绝对新科技！最热前沿技术精彩赏析（图文）

　　电子发烧友网讯：一个优秀的技术工程师不可能只是沉浸于一个狭小的技术领域中闭门造车，足够优秀的工程师总是能在工程设计中运用发散思维整合各种最新科技或前沿技术，打开创意产品设计之门，为通往优秀工程师之路上积聚点滴技术精华而添砖加瓦。为供电子发烧友网工程师读者参考之需，电子发烧友网整合了令人拍案叫绝的《绝对新科技！最热前沿技术精彩赏析》系列绝对新科技文章，后期还将陆续推出其他相关系列，敬请留意。

　　一、超级DNA硬盘：1立方毫米可存储704TB数据

　　早期的研究已经可以把DNA做成电路或小工厂，但从没见过将DNA当做存储介质的。哈佛大学的研究人员却将这一梦想变成了现实。

　　

　　这个由乔治·切齐（George Church）、瑟里拉姆·库苏里（Sriram Kosuri）和高原（Yuan Gao，音译）领导的团队可以将96比特数据存储到DNA链中。具体方法则是为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分别赋予二进制值，随后通过微流体芯片对 基因序列进行合成，从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。

　　这项技术表面看起来似乎没有什么了不起，但用微观物质存储宏观数据却会达到意想不到的效果：1立方毫米即可存储704TB的数据，相当于数百个硬盘的 容量。虽然这一成果令人振奋，但流程还很缓慢，因此不能存储对时效性要求较高的数据。另外，DNA中的细胞可能会破坏DNA链，所以不适合数据传输。

　　但无论如何，如此大的数据密度还是有望备份全人类的知识。不过，多数人的想法可能更加实际——什么时候能用可以承受的价格买到一块有机硬盘？

　　二、 美工程师打造氚电池，可持续20年微供电

　　一家总部位于美国迈阿密的公司City Labs最近取得了制造、销售其NanoTritium系列betavoltaic电源产品的官方许可；该产品内含少量放射性同位素 ── 氚 （tritium），这种元素常在出口标示或是潜水表中。

　　City Labs所取得的产品销售许可，让终端使用者能取得安全可靠的betavoltaic电源产品，免除了官方文件往来、以及对使用者进行放射性物质知识训练的麻烦。此外，这类已取得许可产品的购买者也不用事先取得放射性物质使用执照。

　　据了解，City Labs的12.3年半衰期（half life）氚放射性同位素电池，具备很长的续航力；在第一个12年的使用周期内，只会消耗一半的电池电力。无论在任何温度或环境因素下，该种电池会持续性的发射出低功率的电子，这与传统的电池大不相同，后者是依赖寿命短暂的化学反应来产生电子并提供电力。

　　City Labs是在2005年4月由迈阿密的两位企业家Peter Cabauy与Denset Serralta所创立，他们率领了一个由来自国家实验室、各大学的科学家与工程师组成的团队，创造了第一款可商用的氚电池；该NanoTritium系列电池是在2008年完成开发，锁定强化加密安全性的国防系统存储器备用电源应用。

　　而现在氚betavoltaic电池的应用，开始拓展到国防以外的领域，包括居家保全、医疗以及其他工业工程应用；该种电源可为不易或无法更换电池、或是电池寿命至关重要的低功率微电子装置与传感器提供电力。City Labs型号P100a的氚betavoltaic电源，号称可为微电子平台提供至少20年的持续性纳瓦（nanoWatt）电力。

　　City Labs 表示已委请国防承包业者Lockheed Martin测试该公司的电池产品，确认该产品的运作可符合规格，并能耐受极端温度（-50°C ~ +150°C）以及震动、高度等恶劣环境条件。该公司在2011年完成首轮募资，并曾取得美国空军的百万美元合约。

　　三、 IBM发现半导体电子自旋螺旋，将改变存储技术现状

　　位于苏黎世（Zurich）的IBM研究中心（IBM Research）与瑞士联邦理工学院（ETH）研究人员宣布，观察到了半导体中的持续性电子自旋螺旋（persistent spin helix），此结果可能对未来信息的存储与处理技术带来冲击。

