140年物理谜题获突破，IBM从半导体中提取信息从3个扩大到7个
140年物理谜题获突破，IBM从半导体中提取信息从3个扩大到7个
半导体是当今数字、电子时代的基本组成部分，为我们提供了大量有益于现代生活的设备，包括计算机、智能手机和其他移动设备。半导体功能和性能的提高，同样有可能使下一代半导体应用于计算、传感和能量转换成为可能。
然而我们完全了解半导体器件和先进半导体材料内部电荷的能力仍然存在局限性，研究人员长期以来一直试图克服这一局限性，否则将会限制我们推动进一步发展的能力。
由IBM领导的一项新研究，最近在《自然》杂志上发表，让物理学家们困惑了140年的谜题取得了令人振奋的突破，这个突破能够让物理学家解锁半导体更多细节的物理特性，并且因此有望产生新一代的可应用在设备上的半导体材料。
半导体的发明对我们进入数字时代起了重要作用。你可以在你的智能手机和电脑里找到这些携带电能的物质。这一领域的改进可能会对未来的电子产品产生重大影响。
为了真正理解半导体的物理原理，我们首先需要知道材料内部载流子的基本特性，即这些粒子是正的还是负的，它们在外加电场下的速度以及它们在材料中的密度。
1879年美国物理学家爱德华·霍尔发现了所谓的霍尔效应，用这种方法可以测量导体中的电流流动。他发现，由于磁场会使导体中电荷的运动发生偏转，所以可以测量该偏转量，这个数字描述了垂直于或横向于电流的电压。
霍尔发现霍尔效应几十年后，现代研究人员也认识到他们可以利用光来进行霍尔效应测量，专业术语称为光霍尔实验，如图1b所示。在这样的实验中，光照明在半导体中产生多个载流子或电子空穴对。
IBM研究博客上的文章作者Oki Gunawan和Doug Bishop解释说，虽然霍尔电压提供了有关半导体中这些载流子的关键信息，但它仅限于占主导地位的大多数载流子的特性。研究人员无法同时提取两种载流子(多数和少数)的特性，而弄清影响电导率变化的多数载流子和少数载流子的信息，对于许多涉及光的应用都是至关重要的，其中包括太阳能电池、led、激光器等光电子设备以及人工智能技术。
IBM主导的新研究，揭示了霍尔效应长期存在的一个秘密。由来自韩国科学技术研究院、韩国化学技术研究院、杜克大学和IBM的研究人员开发了一种获取多数和少数载流子信息的新公式和技术。从黑暗中传统霍尔测量得出的已知的多数载流子密度出发，随着光强度的变化，我们可以求出多数载流子和少数载流子的迁移率和密度、载流子寿命、扩散长度和重组过程。
该团队将这项新技术命名为载波解析光电霍尔(CRPH)测量。在已知光照强度的情况下，同样可以相似地建立载流子寿命。自从霍尔效应被发现以来，这种关系和相关的解决方案已经被隐藏了将近一个半世纪。
正如科学中经常发生的那样，一个领域的进步是由另一领域的发现触发的。 2015年，IBM研究团队报告了物理学中与新的磁场限制效应有关的物理学领域以前未知的现象，这种现象被称为“驼峰效应” ，它发生在两条横向偶极子线之间，当它们超过临界长度时，如图2a所示。这种效应是一种新型自然磁阱的关键特性，它被称为平行偶极线(PDL)阱，如图2b所示。
PDL磁阱可以作为各种传感器应用的新平台，现在它对于IBM的新发现起到了促进作用，利用IBM开发的平行偶极线(PDL)陷阱工具，可以为光霍尔实验提供理想的系统，为样品照明分配大量的空间。
新开发的光电霍尔技术允许我们从半导体中提取数量惊人的信息。事实上，与传统的利用霍尔效应导出的三个测量参数相比，该方法最多可以得到七个信息参数。它们包括电子和空穴的迁移率;光下载流子密度;重组寿命;以及电子、空穴和双极性类型的扩散长度。所有这些都可以重复N次，即实验中使用的光强度设置的数量。
这一新发现和技术将有助于推动半导体在现有和新兴技术方面的进步。我们现在拥有可以提取半导体材料更多细节物理特性所需的知识和工具，这一切将有助于加速下一代半导体技术的发展，如更好的太阳能电池、更好的光电子器件以及用于人工智能技术的新材料和器件。
国一组物理学家称成功实现了一种新的物理状态：拓扑超导态(topological superconductivity)，并表示这将极大提升电子设备的存储能力和提升量子计算机性能。
�6�7研究发布的公告主要提到了这一物态在量子计算机方面的作用。
量子比特(Qubit)的不稳定性是量子计算机目前正在攻克的难关之一。这份研究认为，由意大利理论物理学家埃托雷.马约拉纳(Ettore Majorana)1937年提出的马约拉纳(Majorana)费米子更稳定，作为量子比特具有优势。马约拉纳粒子是准粒子(具有粒子的特性，但不是真正的粒子)中的一种，其反粒子就是它的本身。
