日本开发出新型存储器 根据内容而非地址进行存取
本报讯（记者王小龙）据美国物理学家组织网6月14日（北京时间）报道，日本研究人员近日表示，他们已经开发出一种新型存储器，可大幅降低个人电脑、电视以及其他电子设备在待机期间的能量消耗。
据负责该项研究的日本NEC公司和日本东北大学的研究人员称，这种新型内容可寻址存储器（CAM）除了具备现有存储器的运行速度外，还具有非易失性的功能，即在没有电流的情况下仍能保存数据。新型CAM采用了自旋电子逻辑集成电路技术，通过注入自旋极化电流的方式来实现扭转磁矩，以磁畴壁中的垂直布洛赫线为信息载体。
有研究显示，大多数家用及个人电子设备经常处于待机状态，只有在使用时才需要启动和激活电路，这使待机功耗成为了一笔“隐形”浪费。曾经有人算过一笔账，一个普通家庭中如果把电视机、电脑、洗衣机、电冰箱等家电的插头一直插着并保持待机状态，一个月就要白白浪费70多度电。
研究人员称，借助新技术可制成功耗更低的非挥发性处理器。这种处理器不但能够以用户的输入为触发条件来工作，还能实现从待机状态下瞬间启动。由于新型的自旋电子技术使存储密度更大，这种存储器的电路面积比传统电路要小一半，可以让未来的电子设备更轻、更薄、更小巧。此外，由于新存储器根据内容而非地址来进行存取，与传统技术相比其数据检索速度也更快。
NEC和日本东北大学将于6月17日在2011年VLSI研讨会上正式公布这一研究成果。
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如果知道自己家庭支付的电费中，有一成以上是为电器待机买单，我们就会明白那些微弱的待机指示灯代表的是巨大的浪费。现在，家电制造业在跨越了低待机功耗门槛后，开始向零待机功耗发起冲击，新产品、新技术、新理论不断出现，真正展现了科技创新对节能减排的支撑作用。然而，在新家电投入使用前，养成随手断电的习惯，只是按一下机械开关的举手之劳，对减少能源浪费来说更加实际。
IBM研制出首款石墨烯集成电路 有望替代硅晶片
据美国《大众科学》网站近日报道，美国IBM公司的科学家研制出了首款由石墨烯圆片制成的集成电路，向开发石墨烯计算机芯片前进了一步。科学家们认为，这项突破可能预示着，未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片，相关研究发表在最新一期《科学》杂志上。
这块集成电路建立在一块碳化硅上，并且由一些石墨烯场效应晶体管组成。去年，IBM公司托马斯·沃森研究中心科学家林育明领导的团队展示了首块基于石墨烯的晶体管，其能在100G赫兹的频率上运行，但这次，该团队将其整合进一块完整的集成电路中。
多个科研团队在研制石墨烯晶体管和接收器中遇到了几大障碍：首先，石墨烯这种纤薄的单原子层薄片很难同制造芯片所用的金属和合金匹配到一起。另外，在蚀刻过程中，石墨烯很容易受损。
林育明团队找到了一种新方法——通过在一块碳化硅晶圆的硅面上种植石墨烯，清除了这些障碍。接着，他们将石墨烯包裹进一个聚合物内，进行必须的蚀刻过程，随后再用一些丙酮将这些聚合物清除。
研究人员表示，该晶体管门的长度仅为550纳米，整个集成电路仅为一颗盐粒那么大。而且，这种生产过程也可用于其他类型的石墨烯材料，包括将化学气相淀积（CVD）石墨烯膜合成在金属膜之上，也可用于光学光刻以改善成本和产能。
按照美国电气与电子工程师学会（IEEE）出版的《IEEE波普》杂志的解释，这块集成电路是一个宽频无线电频率混频器——无线电收音机的关键组件，该集成电路通过找出两个输入频率的和与差来输出新的无线电信号。科学家们表示，最新的石墨烯集成电路混频最多可达10G赫兹，而且其可以承受125摄氏度的高温。
该研究团队认为，这块集成电路还可以运行得更快，届时，由这类集成电路制成的芯片可以改进手机和无线电收发两用机的信号，未来，手机或许能在一般认为无法接收信号的地方工作。
石墨烯场效应晶体管替代硅可能还需要一段时间，IBM公司的科学家下一步将继续改进这种集成电路的性能，其中包括使用对石墨烯导电性不会造成损害的各种不同金属。（刘霞）
美国制成首个活细胞激光器
本报讯（记者常丽君）据美国物理学家组织网6月13日（北京时间）报道，美国马萨诸塞州综合医院研究人员成功利用表达了绿色荧光蛋白（GFP）的肾脏细胞产生了一种纳秒级的激光脉冲，首次用单个活细胞作为增益介质产生了激光。相关论文将于近日发表在《自然·光子学》杂志上。
