学术背景 在高温热绝缘和热电材料的设计中，降低热导率是一个关键目标。超晶格（Superlattice, SL）结构通过交替堆叠不同材料层，能够有效抑制声子（phonon）的热传输，从而显著降低材料的热导率。这一特性使得超晶格在热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）和热电材料中具有重要应用前景。然而，超高温陶瓷（Ultra-High-Temperature Ceramics, UHTCs）在极端环境下的热传输特性及其超晶格结构的设计仍存在许多未解之谜。尤其是过渡金属碳化物（如HfC和TaC）因其高熔点和结构稳定性，成为高温应用的理想候选材料。然而，关于HfC/TaC超晶格的热导率及其界面热阻的研究仍较为有限。 本研究旨在通过实验探究HfC/TaC超晶格的热传输...
学术背景 保龄球是美国最受欢迎的体育运动之一，截至2017年，已有超过4500万人定期参与。随着每年全国性比赛中数百万美元的奖金争夺，如何提高选手得分成为研究热点。然而，由于计算复杂性和影响球轨迹的变量众多，大多数研究依赖于经验数据的统计分析，而非理论建模。例如，2018年美国保龄球协会（USBC）设备规格报告使用了37名选手的球速数据，而非计算机模型。 以往关于保龄球物理学的定量分析较少，主要由于涉及的参数众多。Fröhlich、Hopkins和Huston等人在过去几十年中尝试建立数学模型，考虑保龄球内部重量块的影响，并提供了少量参数值的模拟结果。然而，这些模型仅假设了简单的摩擦剖面，无法完全反映实际比赛中的复杂情况。 本研究旨在通过物理模拟，探索竞技保龄球中的瞄准策略，帮助选手在比赛中...
学术背景 在极端条件下（如高压、高温）研究材料的行为是凝聚态物理和材料科学中的重要课题。激光冲击技术能够在纳秒时间尺度上对材料施加极高的压力，而X射线衍射技术则可以在飞秒时间尺度上捕捉材料的结构变化。然而，在这些动态压缩实验中，温度的测量一直是一个难题。传统的测温技术（如热辐射测量）在如此短的时间尺度和小尺度目标上难以实现。因此，开发一种能够在单次实验中精确测量动态压缩材料温度的方法具有重要意义。 本文的研究团队利用X射线自由电子激光（X-ray Free-Electron Laser, XFEL）和激光冲击技术，提出了一种基于X射线热漫散射（Thermal Diffuse Scattering, TDS）强度的温度测量方法。该方法通过测量铜箔在激光冲击下的X射线热漫散射强度，推导出材料的温...
学术背景 地球的磁层和电离层是研究空间物理的重要领域，尤其是电离层中的能量和动量传输过程。电离层中的离子和电子的行为受到地球磁场和太阳风的影响，这些过程对于理解空间天气、卫星通信和导航系统等具有重要意义。然而，电离层中的许多物理过程仍然未被完全理解，尤其是在小尺度（kinetic scale）上的能量和动量传输机制。 为了更好地理解这些过程，研究人员设计了KINET-X（Kinetic-scale Energy and Momentum Transport Experiment）任务，通过发射探空火箭并在电离层中释放中性钡（barium）云，研究这些钡云与周围等离子体的耦合过程以及相关的波粒相互作用。钡云释放后，钡原子被电离成钡离子（Ba⁺），这些离子的运动和行为可以通过仪器进行测量，从而揭...
学术背景 蛋白质数据库（Protein Data Bank, PDB）是全球最重要的生物分子三维结构数据资源，自1971年成立以来，PDB已成为结构生物学、生物医学、生物能源和生物技术等领域的重要工具。PDB不仅为科研人员提供了大量实验确定的生物分子结构数据，还支持教育工作者将这些结构应用于教学中，帮助学生理解生物分子的结构与功能。然而，随着结构生物学技术的快速发展，尤其是冷冻电镜（cryo-EM）和人工智能（AI）预测蛋白质结构技术的进步，PDB面临新的挑战：如何更有效地向公众和科研人员传达这些复杂结构的科学意义。 “本月分子”（Molecule of the Month）是PDB-101教育平台的旗舰栏目，自2000年由David S. Goodsell创立以来，已发表了300多篇文章，...