这份研究在超导体的相位变化过程中，观测到马约拉纳粒子，将其称为拓扑超导态。
“我们的研究成功展示了新物态——拓扑超导态，”这份研究的主要作者之一、纽约大学的Javad Shabani在公告中说，“这一新的拓扑态可以提升量子计算机速度和增加储存空间。
量子技术作为科学界的新型技术产业，已经成为了全世界关注的焦点。目前中国已经掌握了量子无人机，量子通讯等多个技术，毫无疑问，现在中国的量子技术水平已经走到了世界前列。澳大利亚的量子网络全新架构，加拿大的量子卫星也都相继推出。
就在最近，美国方面也宣布自己在量子领域取得了重大突破，并将有望突破量子网络瓶颈。美国的研究人员发现了一种全新的物态，并称之为拓扑超导，这种全新的物质形态可以大幅度提升量子计算机的性能。
利用量子力学的原理来执行计算任务，可以提升计算机的性能，完成更加复杂的运算。但是目前的量子计算机所遇到的瓶颈就是量子位的稳定性，量子计算机所配备的机器的计算单元非常精密，正因为如此，他们并不能应付环境噪音。这就使得量子位的稳定性很差，量子计算机的精确度很难提升。
想要突破瓶颈并不简单，来自纽约大学的研究人员最近发现了一种特殊的粒子行为，这种特殊类型的准粒子行为就像是真正的粒子，这些和研究相关的马约拉纳费米子，被定义为粒子自身的相反粒子。
值得注意的是，这些粒子的稳定性相比与传统的粒子更加的好，这很有可能就是量子计算机中的关键点。粒子是在超导体的某个相变中出现的，也正因为如此，研究人员开始注意拓扑超导。
全新的粒子将会让我们的量子计算机稳定性增加，能够更加稳定的实现复杂运算的实现。虽然现在一些国家和地区已经创造出了量子计算机，但是在使用的稳定上还是有待优化的，而这些马约拉纳费米子的相反粒子正将可以解决这些问题。
研究人员表示，研究成功的揭示了拓扑超导的状态，这种新的物质状态将大大提高量子计算的速度并改进量子储存方式，最后将可以构建量子位以实现真正意义上的量子计算和存储，具有非常重大的意义。
从我们的整个发展来看，量子计算机毫无疑问将创造出革命性的升级，虽然量子计算机和我们的日常生活并没有直接联系，但是更加高级的计算确实有助于复杂功能的不断探索，用量子计算机来不断的挑战人类科技的顶峰。在未来世界，谁能掌握量子技术，谁就掌握了在国际上的话语权。
尽管中国现在在世界范围内是领先的，创造出的量子通讯无人机让一些国家眼红，甚至还被呼吁公开技术。但是美国的这种新型的量子技术还是不可小觑，美国能够利用这些技术创造出什么新型的产品还是很值得我们关注。
我相信大部分人都曾经听过类似这样一个故事：一位飞行员在绕地球飞行数十年之后，回到地球，结果却发现兄弟姐妹似乎比他老了几岁，从外表可以很明显地看出岁月的痕迹。姑且不论这个故事的真假，但更重要的是它背后隐含的真理。事实上，这是有可能的！
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根据广义相对论，一个人地速度越快，他周遭地时间流逝就越慢，当接近光速时，时间基本停止，当然，对外界来说，时间仍是正常地。近日科学家通过新研究发现任何量子引力理论都将不得不与一些奇怪的时间问题作斗争。
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你可能听说过薛定谔的猫，著名的薛定谔猫思维实验要求观众想象一个盒子里装着一只猫和一个放射性粒子，一旦衰变，就会杀死这只不幸的猫。根据量子叠加原理，猫的存活或死亡的概率是相等的，直到盒子被打开，猫同时是活的和死的。在量子力学中，叠加意味着一个粒子可以同时以多种状态存在，就像薛定谔的猫一样。而这项研究就与此有关，现在把你的思想集中在薛定谔的时间上，科学家发现一个事件可以同时成为另一个事件的因果关系。
这种情况在任何量子引力理论中都是不可避免的。量子引力理论是物理学中一个仍不为人知的领域，它可以将阿尔伯特�6�1爱因斯坦的广义相对论与量子力学的工作原理结合起来。在一篇新论文中，科学家们设想了一颗巨大的行星附近的星际飞船，它的质量减缓了时间，从而创造出了这两者的混合体。他们的结论是，星际飞船可能会发现自己处于一种因果颠倒的状态:一个事件可能会导致之前发生的另一个事件。
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“我们可以设想这样一种情景，即时间顺序或因果关系处于颠倒或不颠倒的叠加状态，”该研究的合著者、新泽西州史蒂文斯理工学院量子科学与工程中心的物理学家伊戈尔·皮科夫斯基(Igor Pikovski)说。“一旦我们有了一个完整的量子引力理论，我们就会期待这一切的发生。”
