布鲁克海文学院

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简介： 科学家通过磁场调制微波光谱法（MFMMS）的技术对陨石进行研究，在世界上最大的陨石之一中发现了超导材料。

蒙德拉比拉陨石的主体。科学家们在小块的陨石碎片中发现了超导材料颗粒。（图源：格莱美·徹查德，维基共享资源）

根据一项最新的研究显示，科学家检测追踪到世界最大的陨石内部含有大量超导材料。

超导材料是电流在没有电阻的情况下进行传导的材料。研究量子计算机的科学家们和试图提高能量转化率的公司都对这种材料求之若渴。

在澳大利亚陨石内发现的超导体是一种已知的材料，它的发现过程可以说是很让人震惊了。

“最大的收获是天空中就有超导体，纯天然的。”加州大学圣地亚哥分校的一个课题的主要作者之一伊万·舒勒这样告诉吉兹莫多。

舒勒的团队不仅仅关注陨石，他们致力于在各种地方寻找超导材料。6年前，他的团队首发了一项技术，名为磁场调制微波光谱法（MFMMS），这种方法是从科学家们把超小的样本分段放入一个布满微波和摆动磁场的洞里，然后将其冷却开始的。当样本从导体变成超导体，它们吸收微波的途径会发生戏剧性的变化。该方法让科学家们能够快速扫描大量材料以判定它们是否是超导体。

这也正是研究人员正在做的事情。他们利用美国空军的授权去捕捉各种材料中是否含有超导性。如果超导体要在极端环境中才能形成，比如外星环境，那么陨石就成为研究的首选。

团队扫描了成百上千的陨石样本，一开始是小块陨石，之后是大一点的。研究生詹姆斯·沃普勒最终在两块陨石中检测出了超导体的过渡：一块来自世界上最大的陨石之一蒙德拉比拉陨石，其中包括22吨散落在澳大利亚那拉波平原各处的陨石碎片；另一块来自于一块叫做GRA95205的陨石。超导体材料是一种合金材料，由铟、铅、锡合成。这些元素以前就被科学家称为超导体材料。这是太空中自带超导性的第一证据。

这一发现并不是迷人的尤里卡时刻。由于这一超导体是地球上的已知材料，科学家们立刻想要弄清楚它们是否在无意间污染了样本。

沃普勒跟吉兹莫多说：“我已经不记得发现它的那一瞬间的事了。我的第一反应是它在骗我，这只是别的东西。这种反应有点矫情，但是还不错，起码促使我对自己的推论做了二次检查。”

团队将他们的样本带到布鲁克海文国家实验室的两位科学家朱一梅（音译）和程少博（音译）那里，用电子显微镜进行检测。只有这样确认后他们才有信心相信他们的确发现了太空中自然存在的超导体。沃普勒最早将他的研究成果在2018年美国物理学会3月举行的会议上发表。如今团队已经把同行评审论文发布在了美国国家科学院院刊上。

佛罗里达州立大学的教授穆尼尔·胡马云再次验证了这一课题，因为他对这一发现很感兴趣。他说作者排除了明显的污染源，这部分工作做得非常漂亮。但我们知道这种合金在地球上以合成的方式存在着，这很糟糕。他同吉兹莫多说：“无明显污染源的问题就是污染源不够明显。”

尽管如此，这篇论文也是那种让人一读起来就惊叹“哇哦”的论文之一。胡马云提出：“我们得重新查看一下以前的研究中被遗漏的地方。”这篇论文打开了通往整个领域的大门，以研究从前从未在陨石中获知的享受铟、铅、锡合金这些稀有金属。

很难说清楚这种合金在太空中是如何形成的，这些陨石碎片可能经历了很多化学催化，譬如太阳系的形成造成的重结晶，遮住这些材料初次形成时的环境，尽管这种合金在地球的室温范围内无法成为超导体，在太空中却有无数区域低于5开尔文度，是可以使它们变成超导体的环境。另外，在GRA95205陨石中的材料种类说明如果有其它极端温度，别的材料也有可能成为新的超导体。

