中科大优化抗冲击性能仿生设计
自然贝壳中的珍珠层具有高度规则的“砖块-灰泥”微结构，是天然的抗冲击盔甲，被视为新型抗冲击防护材料研发中的微结构设计模板之一。近日，中国科学技术大学倪勇教授、何陵辉教授研究团队发现，仿贝壳结构在较高冲击速度下会丧失优异的抗冲击耗能机制，其性能会弱于普通层状复合结构；基于此现象，研究者进一步提出一种混合结构抗冲击设计策略，为抗冲击性能优化的微结构仿生设计提供了新的思路。成果发表在国际期刊《自然通讯》。
珍珠层是自然材料中最具有代表性的结构仿生模型之一，通过“砖块-灰泥”结构相关的内在变形机制可以将能量耗散提升几个数量级。现有研究已充分展现出仿贝壳结构在部分低冲击速度下，作为防护材料抗冲击设计模板的优越性。但在自然环境下，贝壳会经常被捕食者以一定的冲击速度击碎，不清楚仿贝壳结构在更大范围的速度加载下是否仍然具有显著的抗冲击性能。
中科大研究团队制备了激光雕刻结合层压组装的仿贝壳玻璃结构，以及三维数字模型结合3D打印的仿贝壳软硬复合材料结构，通过力学测试-损伤表征的实验研究并结合数值模拟和理论分析，详细探究了仿贝壳结构在不同冲击速度下的力学性能和损伤机制。
研究发现，在一定低速冲击范围内，仿贝壳结构会表现出卓越抗冲击耗能，而当冲击速度超过临界值时，仿贝壳结构的抗冲击性能相比于普通层状结构将不再具有优势。在低冲击速度下，仿贝壳结构中的砖块滑动机制会更早被激活，产生大范围非弹性变形，并于临界速度下达到耗能饱和状态；而层状结构通过层间大面积脱层和层内裂纹扩展，会在更高的冲击速度区间内耗散更多的能量。
数值模拟和标度律分析进一步揭示了当达到临界冲击速度后，仿贝壳结构和层状结构抗冲击性能的优势总会出现反转这一现象的内在机理。临界冲击速度的大小与仿贝壳结构的砖块纵横比等尺寸参数和冲击边界条件相关，这间接解释了自然界中具有纳米级“砖块-灰泥”结构的贝壳可能会被捕食者以14.7至23.5/速度击碎的现象。
利用这种现象，研究人员根据冲击速度在材料内部沿加载方向衰减的特性，提出了一种将各种结构按抗冲击性能的优势速度范围逐层放置的混合结构设计策略。优化的混合结构可以成功结合仿贝壳结构和层状结构在不同冲击速度下的耗能优势，在更大的冲击速度范围内实现最优的抗冲击性能。这一混合结构设计策略易于实现、效果显著，未来可通过结合其他结构在冲击速度上的不同优势进行多层组合，提高防护结构材料在更大冲击速度范围内的综合抗冲击性能。（安徽日报记者陈婉婉）
中科大在InGaAs单光子探测芯片取得重要进展
澎湃新闻记者王蕙蓉
近日，中国科学技术大学光学与光学工程系教授王亮课题组设计并制备的IGA（砷化铟镓）单光子探测器芯片取得重要进展。
前述团队通过设计金属—分布式布拉格反射器优化单光子探测器芯片的光学性能，完成低本征暗计数的单光子探测器芯片的全自主化设计与制备，实现了单光子探测器芯片的全国产化，为解决我国前沿科技问题迈进了重要一步。相关成果在线发表于电子工程技术领域期刊JfLihwvTh。
图片来自JfLihwvTh
基于IGA材料的半导体单光子雪崩二极管(SPAD)具有单光子级别的高灵敏度、短波红外波段的人眼安全、大气窗口波段低损耗、穿透雾霾、低功耗、小尺寸、易于集成等优秀特点。
前述优点使SPAD在量子信息技术、主被动的焦平面探测器、城市测绘、激光雷达等多个领域均发挥着重要作用，具有民用、商用以及军用价值。
中科大团队通过调整MOCVD的温度、V/III比、掺杂浓度等生长参数，实现低缺陷密度和高掺杂精度的外延结构生长。其中，MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
()SPAD的器件结构示意图，()12μ窗口的超低暗计数SPAD芯片及测试结果，图片来自中科大
团队在SPAD器件结构的基础上，提出并设计了新型的宽谱（全光通信波段）全反射镜，即金属—分布式布拉格反射镜，用以提升SPAD芯片的光电吸收效率。其制备的12μ（微米）窗口的低暗计数SPAD，在温度233K（开氏度）及10%的探测效率下具有127Hz（赫兹）的超低本征暗计数，比国外同类产品低一个量级，拥有更优的器件性能，此芯片可满足量子通信等应用的单光子探测使用需求，并可替代进口器件。
论文通讯作者为中国科学技术大学光学与光学工程系教授王亮，论文第一作者为博士研究生张博健。此项研究得到国家科技部、国家自然科学基金委和安徽省科技厅资助，获得中国科大物理学院、中国电子科技集团第13研究所、中国科大微纳研究与制造中心、中国科学院量子信息重点实验室支持。
责任编辑：李跃群
中科大发布新成果！为搜寻暗物质提供超灵敏量子精密测量技术
记者近日从中国科学技术大学获悉：该校彭新华教授研究组与德国科学家合作开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术，用于暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级。相关成果日前在线发表于国际期刊《自然·物理学》。
在宇宙物质质量组成中暗物质约占85%，然而迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术，实现了新型核自旋磁传感器。该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化。基于该物理机制，研究人员设计出磁场量子放大器，并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。
理论预测，暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——“赝磁场”。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的“赝磁场”，以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华研究组利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”，大大提高了暗物质的搜寻灵敏度。相比传统大型暗物质科学装置，该设备只需要桌面尺寸的空间布局。
这一成果充分展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合，有望推动宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础学科的发展。
责任编辑：王蕾
