67年前的奇特"恶魔"粒子物理学预测终于得到证实

67年前的奇特"恶魔"粒子物理学预测终于得到证实研究人员发现了"松树恶魔"--一种金属中的电子集合，其行为类似于无质量波。资料来源：伊利诺伊大学香槟分校格雷格工程学院1956年，理论物理学家戴维-派恩斯（DavidPines）预言，固体中的电子会做出一些奇怪的事情。尽管电子通常具有质量和电荷，但派恩斯断言，它们可以结合在一起，产生一种无质量、中性、不与光相互作用的复合粒子。他将这种理论粒子命名为"恶魔"。从那时起，"恶魔"就被认为在各种金属的行为中扮演着重要角色。不幸的是，正是由于它的这些特性，使得它自被预测以来一直未能被探测到。快进67年后，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）物理学教授彼得-阿巴蒙特（PeterAbbamonte）领导的研究小组终于找到了松树这个难以捉摸的恶魔。研究人员在《自然》杂志上报告说，他们使用了一种非标准实验技术，直接激发材料的电子模式，从而在金属钌酸锶中看到了恶魔的特征。阿巴蒙特说："理论上对恶魔的猜想由来已久，但实验人员从未对其进行过研究。事实上，我们甚至都没有去寻找它。但事实证明，我们做的事情是正确的，我们找到了它。"难以捉摸的恶魔凝聚态物理学最重要的发现之一是，电子在固体中失去了个性。电相互作用使电子结合成集体单元。只要有足够的能量，电子甚至可以形成称为等离子体的复合粒子，其新电荷和质量由基本的电相互作用决定。然而，质量通常非常大，以至于在室温下的能量无法形成等离子体。派恩斯发现了一个例外。他认为，如果一个固体有多个能带的电子（许多金属就是这样），那么它们各自的质子就能以失相的模式结合在一起，形成一个新的质子，它是无质量的、中性的：一个"恶魔"。由于"恶魔"是无质量的，它们可以在任何能量下形成，因此在任何温度下都可能存在。这让人们猜测它们对多波段金属的行为有重要影响。魔鬼的中性意味着它们不会在标准凝聚态实验中留下痕迹。"绝大多数实验都是用光来测量光学性质的，但电中性意味着恶魔不会与光发生相互作用，"阿巴蒙特说。"我们需要一种完全不同的实验。意外发现阿巴蒙特回忆说，他和他的合作者研究钌酸锶是出于一个无关的原因--这种金属与高温超导体相似，但又不是高温超导体。他们希望找到其他系统中为什么会出现这种现象的线索，于是对这种金属的电子特性进行了首次调查。京都大学物理学教授YoshiMaeno的研究小组合成了高质量的金属样品，阿巴蒙特和前研究生AliHusain用动量分辨电子能量损失光谱法对其进行了研究。这是一种非标准技术，它利用射入金属的电子能量直接观察金属的特征，包括形成的质子。研究人员在查看数据时发现了一些不同寻常的现象：一种没有质量的电子模式。现任Quantinuum公司研究科学家的侯赛因回忆说："起初，我们根本不知道这是什么。恶魔不是主流。这种可能性很早就出现了，我们基本上一笑置之。但是，当我们开始排除一些东西时，我们开始怀疑我们真的找到了恶魔"。美国加州大学洛杉矶分校摩尔博士后、凝聚态物质理论家埃德温-黄（EdwinHuang）最终被要求计算钌酸锶的电子结构特征。"他说："派恩斯对恶魔的预测需要相当特殊的条件，而当时没有人清楚钌酸锶是否应该有恶魔。我们不得不进行微观计算，以弄清到底发生了什么。当我们这样做的时候，我们发现了一个由两个电子带组成的粒子，它们以几乎相等的幅度失相振荡，就像派恩斯描述的那样。"研究的偶然性阿巴蒙特认为，他的研究小组"偶然"发现恶魔并非偶然。他强调说，他和他的研究小组使用的技术并没有被广泛应用于一种尚未被充分研究的物质上。他认为，他们发现了一些意想不到的重大发现，这只是尝试不同方法的结果，而不是纯粹的运气。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380135.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380135.htm