产生激光通常要有3个要素，第一是光源，第二是受激产生激光的“增益介质”，第三是将所产生的光聚拢到一起的“光学共振腔”。哈佛医学院皮肤病学副教授、论文作者尹淑贤（韩国名）博士说，激光发明50年来，通常都是用合成材料如晶体、染料、纯净气体作为光学增益介质，光脉冲在两面镜子间来回反射，在这些介质中被放大。而我们选择了能表达绿色荧光蛋白（GFP）的肾脏细胞作为增益介质。
GFP蛋白最初是在水母中发现，可在不添加其他酶的情况下诱导发光。研究人员给一个直径约20微米宽、1英寸（2.5厘米）长的圆筒两边装上镜子作为光学共振腔，共振腔内装满GFP水溶液，再向其中放入肾脏细胞。结果发现，肾脏细胞不仅能产生激光脉冲，而且能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。
更重要的是，该激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活，能持续产生数百次激光脉冲。尽管单个激光脉冲比较微弱，仅持续几纳秒，但却很明亮，很容易探测到。
论文主要作者、马萨诸塞州综合医院马尔特·加特说，这一成果源于好奇心。由于此前激光均由各种机械装置生成，他和同事就想，“为什么自然界中没有生物能制造激光”，产生了用细胞组织试试看的念头，结果显示这是有可能实现的。
对于这项成果的运用前景，研究人员提出了几种可能。首先，由于不同的细胞结构所产生的激光在光学性质上有差异，可以通过分析最后得到的光，来研究细胞和机体组织；第二，目前医学上有一种光动力疗法，可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位，然后用光照来激发药效，如果在这种疗法中能用上“细胞激光器”，也许可以增进疗效。
但要在机体组织内产生激光，还要解决一个问题，即如何在机体组织内形成一个光学共振腔，而不是像本次研究那样利用外部的两面小镜子。“下一步，我们希望能在细胞里植入一种类似于镜盒的结构作为光学共振腔。而我们的长期目标是找到一种方法，将无生命的光通讯和计算机拓展到生物技术领域，这在一些涉及电子与生物组织转换界面的项目上尤其重要。”马尔特·加特补充说。
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激光通常用合成材料如晶体、染料等作为光学增益介质，而由于好奇心，马尔特·加特等人居然在细胞组织上动起了脑筋，更神奇的是，这一构想最终成为了现实。我们不得不惊叹好奇心在科学研究中的重要推动作用。而说到其运用前景，利用“细胞激光器”来进行光动力疗法，或许能加快一些病患的康复，这不啻是一件功德无量的好事。而他们欲“将无生命的光通讯和计算机拓展到生物技术领域”的“野心”就更值得期待了。
中美科学家找到钠离子充电电池改进新途径
为将太阳能和风能产生的电能并入电网，管理人员需要就近在太阳能和风能发电厂安装可大量储存电能的电池。常见的用于电子消费品和电动汽车上的锂离子充电电池具有良好的储电能力，但是由于价格昂贵而无法大量生产和应用。钠离子用于充电电池是另一个最好的选择，不过目前钠硫电池运行温度为300摄氏度，相当于水沸点温度的3倍，这使得钠硫电池既不节能又不安全。
而研究人员的目标是要采用廉价的钠同时使用锂离子充电电池中的电极。最近，通过对电极材料进行恰当的高温处理，研究人员开发出了能提高钠离子充电电池电能和寿命的方法，从而有望让钠离子充电电池成为替代电网中用于大规模储存电能的廉价的新途径。
寻找到新方法的是美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家和来自中国武汉大学访问学者组成的研究小组。在西北太平洋国家实验室化学家刘军（音译）和武汉大学化学家曹玉良（音译）的领导下，研究人员利用纳米材料制作出了能够用于钠离子充电电池的电极。刘军表示，钠离子电池使用食盐中的钠离子成分并在室温下工作，这将使得充电电池更为廉价且更加安全。
高温处理让电极材料中看又中用
锂充电电池中的电极由氧化锰材料制成，其材料中原子之间存在许多小孔和通道。当电池在放电或充电时，锂离子能够在小孔和通道中穿行。事实上，锂离子的这种自由运动保证了电池电能的储存或释放。不过，简单地用钠离子取代锂离子则无法正常工作，因为钠离子比锂离子大70%，它们无法在氧化锰原子间的小孔和通道中自由穿行。
在寻求增大氧化锰材料中原子小孔和通道的途径时，研究人员将注意力转向了更小的物质——具有独特性能的纳米材料。在研究探索中，研究人员将两种不同种类的氧化锰原子基础材料混合起来，一种的原子排列成金字塔状，两个金字塔结构的基底结合在一起后形同钻石；另一种的原子排列为正八面体。他们期望混合材料最终能形成大的S形通道和更小的五边形通道，以便让钠离子通过。