而这项新的思维实验将量子叠加原理与爱因斯坦的广义相对论相结合。广义相对论认为，一个巨大物体的质量可以减慢时间。而皮科夫斯基证实，这是公认的真理，比如绕地球轨道运行的宇航员体验时间的速度要比他或她回到地球上的孪生兄弟快一点点。
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因此，如果一艘未来的宇宙飞船靠近一颗巨大的行星，它的宇航员所经历的时间就会比驻扎在更远的宇宙飞船上的人慢一点。现在，加入一点量子力学，你可以想象这样一种情况，那颗行星同时被叠加在两个航天器的附近和远处。
在这种两艘船在不同时间线上经历时间的叠加场景中，因果关系可能会变得不稳定。例如，假设这两艘船被要求执行一项训练任务，在该任务中，它们互相射击并躲避对方的射击，并且双方完全知道导弹将在什么时候发射并拦截它们的位置。如果附近没有大质量的行星干扰时间的流动，这是一个简单的练习。但是如果那颗巨大的行星存在，而船长没有考虑到时间的缓慢，船员们可能会来不及躲避，最终被摧毁。
由于这颗行星在近处和远处同时处于叠加状态，我们不可能知道这两艘飞船是会躲避得太迟而彼此毁灭，还是会靠边站而幸存下来。此外，皮科夫斯基说，因果关系是可以逆转的。想象两个事件，A和B，是因果相关的。
皮科夫斯基认为，“A和B可以相互影响，一种情况下A在B之前，而另一种情况下B在A之前”处于叠加状态。这意味着A和B同时是彼此的因果关系。幸运的是，对于这些想象中的宇宙飞船上可能感到困惑的宇航员来说，他们将有一种数学方法来分析彼此的传输信号，以确认它们处于叠加状态。显然，在现实生活中，行星不会在星系中随意移动。但是即使没有完整的量子引力理论，这个思想实验也可能对量子计算有实际意义。通过在计算中使用叠加，量子计算系统可以同时评估一个过程的因果关系。简单来说，量子计算机或许能够利用这一点进行更有效的计算。
想象一下这样一个世界：电力可以毫无损失地流过电网，或者世界上所有的数据都可以存储在云中，而不需要发电站。这似乎难以想象，但随着一种具有神奇特性的新材料家族的发现，通往这样一个梦想的道路已经打开。这些材料（磁性Weyl（外尔）半金属）天生是量子的，但在拓扑和自旋电子学的两个世界之间架起了桥梁。拓扑材料表现出奇怪的性质，包括没有任何能量损失的超快电子。另一方面，磁性材料对于我们的日常生活必不可少，从电动车的磁铁到每个硬盘驱动器中的自旋电子设备。
磁性Weyl半金属(WSM)的概念曾在空气中出现，但真正的生活材料，现在由德累斯顿MPI CPfS主任Claudia Felser团队在两种截然不同的化合物中实现-Co2MnGa和Co3Sn2S2。为了找到这些非同寻常的材料，Felser团队扫描了材料数据库，并提出了一份有希望的候选名单。通过对Co2MnGa和Co3Sn2S2的电子结构研究，证明了这些材料是磁性Weyl半金属。来自MPI CPfS的Claudia Felser团队和MPI微观结构物理Stuart Parkin团队的科学家Halle：
与普林斯顿的M.Zahid Hasan的团队，牛津大学的Ylin Chen的团队，以及魏茨曼科学研究所的Haim Bedenkopf团队合作。在发表在《科学》期刊上的三篇论文中，实验证实了磁性Weyl半金属 Fermions在这两种材料中的存在。
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首次利用角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)实验，观察到时间反转对称性破缺的磁性Weyl半金属态，这是通过在MPI CPfS生长的高质量单晶得以实现。磁性Weyl半金属的发现是朝着实现高温量子和自旋电子效应迈出的一大步。Halle Max Planck微结构物理研究所总经理Stuart Parkin说：
这两种材料分别属于高度可调谐的Heusler和Shandite家族，是未来各种自旋电子和磁光技术应用的理想平台，用于数据存储、信息处理以及能量转换系统中的应用。Co2MnGa和Co3Sn2S2中的磁性拓扑态，对反常量子输运效应的起源起着至关重要的作用，这是由于它们的拓扑态具有很强的Berry曲率。利用Weyl节点线和节点带结构，Co2MnGa和Co3Sn2S2是目前已知仅有两个同时具有大反常霍尔电导率和反常霍尔角的材料实例。材料具有高阶温度、清晰的拓扑带结构、低电荷载流子密度和强电磁响应的天然优势。