科学家发现活跃粒子中的意外行为

科学家发现活跃粒子中的意外行为研究人员在由粒子组成的系统中发现了以前未知的物理效应，这些粒子的推进速度取决于它们的运动方向。以自推进粒子（即活性粒子）为重点的研究领域正在迅速扩大。在大多数理论模型中，这些粒子被假定保持恒定的游动速度。然而，这一假设对于许多实验产生的粒子来说并不成立，例如医疗应用中由超声波推动的粒子，它们的推进速度随方向而变化。由明斯特大学的拉斐尔-维特科夫斯基（RaphaelWittkowski）教授和剑桥大学的迈克尔-科特斯（MichaelCates）教授领导的物理学家团队开展了一项合作研究，探索这种与方向相关的速度如何影响粒子系统的行为，尤其是在形成团簇的过程中。他们将计算机模拟与理论分析相结合，揭示了具有取向相关速度的活性粒子系统的新效应。研究成果最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上。从物理学的角度来看，有趣的是，由许多活性粒子组成的系统可以自发地形成簇群--即使单个粒子之间根本没有相互吸引。在测量模拟粒子的运动时，研究人员发现了一个特别令人惊讶的结果。第一作者、明斯特大学理论物理研究所的斯蒂芬-布罗克（StephanBröker）博士解释说："通常情况下，从统计平均值来看，这种粒子簇中的粒子只是停留在原地。出于这个原因，我们曾预计这里的情况也会如此。但事实上，物理学家们发现了另外一种情况：粒子不断地从粒子簇的一侧移出，又从另一侧移回，从而产生了一种永久性的粒子流。"与"正常"情况还有另一个不同之处：在活性粒子系统中形成的粒子簇通常是圆形的。然而，在所研究的粒子中，粒子团的形状取决于粒子的方向对其推进速度的影响程度--这可以由实验者来规定。共同第一作者延斯-比克曼（JensBickmann）博士解释说："至少从理论上讲，我们可以让粒子排列成我们想要的任何形状。""可以说，我们可以用它们作画"。在模拟中，研究人员观察到了椭圆形、三角形和正方形。"维特科夫斯基团队的迈克尔-特弗鲁格特博士也是这项研究的共同作者之一。对于技术应用--例如，实现可编程物质，必须能够控制粒子自我组装的方式--而我们的方法确实可以做到这一点。"背景：生物学中有大量活性粒子的例子，例如游动的细菌或飞翔的鸟类。如今，也有可能实现人工活性粒子（纳米和微型机器人）：例如，目的之一就是将它们植入人体，以便有针对性地运送药物。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401639.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401639.htm

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱石川说："我们的研究成果对于理解一些最基本的物质粒子的量子力学相互作用非常重要。它们还可能有助于揭示太阳和其他恒星中目前鲜为人知的现象的细节"。中微子是最神秘的基本物质粒子之一。由于中微子几乎不与其他粒子发生任何相互作用，因此极难对其进行研究。它们呈电中性，几乎没有质量。然而，它们的数量却非常丰富，大量的中微子不断从太阳中流出，穿过地球，甚至穿过我们自己，却几乎没有任何影响。了解更多有关中微子的信息，对于检验和完善我们目前对粒子物理学（即标准模型）的理解非常重要。日全食，日冕清晰可见。"在正常的'经典'条件下，中微子不会与光子发生相互作用，"石川解释说，"然而，我们已经揭示了中微子和光子如何能够在极大规模的均匀磁场中发生相互作用--大到103千米--这种磁场出现在恒星周围被称为等离子体的物质形态中。等离子体是一种电离气体，这意味着它的所有原子都获得了或多或少的电子，使它们成为带负电或正电的离子，而不是地球上日常条件下可能出现的中性原子。"弱电霍尔效应及其影响研究人员所描述的相互作用涉及到一种名为"电弱霍尔效应"的理论现象。这是电与磁在极端条件下的相互作用，自然界的两种基本力--电磁力和弱作用力--在此融合为弱电。这是一个理论概念，预计只适用于早期宇宙的极高能条件或粒子加速器的碰撞中。研究得出了这种意想不到的中微子-光子相互作用的数学描述，即拉格朗日。它描述了有关该系统能量状态的所有已知信息。石川健三，该研究的第一作者和通讯作者。图片来源：SohailKeeganPinto石川说："除了有助于我们理解基础物理学之外，我们的研究还可能有助于解释日冕加热之谜。这是一个由来已久的谜团，它涉及太阳最外层大气--日冕--的温度远高于太阳表面温度的机制。我们的工作表明，中微子和光子之间的相互作用释放出能量，使日冕升温"。石川在总结发言中表达了他们团队的愿望："我们现在希望继续我们的工作，寻找更深入的见解，特别是在这些极端条件下中微子和光子之间的能量转移"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383901.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383901.htm

科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子--带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏1万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电--球状闪电--是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料”美国政府定义了多少种？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432055.htm

