科技动态广义相对论在银河系中心通过验证

    爱因斯坦的广义相对论再次经受住了考验。据《新科学家》杂志网站6月6日报道,美国科学家借助夏威夷凯克天文台近20年的数据,获得了银河系中心超大质量黑洞附近两颗恒星S0-1和S0-38的清晰运行轨迹,发现这两颗恒星的运行方式没有偏离广义相对论;同时,也未发现第五种基本力存在的证据。相关论文发表在7日出版的《物理评论快报》杂志上。    宇宙中存在四种基本作用力:弱相互作用力、强相互作用力、电磁相互作用力和万有引力。但许多观测迹象对广义相对论提出挑战,一些科学家假设存在第五种基本力,并希望通过发现这种力的存在,来证明相对论存在漏洞和偏差。    加州大学洛杉矶分校的奥莱里昂·希斯认为,银河系最中心的超大质量黑洞“人马座A*”(SagittariusA*)周围,最有可能发现第五种力。一般情况下,黑洞周围的恒星会向黑洞“喂食”自身气体云盘,导致恒星运行轨迹发生改变,从而对验证广义相对论造成的干扰;但“人马座A*”与周围恒星的间距不够近,恒星气体不会被“卷进”黑洞,因此能提供更清晰的检测。    希斯和同事从上世纪90年代末开始,持续20年长期跟踪“人马座A*”附近恒星的运行轨迹。他们跟踪到S0-1和S0-38围绕“人马座A*”运行一周的完整轨迹,运行周期分别为16年和19年。他们发现,这两颗恒星围绕“人马座A*”快速运转的方式,完全遵循广义相对论的预言。“这是广义相对论首次在超大质量黑洞附近经受住考验。”希斯说。    希斯表示,以椭圆形轨道运行的S0-2将在明年距离“人马座A*”最近——仅111个天文学单位(1天文学单位约为1.5亿公里),届时,他们可以获得更精确的观测数据,“如果对广义相对论的偏离真的存在,明年我们一定能探测到这种偏离”。

科技动态兰州化物所提出实现超低摩擦新策略

    摩擦是生活中常见的物理现象,源于滑动界面上离散原子间的相互阻碍作用,其能量耗散模式取决于滑移能垒与自身力学性能的竞争。界面阻力极低的状态称为超低摩擦,是摩擦学中的重要课题之一。目前,学术界主要通过结构润滑和连续滑动两种方式来实现超低摩擦。结构润滑通过构建非公度界面结构,有效地降低滑动能垒实现低摩擦;当滑动能垒的有效刚度低于体系自身的本征刚度时,滑动可以避免高能量耗散的粘-滑运动,从而实现超低能量耗散的连续滑动。实现这些超低摩擦运动模式的核心是减小滑动路径上的能垒。但是,零势垒的超低摩擦却鲜有报道。    中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室低维材料摩擦学课题组从表面间的基础相互作用范德华吸引出发,以稀有气体层在金属表面的滑动为研究对象,通过对多个体系的第一性原理计算发展了一种实现超低摩擦的新策略。这种超低摩擦态源于在表面间最易滑动路径上临界压力诱导的滑动能垒塌缩至消失的物理现象,表现为相邻位置相互作用势曲线的交叉行为。通过界面极化的电荷密度分析,发现范德华吸引是产生该行为的内在机制。相对于高载荷下的摩擦塌缩,这种低载荷诱导的超低摩擦更易于在石英晶体微天平实验中被证实。    该研究具有一定的普适性,表明经典的阿芒顿摩擦定律在纳米尺度下的失效,体现了纳米摩擦反常于直觉经验的一面,并基于此提出了一种实现超低摩擦的新策略,为实现零摩擦提供了可能性。研究结果作为内封面论文发表于Phys.Chem.Chem.Phys.,2017,19,11026--11031。

