科学与翻译

【physicsweb 李清旭译, 2005年2月28】量子化学家发现了在两个铀原子之间形成的一种新型的化学键。总共有十个电子参与形成了五个共价键。在此之前分子内最多发现有四个共价健（原文如此，建议改为两个原子之间）（L Gagliardi and B Roos 2005 Nature 433 848）。

他们现在计划把他们的工作拓展到其他锕系双原子分子和包含双铀分子的较大的化学物类方向。

原文：New look for chemical bonds

美国Minnesota 大学的工程人员发明了一种室温下在等离子体中制造硅纳米颗粒的新方法。新方法解决了现有的基于等离子体的制备方法中的问题，可以制造出尺寸相同的纳米颗粒。研究人员说这种晶体颗粒可以用到新的电子器件中，譬如说单个纳米颗粒晶体管(A Bapat et al. 2004 arxiv.org/abs/physics/0410038)。

相对于非晶态（无定型）硅来说，晶态硅有许多好的特性，可以用于高速电子学（high-speed electronics）中，不过现有的等离子体合成技术（plasma synthesis techniques）总是得到非晶态（无定型）硅。并且得到的纳米颗粒或者存在很多缺陷，或者尺寸变化范围很大。

Uwe Kortshagen和他的同事们所发展的新技术没有这些缺点，可以得到真正意义上的无缺陷晶态纳米颗粒，并且颗粒的尺寸只在一个较小的范围内变化。

Kortshagen和合作者在一个窄的约23厘米长的石英管里注入95%的氦和氩以及5%的硅烷（SiH₄），然后他们在距基电极10厘米距离的环状电极上加上一个13.56兆赫200瓦的功率,可以得到不稳定的由明亮的等离子体滴构成的细丝状的等离子体。现有的等离子体合成法使用稳定均匀的等离子体。

等离子体中的高能电子使硅烷分解得到硅原子，并且重组得到硅颗粒。利用透射电子显微镜（TEM）可以发现得到的纳米颗粒尺寸介于20-80纳米之间，并且主要呈立方体形状。

“现在，我们还没有完全明白晶体硅的形状为什么这么好，或者为什么会形成晶体。”Kortshagen 告诉 PhysicsWeb，“不过，我们相信细丝状的等离子体起到了重要作用，它把硅颗粒加热到比周围气体高几百度的温度，颗粒中的原子可以进行自我调节，找 到一个能量有利的形态。”

研究人员现在希望把这种方法推广到其他像砷化镓，氮化镓这些有商用价值的材料的制备中。（李清旭 译自physicsweb, 2004年11月18）

原文： Silicon nanocrystals made easy

一个在日本新完成的实验证实液体可以同时处于两种以 上不同的状态，这与通常的观点大相径庭。来自日本兵库县同步加速器研究中心的研究人员Yoshinori Katayama和他的同事发现磷有一个低压流体相和一个高压聚合物流体相，同时东京大学的Rei Kurita 和 Hajime Tanaka 看到了亚磷酸三苯酯处于两个不同液体状态的证据。

Tanaka说：“我们的发现表明液体-液体相变不仅仅发生在那些非一般的(unusual)液体中，而是原则上可以在任何液体中发生的。”（李清旭 译自physicsweb, 2004年11月17）

原文： Liquids double up

据应用物理学快报(Appl. Phys. Lett. 85 3932 Link) 报道，日本科学家研究出了第一个既可以把太阳能转化为电能又可以储存所得到电能的太阳能电池。来自横滨Toin大学的研究人员Tsutomu Miyasaka和Takurou Murakami设计的这种“光-电容器”(photocapacitor)可以用来给移动电话和其他便携设备供电。

通常的太阳能电池需要有一个诸如电池这样的储存光能所转化的电能的部件。而新设计的这种光-电容器把光电转化和存储功能整合到了一起。

这种电池包括两个电极：一个用半导体二氧化钛做成的吸收光电极和镀铂的玻璃做成的反向电极，两个电极中间用一层树脂薄膜隔开。两个电极都有一个具有大的表 面积的活性碳多孔层。所有这三层都充满离子溶液成为一个电容器，这个电容器有一个0.64平方厘米大小的光接收面（见图）。

在光照的条件下，二氧化钛层表面的光接收器：光敏染料分子(dye molecules)吸收光子，电子被激发从光敏染料分子转移到二氧化钛的导带产生电流。接着，电子通过外部回路转移到反向电极的活性碳层。