　　IBM表示，该研究团队观察到了半导体内同步移动了数十微米（micrometer）的电子自旋，而且这些电子同步移动的模式很类似跳华尔滋的一对舞者。此外研究人员也发现，当同步化的电子从半导体晶格通过，能将电子自旋协调的周期延长至30~1.1纳秒（nanosecond）。这样的结果意味着可利用电子自旋取代电荷做为资料储存与处理的基础，如此就可克服芯片体积缩小所带来的极限。

　　苏黎世IBM研究中心的纳米系统研究团队物理学家Gian Salis表示：“举例来说，就算一开始所有的电子对都是由面朝北方的“女舞者”开始移动，过了一会儿之后，所有旋转的电子对都会被导往不同的方向。我们现在能锁定那些“舞者”旋转的速度以及移动的方向，如此就能透过完美的“编舞”，让某个特定区域的“女舞者”面朝同样的方向。”

　　这种控制以及操纵、观察电子自旋的能力，是未来开发以自旋为基础、可利用电气编程的晶体管之重要步骤。而锁定电子自旋的概念早在2003年就被提出，自从那时候开始，有一些实验也曾发现可进行该种锁定的迹象，但迄今一直都没有被直接观察到。研究团队是利用自旋轨道的交互作用来取得同步化，并以短雷射脉冲来监测数千个电子自旋。

　　通常这类电子自旋的旋转都是随机的、而且方向性松散，科学家现在则能观察到那些自旋是如何巧妙排列成一种规律的条纹状（stripe-like）图案，也就是所谓的持续性电子自旋螺旋。以上实验是利用ETH所提供，经过精密设计的超纯净砷化镓 （gallium arsenide）来进行。

　　不过要想将自旋电子研究成果商业化，还有非常多障碍需要克服；其中一个就是自旋电子研究通常需要在低温之下进行，好将电子自旋与周遭环境之间的交互作用降到最低。IBM研究人员的实验就是在凯式温度40度（Kelvin，摄氏零下233度）进行；这项实验成果论文（Direct mapping of the formation of a persistent spin helix）发表在8月号Nature Physics期刊。

　　四、取代电子电路！世界最小半导体激光器诞生

　　电子发烧友网讯：德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家们说，他们与***和中国的同事们共同研究开发出了世界上最小的半导体激光器。

　　调查报告说，这项研究是光子技术从计算机到医学的应用上的一个突破！

　　“我们已经开发出一种在低于3D衍射极限下运行得很好的纳米激光器设备，” 一位来自德克萨斯大学的物理学教授Chih-Kang “Ken” Shih在一则声明中说，“我们相信我们的研究会对纳米科技产生很大的影响。”

　　Shih和他的同事们在本周的《科学》杂志上首次报道了低于3-D衍射极限的连续波。当发射的时候，纳米激光器会发出绿色的光，激光太细了以至于裸眼都无法看到。

　　研究人员说，对于快速、小型、低能量的量子科技来说，小型化的半导体激光器是关键。比如超高速计算机芯片，用来探测、处理和研究疾病的高度灵敏的生物传感器，还有下一代通信技术。这样的光子设备能利用纳米激光器来产生光学信号和传输信息，并且有可能会取代电子电路。但是，研究人员表示，目前光子设备的尺寸和性能暂时不对外公开的。　　

　　

　　物理系研究生夏洛特·桑德斯（Charlotte Sanders）与Ken Shih教授的研究帮助开发出世界上最小的纳米激光器。

　　（照片来源于：Alex Wang，德克萨斯大学奥斯汀分校）

　　研究人员称，这种新器件是由参杂了氮化铟镓的氮化镓异质纳米棒构成的。这两种合金是普遍用于LED的半导体。纳米棒被安置在一层原子级薄的硅绝缘层银膜顶层，研究人员说。

　　根据德克萨斯大学发出的一份声明，Shih的实验室已经开发出超过15种新的材料。原子平滑是一致的，开发光子设备，不会散开也不会失去等离子体，这些电子波被用来移动大量的数据的电子波。