科技动态中国科大实现单分子与纳腔等离激元相互作用的亚米操控

    最近,中国科学技术大学单分子科学团队的董振超研究小组利用亚纳米空间分辨的电致发光技术,在国际上首次对分子与纳腔等离激元之间的相干相互作用进行了亚纳米精度的操控,在单分子水平上观察到了法诺共振和兰姆位移效应。国际学术期刊《自然-通讯》5月19日发表了这项成果。    光腔与分子之间的相干相互作用会显著改变分子发光体的光学特性(如跃迁速率、发光频率等),因此其研究对发展基于分子的量子信息技术和传感技术具有十分重要的意义。等离激元纳腔因为具有将光场限域在纳米尺度上的能力而成为对局域电磁场进行操纵的重要手段。当一个分子处于等离激元纳腔的作用范围内时,分子的分立态就可以跟等离激元的宽频连续态发生相干相互作用,产生干涉效应,并导致光谱的不对称性,出现法诺共振现象。然而目前对等离激元与分子相互作用的研究大多数都是基于大量分子的系综体系,这样不仅为准确分析耦合情况增加了难度,也无法排除分子之间的相互作用和统计分析带来的影响。因此,如何在单分子水平实现对等离激元与分子之间相干相互作用的观测和精确操控,一直是纳米光学领域追求的一个目标。    中国科大单分子科学团队长期致力于发展将扫描隧道显微镜(STM)高空间分辨表征和光学技术高灵敏探测相结合的联用技术,特别是通过巧妙调控隧道结纳腔等离激元的宽频、局域与增强特性,拓展了测量极限,为在单分子水平上观测和调控分子与等离激元之间的相互作用提供了有力手段。最近,他们利用高度局域化的隧穿电子在经过脱耦合调制的单个分子旁边激发纳腔等离激元,使单分子与纳腔等离激元之间发生相干相互作用,实现了单分子法诺共振效应。通过在亚纳米精度上进一步操控等离激元纳腔与分子的相对位置,他们还可调控二者之间的相互作用强度(最高达到15meV左右),并从法诺线型的演化规律中获得了纳腔等离激元与分子的有效作用距离在~1nm之内的重要信息,直接揭示了纳腔等离激元局域场在空间上的高度限域特性。    此外,他们还发现单分子法诺共振效应表现出反常频移现象,并且这种频移与分子的空间取向关系很大。通过理论分析,他们将这种频移现象归因于分子借助纳腔等离激元导致的自相互作用引起的兰姆位移。一般来说,兰姆位移现象来源于发光体通过真空场涨落作用回自身的自相互作用导致的能级移动。由于真空场涨落很小,所以兰姆位移通常都在微电子伏特的量级,但高度局域的等离激元纳腔使得这种自相互作用得到极大增强,从而导致他们观察到高达约3meV的(光学)兰姆位移。这些研究结果为在单分子尺度上检测分子激发态的空间分布与能量信息、以及在纳米尺度上调控场与物质之间的相互作用提供了新的途径。    张尧、孟秋实为这篇文章的共同第一作者。该系列研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部等单位的支持。该工作理论分析部分与西班牙材料物理中心教授JavierAizpurua研究小组合作完成。    图注:上图为利用STM电激发诱导发光技术,对锌酞菁染料分子发光、纳腔等离激元发光以及二者相干耦合产生的法诺共振光谱进行表征的原理示意和实验结果。下图为艺术化的实验数据图,展示通过操纵STM针尖位置可以在亚纳米精度上调控分子与纳腔等离激元之间的相互作用强度。

科技动态科学家通过生物矿化可控制备蛋白-无机杂化纳米结构

    生物矿化是自然界的一种普遍现象,如牙齿、骨骼、磁小体等的形成。受其启发,近年来,以生物分子为模板进行矿化也成为材料学家可控合成新材料的一种重要途径,在纳米影像、高灵敏传感、肿瘤无创诊疗、疫苗、催化、电池等领域均有重要应用价值。    病毒纳米颗粒(virus-basednanoparticle)是由病毒衣壳蛋白自组装形成的空心笼形或管状结构,尺寸一般10-200纳米,具有精确的三维结构,是一种理想的纳米材料生物矿化模板。它不仅可实现尺寸和形貌的精确控制,更提供了多功能整合的平台。    近期,中国科学院武汉病毒研究所研究员李峰课题组与中国科学院生物物理研究所研究员张先恩课题组合作,建立了一种普适性的蛋白笼内生物矿化的策略,即先在病毒纳米颗粒内腔包装一个预先合成的无机纳米颗粒核心,再以该核心为种子,可控地生长厚度可精细调控的同质或异质无机纳米外层。应用该策略成功地在野生型SV40病毒纳米颗粒内矿化了一系列粒径(≤10纳米)均一的AuNP及Au@Ag核壳型异质纳米颗粒(图)。该策略克服了传统方法在蛋白笼内直接矿化的重要局限——种子生成条件苛刻情况下造成蛋白笼破坏,大大丰富了生物矿化种子材料的种类。该研究所构建的病毒纳米颗粒-贵金属杂化纳米结构可用于发展多功能纳米器件。    这一研究结果发表于《纳米研究》(NanoResearch)。武汉病毒所博士生张文静为论文第一作者。该工作受到国家自然科学基金和中科院重点部署项目资助。