与此相反，带正电荷的空穴转移到光电极的活性碳层。正负电荷在不同碳层的聚集使器件可以像电容器一样储存电荷和能量。能量可以简单地通过器件放电释放出来。

“在利用弱的光线方面，这种光-电容器的效率是普通太阳能电池的两倍，”Miyasaka 对物理网(PhysicsWeb)这样说，“这意味着可以利用非直接的太阳光(indirect sunlight)，例如在阴天和雨天的时候，甚至是室内光线。并且，可以在任何时候释放出电能，甚至在黑暗中也是如此。”

Miyasaka 说他们下一步的目标是提高充电电压和充放电能力达到实际应用和工业应用的水平。(李清旭 译自physicsweb, 2004年11月16日)

原文：A new type of solar cell

【李清旭 译自PR Focus, 2004年10月08】就像体操运动员冲向鞍马然后跳向空中一样，在一定条件下，一个小球可以在受到瞬间的撞击之后令人吃惊地沿垂直轨迹反向弹回。从观察到这个现象 到现在，从没有人给出过完全的解释，并且这些不完全的解释还不时受到质疑。不过研究人员在十月八号的PRL的一篇文章中报道说他们建立了一种理论可以解释 这个现象，并且已经经过计算机模拟实验的检验。理论的关键在于是撞击引起被撞击表面发生形变；该理论将会改进如沙丘，水泥，泥土等颗粒状材料的理论模型。

法线方向的恢复系数反映物体反弹前后速度的垂直方向分量的比值。通常认为恢复系数小于1，小球不可能以比原来更快的速度弹回，因为这需要额外的能量（在体 操运动员的例子中，身体中可以产生能量）。然而从上个世纪90年代以来， 有几个研究组报道了似乎是荒谬的实验结果：一个曲棍球形状的圆形盘片撞击在墙上然后以更快的速度弹开[1]，一个陶瓷球被较软的表面以更大大速度弹回 [2]。

康奈尔大学的Michel Louge和他的学生Michael Adams作了球体反弹的实验，Louge说，”起初他们都认为我疯了！”但是在仔细排除实验误差之后，他得出结论，一定是球使表面发生了形变，从而改变 了球的运动轨迹。他认为球的速度的水平分量可能通过这种方式转移到垂直方向。尽管他很清楚地知道这种效应仅限于特定的条件下，但是他不能准确肯定这意味着 什么。他在论文中说：”这只是一个推测。”

现在东京大学的两位科学家Hiroto Kuninaka 和 Hisao Hayakawa报道说他们模拟了圆盘和弹性表面的小的相互作用，这种相互作用可以导致恢复系数大于1。他们的计算机模拟实验表明，当圆盘以11度角撞击 表面，反弹的角度大约为15度，这时的恢复系数为1.3。作者声称他们的结果与Louge的实验相符。

模拟实验使得他们可以看到当圆盘以一定的倾角撞击表面时，使被撞击表面产生了凹陷。Bill Stronge 怀疑撞击可以引起上述模型所给出的速度增长。他说，”可能有一些效应， 但我认为远没有他们描述的那么大。颗粒状材料的计算机模拟必须精确考虑颗粒间的碰撞，可以用处理与墙的碰撞相同的方法来处理这个问题。” Louge说，这项工作可以对工业上处理和运输这类材料有所助益并且增进人们对球类运动的物理的理解。

原文： Getting an Extra Bounce

参考文献：
[1] J. Calsamiglia, S. W. Kennedy, A. Chatterjee, A. Ruina, and J. T. Jenkins, “Anomalous Frictional Behavior in Collisions of Thin Disks,” J. Appl. Mech. 66, 146 (1999).
[2] Michel Y. Louge and Michael E. Adams, “Anomalous behavior of normal kinematic restitution in the oblique impacts of a hard sphere on an elastoplastic plate,” Phys. Rev. E 65, 021303 (2002).

