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4、全碳等離子激光器問世

澳大利亞莫納什大學的科學家日前在《美國化學會•納米》雜志上撰文稱，他們研發出了全球首個完全由碳基材料制成的等離子激光器。該技術有望在提高運行速度的同時，徹底改變電子產品的外形。未來，如名片般輕薄柔軟的手機甚至能被直接印制在衣服上。

等離子激光器的大名叫表面等離子體激元納米激光器（spaser），實際上是一種高效的納米光源。它能夠通過自由電子的振動發出光束，而不像傳統激光器那樣需要電磁波和占用巨大的空間。傳統激光器的運行需要放大光子，而等離子激光器則是通過放大表面等離子體。等離子體的運用能夠使其突破傳統激光器的限制，速度更快、體積更小，讓超高分辨率成像和微型光學電路成為現實。有研究稱，這種電路比目前最快的硅基電路還要快上百倍。

負責此項研究的莫納什大學電子和計算機系統工程學院（ECSE）博士蓋魯帕辛哈稱，與半導體等離子激光器相比，碳基等離子激光器還將提供更多優勢。

蓋魯帕辛哈說：“目前傳統的等離子激光器大部分由金、銀等金屬納米顆粒和半導體量子點制成，而我們的設備則由石墨烯諧振器和碳納米管增益元件組成。使用碳意味著，這種激光器的效率更高、更柔軟便攜，能夠在高溫下工作，并且更加環保。根據這些特性，未來有望制造出能夠直接印制在衣服上的微型手機。目前研究人員已經在納米天線、電導體和波導上進行了測試。”

物理學家組織網發表在4月17日的一篇文章稱，這項新研究還首次證實了石墨烯和碳納米管之間可以交互并通過光進行能量傳遞。這種基于光的傳導，速度極快還非常節能，特別適用于制造計算機芯片。因為具有極其卓越的機械、電氣和光學性能，而且還是優良的熱穩定材料，能夠承受高溫，石墨烯和碳納米管能夠完全勝任很多高效、輕量級的應用。以該技術為基礎的高速芯片可以被用來替代目前大量使用的、基于晶體管的裝置，如微處理器、存儲器和顯示器等。新技術能夠輕易突破硅基材料目前所面臨的小型化和帶寬瓶頸。

蓋魯帕辛哈說，除了在計算機領域的應用外，這種激光器還有望在癌癥的放射療法上獲得應用，結合納米標記技術，石墨烯和碳納米管產生的高強度電場能將癌細胞各個擊破，而不傷及健康細胞。此外，在分子檢測和高靈敏度生物醫學測試上該技術也能一顯身手。

5、 “以退為進”提高激光器光強度

在諸如激光器等光學系統中，能量損失是影響功效的主要障礙，它以令人沮喪的方式持續不斷地存在。為了克服激光器系統能量損失，操作人員經常用超量光子或光束來刺激系統以獲取所需。但是，美國華盛頓大學的工程師們最近用一種新方法扭轉或消除了這種損失局面，而他們的方法正是通過給激光器系統增加一些“損失”來收獲能量。換一種說法就是，他們已經發明了一種“以退為進”的妙招。這一成果發表在10月17日出版的《科學》雜志上。

該成果的實驗團隊由華盛頓大學電子系統工程系教授楊蘭（音譯）博士領銜，五名隊員來自美國、日本和澳大利亞。他們共進行了三個實驗總結出這一新妙招。

據物理學家組織網10月17日（北京時間）報道，在第一個實驗中，他們通過改變對兩個微型諧振器的距離改變其匹配狀態，對其中一個采用“一給命令就消失”的可控操作；在第二個實驗中，通過變化損失量，他們能操控匹配狀態并測算出兩個諧振器之間的光強度，結果，令人吃驚地發現，當能量損失增加的時候，兩個諧振器的總強度先是上升然后又有所下降，但最終重新顯現出了較高的光強度；在第三個實驗中，他們通過在二氧化硅中增加損失量獲得了兩個非線性現象。

“光強度在光學系統中是一個非常重要的參量。”楊蘭說，“不同于給系統增加更多能量的標準方法，我們反其道而行之，通過調節損失量來獲取更有效的能量。”