通过磁性Weyl半金属的量子限制来设计一种具有高温量子反常霍尔效应(QAHE)的材料，并将其集成到量子器件中是下一步的研究目标。磁性Weyl半金属的发现是实现室温QAHE的一大步，也是新能量转换概念“量子反常霍尔效应”的基础，量子反常霍尔效应能够通过固有自旋极化的手性边缘态实现无耗散传输。在室温下实现QAHE将是革命性的，因为它克服了当今许多基于数据的技术限制，这些技术受到电子散射引起的巨大功率损失影响，这将为新一代低能耗量子电子和自旋电子设备铺平道路。
它可以使微小的细胞结构可见：尖端光学显微镜提供十分之几纳米的分辨率，换句话说为百万分之一毫米。到目前为止，超分辨率显微镜比传统方法慢得多，因为必须记录更多或更精细的图像数据。与耶拿的合作伙伴一起，比勒费尔德大学科学家现在已经进一步开发了超分辨率SR-SIM过程。学者们表明，SR-SIM也可以实时和非常高的成像速率，因此适合于观察非常小的细胞颗粒运动，其研究发现发表在《自然通讯》上。
比勒费尔德大学生物分子物理工作组负责人托马斯·胡泽教授说：这就是这种显微镜在生物学或医学应用中真正有用的地方。目前的问题是，提供足够高分辨率的显微镜无法以相应的速度显示信息。SR-SIM项目由德国研究基金会(DFG)和欧盟通过Marie Sk�0�0Odowska-Curie Actions提供资金。
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SR-SIM代表“超分辨率结构照明显微术”，是一种荧光显微术。物体被激光照射，这种光激发样品中的特殊荧光分子，使它们以不同的波长重新发射光。然后显微镜图像显示重新发射的光，与其他传统的荧光显微镜方法不同。
SR-SIM不会均匀地照亮样品，而是具有精细的网格状图案，这种特殊技术能够实现更高的分辨率。该过程包括两个步骤：首先将样品重新发射的光记录在几个单独图像中。比勒菲尔德大学生物分子物理工作组的成员，也是这项研究的主要作者安德烈亚斯·马克维思(Andreas Markwirth)说：然后在计算机上根据这些原始数据重建完成的图像，尤其是第二步，到目前为止已经花费了大量时间。因此，比勒费尔德大学研究人员与莱布尼茨光子技术研究所和耶拿弗里德里希·席勒大学的Rainer Heintzmann教授合作，加快了这一研究过程，现在设计的显微镜可以更快地生成原始数据。
此外，由于在现代图形卡上使用并行计算机处理，图像重建花费的时间大大减少。在研究中，研究人员在生物细胞上测试了新方法，并记录了线粒体的运动，细胞器的大小约为一微米。Markwirth表示：我们已经能够产生大约每秒60帧，比电影更高的帧速率。测量和图像之间的时间不到250毫秒，所以这项技术能够实时记录。到目前为止，超分辨率方法经常与常规方法相结合：传统的快速显微镜用于首先发现结构。然后可以使用超分辨率显微镜详细检查这些结构。然而，有些结构太小了，以至于用常规显微镜无法发现，例如肝细胞中的特定孔隙。
该新方法既高分辨率又快速，这使得生物学家能够探索这样的结构。新显微镜的另一个应用是研究病毒颗粒通过细胞的方式。这使我们能够准确地了解感染过程中发生的情况。超分辨率显微镜只有大约20年的历史。1873年Ernst Abbe发现可见光的光学系统分辨率被限制在大约250纳米。然而，近年来，已经开发了几种光学方法来打破已被称为阿贝衍射极限屏障。2014年来自美国的威廉·E·莫尔纳(William E.Moerner)和埃里克·贝齐格(Eric Betzig)以及德国的Stefan Hell因开发出约20至30纳米的超分辨率而获得诺贝尔化学奖
这里，我们需要先搞懂这三个概念之间的区别。
晶体管是集成电路的基本单元。
集成电路（IC）就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。
集成电路
芯片是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片（chip）就是半导体元件产品的统称。是集成电路（IC， integrated circuit）的载体，由晶圆分割而成。
芯片
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
半导体材料