如果这些合金有着在极寒太空变成超导体的属性，那他们也可能会影响自身周围的磁场，在地球上可以通过电子望远镜看到它们产生的电磁现象，但这些假设在试水前仍需更多的证据支持，建模和研究。

对于舒勒的团队来说，发现一种地球上已知的材料并不会让他们停止寻找新的超导体。他们会继续使用MFMMS来扫描那些可能存在新材料的样本。

作者: Ryan F. Mandelbaum

FY: ISHUCA·柳

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由中国科学家领导、中美科研团队合作首次在超导块体中发现马约拉纳任意子这一对未来量子计算机发展具有重要意义的物理研究成果，于北京时间17日凌晨获权威国际学术期刊《科学》(《Science》)在线发表。

中国科学院当天在北京举行专题新闻发布会称，中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧院士和丁洪研究员领导的联合研究团队，利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统首次在超导块体中观察到了马约拉纳零能模，即为马约拉纳任意子。该马约拉纳零能模纯净度高，能在相对更高的温度下得以实现，且材料体系简单。

据介绍，中国联合研究团队利用高鸿钧研究组自主设计、集成研制的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜-分子束外延-低能电子衍射联合系统，对美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究组提供的高质量超导块样品展开了系列探索，并与美国麻省理工学院的傅亮进行了理论合作。研究发现，在该样品的磁通涡旋中心“点”存在不随空间位置劈裂的零能束缚态，变温以及变磁场的数据最终确定位于磁通涡旋中心的束缚态即为马约拉纳任意子，并且不与其他的准粒子态混合，马约拉纳成分纯度很高。进一步实验发现该马约拉纳任意子在6T(特斯拉)以下磁场以及4K(零下269.15摄氏度)以下温度都能稳定存在。

这是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子，能在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰。同时，这也预示着在其他的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子，为马约拉纳物理研究开辟了新的方向。因此，该成果具有高纯度、高温度且结构简单的特点，更容易实现对马约拉纳任意子的编织操纵，对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。

对于首次在超导块体中发现马约拉纳任意子的研究成果，国际同行也给予高度评价。诺贝尔物理学奖得主、美国科学院院士安东尼·莱格特(Anthony James Legget)认为，这次的实验比许多以前的实验更清晰，相信它是第一个可信的证明超导体中拥有马约那纳粒子的证据。斯坦福大学讲习教授、美国科学院院士张首晟说，这项发现科学意义十分重大，大大推动了铁基超导的研究与马约拉纳费米子的研究。麻省理工学院讲习教授、美国科学院院士文小刚表示，这是一个重要的发现，使铁基超导材料有可能应用于构建对环境干扰免疫的拓扑量子计算机。

1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)预言了自旋为1/2的中性费米子，其反粒子是它本身，并认为是一种基本粒子。之后人们把这种神奇的粒子称为马约拉纳费米子，并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子，但目前尚未得到实验上的证实。近年来，理论研究表明在凝聚态物质中也可能存在遵守马约拉纳性质的准粒子，被称为“固体宇宙”中的马约拉纳费米子。更神奇的是，当一个马约拉纳费米子被束缚在一“点”上时，变成两个马约拉纳任意子，具有奇特的非阿贝尔统计，可以用来构造拓扑量子比特，应用于自容错的量子计算机。

（来源：中国新闻网）

据国外媒体报道，当地时间周四美国公布了一项计划，将致力于打造量子互联网。

美国官员和科学家表示将打造与现有互联网并行的第二互联网，使用量子力学定律安全共享信息并连接新一代计算机和传感器。

量子技术试图利用原子、光子和电子的独特特性来构建更强大的计算机和其他信息处理工具。量子互联网依赖于光子表现出的量子纠缠状态，可以让光子在没有物理连接的情况下远距离共享信息。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授、美国阿贡国家实验室资深科学家大卫·奥沙洛姆(David Awschalom)称量子互联网项目是美国量子研究计划的支柱。