　　Shih说，对于低损耗数据的应用来说，原子级光滑的表面电浆结构能够满足其新器件要求。

　　对于发展完全片上通信系统的芯片来说，纳米激光器被看作是一很重要的组成部分。它将能够阻止热量积聚和在多个芯片间传递数据时信息的损失。

　　“电子和光子之间的大小不匹配一直是实现芯片上的光通信和计算系统最大的障碍。” ***清华大学教授、前Shih的博士生Shangjr Gwo说。

　　五、 上海理工大学发现逆多普勒效应，或催生隐形斗篷

　　隐形斗篷这一科幻技术未来将可能成为现实，宇宙大爆炸和中宇宙膨胀现象有可能得到颠覆性的解读。上海理工大学光学工程学科团队首次在负折射光子晶体中观察到了光波波段逆多普勒频移的物理现象，并在最新出版的《自然· 光子学》上刊出该研究成果。这是世界上首次在光学领域证实多普勒效应的逆转，将在天文学、医 学、微电子工业等方面得到应用。

　　多普勒效应是指当观察者和光波源之间存在着相对移动时，光波的频率会发生改变的现象。当物体光源和观察者距离不断靠近时，光频率增高颜色变蓝，反之则变红。而多普勒效应逆转则说明当光源和观察者距离不断靠近时，光频率不增高反而降低，光频率从蓝色波长减小至红色波长。

　　这一效应最早由前苏联物理学家在1968年作出理论预言，但一直未得到实验证实。上海理工大学上海市现代光学重点实验室在庄松林院士领导参与下，由陈家璧教授率领的科研组成功逆转了这种在自然条件下无法发生的效应。

　　研究人员通过用硅研制出一种人造纳米结构的晶体——被称为“光子晶体”的物质来实现负折射率。通过向这个独特的光子晶体“超级棱镜”发射激光束，并且改 变“超级棱镜”与探测器间的距离，成功创造了多普勒效应逆转现象。同时，该实验最终得到的光子晶体折射棱镜，其微米量级刻蚀深宽比达到了25∶1，这意味 着将1亿根直径为头发丝三十五分之一、长度50微米的硅介质圆柱整齐排列，刻划在硅片上。

　　逆多普勒效应将推动如隐形斗篷等科幻技术未来的发展，其成为现实的速度可能会超过大部分人的想象。

　　六、 美科学家创造由超流态原子循环构成的原子电路

　　根据美国国家技术与标准研究院（NIST）的研究结果，围绕环形轨道运行的超低温原子证实了超流体（超导的原子形态）有潜力赋予用于高精确度陀螺仪的传感器跟踪旋转运动的能力。

　　当气体温度接近绝对零度时，便会凝结为超流体，可以像永动机一样旋转流动，类似SQUID（超导量子干涉仪）让电子绕超导环旋转。这样的原子SQUID能让超精准的陀螺仪尺寸缩小到MEMS的大小。

　　美国国家标准与技术研究院的研究人员与马里兰州立大学（University of Maryland）合作创造了首个由超流态原子循环构成的原子电路，可以通过激光控制的栅栏（barrier）实现开关。研究小组已经可以演示工作时间长达破纪录的40秒的永动机——被称为持续电流。

　　美国国家标准与技术研究院表示他们将向原子技术（atomtronics）时代前进，所有电路元器件都会基于原子级的机制，可以驾驭量子效应以创造超导体、超导电线（Superinsulator）和超流体设备。

　　

　　原子规模的由超冷钠气（红色）环绕而成的环。

　　左图是激光栅栏阻止原子流动后的形态；右图是激光栅栏关闭后的状态。

　　七、 美科学家研发可吹塑的合金：BMGs材料

　　几十年来，科学家们一直试图找到或制造出这样一种材料，既能像塑料一样具有良好的可塑性和较低的加工成本，又能像钢一样具有很好的强度和耐久性。这并非不切实际的幻想，据美国物理学家组织网近日报道，日前美国耶鲁大学的科学家们已实现了这一目标。