實驗系統包括兩個微小的直接匹配的二氧化硅諧振器，每一個都配備了不同的熔錐光纖連接器，能將光線從一個激光發射器的二極管引導到感光探測器；光纖逐漸變窄，確保光線在光纖和諧振器的正中間。楊蘭說，這個構想可以在任何配對物理系統中應用。

關鍵器件是一種叫做“鉻涂層二氧化硅納米錐”的微型裝置，能讓其中一個微型諧振器產生光強損失。這個微型裝置被放置在調控范圍只有20納米的極微小的光泄漏區域中。“用鉻來做涂層，是因為它是一種能大量吸收1550納米波長的材料，而且能很好地對它調控‘損失’程度。”研究人員說。另一種關鍵裝備，是“納米定位器”，能通過調節距離來控制配對諧振器之間的長度。

“損失獲能”現象具有“例外點”的特征，這種特征對系統特性影響甚大。在近些年的物理學研究中，“例外點”貢獻了一系列“反常”的表現和結果。“當我們調試系統達到‘例外點’，基于光強度的非線性過程都受到了影響。”

“這項研究的美好之處在于，通常來講，‘損失’被認為是不好的，但是我們把它變成了好的進而扭轉了壞的影響，我們用激光器實現了這一點。”楊蘭說。除了對激光器技術發展有所裨益，他們的發現成果在其他物理學領域，比如光子晶體表現、電漿子結構和超材料等研究領域中，也會激發針對“損失”效果的新研究計劃。

6、美國探索用反物質造伽馬射線激光器

傳統激光器的操作光波可從紅外線到X射線一網打盡，而伽馬射線激光器則依靠比X射線更短的光波來運行，這就使其能產生波長僅為X射線千分之一的光波，從而能對非常微小的空間進行探測，并在醫學成像領域大展拳腳。不過，長期以來，建造伽馬激光器一直是個難題。現在，美國科學家讓一類名為“電子偶素（positronium）”的物質—反物質混合物作為增益介質，將普通光變成了激光束。

據美國趣味科學網站5月8日報道，在最新一期的《物理評論•原子分子物理》雜志上，馬里蘭大學聯合量子研究所的王逸新（音譯）、布蘭登•安德森以及查爾斯•克拉克撰文表示，他們發現，當向電子偶素提供特定能量，它將產生在其他能量下無法制造出的激光；而且，要制造出激光束，這種電子偶素必須處于玻色—愛因斯坦凝聚態下。

克拉克解釋道，這種奇怪的效應與電子偶素的“性格”有關。每個電子偶素“原子”實際上是一個普通的電子和一個正電子（電子的反物質）。正電子和電子分別帶正負電荷。當它們相遇時，會相互湮滅并釋放出兩個高能光子，這兩個光子位于伽馬射線范圍內，反向移動。

有時，電子和正電子會圍繞對方旋轉，就像電子圍繞著質子旋轉組成原子一樣。然而，正電子比質子輕，因此電子偶素并不穩定，在不到十億分之一秒內，電子和正電子會相互碰撞并發生湮滅。

為了制造出伽馬射線激光器，科學家們需要使電子偶素的溫度非常低，接近絕對零度（零下273攝氏度）。這一冷卻過程會讓電子偶素進入波色—愛因斯坦凝聚態，這種狀態下物質內的所有原子，也就是電子—正電子對，進入同樣的量子狀態，一舉一動整齊劃一。

量子狀態的一個方面是自旋。電子偶素的自旋數要么為1，要么為0。一束遠紅外線光脈沖能讓電子偶素的自旋數為0。自旋為零的電子偶素會湮滅并產生雙方向相干的伽馬射線束—激光束。研究人員表示，能做到這一點是因為所有電子偶素“原子”擁有同樣的自旋數。如果是自旋為0和自旋為1的電子偶素隨機組合，那么，光會朝各個方向散射。

研究人員也計算出，為了讓一臺伽馬射線工作，每立方厘米大約需要1018個電子偶素原子，聽起來有點多，但與空氣的密度相比還是少很多，同樣體積的空氣大約有2.5×1019個原子。

在1994年首次提出伽馬射線激光器這一概念的貝爾實驗室的艾倫•米爾斯表示，研究人員可以借用數學方法，讓制造這種激光器所需要的環境更加精確。