从弗莱明发明真空二极管，人类历史上第一只电子器件诞生，到后来真空三极管，再到后来的PN结型晶体管，电子器件经过了好几代的更迭。
PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命。与电子管相比，晶体管的构件是没有消耗的，消耗的电能也极少，也不需要预热，更加结实可靠。被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活，还是第二代计算机的主要元件。
第一只晶体管
一般来说，越小的制程能够带来越强的性能、越低的功耗和散热以及更小的芯片尺寸。晶体管数量越多意味着芯片的运算速率越快、能耗更低，所以更先进的制程可以使芯片内部集成更多的晶体管，使处理器具有更多的功能以及更高的性能以及更低的能耗。
而来自中国科学院微电子研究所微电子设备与集成技术领域的专家殷华湘说，他的团队已经研发出3纳米晶体管——相当于一条人类DNA链的宽度，在一个指甲盖大小的芯片上能安装数百亿个这种晶体管。
而晶体管需要突破3纳米其中最大的障碍就是玻尔兹曼暴政，即电子器件功耗下限受Log（kT/ Q）制约，源于Fermi-Dirac统计，其中k即玻尔兹曼常数，T是温度，Q是电荷。玻尔兹曼常数所表示的是单个气体分子平均平动动能随热力学温度变化的变化系数。从物理角度来说，组成物质的分子是在不断运动的，而分子运动的剧烈程度，在宏观尺度上的表现就是温度。
目前，现有的硅基晶体管受玻尔兹曼热力学限制，室温下亚阈值摆幅SS≥60mV/dec，阻碍了工作电压的继续降低。当集成电路技术进入5纳米及以下节点，随着集成度的持续增加，在维持器件性能的同时，还面临功耗急剧增加的严重挑战。也就是说，这意味着随着更多较小的晶体管安装到芯片上，晶体管所需电流产生的热量将烧毁芯片。
如何推翻玻尔兹曼暴政，科学家想到了很多的方法，殷华湘说，他的团队使用一种称为“负电容”的方法，这样他们能用理论上所需最小电量的一半电量来为晶体管提供电力。
在某一临界电压下，铁电体会反转它的极化方向,这会导致材料表面束缚电荷的巨大积累，瞬间可超过电源的电极所供给。此时，如电极和外电源间放一电阻，就可看出电压在下降，但电荷仍然在增加；结果导致出现电容为负值。这就是“负电容”！
目前半导体领域，公认推翻玻尔兹曼暴政的方法就是负电容。殷华湘团队也正是使用这种方法推翻了玻尔兹曼暴政。
殷华湘团队在主流后HKMG FinFET集成工艺的基础上，通过材料工艺优化和多栅器件电容匹配设计，结合高质量低界面态的3纳米铪锆金属氧化物薄膜，研制成功性能优异的NC-FinFET器件，实现了SS和阈值电压回滞分别为34.5mV/dec和9mV的500纳米栅长NC-FinFET器件，以及SS和阈值电压回滞分别为53mV/dec和40mV的20纳米栅长NC-FinFET器件。
其中，500纳米栅长NC-FinFET器件的驱动电流比常规HfO2基FinFET器件（非NC-FinFET）提升了260%且电流开关比（Ion/Ioff）大于1×106，标志着微电子所在新型NC-FinFET器件的研制方面取得了重要进展。
（a）负电容FinFET基本结构；（b-c）三维器件沟道结构与铁电HZO膜层结构；（d-e）器件I-V与SS特性；（f）最新器件性能国际综合对比（SS与回滞电压越小越好）
不过这个所谓的负电容技术还是学术研究，殷华湘也表示该技术具备应用实力，但是殷华湘也提到了这个技术距离商业化应用还有数年时间，团队还在致力于解决材料及质量控制等问题。
目前，殷华湘团队正在抓紧时间将3纳米晶体管正式量产，投入市场之中，因为其他国家也已经加入将3纳米晶体管投入市场的竞赛。像韩国三星公司表示，它计划到2020年上半年完成3纳米晶体管的研发。三星认为，同7纳米技术相比，用它的3纳米晶体管制造的处理器只需用一半的电力，性能却会提高35%，随着3纳米晶体管研发获突破，未来相关产业链公司或将受益。
报道称，殷华湘说，这项突破将让中国“在芯片研发的前沿同世界头号角色进行正面竞争”。他说：“在过去，我们看着其他人竞争。现在，我们在同其他人竞争。”
殷华湘团队目前正在研发一种原子大小（0.5纳米）的晶体管，想要走半导体领域实现弯道超车，而这可能需要在碳纳米晶体管上取得突破。
碳纳米管(Carbon Nanotube ，缩写为 CNT)是一种直径仅为 1 纳米，或十亿分之一米的管状纳米级石墨晶体，碳纳米管也被认为是构建纳米晶体管的理想材料，具有5-10倍的本征速度和功耗优势，性能接近由量子测不准原理所决定的电子开关的极限，有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。