据悉，美国能源部及其17个国家实验室将成为该项目的骨干。

目前还不清楚将如何资助这项工作，美国能源部并没有公布该项目的资金数额。负责科学事务的能源部副部长保罗·达巴(Paul Dabbar)表示，政府每年在量子信息技术方面投入约5亿至7亿美元，其中一部分资金将用于量子互联网建设。

▲费米实验室

费米国家加速器实验室(Fermilab)量子科学负责人潘纳约提斯·斯宾佐里斯(Panagiotis Spentzouris)在采访中说，要实施计划，需要更多资源和更清晰的项目结构。

但这份38页的文件只是列出研究重点和目标，但没有详细的任务划分。研究人员说，量子互联网的最初用户可能包括国家安全机构、金融机构和希望更安全发送数据的医疗保健公司。

斯宾佐里斯表示，最终消费者也可能会利用量子互联网。他说，消费者在进行消费和发送信息时，有可能在常规互联网和量子互联网之间无缝转换，而不一定知道自己正在切换平台。

伊利诺伊州州长J·B·普利兹克(J.B. Pritzker)和芝加哥市长洛里·莱特福特(Lori Lightfoot)都在声明中表示，期望打造量子互联网会对芝加哥市科技界产生溢出效应，从而带来潜在经济回报。

在芝加哥地区，阿贡国家实验室已经建立了一个83公里长的量子网络，不久还将连接到附近的费米实验室，建成一个长达128公里的测试平台。

在纽约，石溪大学和布鲁克海文国家实验室已经建立了另一个128公里长的量子网络。

斯宾佐里斯说，量子互联网计划是利用光纤电缆、装有量子通信硬件的卫星和无人机，在全国范围内逐步连通本地网络。但研究人员说，能够放大量子网络信号的量子中继器仍有待开发。（辰辰）

【来源：网易科技报道】

在去火星的电影任务中，到达那里很容易。马克·沃特尼（Mark Watney）没事，直到沙尘暴使他自生自灭。道格拉斯·奎伊德（Douglas Quaid）在《全面召回》中在红色星球顺风顺水，直到他在火星海关和移民处遭到抨击。但是在现实生活中，单单往返火星就将充满与极端天气或外星人无关的危险。

危险重重

一旦不在地球保护性引力和磁场的作用下，微重力和辐射就成为大问题。微重力会使头部积聚液体，这可能会导致视力问题。在行星际空间中航行的冒险家将不断被高能带电粒子击中，这些粒子正好穿过航天器的金属腹部。研究人员并不知道这种辐射有多有害，但是实验室实验表明，这种辐射可能会增加宇航员患癌症和其他疾病的风险。

任务的持续时间有其自身的危险。

打造医疗设备

“到火星的任务可能是在一个罐子中，四到六个人一起生活三年。”休斯顿的美国宇航局人类研究计划副首席科学家莱蒂西亚·维加说。

“当您考虑去火星时，月球就像是一次露营之旅。”美国宇航局休斯顿约翰逊航天中心的急诊医学医师和航空工程师埃里克·安东森说。撇开困在星际飞船内的人们之间可能会出现的社会和心理问题，三年的旅程会产生更多的生病或受伤的几率。而且，火星离地球的距离约为月球的600倍，即使是光速通信，也需要大约20分钟才能从火星到达地球。在紧急情况下打电话给休斯敦也解决不了问题。

尽管存在这些危险，美国宇航局正准备在本世纪30年代派人登上火星。考虑到这一截止日期，研究人员正在开发一套医疗设备和药物，以应对火星之旅要面临的危险。

目前，装箱单上的物品仍处于开发的早期阶段。研究人员正在设计人造重力服、抗辐射药物和微型医疗工具，科学家们希望它们能够在大约十年内准备就绪，以确保首批前往火星的旅行者安全健康。

