激光驱动的半导体开关设计理论上可以实现比现有光导器件更高的速度和电压——如果开关要小型化并并入卫星，就有可能实现5G以上的通信速度。这项技术是通过美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和伊利诺伊大学Urras-ChanaPiange（UIUC）的联合研究努力来构思的。研究小组的设备使用高功率激光器在极端电场下在基底材料氮化镓中产生电子电荷云。 与普通半导体不同的是，随着外加电场的增加，电子移动得更快，氮化镓表现出一种称为负微分迁移率的现象，即产生的电子云在云的前部减慢。研究人员说，这使得该装置在暴露于电磁辐射时，能够产生频率接近1太赫兹的极快脉冲和高压信号。 这个项目的目标是制造一种比现有技术更强大的设备，同时也能在非常高的频率下工作。在一种独特的模式下工作，在这种模式下，输出脉冲的时间实际上可以比激光器的输入脉冲短——几乎就像一个压缩装置。可以将光输入压缩成电输出，这样就有可能产生极高速度和高功率的射频波形。 研究人员表示，如果论文中描述的交换机能够实现，它确实可以被小型化，并被纳入卫星中，以实现5G以外的通信系统。这将有可能以更快的速度远距离传输更多的数据。高功率和高频技术是固态器件尚未取代真空管的最后几个领域之一。新的紧凑型半导体技术能够超过300千兆赫，同时提供一瓦或更多的输出功率是在这种应用的高需求。虽然一些高电子迁移率晶体管能够达到高于300ghz的频率，但它们的能量输出通常受到限制。这一新开关的建模和仿真将为实验提供指导，降低测试结构的成本，通过防止试验和错误提高实验室测试的周转率和成功率，并使实验数据得到正确解释。”， 这个小组正在LNN建造交换机。它也在探索其他材料如砷化镓，以优化性能。研究人员表示，砷化镓在比氮化镓低的电场下表现出负的微分迁移率，因此这是一个很好的模型，可以通过更容易的测试来理解这种效应的利弊。 该项目是由实验室指导的研究和开发项目资助的，目的是演示一种能够在100ghz和更高功率下工作的传导装置。该小组报告说，未来的工作将研究激光加热对电子电荷云的影响，以及在电光模拟框架下提高对器件运行的理解。 该研究成果以题名“Design and Simulation of Near-Terahertz GaN Photoconductive Switches–Operation in the Negative Differential Mobility Regime and Pulse Compression”发表在IEEE Journal of the Electron Devices Society，原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9424182

莫斯科电子与数学研究所（MIEM-HSE）的Konstantin Arutyunov教授与中国的研究人员共同开发了一种基于石墨烯的机械谐振器，在这种谐振器中诱导了声能量子或声子的相干发射。这种被称为声子激光器的器件在信息处理以及材料的经典和量子传感方面有着广泛的应用潜力。 有些物质在受到辐射时，会发出波长、相位和偏振相同的光子。这一过程被称为受激发射，由阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前预言，是我们都知道的激光装置的基础。第一批激光器是大约六十年前建造的，它们已经在我们生活的各个领域中牢固地确立了地位。 类似的过程，包括“相同”声子的发射，是一种被称为声子激光器（saser）的装置的基础。事实上，它和激光是同时被预测的，但是在很长一段时间里，只有少数实验实现被开发出来，而且没有一个在工业上得到广泛的应用。 镁离子、半导体、具有微腔的复合系统、机电谐振器、纳米粒子以及许多其他物质和系统在过去十年中被用作声子激光器的活性介质。与以往的研究不同，本研究使用石墨烯来产生相干声激励。由于石墨烯的独特性质，这种谐振器具有广泛的应用前景。 石墨烯谐振器是用微光刻技术制作的：在硅衬底上沉积一层光敏聚合物薄膜。利用紫外光，在基板上“绘制”出某种结构，随后通过等离子体处理形成微腔的重复系统。经过处理的基板上覆盖着一层石墨烯，这种“鼓”系统的行为就像一个谐振器，也就是说，如果外部振动以一定的频率产生，它就会放大。 如果用特定波长的激光照射这种“鼓”，光子就会在硅衬底和石墨烯之间反复反射，从而形成光学腔，在那里产生适当频率的机械振动。 在实验上，研究人员研究了一种纳米结构，它是一种由碳单原子层或石墨烯构成的固定膜。原子或声子的振动通过暴露于外部光辐射而被激活。这项研究预计将继续进行，因为是对超小型物体的物理学研究，并有可能创造新一代量子光机传感器和传感器。 该成果以“Phonon lasing with an atomic thin membrane resonator at room temperature”发表在《Optics Express》，原文链接：https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-11-16241&id=450960