台积电研发负责人黄汉森在谈到未来要将晶体管将缩小到0.1nm尺度，便提出碳纳米管作为一种使晶体管更快、更小的新技术，正在变得切实可用。
而2019年8月底，来自MIT的Gage Hills等人今天在Nature发表论文，报告了碳纳米管芯片制造领域的一项重大进展：一个完全由碳纳米晶体管构成的16位微处理器。这是迄今为止用碳纳米管制造的最大的计算机芯片。预示着碳纳米晶体管技术有了新的突破。
一个完整RV16XNANO裸片的显微图像。处理器核心位于裸片中间，测试电路环绕在外围
但不管怎么样，如今我们想要在半导体领域缩小与欧美的差距，在EDA工具、EUV光刻机以及半导体生态上都需要取得质的突破，才能完成。这条路目前还很长，尤其是EDA工具和EUV光刻机，是半导体领域中的核心，EDA工具是芯片设计不可缺少的工具，光刻机是芯片生产必不可少的工具。
漫漫长路，道阻且长，加油！
我想大家都对中学学到的原子结构很熟悉，也就是说原子内有个原子核，核外有电子绕着原子核转，而原子核内还有质子和中子。原子核是带正电的，而电子是带负电。
我们都知道同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。原子核和电子是异种电荷，为什么不会相互吸引？
原子结构的发展
100多年前，这个问题同样困扰着很多科学家。最早提出原子模型的是汤姆孙，他提出了枣糕模型，在这个模型中：
原子是球形的，正电的物质均匀分布于球体内，而带负电的电子一颗一颗地镶嵌在球面上。
后来，他的学生卢瑟福也提出了一个原子模型，这个模型电子是在原子核核外做圆周运动的，这也被我们称为行星模型。但这个模型有个致命问题，根据麦克斯韦电磁学理论，电子最后还是要被镶嵌到原子核上，简直就是变种的枣糕模型。
再到后来，卢瑟福有个学生叫做波尔，它为了解决这个问题，提出了另外一个原子模型，我们可以叫做太阳系模型。他认为原子内部就像是太阳系一样，原子核就好比太阳，而电子就像行星一样，有一个个轨道，它们在轨道上运动。但是这个模型也不行，因为理论虽然漂亮，但是用到氦元素原子时，就不太灵了。
最后，解决问题的是波尔的学生海森堡，他提出了不确定性原理。在这个理论中，电子在原子核外，呈现电子云的形式。
但问题来了，这样就真的确保了电子可以不掉落到原子核内么？
水往低处流
实际上，你听到这里，还是觉得不太靠谱了。实际上，还存在着两个原因。我们先来说的一个，我们都知道，水是往低处流的。这种现象并不是偶然，说白了它是能量最低原理造成的。万物都是“懒”的，都有个趋势，从能量高的地方往能量低的地方去。那这和这个问题有什么关系呢？
如果电子掉落到原子核内，电子会和质子反应，生成一个中子。（这个过程还会中微子的出现，不过由于中微子质量特别特别小，不影响最终结果，因此，我们就不把它算在内）
那问题来了，这个反应能自发进行么？
实际上并不能，核心原理就在于
“电子+质子的总能量”＜“中子的能量”
可能你要问了，它们不都是是物质粒子么？为什么还会有能量这说法？
这就要说到爱因斯坦的质能等价了，这个理论告诉我们一个道理，那就是质量和能量其实是一个东西的两个体现，质量里是有能量的，能量里是有质量的。它们是相互对应的关系，具体的对应就是E=mc^2。因此，我们可以得到微观粒子的能量。
- 电子的能量是：0.510 MeV
- 质子的能量是：938.272 MeV
- 中子的能量是：939.565 MeV
因此，电子和质子的总能量就是0.510 MeV+938.272 MeV=938.782 MeV，这个能量要小于中子的能量。因此，电子和质子并没有办法自发反应，除非有能量的输入。
相反，正是由于中子的能量要大于质子和电子的能量，中子在弱相互作用下，是有一定概率发生衰变，成为一个质子和电子的，这就要远比质子和电子反应生成中子容易的多。
这里，我们再多补充一句，之所以会这样中子的质量（能量）要略大于质子质量（能量），更本质的原因在于构成它们的夸克的种类不一样。
- 质子是由2个上夸克、1个下夸克构成的；
- 中子是由1个上夸克、2个下夸克构成的。
而下夸克的质量是不同于上夸克的，这才导致了质子和中子的质量有些许不同。（下表中，每个格子的左上角第一行就是质量栏）
泡利不相容原理
除了上文说到的问题之外，还存在一个阻拦电子进入原子核的关卡，我们可以理解成一种规则，这个规则就叫做泡利不相容原理。
这就是科学家泡利通过分析实验结果得到的一个理论，具体的表述是，
