http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-06-29
美首次制造出不使用半导体的晶体管
利用纳米级氮化硼和金量子点实现量子隧穿效应
科技日报讯 据美国每日科学网站6月21日报道，美国科学家首次利用纳米尺度的绝缘体氮化硼以及金量子点，实现量子隧穿效应，制造出了没有半导体的晶体管。该成果有望开启新的电子设备时代。
几十年来，电子设备变得越来越小，科学家们现已能将数百万个半导体集成在单个硅芯片上。该研究的领导者、密歇根理工大学的物理学家叶跃进（音译）表示：“以目前的技术发展形势看，10年到20年间，这种晶体管不可能变得更小。半导体还有另一个先天不足，即会以热的形式浪费大量能源。”
科学家们尝试使用不同材料和半导体设计方法来解决上述问题，但都与硅等半导体有关。2007年，叶跃进开始另辟蹊径，制造没有半导体的晶体管。叶跃进说：“我的想法是用纳米尺度的绝缘体并在其顶部安放纳米金属来制造晶体管，我们选择了氮化硼碳纳米管（BNNTs）做基座。”随后，他们使用激光，将直径为3纳米宽的金量子点（QDs）置于氮化硼碳纳米管顶端，形成了量子点—氮化硼碳纳米管（QDs-BNNTs）。对于金量子点来说，氮化硼碳纳米管是完美的基座，其尺寸小、可控而且直径一致，同时还绝缘，也能对其上的量子点大小进行限制。
研究人员同橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家们携手合作，在室温下让量子点—氮化硼碳纳米管两端的电极通电。有趣的事情发生了：电子非常精确地从一个量子点跳到另一个量子点——这就是量子隧穿效应。叶跃进表示：“这种设备的稳定性非常好。”
叶跃进团队利用这一设备制造出了一种晶体管，其中没有半导体的“身影”。当施加足够的电压时，其会打开到导电状态；当电压低或关闭时，它会恢复到其天然的绝缘体状态。而且，这一设备没有“漏网之鱼”：没有来自金量子点的电子逃进绝缘的氮化硼碳纳米管内，因此，隧道会一直保持冷的状态。而硅常遇到泄露，使电子设备中的大量能量以热的形式被浪费掉。
密歇根理工大学的物理学家约翰·雅什查克为新的晶体管研究出了理论框架。他表示，此前也有其他科学家利用量子隧穿制造出了晶体管，但这些设备只在液氦温度（4.2K）下工作，而新设备则可以在室温下工作。
叶跃进的金—纳米管设备的秘密就在于“小”：其仅有1微米长、20纳米宽。雅什查克解释道：“这个金岛的宽度必须在纳米级别，这样才能在室温下控制电子。如果它们太大，有很多电子可以在其上流动。从理论上而言，当电极之间的距离近到几分之一微米时，这些隧道可以小到接近零。”（刘霞）
《科技日报》（2013-06-27 二版）
[中科网]
首次观察到光合作用中能量转化的量子机制
有助于研制新一代转化效率更高的太阳能电池
科技日报讯 据美国每日科学网站近日报道，英国科学家首次在室温下观察到光合作用中能量转化的量子机制——相干作用（一种状态相互叠加的量子效应），并证明，正是这一量子机制使光合作用能很好地面对环境干扰。出版在《科学》杂志的最新研究有助于科学家们研制出新一代转化效率更高的太阳能电池。
提高太阳光的有效转化率是科学家们孜孜以求的目标，他们希望借此降低人类对化石能源的依赖。光合生物和某些细菌已掌握了这一过程：在万亿分之一秒内，其内的光合天线蛋白会将吸收到的太阳光的95%输送至光合反应中心，从而驱动光合作用。
此前，已有多个研究团队证明，这一高效的能量输送过程与一个量子力学现象——相干作用相关。但迄今为止，还没有人在室温下直接观察到这一机制。现在，格拉斯哥大学的科学家做到了这一点。
为了观察到这种量子机制，该校光子科学研究所（ICFO）的尼克·范·胡思特领导的研究团队研发出一种极具开创性的实验技术，将超快的光谱学技术推到了单分子尺度，从而可以捕获发生在分子尺度的光合作用能源输送过程。在最新研究中，他们发送超快的飞秒（1000万亿分之一秒）闪光以捕捉单个天线蛋白吸收光后状态的一系列“图片”，并利用这些“快照”厘清了太阳能在蛋白之间的输送过程。
该研究的第一作者理查德·海德勒表示：“现在，使用前所未有的空间和时间分辨率，我们能观察能量如何通过光合作用系统，这是我们首次在室温下观察到这种量子效应的细枝末节。”
范·胡思特团队对拥有同样化学组成的不同天线蛋白的能量转运通路进行了评估，并且证明，每个蛋白使用一种独特的通路。最令人惊奇的发现是，不同蛋白内的输送通路可随时间和环境变化，从而获得最佳转化效率。范·胡思特表示：“这些结论表明，这种相干作用负责让生物系统保持高水平的输送效率，甚至让蛋白根据环境采用不同的能量输送通路。”最新研究有望使科学家们模拟这些量子相干作用来设计新一代太阳能电池，以获得更高的能量转化效率。（刘霞）
《科技日报》（2013-06-28 二版）
[中科网]