自由空间光通信（Free space optical communication，简称Free space optical communication）是一种利用光传输信息的远距离通信系统，是一种很有前途的高速通信系统。这种通信系统不受电磁干扰的影响，电磁干扰是一种由外部源产生的干扰，会影响电路并干扰无线电信号。 虽然一些研究强调了自由空间光通信的可能优势，但这种通信系统到目前为止仍有一定的局限性。最值得注意的是，其安全防范窃听者的功能是有限的。来自法国巴黎理工学院、德国达姆施塔特工业大学和美国洛杉矶加利福尼亚大学的研究团队最近推出了一种基于量子级联激光器的更安全的自由空间光通信系统，该系统是一种典型的发射中红外光的半导体激光器。 通过量子密钥分发（即基于量子物理特性）的私人自由空间通信是很有希望的，但可能还需要数年，甚至更长的时间。目前该项技术的主要限制是对低温系统的要求、非常慢的数据传输速率和昂贵的设备。 研究团队提出了一种替代先前提出的实现私有自由空间通信的系统的方法，这种系统实现了基于量子力学定律的密码协议，设计的新系统是基于使用两个单向耦合的量子级联激光器。 研究人员的方法结合了混沌同步和中红外波长的量子级联激光技术。混沌同步是半导体激光器研究的一个特殊性质。混沌同步是私人通信的关键，而中红外波长意味着大气的衰减比近红外波长低，而近红外波长是大多数半导体激光器发射的波长。此外，中红外波长意味着隐身，因为背景辐射位于同一波长域。” 量子级联激光器的中红外波长使得潜在的窃听者更难破译使用研究人员系统交换的信息。这意味着通信的安全性进一步提高。 本研究成功实现了是两个QCL之间成功的混沌同步，在这种结构中产生时间混沌的可能性一直是有争议的，因为与大多数半导体激光器相比，它们依赖不同的技术，这使得QCLs更稳定，因此不太容易发生混沌。几年前，研究人员通过实验证明了QCLs可以产生时间混沌，现在更进一步实现了基于混沌同步的私有通信。 到目前为止，研究人员仅仅描述了他们提出的系统的概念证明，两个量子级联激光器之间的距离只有一米。对于自由空间通信来说，这不是一个现实的配置。未来，研究人员希望改进系统，使之更适合于现实世界的实现，把自由通信距离增加到几百米，然后再增加几公里，以便建立一个作战系统。 除了量子级联激光器外，还有其它中红外半导体激光器，如带间级联激光器。研究人员计划用带间级联激光器重复同样的实验，以确定中红外波长下私人通信的最佳配置。 该论文以题名“Private communications with quantum cascade laser photonic chaos”发表在《自然通讯》上，原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23527-9

麻省理工学院的工程师们发现了一种利用微小的碳粒子发电的新方法，这种碳粒子只需与周围的液体相互作用就能产生电流。 研究人员说，这种液体是一种有机溶剂，它将电子从粒子中抽出，产生一种电流，可以用来驱动化学反应或驱动微型或纳米机器人。这种产生能量的方式是全新的，所要做的就是让溶剂流过这些粒子的床层。 在一项描述这种现象的新研究中，研究人员表明，他们可以利用这种电流来驱动一种称为酒精氧化的反应——一种在化学工业中很重要的有机化学反应。 独特属性 这一新发现源于研究人员对碳纳米管的研究，这种碳纳米管是由碳原子晶格构成的空心管，具有独特的电学特性。2010年，研究人员首次证明，碳纳米管可以产生“热电波”。当碳纳米管涂上一层燃料时，移动的热脉冲或热电波沿着碳纳米管传播，产生电流。 这项工作使研究人员发现了碳纳米管的一个相关特征。他们发现，当纳米管的一部分涂上类似聚四氟乙烯的聚合物时，会产生一种不对称性，使得电子有可能从纳米管的涂有涂层的部分流向未涂有涂层的部分，从而产生电流。这些电子可以通过将粒子浸入渴望电子的溶剂中而被抽出。 为了利用这一特殊能力，研究人员通过研磨碳纳米管并将其形成一张纸状材料，制造出了发电粒子。每张纸的一面涂上一层类似聚四氟乙烯的聚合物，然后研究人员切割出小颗粒，这些颗粒可以是任何形状或大小。