两个全同的费米子不能处于相同的量子态。（常见的费米子就有电子和夸克）
下图中，左侧这三列内的粒子就是费米子。（当然，还不止这些，像质子和中子也是费米子。）
这定义看起来很唬人，不过你可以大致理解成电子也是需要排座次的，也讲究先来后到，相同状态的电子不能有第二个一摸一样的。这就导致，电子在原子核外要好好排排坐，能都往靠近原子核的方向去挤。
于是，由于泡利不相容原理的存在，就会产生一种量子效应，叫做电子简并态，它们会产生向外的压力，来抵抗把电子往原子核内压的力。
在宇宙中有一种恐怖的天体叫做中子星，它们就是因为电子简并态没有扛住自身的引力，所以，电子就被压到了原子核内。但是中子也有简并态，中子的简并态抵抗住了自身引力。但更为恐怖的黑洞，就是连中子的简并态都没抵抗住自身引力。
最后我们来总结一下，电子和质子的总能量要小于中子的能量，根据能量最低原理，电子和质子不能自发的发生反应。同时，又因为电子简并态的存在，它可以抵抗外来的压力把电子压入原子核内。这是由于两个原因，保证了电子不会掉入到原子核内。
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在1930年，美国天文学家发现了冥王星，此后这颗遥远的天体一直被视为太阳系的第九大行星。然而，76年后，天文学家的投票让冥王星遭到降级，从此太阳系中只有八大行星。那么，冥王星为什么不再被视为行星呢？
由于观测技术所限，天文学家一开始严重高估了冥王星的质量，认为它与地球相当。后来通过一系列的方法，冥王星质量的估计值不断下降。到了上个世纪70年代，冥王星的卫星——卡戎被发现之后，天文学家算出冥王星的质量只有地球的500分之一。
此后，天文学家在冥王星附近的柯伊伯带中相继发现了不少的天体，其中一些与冥王星差不多大，例如，妊神星、鸟神星。另外，天文学家还在柯伊伯带之外的离散盘中发现了一个质量比冥王星还高一些的天体——阋神星。这让很多天文学家认为，冥王星也应该是柯伊伯带天体，并且不能将其归为一颗行星。
于是，天文学家提出了新的行星定义。由于冥王星质量太小，没有足够强大的引力来清理掉它轨道周围的其他小天体，所以冥王星被踢出太阳系九大行星的行列，它与其他几个较大的天体被划分为矮行星。
随着旅行者2号在上个世纪80年代相继造访天王星和海王星，人类已经对太阳系中的八大行星都有过近距离探测。由于冥王星太小太远，即便是哈勃太空望远镜，都无法看清冥王星的表面。
在2006年初，当冥王星还是第九大行星时，美国宇航局（NASA）发射了新地平线号探测器，这艘无人探测器飞往冥王星。经过9年多的长途跋涉，新地平线号于2015年飞抵冥王星。但新地平线号携带的燃料非常有限，它并没有进入环绕冥王星的轨道，而是从距离冥王星1.25万公里处飞掠而过。在此期间，新地平线号捕捉到了大量的冥王星细节，首次揭开了这颗遥远天体的神秘面纱。
冥王星表面最显著的特征之一是存在一块心形区域，还有大片的深橙色和白色区域。冥王星远离太阳，它的表面非常冷，温度只有-230 ℃。在这种低温下，氮分子被冻成固体，它们覆盖着绝大部分的冥王星表面。
另外，冥王星虽小，但它仍然存在一层非常稀薄的大气层，其表面大气压为地球表面大气压的数十万分之一。分析表明，它的大气成分主要为氮气，其次是甲烷以及一氧化碳。
虽然冥王星已不是行星，但天文学家对于第九大行星的搜寻还在继续。初步证据表明，太阳系中存在第九大行星。预计它是一颗冰巨行星，位于离太阳十分遥远的地方。
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“不管有没有我，地球依旧在旋转，一切都在继续。”——菲尔·安塞尔莫
在我们周围，从微观到宏观，我们最容易感受到的是一个物体围绕另一个物体旋转。例如：电子绕核，卫星绕行星，行星绕恒星，恒星绕着星系中心。那么问题来了，星系是绕着什么东西旋转，或者说绕着什么东西公转？并且我们现在知道可能存在多元宇宙，那么我们的宇宙是否也绕着什么在旋转？今天就说下这个问题。
让我们从宇宙的最开始说起！
宇宙暴涨创造了大爆炸的初始状态，自旋是粒子与生俱来的特性
在我们的宇宙充满物质、辐射、中微子、暗物质或目前在其中发现的任何粒子之前，宇宙的初期处于一种指数膨胀的状态，在时空中唯一的能量是空间本身固有的能量。这就是宇宙暴涨时期，是它导致了大爆炸发生也创造了大爆炸初期宇宙炽热、稠密充满物质和辐射的状态，我们称之为宇宙的诞生。