美国物理学家第一次观察到原子链上的“端态(end states)”。该发现将增加我们对一维结构电子性质的理解并有望应用于纳米电子学中。该文发表于最近出版的科学杂志上(J N Crain and D T Pierce 2005 Science 307 703)。

就象材料的表面(surface)与块状(bulk)材料存在很多性质不同，一维结构末端的原子应当与链内的那些原子性质不同。但这种局域的单原子——零维的“端态”以前还没有被观察到。

美国国家标准技术局(NIST)的科学家Jason Crain和David Pierce通过在高温时将少量金沉积到轻微错切硅(slightly mis-cut silicon)表面上。每个原子链有三到九个原子。通过把原子链制备在半导体表面上，而不是象以前实验时的金属表面上，Crain和Pierce可以通 过扫描隧道显微术(STM)和扫描隧道谱(STS)观察到端态。

在STM实验中，尖端在固定电压下保持尖端与样品隧道电流不变扫描样品表面。此时尖端与样品间距离保持不变，扫描将给出样品表面的形貌。在STS实验中，尖端保持固定，而尖端与样品间的电压可以改变，这时隧道电流随电压的改变给出样品局域电子态密度的量度。

NIST小组发现端态电子能量比链内原子的电子能量更低。而且端态电子正象理论预言的那样是局域在末端原子上的。如图显示了三原子链中，电子能级 （垂直方向）与电子所属原子位置（1、2、3）的关系。上图是理论计算结果，下图是实验结果。红色区域表示电子出现几率最高，蓝色区域表示电子出现几率最 低。两图都显示电子在外侧原子时有更低的能量。

The two images above show the energy levels (vertical scale) and spatial positions (white lines) of electrons within a three-atom chain. The top image shows the calculated or theoretical results; the bottom image shows the measured energy levels in a physical experiment.
Electrons are most likely to be located in the red areas and least likely in the blue areas. Both images indicate that the electrons in the outermost atoms (positioned on the far left and right at the bottom) have lower energy than those within the centre atom (NIST).

Crain说“由于被限制在一维链上的电子相互作用很强，有趣的反常性质将会出现，我们关于电子结构的详细研究是通向理解一维电子性质的第一步。最终，也许会制备出应用于纳米电子学器件的原子线。”（Ian译自physicsweb，2005年2月05）

原文：“End states” come into view

  【李清旭 译自NewScientist, 2004/10/20】为宇宙中最重要的未解决的问题打赌下注不再是像史蒂芬·霍金这样的科学明星们的专利了，从本周四起任何人都可以就世界上一些最大的物理实验能否在2010年前给出这些难题的答案下注了。

一 家总部在英国的博彩公司立博（Ladbrokes,世界上最大的博彩公司）为五个独立的科学发现开始接受下注：土卫六上的生命(life on Titan)，引力波(gravitational waves)，希格斯玻色子(Higgs boson)，宇宙射线起源(cosmic ray origins)和核聚变(nuclear fusion)。

“我们以前接受火星上存在生命的下注，”赌博专家Warren Lush说，”我们想提供一些和以前完全不同的东西。”这个创意来源于《新科学家》杂志印刷版的一个题为《宇宙中的怪物》的10页篇幅的特别报道。

赔率不是由成败的几率直接给出的。博彩公司必须能够赔出开出的赌注，如果他们不够幸运的话。例如，立博给发现尼斯湖怪兽开出的赔率是66：1，也就是说，如果运气足够好的话，任何人下一美元的赌注可以得到66美元。

但是很明显，较低的赔率反映了有成千上万的人对此下注，而不是反映了怪兽出现的可能性。为了得到物理实验成功的概率，Lush咨询了物理学家和天文学家。他期望赔率的设置会引发争论。

宇宙射线

立博声称最可能破解的难题是宇宙射线的起源—这些外太空来的高能粒子连续地撞击地球。没有人知道它们是从哪里来的或者是什么给了它们超过人造加速器所能得到的最高能量粒子一千万倍的能量。

阿根廷门多萨市（Mendoza） 的Pierre Auger实验室(Link)的物理学家正在致力于解决这一问题。从2004年一月份起，分布在3000平方公里范围的1600个探测器就开始工作了。立博公司为2010年以前揭开这一谜题开出了4：1的赔率。

大型强子对撞机(LHC)效果图

他们也为在2010年之前找到丢失的希格斯玻色子开出了6：1赔率。粒子物理学家相信希格斯玻色子是亚原子世界产生质量的原因。这也是 CERN实验室再日内瓦附近建造大型强子对撞机(LHC Link)这一世界上功率最大的加速器的主要原因之一。LHC将在2007年建成。

“我很愿意接受6：1的下注，”Brian Foster 说，”我一直致力于使我们发现希格斯玻色子的工作得到纳税人的资助，因此我最好还是保持一定距离不去下注。”Foster领导着英国牛津大学的一个粒子物理学家研究组。

核聚变能量

对于热核聚变成为商业现实的可能性，立博公司要比大多数物理学家更为乐观。它为第一座聚变核电站投入使用开出的赔率是100：1。与此同时，物理学家们还在为在哪里建造第一个核聚变反应堆ITER(Link)争论不休。ITER可以得到所消耗能量10倍的能量。