在这项研究中，他们制造了250微米乘250微米的粒子。 当这些粒子浸没在有机溶剂（如乙腈）中时，溶剂会粘附在粒子的无涂层表面，并开始从中拉出电子。 粒子功率 目前这种粒子的每一个粒子可以产生大约0.7伏的电。在这项研究中，研究人员还表明，他们可以在一个小试管中形成数百个粒子的阵列。这种“填充床”反应器产生足够的能量来推动一种称为酒精氧化的化学反应，在这种化学反应中，酒精被转化为醛或酮。通常，这种反应不使用电化学，因为它需要太多的外部电流。由于填充床反应器结构紧凑，在应用方面比大型电化学反应器更具灵活性。粒子可以变得很小，它们不需要任何外部电线来驱动电化学反应。 在未来的工作中，研究人员希望利用这种能源制造聚合物，只使用二氧化碳作为起始材料。在一个相关的项目中，他已经创造出聚合物，可以利用二氧化碳作为建筑材料，在太阳能的驱动下进行自我再生。这项工作的灵感来源于碳固定，即植物利用太阳能从二氧化碳中生成糖分的一系列化学反应。 从长远来看，这种方法也可以用来驱动微型或纳米机器人。研究团队已经开始制造这种规模的机器人，有朝一日可以用作诊断或环境传感器。研究人员表示能够从环境中收集能量来驱动这些机器人的想法很有吸引力。 论文信息：Albert Tianxiang Liu et al, Solvent-induced electrochemistry at an electrically asymmetric carbon Janus particle, Nature Communications (2021). https://www.nature.com/articles/s41467-021-23038-7

美国加州大学圣地亚哥分校的电气工程师开发了一种技术，可以提高普通光学显微镜的分辨率，从而可以直接观察活细胞更精细的结构和细节。 这项技术把传统的光学显微镜变成了超分辨率显微镜。它包括一种特殊的工程材料，当它照亮样品时会缩短光的波长——这种收缩的光本质上是使显微镜能够以更高的分辨率成像。 将低分辨率的光转换成高分辨率的光，只需在材料上放一个样品，然后把整个东西放在普通显微镜下——不需要任何花哨的修饰。 这项发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的研究克服了传统光学显微镜的一大局限：分辨率低。光显微镜对活细胞成像很有用，但不能用来观察更小的细胞。传统的光学显微镜的分辨率限制为200纳米，这意味着任何比这一距离近的物体都不会作为单独的物体被观察到。虽然有更强大的工具，如电子显微镜，它有分辨率看到亚细胞结构，但它们不能用来成像活细胞，因为样品需要放在真空室内。 “要的挑战是找到一种分辨率非常高、对活细胞也安全的技术。该研究团队开发的技术结合了这两个特点。有了它，传统的光学显微镜可以用来成像活体亚细胞结构，分辨率高达40纳米。 这项技术包括一种显微镜载玻片，上面涂有一种叫做双曲超材料的光收缩材料。它是由纳米级的银和硅玻璃交替层组成的。当光通过时，其波长缩短并散射，产生一系列随机的高分辨率散斑图案。当样品被安装在载玻片上时，它会被这一系列的散斑光图案以不同的方式照亮。这将创建一系列低分辨率图像，这些图像都被捕获，然后通过重建算法拼接在一起，生成高分辨率图像。 研究人员用商用倒置显微镜测试了他们的技术。他们能够在荧光标记的Cos-7细胞中成像精细的特征，比如肌动蛋白丝——这些特征仅仅用显微镜本身是无法清楚辨别的。这项技术还使研究人员能够清楚地区分间距为40至80纳米的微小荧光珠和量子点。 研究人员说，这种超分辨率技术在高速运行方面有很大的潜力。他们的目标是将高速，超分辨率和低光毒性纳入一个活细胞成像系统。 研究团队现在正在扩展这项技术，在三维空间进行高分辨率成像。本研究表明，该技术可以在二维平面上产生高分辨率的图像。研究团队此前发表的一篇论文显示，这项技术还能够以超高轴向分辨率（约2纳米）成像。他们现在正致力于将两者结合起来。 论文信息："Metamaterial assisted illumination nanoscopy via random super-resolution speckles." Co-authors include: Yeon Ui Lee*, Junxiang Zhao*, Qian Ma*, Larousse Khosravi Khorashad, Clara Posner, Guangru Li, G. Bimananda M. Wisna, Zachary Burns and Jin Zhang, UC San Diego.