科学家设计基于等离子体的新方法 为未来火星探索者生产氧气

科学家设计基于等离子体的新方法为未来火星探索者生产氧气一个国际研究小组已经设计出一种基于等离子体的方法来生产和分离火星环境中的氧气。这是美国宇航局的“火星氧原位资源利用实验”（MOXIE）的一个补充方法，它可能提供每公斤送往太空的仪器的高分子生产率。这样一个系统可以在开发火星上的生命支持系统中发挥重要作用。它还可以生产加工燃料、建筑材料和肥料所需的原料和基础化学品。在AIP出版的《应用物理学杂志》上，研究人员提出了一种利用和加工当地资源在火星上生成产品的方法。因为火星大气层主要是由二氧化碳形成的，可以通过分解产生氧气，而且其压力有利于等离子体的点燃，所以红色星球上的自然条件几乎是等离子体就地利用资源的理想条件。该团队包括来自里斯本大学、麻省理工学院、索邦大学、埃因霍芬理工大学和荷兰基础能源研究所的科学家们。研究人员指出，在火星上生产氧气的有两大障碍。“首先，分解二氧化碳分子以提取氧气。这是一个非常难以分解的分子，”研究作者、里斯本大学的VascoGuerra说。“其次，将产生的氧气从还包含例如二氧化碳和一氧化碳的气体混合物中分离出来。我们正在以一种整体的方式研究这两个步骤，以同时解决这两个挑战。这就是等离子体可以提供帮助的地方。”等离子体是物质的第四种自然状态，包含自由带电粒子，如电子和离子。电子很轻，很容易被电场加速到非常高的能量。Guerra说：“当子弹般的电子与二氧化碳分子碰撞时，它们可以直接分解它，或者转移能量使其振动。这种能量在很大程度上可以被引导到二氧化碳的分解中。与我们在法国和荷兰的同事一起，我们通过实验证明了这些理论的正确性。此外，等离子体中产生的热量也有利于氧气的分离。”氧气是创造一个可呼吸环境的关键，它也是为未来火星农业生产燃料和肥料的起点。就地生产燃料将是未来任务的需要。所有这些对于未来人类在火星上的定居都是至关重要的。通过分解二氧化碳分子来生产绿色燃料和回收化学品，等离子体技术也可能有助于解决地球上的气候变化。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305539.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305539.htm

科学家发明冷等离子喷射敷料 专注于慢性伤口治疗

科学家发明冷等离子喷射敷料专注于慢性伤口治疗为此，南澳大利亚大学（UniSA）的研究人员研究了一种控制感染和促进愈合的新技术：一种由冷等离子电离气体激活的水凝胶。该研究的通讯作者EndreSzili说："抗生素和银敷料常用于治疗慢性伤口，但两者都有缺点。抗生素的抗药性不断增加是一个全球性挑战，银引起的毒性也令人十分担忧。在欧洲，银敷料正逐渐被淘汰。"以前的研究已经证明了使用冷等离子电离气体促进伤口愈合的好处，即减少细菌负荷，并通过激活环境空气中的氧分子和氮分子产生活性氧和氮物种（RONS）。到目前为止，水凝胶在涂抹到伤口上之前已被等离子体产生的RONS所负载，但这一过程并不完美。"尽管最近在使用等离子活化水凝胶疗法（PAHT）方面取得了令人鼓舞的成果，但我们在为水凝胶加载临床使用所需的足够浓度的RONS方面仍面临挑战，"Szili说。"我们采用了一种新的电化学方法来增强水凝胶的活化，从而克服了这一障碍。"研究人员使用聚乙烯醇（PVA）制作了水凝胶，因为这种凝胶已被广泛批准用于医疗保健领域，而且具有出色的机械和生物相容性。用氦等离子喷射器处理PVA水凝胶，使其活化，产生RONS。8%的PVA水凝胶被确定为PAHT敷料的最佳选择，因为它可以很容易地被等离子体产生的RONS激活，同时保持其结构完整性、保形性和膨胀能力。研究人员将水凝胶置于铝板上方，使等离子体羽流在处理过程中与水凝胶保持接触，然后比较了两种技术，以了解是否可以通过电化学方法提高RONS的产生：一种是通过断开铝板与接地导线的连接使水凝胶保持"浮动电位"，另一种是将水凝胶"接地"。a)"浮动电位"和b)"接地"配置下处理过程中的等离子射流照片萨布林等人将等离子处理过的水凝胶培养三小时，研究过氧化氢（H2O2）和氧化亚氮（NO2-）的释放情况，这两种物质分别被用作总活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的标记。研究人员发现，在等离子处理过程中将水凝胶接地可显著提高H2O2的产生，而在处理过程中对凝胶进行水合处理可进一步提高H2O2的产生。此外，等离子射流-水凝胶界面的湿度与H2O2生成的增加密切相关。至于NO2-，接地增加了湿度的产生，而水合的影响可以忽略不计。在体外实验中，这种水凝胶能非常有效地控制大肠杆菌和绿脓杆菌的生长，而这两种细菌是糖尿病足溃疡中常见的细菌。研究人员表示，虽然这项研究的重点是糖尿病伤口，但该技术可用于治疗所有慢性伤口和内部感染。Szili说："我们的PAHT技术的一大优势是，它可用于治疗所有伤口。这是一种环保安全的治疗方法，它利用空气和水中的天然成分来制造活性成分，活性成分会降解为无毒和生物兼容的成分"。下一步是进行临床试验，以优化电化学技术，用于治疗人类患者。今后，研究人员将研究如何利用这项技术，通过激活注入人体的水凝胶中的药物来治疗癌症肿瘤。Szili说："活性成分可以长期输送，改善治疗效果，并有更大的机会穿透肿瘤。血浆在医疗领域有着巨大的潜力，而这只是冰山一角。"这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419155.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419155.htm