为此，研究人员将混合的材料经过450摄氏度至900摄氏度的高温处理，然后分析处理后的结果，并检测何种温度处理效果最佳。利用扫描电子显微镜，他们发现，不同的温度下获得的材料的品质也不相同。750摄氏度处理后的氧化锰形成了最佳的晶体，温度低时晶体看上去很古怪，温度高时晶体成较大的平板状。
借助美国能源部所属环境分子学实验室的透射电子显微镜，研究人员观察到，经过600摄氏度处理的氧化锰混合物形成的纳米导线上有妨碍钠离子运动的凹坑，750摄氏度处理后的混合物纳米导线均匀和透明。
然而，对研究人员而言，即使是最上相的材料，如果不能满足工作的需要，那么它也只不过是装饰品。为了解经过高温处理后获得的氧化锰纳米晶体是否既中看又中用，他们将其制成电极放入含有能帮助氧化锰电极形成电流的钠离子的溶液中，然后不断地对实验用电池进行充电和放电测试。
输出峰值电量大增且可循环充电
在对用混合氧化锰纳米材料为电极的实验电池进行的放电测试中，研究人员测量到的每克电极材料峰值电量为每小时128毫安，此结果超过了过去其他研究人员完成的实验。在以往的实验中，曾测量到峰值电量为80毫安时的结果，据悉，该电池也采用了氧化锰电极，但电极的生产方式不同。研究人员认为，过去实验出现较低峰值电量的原因是由于钠离子导致氧化锰结构发生变化，而在经过高温处理后的纳米氧化锰电极中，氧化锰的结构不会或很少发生变化。
除输出高峰值电量外，高温处理后获得的氧化锰纳米电极材料能够让电池保持充/放电循环能力，这在商业应用中十分重要。研究人员发现，经过750摄氏度处理获得的电极材料效果最好，在100次充/放电循环后，电池电量仅减少7%。而经过600摄氏度和900摄氏度处理后的材料，在相同的情况下电量损失率分别为37%和25%。同时，即使是在1000次充/放电循环后，采用750摄氏度处理后的材料制作电极的电池电量仅比最初的电量下降了23%。对此，研究人员认为此纳米电极材料具有良好的工作性质。
此外，在对实验电池以不同速度进行充电的测试中，研究人员注意到充电速度越快，电池能保存的电力越少。这说明充电速度能够影响电池的储电能力。在快速充电时，钠离子并不能以足够快的速度进入电极通道并将它们填满。
为解决钠离子移动速度慢的问题，研究人员设想今后制作尺寸更小的纳米导线来加速充/放电过程。电网中的电池需要快速充电，这样它们才能够尽可能地储存从可再生能源那里获得的电能。同时，它们也需要具有快速放电的能力，以便满足电力消费者在打开空调和电视甚至为电动汽车充电时的需求。（本报驻美国记者 毛黎）
美国科学家发现新型“超原子”兼具电性和磁性
据美国物理学家组织网6月8日报道，美国科学家发现了一种性能稳定的新型“超原子”，是由1个铁原子和8个镁原子集结而成的原子簇，具有令人不可思议的磁性。科学家们认为，电性和磁性兼备的这种超原子可用来组装分子电子设备，从而为下一代处理器、存储器和量子计算机的研制奠定基础。
弗吉尼亚联邦大学的物理学教授施夫·汉纳领导的团队发现了该超原子。他们在《美国国家科学院院刊》上报告称，不具有磁性的镁元素在新型超原子中被铁原子磁化，也拥有了磁性。新的超原子拥有一个磁矩，其大小为4玻尔磁子，大约为固体磁铁中铁原子磁矩的两倍。磁矩是该原子簇磁强度的衡量指标。尽管元素周期表中有100多种元素，但在固态下表现出磁性的只有9种。“我们的研究找到了一种新方法，通过控制不具有磁性的元素同单个具有磁性的原子的结合，让本身不具有磁性的元素拥有磁性。”汉纳说。
该研究团队还发现，当原子簇拥有8个镁原子时，其充满电子的壳层与未填满的壳层几乎完全分离，从而获得非凡的稳定性。当一个原子的最外层被填满并且与未填满的壳层分开时，该原子处于一种稳定的状态，惰性气体的原子就是如此。
这种兼具磁性和导电性的超原子将在分子电子设备领域大展拳脚。分子电子设备是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件来组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。分子设备使具有特定自旋方向的电子能流动，可以用于量子计算机中。或许未来据此组装出的分子设备能用来制造更紧密的集成设备、数据处理速度更快的存储器乃至量子计算机等。
新的超原子还会优先使朝特定方向自旋的电子遍及整个原子簇，汉纳团队正在对新的超原子的集合进行研究。他表示，将超原子集合在一起或许可以用于制造自旋电子设备——使用电子自旋来合成新的存储设备和数据处理过程。（刘霞）
