单个光子在空间和时间维度上的完全操控实现单光子艾里子弹。 创新点 该团队首次结合光量子操控和艾里光调控技术，使无衍射光学在量子范畴得以实现。单光子这种量子光场在光强上非常微弱，若直接在单光子的传播路径上插入光学元件进行重塑，微弱的信号消失殆尽而量子关联性也会被探测器的电子噪声淹没。 图1:单光子艾里子弹的时频模式。(a)时域艾里波包；(b)观测到的单光子时间波形和对应的二阶自关联系数；(c)艾里波包(combined)及其对应的1st and 2nd lobe。 利用长条形冷原子系综的电磁诱导透明慢光效应，团队研究人员实际调控的是泵浦激光的空间模式，则能起到操控原子系综发出的单光子的时间模式的效果。单光子探测器得到的光子计数结果如图1（a）所示，通过多次测量相同的单光子并把实验结果累计得到其在时频维度的概率分布。图1（b）显示不同系统条件下的艾里波包的二阶自关联系数，显示其在1微秒的相干时间内均低于经典光的最小值g(2)=1。 图1（c）则给出了艾里波包的前两级分瓣（1st lobe，2nd lobe）。艾里波包的无扩散特点体现在第一级分瓣（也称Main lobe）的扩散比相同半高宽的高斯脉冲小，原因是高级分瓣不断向第一级输送及补充概率流用以维持Main lobe的模式和不同分瓣之间相位相反。若在传输过程中阻挡Main lobe使其彻底损耗，艾里波包的自修复特点会使高级分瓣及时向Main lobe输送。 图2:(2+1)维时空艾里子弹。(a)实验测得的(2+1)维艾里子弹的实验波包。空间x和y轴的长度量级是100μm，时间t对应的是100 ns；(b)系统条件下模拟产生的艾里子弹的理论模型；(c)无衍射单光子波包的抛物线轨迹；(d)传输中加入的经典噪声；(e)单光子艾里波包在噪声下的抛物线轨迹；(f)量子关联移除后的光子在噪声下的轨迹 如图2(a)所示，通过光子累积计数团队研究人员测得(2+1)维时空艾里子弹，与图(b)的理论模型非常接近。艾里光束的一个典型特征是在空间中传播路径非直线，而是沿着抛物线路线具有“自加速“特点。图(c)演示的就是测得的单光子艾里子弹在自由空间的传播路径。这项研究工作的另一个重要突破是结合了关联光子对的非经典关联性，使艾里光子子弹的无衍射特性能在大量经典光噪声中存活而不被淹没。实际上，该团队在实验中产生的是一对具有量子关联性的光子对，单光子的存在需要其配对光子被成功捕获这一事件作为触发信号。团队在单光子的传播路径中加入了大量随机的经典光噪声，如图(d)。在随机光噪声的干扰下，有触发信号的单光子艾里子弹仍可通过光子对之间的非经典关联复现抛物线状的“自加速”路径，如图(e)。与此对比，图(f)显示无触发信号下的光子轨迹完全被经典噪声淹没。量子态可被有效地保护在艾里光束这种特殊光场模式中。这种特殊量子光场能应用到量子通信、量子信息、单光子超分辨显微技术及非破坏性生物成像中。 总结与展望 这项工作利用了冷原子系综作为介质首次实现了时空全维度操控的单光子艾里子弹。在量子网点之间利用光传输量子态的过程中，光在时间或频谱或空间中的模式分布可采用艾里波形，进而在传输过程中的色散、衍射等问题可利用艾里子弹来解决。类似的物理操控机制可推广至其他平台产生的量子光源，在更短的时间尺度上能更好地显示其无扩散特点。单光子艾里子弹的优势将显现在自由空间传输信号的场景，如地空距离量子通信、水下量子信息传输等。 查看详细>>