伪装重力

当身体不必自己承受重量时，肌肉和骨骼就会减弱。在太空飞行初期，这是一个大问题。今天，国际空间站上的宇航员每天要锻炼几个小时，以保持自己的力量。但是，微重力的其他问题仍然没有解决。

在太空中，地球重力通常保持在下半身的体液向头部漂移，从而增加了颅内压。美国宇航局宇航员托马斯·马什伯恩（Thomas Marshburn）说：“如果您坐在椅子上，把头放在膝盖之间……那是什么感觉。”他在2013年完成了为期五个月的太空站工作。

研究人员怀疑，眼后不断升高的压力是造成远视力等视力问题的罪魁祸首，大约一半的宇航员在太空中发展。“我在阅读笔记本电脑上的按键时遇到了麻烦。”马什伯恩回忆道。

宇航员在锻炼

失重还会混淆内耳中的重力感应前庭器官，后者在平衡和运动控制中发挥作用。回到地球后，马什伯恩说：“到那天结束时，我可以很轻松地沿着一条直线走，但是我花了几天的时间才可以开始绕一个拐角走”。

为了确保宇航员可以直走并看到他们在火星上所做的事情，可以为飞船配备人造重力机。一种这样的机器是下体负压室或LBNP室。当一个人从腰部向下密封时，该设备向身体的下半部分施加真空压力。真空会重新产生重力的向下拉动，将人的脚牢固地放在腔室的地板上，并将体液吸引到腿部。

在一项实验中，已经植入了用于测量颅内压的医疗设备的10名志愿者他们的下半身密封在LBNP腔室内。参与者必须躺下进行实验，以使他们的颅内压更接近太空中的压力。当地球上的某人从站立到躺下时，他们的颅内压力从大约0毫米汞柱上升到大约15毫米汞柱-接近于宇航员在太空中所经历的压力。研究人员在2019年的《生理学杂志》（Journal of Physiology）中报告说，随着研究人员缓慢增加设备的真空压力，参与者的平均颅内压从15毫米汞柱降至9.4毫米汞柱。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的空间生理学家艾伦·哈根斯（Alan Hargens）说：“我们现在真的不知道需要多少时间（在LBNP中）保护身体”免受空间流体变化的有害影响。但是，如果LBNP成为日常活动的重要组成部分，Hargens的团队将建造一套原型LBNP服，可以在日常活动中穿着。这套西服由一对带内置鞋的工作服和腰部密封件组成。真空压力将穿着者拉到鞋底上。“这些下身负压装置是人工重力的一种早期形式，”哈根斯说。这样的设备可能比诸如离心机之类的替代品更容易被送入太空。

离心机通过离心力模拟重力，这种作用使水在头顶上摆动时将水保持在桶的底部。设计用来帮助宇航员进行微重力作用的离心机看起来像是旋转木马，但有床而不是小马。骑手躺在床上，头部指向旋转木马的中心，旋转后向脚施加水平离心力，该离心力与重力的向下拉力一样大。一个房间大小的离心机比LBNP套装要难得多。但是一些研究人员认为，全身离心机的经验可能可以解决LBNP不能解决的微重力问题，例如内耳问题。

为了研究离心机对感觉运动控制的影响，佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的运动控制研究人员Rachael Seidler及其同事将24名志愿者卧床60天，以模拟微重力下的生命。每天有16名参与者在离心机中旋转总共30分钟，而其他8名参与者则没有离心。卧床休息前后，测试参与者的平衡状况，并进行障碍训练。塞德勒说：“我们只是初步了解了这些数据，但“看起来人工重力确实对电机控制有所帮助”。