位于华盛顿州汉佛德的LIGO观测站

在LIGO探测器(Link)寻找到引力波这一问题上，较真的投注者可能想得到一个500：1的赔率，引力波是黑洞和质量很大的超新星碰撞所引起的空时结构的轻微波动。

“我一定会赌的，”英国Glassgow大学的Jim Hough 说，他是LIGO项目组中的成员之一，他相信LIGO可以在2010年之前捕捉到引力波。”我觉得赔率在2：1和10:1之间要较为合理。”

实际上，周四许多人在LIGO上投注，其中的一注投了50英镑，如果LIGO成功的话，这位投注者将得到25000英镑的巨额回报。立博公司很快调整了赔率，把赔率从500：1调低到100：1，后来又调到了10：1。

立博认为最没有希望成功的是正在环绕土星运行的Cassini号太空船(Link)。圣诞节那天Cassini号会放出一个锅状的Huygens探测器，这个探测器将经过20天的飞行到达土星最大的卫星土卫六 Titan。立博公司为2010年以前在土卫六上发现生命所开出的赔率为10000：1，这也是允许开出的最大赔率了。

Mark Leese是基于Huygens探测器表面科学项目组的管理者，他对这一赔率并不感到意外。”Huygens其实不是用来探测生命的，”他说，”除非有谁对着它的麦克风唱歌。”

相关连接
Biggest bets in the universe unveiled
Taking a chance on physics

  【Ian根据 Physics World 编译, 2004/08/24】挑 战人类自我极限，追求“更快、更高、更强”是奥林匹克的精神。自公元前8世纪古代第一次奥运会到今年的第28届雅典奥运会，运动员们一直都在赛场上追求 “更快、更高、更强”。但今天的竞争已经不再仅仅局限于运动员在赛场上的努力，还包括很多幕后新科技的运用。特别是在游泳和自行车这两个项目中，新科技可 能会帮助运动员们实现自己的金牌梦。

相关阅读：
Physics World: Olympians look to physics
Scientific American: The Olympian’s New Clothes
Speedo Company
British Cycling Team

   【PRFocus, David Lindley, Ian 译, 2004/05/31】如果奥本海默（J. Robert Oppenheimer）没有领导美国的核计划——曼哈顿计划的话，他可能会以黑洞（Black hole）概念的提出者而被人们记住。1939年，奥本海默与他的研究生斯奈德（Hartland Snyder）在物理学评论（Physical review）上发表文章（Phys. Rev. 56, 455）， 描述了一个恒星可能会坍缩演化为一个十分致密的物体甚至光也无法它的引力束缚。这篇文章当时并没有引起大家的重视，直到1960年代，当天文学家开始认真 地考虑这种极端的物体是可能存在的。普林斯顿大学的惠勒（John Wheeler）教授给这种物体命名为黑洞，现在这一概念已经成为天体物理中的标准元素。

有 意思的是，这一重要工作长期都未得到学术界的重视。奥本海默的文章还是不够严格，看起来可能存在某种特别的压力可以平衡掉引力以防止恒星收缩为黑洞。但在 1960年，惠勒及其他科学家的工作又使黑洞复活了，他们证明了无限制的收缩是不可避免的。历史上，黑洞概念对许多物理学家和天文学家是不可接受的，如著 名苏联物理学家朗道（Lev Landau）甚至建议修改量子力学以避免黑洞不会出现。奥本海默和斯奈德的工作确实是与当时的流行观念是格格不入的，但他们的理论确实是对的。

原文： Landmarks: Forgotten Black Hole Birth

【李清旭 译自 PhysicsWeb 2004/10/10】物理学家过去习惯于探测光子和其他无生命的粒 子，不过美国的两个研究组现在转向了一个非常不同的目标——病毒。康奈尔大学的Harold Craighead 和他的同事利用纳米电机装置(nanoelectromechanical device)探测到了一种昆虫的杆状病毒，同时哈佛大学的Charles Lieber 和他的合作者们利用纳米线场效应管(nanowire field-effect transistor)来探测单个的流感病毒。这种新方法可以用到医学方面或是用来探测生物武器。

图1

图2

参考阅读：
Electrical detection of single viruses, Fernando Patolsky, Gengfeng Zheng, Oliver Hayden, Melike Lakadamyali, Xiaowei Zhuang, Charles M. Lieber, qiji.cn/eprint/abs/1637