在暴涨的时间里，据我们所知，真空能量发生了量子涨落，但彼此之间不能相互作用，因为空间的膨胀的太快，在光速下进行相互作用无法发生。而且暴涨在所有地方和所有方向上都是一样的，也没有任何特殊类型的首选轴。
当暴涨结束时，空间内在的能量衰变到物质、反物质和辐射中，但是有一小部分真空能量被“锁”在了空间里，就是我们现在说的暗能量。这些量子涨落在指数膨胀的宇宙中产生了密度过高和密度过低的区域。
这就是我们所说的大爆炸阶段。宇宙创造出了标准模型中的所有粒子和我们目前尚未发现的粒子。从一开始，所有的基本粒子都具有固有的角动量：一种被称为自旋的特性，无法与粒子本身分离。
每个电子、夸克和中微子的自旋为±�0�5，每个胶子或光子的自旋为±1。假设引力是按照我们所认为的量化方式，那么引力子的自旋为±2，在所有基本粒子中，只有希格斯玻色子的自旋是零。
粒子生来并没有相互之间的角动量
当宇宙中所有的粒子被第一次创造出来的时候，粒子之间还没有机会相互作用。所以说根据我们的理解，宇宙并不是生来就有一个粒子绕着其他粒子转的。但是粒子生来就具有内在的动能，并且宇宙在不同的位置上有着不同的密度。
当粒子碰撞和引力相互作用时，密度过高的区域会在引力的作用下吸引越来越多的物质和能量，而密度较低的区域则变得更加稀疏，把它们的物质和能量转移到附近密度相对较大的区域。
当宇宙冷却时，夸克凝聚成原子核，原子核有自己固有的角动量，受原子核和粒子物理定律支配。类似地，当宇宙冷却到足以形成中性原子的时候，原子并不是波尔“行星轨道”模型，而是电子会占据特定的量子态，所有的量子态都有自己固有的自旋和轨道角动量，如上图所示。
当宇宙形成中性原子时，密度过低和密度过高区域之间的引力差异跟宇宙刚诞生时相比，已经被放大了很多倍。
引力作用下的潮汐力矩
当宇宙还很年轻的时候，宇宙就有了独特的引力区域，这些区域都会发展成我们现在看到的恒星、星系、星系团等等，而这些区域（还没有在引力作用下塌缩成星系的气体云）会彼此相对移动，并对彼此施加引力。
除非这些引力源（气体云）都具有非常不可思议的特性：即它们都是完美的球形，同时气体云的只是沿着假想的直线运动，那么两个气体云之间会对彼此施加一种非常特殊的力：潮汐力矩。
每一个点上的物质和能量与其他物质和能量运动的相对不一致，都会在引力的作用下产生一个扭矩，就像我们向上或向下推扳手会使螺母转动一样。
潮汐力矩在大小尺度上存在，并影响了我们所知的每一点物质，一直到单个原子之间的相互作用。随着时间的推移，引力坍缩开始发生，这些少量的角动量（其中50%应该是顺时针，50%应该是逆时针）足以使巨大的气体云旋转得非常缓慢。
在物理学中有一些守恒量。我们对能量守恒很熟悉：能量不能被创造或毁灭。但是还有一个动量守恒，动量也不能被创造或毁灭。如果你观察一个旋转的花样滑冰运动员，当他或她把胳膊和腿拉近身体时，你就可以看到动量守恒的效应。
通过改变一个系统的惯性矩（使质量分布更接近旋转轴），根据角动量守恒系统的角速度或转速就必须增加。例如，我们的太阳自转周期略小于一个月，如果我们把太阳坍缩成一颗白矮星，一个和地球差不多大小的物体，那么太阳的角速度将会增加到每36分钟就会自转一周！
A级恒星和白矮星
当涉及到恒星系统，单个的行星和卫星，或者整个星系时，我们实际上看到的不止是一个密度大的静止物体，这就证明了宇宙中每一个已知的系统都经历过潮汐力矩的相互作用，并且相对于宇宙中的其他物体具有非零的角动量。
总结：星系、星系团中心引力并不是一些旋转的根本
换句话说，我们都知道大部分星系的中心都有一个超大质量黑洞，但是黑洞的存在并不是导致星系旋转的根本原因，即使没有黑洞的存在星系也会继续旋转，恒星也会继续围绕星系中心旋转！事实上，我们也看到许多没有中心黑洞的螺旋星系，这些星系也在照常完美的运行。
所以万有引力、不可避免的潮汐力矩和角动量守恒是一切天体都在旋转的根本原因！因此在星系团中，星系也在互相绕中心旋转，而这个中心并不需要有什么超大质量的天体！
另一方面，如果我们把整个宇宙看作一个整体呢？我们目前认为宇宙没有在整体旋转，因为万有引力没有（也永远不会有）机会在比可观测宇宙更大的尺度上相互作用，就算存在多元宇宙，而这些宇宙之间是没有任何联系和信息交互的，毕竟我们现在认为引力是以光速在传播，而我们宇宙的膨胀速度都已经超过光速了。
从理论上讲，宇宙也可能有一定的角动量，但这不是引力造成的，而是它与生俱来的特性，如果真是这样，这将又是一个巨大的谜团！
140年物理谜题获突破，IBM从半导体中提取信息从3个扩大到7个
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