　　耶鲁大学材料学家简·施洛尔斯领导的一个研究小组证明，由他们制成的一种块体非晶合金（BMGs）材料能够像制作玻璃或塑料制品一样吹膜成型，且不会牺牲其原有的强度和耐久性。相关论文已在线发表在国际材料学著名期刊《今日材料》杂志上。

　　

　　据介绍，这种材料由包括锆、镍、钛和铜在内的多种金属构成。其材料成本与高端钢材大致相同，但加工成本却和塑料一样便宜。吹塑过程在低温低压下 进行，此时这种非晶合金会逐渐软化，并能像融化的塑料一样流动，但又不会像普通的金属一样出现结晶现象，由此为后续的吹塑工作带来了前所未有的便捷。为了达到并保持理想的精度和温度，吹塑过程能在真空或液体中进行。

　　施洛尔斯说，目前金属材料加工中面临的关键问题就是如何避免不必要的摩擦，而对于这种合金材料来说则完全不存在这个问题，借助吹塑工艺就可以制 造出任意复杂形状的物体，最小可到纳米级。到目前为止，该团队已经用该材料制造出了无缝金属瓶、表壳等外形较为简单的物品和用于微机电系统（MEMS）的 微型谐振器以及生物医学植入物等结构较为复杂的设备。这些材料的加工过程不到一分钟，但强度可以达到普通钢材的两倍。

　　此外，通过吹塑法来加工块体非晶合金，该团队还将传统金属加工的三大步骤（成型、接缝、精加工）合为一步，从而免去此前繁琐、费时、耗能的加工程序，在时间上新工艺最短只需一分钟。

　　“这可能成为金属加工的一种全新模式，”施洛尔斯说，“凭借其独特的性能，它将有望成为一种极具潜力的新型材料，就如同当年的合成塑料一样，在相关工业领域引发一场革命。”

　　据了解，不久前苹果公司与拥有该项专利的液体金属科技公司签署协议，获准在消费电子领域使用这项技术。或许在未来的几年内我们就能用上由该材料制成的笔记本电脑和手机。

　　八、 苹果借助近场磁共振技术实现无线电力传输

　　据美国物理学家组织网日前报道，苹果公司最近提交的一项专利申请显示，该公司研发出了一种无需充电垫的新型无线充电技术。借助该技术，iPhone和iPad等电子设备只需放在台式机或笔记本旁边就可自行完成充电。

　　据了解，这项名为“本地计算机环境中无线电力应用”的专利，目的是在中距离借助近场磁共振技术（NFMR）实现无线电力的传输。

　　虽然在苹果的这项专利中并未提及任何特定的设备，但这种充电方式的前景十分诱人。它意味着通过这种方式，无线键盘、键鼠、iPhone或 iPad等设备只要放在距离台式机或笔记本电脑1米内就可完成充电，整个过程不需要专门的充电垫，不需要寻找合适的插头、充电器或USB口。

　　九、 全球最小的石墨烯调制器实现高速光通讯

　　美国加州大学伯克利分校（University of California-Berkeley）的美国国家科学基金会（NSF）纳米科学暨工程中心（Nanoscale Science and Engineering Center），最近开发出一款号称全球最小的石墨烯调制器。这个由伯克利教授Xiang Zhang率领的研究团队声称，该研究突破将在未来实现在智能手机上以数秒钟下载整部电影。

　　目前的光学调制器是通过以电子信号切换激光的开与关，来加速系统间的长途通讯。而高速光通讯技术正转向应用于短距离通讯，未来甚至能应用于便携式装置，加快大型文档的传输速度。

　　但遗憾的是，目前的光学元件都是离散式的，体积笨重，还需要采用诸如砷化铟镓等三五族半导体材料。对此Zhang表示，若以石墨烯（纯碳薄片）来制作调制器，就能将高速光通讯技术所需元件变得够小、成本降低，并整合到移动装置芯片之中。

