NOvA实验（NuMI Off-axisνe Appearance Experiment）因使用费米实验室的加速器的粒子束观测中微子振荡而闻名，它一直在关注从超新星到磁单极子的各种现象。 研究中最引人注目的天体物理现象是超新星。当一颗大质量恒星坍缩时，它99%的能量通过中微子爆发释放。虽然中微子携带的能量远远超过光子，却更难观测到。而NOvA的粒子探测器能够探测超新星产生的中微子。如果一颗超新星在星系中诞生，NOvA的14000吨的远端探测器（far detector）将在几秒的爆发中观测到数千个中微子，而300吨的近端探测器（near detector）能观测到几十个。 在Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上即将发表的一篇论文中，NOvA合作小组描述了用于触发这种爆发的系统。由于附近的超新星非常稀有，中微子数据价值很高，NOvA使用了多个系统探测，以确保收集超新星数据。除了对这些观测数据中的中微子爆发进行连续实时搜索，NOvA还订阅了超新星预警系统（SNEWS），这是一个中微子实验网络，当任何两个设施观测到类似的超新星活动，该网络会相互提醒。NOvA还订阅了LIGO/Virgo合作观测到引力波事件时发出的警报，并将每个引力波事件都视为数据的潜在来源。 解释大多数引力波事件的最简单模型——黑洞在真空中合并——无法预测粒子的爆发。但如果黑洞在气体介质中融合，粒子就会被加速，从而可能会产生可观察的信号。其他解释引力波事件的替代模型也可能预测NOvA可见的粒子爆发。 另一种可能引发NOvA的情况是识别错误，即超新星被误认为是黑洞引力波事件。这项合作搜索了从超新星状的中微子到高能粒子雨NOvA可见的所有爆发。到目前为止，利用截至2019年年中报道的20多个引力波事件数据，NOvA尚未发现任何信号的迹象。未来几年引力波探测器的功能将迅速提高，会有更多的机会取得新发现。 NOvA的地下近距离探测器已被用来研究地下宇宙射线μ子的季节性变化，其大型远距离探测器被用于寻找其他奇异的宇宙现象，如对磁单极子的搜索。 查看详细>>

量子互联网，即一种通过纠缠来实现远距离共享量子位中存储信息的网络，将改变数据存储、精确传感和计算等领域，从而开创一个新的通信时代。近日，费米国家实验室的科学团队朝着实现量子互联网的方向迈出了重要一步。在PRX Quantum上发表的一篇论文中，该团队首次展示了保真度大于90％的光子量子位持续和远距离（光纤长度达44公里）隐形传态。 量子隐形传态是通过量子纠缠来实现量子态从一个位置到另一个位置的“无形”转移，其中两个或多个粒子间彼此密不可分。如果两个单独的位置之间共享一个纠缠的粒子对，无论它们之间的距离如何，编码的信息都会被传送。 研究人员在两个量子系统上成功传输了量子比特，这两个系统分别是加州理工学院量子网络和费米实验室量子网络。它们具有近乎自主的数据处理功能，既与现有的电信基础设施兼容，也与新兴的量子处理和存储设备兼容。研究人员正在利用它们提高纠缠分布的保真度和速率，重点是复杂的量子通信协议和基础科学。 几个月前，美国能源部在芝加哥举行的新闻发布会上公布了国家量子互联网的蓝图，为建设芝加哥地区的量子网络奠定了基础。 查看详细>>

制造商每年在光电阴极电子源上花费数十亿美元，这些电子源由包含稀有元素（如镓、硒、镉和碲）的半导体制成。莱斯大学的工程师已经发现可降低半导体电子源、夜视镜、低光相机、电子显微镜和粒子加速器等设备中主要部件成本的技术。洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）和莱斯大学的研究人员共同将此项研究发表在Nature Communications杂志上，论文中描述了利用卤化物钙钛矿薄膜制造电子源的方法。 莱斯大学材料科学家兼化学工程师Aditya Mohite表示，得益于丰富且廉价的原材料和简单低成本的制造工艺，该方法的成本比目前市场上的低几个数量级。它是量子效率和寿命的结合，其中量子效率描述的是光电阴极如何有效地将光转换成可用电子。 研究人员发现，钙钛矿光电阴极的量子效率仅比市售砷化镓光电阴极低约四倍，但是其寿命比砷化镓长。目前已经测试了数十种卤化钙钛矿光电阴极，部分量子效率高达2.2％。 另一个优势是钙钛矿光阴极是利用旋涂法制造的，这种低成本方法很容易扩大规模。研究人员将液体滴到快速旋转的圆盘上，离心力使液体散布在圆盘表面。为避免杂质污染，旋涂是在氩气环境中进行的。旋转开始后，将圆盘加热并置于高真空中，将液体转化为具有清洁表面的晶体。 研究团队解释钙钛矿光电阴极的量子效率之所以低于最先进的半导体，是由于存在高表面缺陷。下一步他们将努力制造具有较低表面缺陷密度的高质量钙钛矿晶体。 查看详细>>

尽管锂电池已在世界范围内广泛应用，但其运行动态仍难以捉摸。目前，X射线被证明可以查看电池内部的实时变化。一个研究小组利用先进光子源（APS）超亮X射线观察固态锂电池内部材料充放电时的变化。这种电池使用固体材料替代锂离子电池中易燃液体电解质，详细的3D信息有助于提高电池的可靠性和性能。此项研究于2021年1月28日发表在Nature Materials上。 研究使用APS的2-BM束线，利用超亮X射线计算机断层扫描技术，捕获电池充放电循环期间发生的结构变化的3D图像。高灵敏度和快速是2-BM束线的主要特征，灵敏性帮助团队区分密度相似的电池内部结构，极快的速度使他们能够不断捕捉到电池内部的变化。这些清晰的图像揭示锂/固体电解质界面上电极材料的动态变化如何决定固态电池的性能。研究发现，电池运作时会在接口处形成小空隙，（最大分辨率达到1-2微米），这是造成电池故障的主要原因—接触不良。 锂离子电池依靠液体电解质在充放电周期中携带离子，在电极之间来回流动。液体均匀覆盖在电极上，允许离子自由移动。而固态电池技术则使用固体电解质，应该有助于提高电池的能量密度和安全性。但从电极上去除锂会在接口处产生空隙，影响电池可靠性和寿命。 研究人员认为，为应对这种情况，可以通过不同的沉积过程创建结构化的接口，在循环过程中保持接触，对界面结构进行精密控制和工程设计，对未来固态电池开发非常重要。此项研究有助该类技术的商业化应用。 由于研究人员只能在一个充放电周期内观察电池的结构，未来他们希望了解电池在其他周期中会发生什么，以及该结构是否能以某种方式适应空隙的产生和填充。研究人员认为，该结果可能会适用于其他电解质配方，表征技术可用于获取有关其他电池工艺的信息。下一步可使用APS上的纳米断层照相术，更聚焦的X射线束可以提供电池中更小空隙的图像。 查看详细>>