下体负压或LBNP

微重力的生活对于火星船员来说可能是个问题，但至少对宇航员来说是一个熟悉的挑战。另一方面，长期暴露于深空辐射是前所未有的危险。

太阳系充满了被称为银河系宇宙射线的带电粒子，它们以接近光速的速度传播。这些颗粒像金属纸一样撕破金属，可以杀死细胞或在其中的DNA中产生突变。像地球上的人一样，空间站上的宇航员在很大程度上受到地球磁场的保护，免受这些微小的破坏球的伤害。但是，火星上空的机组人员将完全暴露。在前往“红色星球”的途中，预计宇航员每天将接受近两毫放射线的辐射-大约等于每六天进行一次全身CT扫描。

唯一一个完全沉入深空辐射的人是登月的人，但暴露时间不足两周。休斯敦贝勒医学院的太空医学研究员伊曼纽尔·厄基耶塔（Emmanuel Urquieta）说：“在执行火星任务时，“我们真的不确切地知道人类受到这些类型的暴露后会发生什么”。但是从实验室动物和细胞实验来看，这种辐射不会给宇航员任何超能力。

根据《自然评论心脏病学》（Nature Reviews Cardiology） 2018年的一份报告，在对动物和人体组织的测试中，旨在模拟太空辐射的粒子束会降解心脏和血管组织，这表明火星船员患心血管疾病的风险可能更高。同样，研究人员在2019年5月生命科学在太空研究中发表的一篇评论文章中报道说，对啮齿动物接触辐射的观察表明，空间辐射会损害认知功能。

纽约州厄普顿市布鲁克海文国家实验室的研究员彼得·吉达说：“在肺，肝和脑中，还有大量关于辐射诱发癌症的能力的数据”，他研究了辐射的生物学效应。

在实验室动物或细胞培养物中看到的可怕的辐射效应应与一粒盐一起服用。老鼠不是人，盘子里的脑细胞不能造脑。而且，动物和细胞通常在单个疗程或数周或数月的一系列辐射暴露中获得整个火星任务级辐射剂量，这与获得恒定的低水平辐射不同。但是这些实验的警告信号令人担忧，研究人员正在测试各种抗辐射药物。

Guida说：“对策开发的最大和最有希望的领域是抗氧化剂。” 高能带电粒子会通过将体内的水分子分裂成有毒的化合物（称为活性氧）而造成损害。用抗氧化剂灌注身体可以帮助中和一些活性氧，并抑制其作用。选项包括维生素A和E，以及硒代蛋氨酸，硒代蛋氨酸是某些膳食补充剂中的一种成分。他说：“所有这些都显示出不同程度的减少辐射的负面影响的能力。”

蒂比斯甚至利用浆果的天然抗氧化能力也可能有所帮助。在一个实验中，喂食了用蓝莓干粉冷冻干燥的食物的老鼠暴露于高能带电粒子后，在记忆力测试中表现四个星期似乎比喂食普通食物的老鼠稍好一些。在测试中，给老鼠显示了两个物体：一个在辐射暴露之前见过，另一个没有。蓝莓喂养的老鼠花费了将近70％的时间来探索新物体，这是识别旧物体的动物所期望的。研究人员在2017年《生命科学研究》杂志上报道说，但其他老鼠花了大约一半的时间探索每个物体，这表明他们忘记了之前见过的物体。

阿肯色大学医学院的放射生物学家Marjan Boerma说，单靠抗氧化剂可能还不够。Boerma及其同事正在测试阿司匹林和其他抗炎药（包括一种称为γ-生育三烯酚的维生素E）是否可以帮助减少高能粒子对细胞的损害。可能需要混合药品，或者可能需要精心混合的冰沙。她说，科学家们还远远没有敲定这种抗辐射疗法的确切成分。