　　Zhang 的研究团队所开发的石墨烯光学调制器，尺寸比一般三五族半导体同类元件小100倍，面积约只有25平方微米（Micron）。该元件的运作原理是在石墨烯 所制作的光波导（optical waveguide）上施加交流电场，当电子信号在峰值时，电场会导致石墨烯变得不透光，因此关闭由激光所驱动的波导；而当接近调制范围的中心时，石墨烯 就会变得透明，然后接通激光。

　

　号称全球最小的石墨烯调制器，是以电子信号来开关激光，可望实现快速、尺寸更小、成本更低廉的光通讯解决方案

　　（来源：UC Berkeley）

　　在开发新元件的过程中，研究人员还发现，石墨烯的运行带宽比一般窄带宽（10纳米）的三五族半导体调制器大许多，范围可达到100倍、横跨数千纳米──从超紫外光到红外线。Zang表示，其研究团队所开发的原型是运行于1GHz频率，但可扩展至500GHz。

　　“石 墨烯材料让我们能制作出尺寸相当小巧的调制器，而且速度可望能比目前的技术快十倍。”Zang是与同校教授Feng Wang与博士后研究员Ming Liu、Thomas Zentgraf，以及客座教授Baisong Geng，还有博士研究生Erick Ulin-Avila、Long Ju等共同进行这项研究。

　　十、 MIT高分辨率裸眼3D技术原型演示效果

　　近美国麻省理工学院媒体实验室描述了一种用于呈现较高分辨率3D图象的新算法。据发明者表示，这种高分辨率3D技术无须佩带眼镜，也不会减少亮度或限制观众观看的方位，与传统的自动立体显示技术类似。

　　Ramesh Raskar教授的相机文化团队设计了该技术的原型。该技术是将立体相机拍摄的图象分成分别适于左右眼的两幅图象，然后分别计算每一个像素垂直和水平两个方向的视差。接着，该新技术淘汰了垂直条缝视差屏障方法将原始图象传送至正确的眼睛，而是使用一种适应当前3D每一像素信息数量的自定义多角度的视差屏障。（注1*）

　　MIT的原型使用了两层分别计算每幅图象视差屏障的液晶显示屏，结果使得自动立体显示的图象更明亮，因为它不像传统的裸眼3D显示屏那样把每个像素的亮度都减半了。同时这一计算方法使观众变换方位时也完全能感受到图象的3D效果。（注2*）

　　由于视差屏障模块低亮度耗能少，显示器本身耗能也比传统裸眼3D方法更少。但是，每个像素创建一个自定义的视差屏障使得计算复杂性大大增加，因而需要额外的电源。

　　为了补救这一缺陷，研究者目前正在努力简化算法的复杂性，同时设计加速芯片来抵消创建自定义视差屏障的额外功耗，使高分辨率3D显示屏得以实现。

　　相机文化团队成员包括Ramesh Raskar和Doug Lanman教授，博士后研究员Yun Hee Kim以及博士研究生Matthew Hirsch。

　　放弃使用双镜头相机未剪辑的左右图象，MIT使用如上图所示的双层LCD内容自适应视差屏障

　　（注1*：祼眼3D主要工作方式是这样的：对于每帧画像，需要生成两幅画面，一个适用于左眼，一个用于右眼。这些画面被细分为很细的垂直分段并交替 排列。而后用图像通过视差屏障来观察，其实主要就是一个划有很多垂直狭缝的观察屏。视差屏障被调节为可在平行方向区别人的两个眼睛。所以摆放好屏，并且如 果观察者在相对于屏的正确空间方向，那么左眼将只能看到适于左眼的画面，同样右眼只看到适于它的画面。如施展魔法一般，一幅3D图象出现了。但其局限性不 少。）

　　（注2*：麻省理工小组利用双LCD方法，但不用垂直条形屏障，他们屏障是由数以千计的、与下方图像相匹配的小孔隙构成的。当图像改变，屏障也跟着变。这需要大量的数学计算，辅助以独特的算法，专为持续改变屏障取向和多种方式通光而设计。）