学术背景 高超声速技术是航空航天领域的重要研究方向，其应用范围涵盖了国防、航天发射和超高速商业航空等多个关键领域。随着计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术的快速发展，高精度CFD模拟在高超声速飞行器设计中扮演着越来越重要的角色。然而，尽管开源CFD框架如OpenFOAM已被广泛应用，现有的基于密度的求解器在处理现代高超声速飞行器设计的复杂需求时仍面临诸多限制。特别是，商业软件的高昂许可费用和闭源性质限制了其广泛应用，而现有的开源工具在算法成熟度、功能完整性和验证方面仍存在不足。 为了解决这些问题，南京理工大学能源与动力工程学院的王尚和张小兵团队开发了一款基于OpenFOAM v12的新型模块化可压缩流动求解器——ShockFluidX。该求...
随着人工智能（AI）技术的快速发展，人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANNs）在多个领域取得了显著成就。然而，传统的神经网络训练方法——尤其是反向传播算法（Backpropagation）——在硬件实现上存在诸多挑战。反向传播算法虽然在软件中高效，但在硬件中实现时，要求计算路径可逆、每个神经元需要大量内存，并且需要计算激活函数的导数，这些条件在硬件中难以满足。此外，传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）硬件在训练和部署这些算法时，能源消耗巨大，限制了其扩展性和广泛应用。 为了解决这些问题，研究人员开始探索脑启发（brain-inspired）的硬件解决方案，尤其是模拟神经形态硬件（analog neuromorphic hardware）。这类硬件能够以...
背景介绍 阿秒科学（attosecond science）是研究电子在原子、分子和固体中超快动力学的前沿领域。自高次谐波产生（High-Order Harmonic Generation, HHG）和阿秒脉冲的实验实现以来，阿秒科学迅速发展，成为研究电子动力学的强大工具。然而，传统的钛宝石（Ti:Sapphire, Ti:Sa）激光器虽然在高次谐波产生和阿秒脉冲生成中表现出色，但其高量子缺陷和高热负载限制了其在高重复频率和高平均功率下的应用。近年来，掺镱（Ytterbium, Yb）激光器因其低量子缺陷、高重复频率和高平均功率的特性，逐渐成为阿秒科学中的新兴工具。本文探讨了掺镱激光器在阿秒科学中的应用，并回顾了其在非线性压缩、阿秒脉冲生成和电场测量方面的最新进展。 论文来源 本文由Tran-...
学术背景 随着信息时代的到来，集成电路（Integrated Circuits, ICs）成为了推动技术进步的核心力量。然而，传统的集成光子学平台（如硅、氮化硅等）在材料特性上存在诸多限制，例如硅的间接带隙限制了其在激光应用中的使用，而硅在近红外波段的强双光子吸收也限制了其在非线性光学应用中的表现。为了克服这些限制，研究人员开始探索将具有优异光学特性的二维材料（2D Materials）集成到光子芯片上。二维材料，如石墨烯（Graphene）、过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）、黑磷（Black Phosphorus, BP）等，展现出超高的载流子迁移率、宽带光学响应、层依赖的可调带隙等特性，为下一代光子集成电路（Photoni...
学术背景 近年来，结构化光（structured light）在模拟高能物理、宇宙学、磁性材料和超流体中的拓扑斯格明子（skyrmion）纹理方面展现了巨大的潜力。斯格明子是一种非奇异、局域的拓扑结构，最初在核物理中被提出，后来在超流体、磁性材料和玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensates）中得到了广泛研究。尽管光学斯格明子在数据编码和存储方面具有潜在应用，但关于其拓扑结构向物质转移和存储的研究却非常有限。本文旨在解决这一问题，通过实验展示如何将激光束中的斯格明子拓扑高保真地映射到冷原子气体中，并在新的非传播形式下进行检测。 论文来源 本文由Chirantan Mitra、Chetan Sriram Madasu、Lucas Gabardos、Chang Chi...