治愈自己

改变人工重力并吞下抗氧化剂可能成为宇航员日常工作的一部分。但是，火星的访客还必须在没有任务控制的情况下处理任何意外的疾病和伤害，以便在紧急情况下与他们交谈。

火星船员可能包括一名医生。Urquieta说：“但是那个人也可能会生病，而且该医师将不会获得10个不同专业的董事会认证。” 理想情况下，火星飞船将配备人工智能，该人工智能可以考虑宇航员的症状，推荐医学检查，进行诊断并分配治疗方法。但可靠的“博士 AI”离现实还遥不可及。

目前，最复杂的症状检查器是VisualDx之类的工具，这是医院和诊所的医护人员使用的诊断软件。用户回答有关患者的问题，例如症状和人口统计特征，以明确可能的诊断。对于皮肤状况，VisualDx还可以分析患者皮肤的照片。现在正在扩展它，以帮助用户评估超声扫描。

新型便携式超声波机器

VisualDx的皮肤科医生兼首席执行官Art Papier及其同事设计了该系统的一个版本，该版本可在深层空间中使用，该版本可在没有互联网的笔记本电脑上工作。该软件不必考虑所有可能的诊断，例如热带地区的传染病。取而代之的是，重点放在宇航员极有可能发展的医疗状况上，例如皮疹或肾结石。

为了帮助步行的宇航员完成急救和医学检查，休斯敦KBR公司的太空生理学家和太空医学科学家道格拉斯·埃伯特（Douglas Ebert）及其同事正在开发一种称为自动医疗官员支持（AMOS）系统的工具。该软件的早期版本使用图片和视频来教新手如何进行眼科检查，例如或插入呼吸管。

研究人员与大约30位非医师一起测试了AMOS原型，他们学习了如何执行几种医疗程序。这些人在三到九个月后回来，再次进行程序，必要时使用该软件进行指导，以模仿宇航员在紧急情况下如何使用AMOS进行飞行前训练和即时支持。

大约80％的参与者正确地进行了眼科检查和超声检查，大约70％的参与者正确地插入了IV。当涉及到更艰巨的任务时（插入呼吸管），只有大约一半将其拔掉，埃伯特和他的同事在一月份在德克萨斯州加尔维斯顿举行的美国宇航局人类研究计划研究人员研讨会上报告。4月，在没有地面控制的帮助下，空间站上的宇航员成功使用该软件执行了肾脏和膀胱超声扫描。

在进行医学检查时，宇航员将不会拥有星际飞船Enterprise的病床。他们将需要适合航天器的微型医疗设备。

对于医学成像，太空医学研究人员将目光投向了一种新型的超声波设备，称为Butterfly iQ，该设备用一个电动剃刀大小的单个探头替代了通常需要对不同身体部位成像的各种换能器。标准超声机械的重量是Butterfly iQ的15倍左右，后者在移动应用程序上显示图像。

离心机

1Drop Diagnostics公司正在开发信用卡大小的芯片，以检测手指刺血样品中不同疾病的化学标记，该公司正在为宇航员进行便携式血液测试。

宇航员用来相互修补的医疗套件必须轻巧紧凑。为了确定宇宙飞船急救箱中的物品，研究人员使用了NASA的“综合医学模型”，该模型可以预测执行特定任务的宇航员最有可能遇到哪些健康问题。

研究人员插入了任务的详细信息，例如机组人员的去向以及宇航员的性别和既存条件。然后，该模型运行数千次任务模拟，以评估该特定机组人员从便秘到心脏病发作的风险，以便计划人员可以优先考虑医疗用品的供应。

Ebert和同事已经使用此系统为NASA计划在2022年进行的乘员登月飞行任务建立了初步的急救装箱单。对于这三周的旅程，急救箱非常简单：用于治疗背痛，运动的药物疾病之类的。

埃伯特说，为火星打包将是一个全新的球类游戏。但是研究人员至少还有十年的时间来缩小其设备的尺寸，并弄清楚什么医疗用品组合将使火星宇航员有最好的机会生存史诗般的航程。