激光自从诞生以来，就被科学家广泛用在自己的研究领域中，无论是化学领域，还是物理生物领域，激光这一“神奇的光”不断的让科学家惊喜，不仅将困扰科学家多年的研究难题解决，还不停地创造了新的奇迹。今天，光粒网小编将盘点7月份，科学家们利用激光作为研究工具而所获得的重大发现。

    瑞士利用激光技术快速测出细菌对抗生素的反应

    瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员将纳米力学传感器与激光技术结合，造出了一种火柴盒大小的设备，能在几分钟内测出细菌对抗生素的反应，从而找出有效的疗法，而不必再花几个星期。相关论文发表在最近出版的《自然·纳米技术上》。

    药物滥用增加了耐多种抗生素细菌的数量，如果有一种工具能快速探测并识别出细菌对抗生素的反应，是非常有用的。而现有方法要几周甚至一个月，医生需要培养细菌然后观察它们的生长，比如肺结核甚至要花一个月，才能确定某种抗生素对它是否有效。而研究小组结合了激光与纳米技术，将这一过程的时间减少到几分钟。

    细菌的活动会在纳米尺度造成振动，但这些生命特征的信号很难觉察，而新检测设备能将细菌新陈代谢的显微运动转化为容易看见的电信号。该设备有一个极小的振动杠杆，只比头发丝略粗，探测到细菌的代谢活动时，杠杆就会以细菌代谢活动的频率振动，以此能确定有没有某种细菌。这种振动是纳米级的，为了检测这种振动，研究人员发射一束激光到杠杆上，激光会反射回来，信号被转换为电流信号。医生和研究人员就能像读“心电图”一样，根据读取的电流信号做出分析解释。如果电流信号是平直的，就说明细菌已经全死了。

    有了这种方法，医生能轻松快速地确定某种细菌是否已被抗生素有效地“制伏”，这对那些耐药性的菌种尤其关键，在医疗阶段和化疗测试中都很有用。EPFL研究人员乔瓦尼·迪特尔说：“这种方法快速而准确。不仅能帮医生确定所用抗生素的适当剂量，还能帮研究人员找到最有效的方法。”

    目前该测试工具已经缩小到仅火柴盒大小。“如果把它与压电设备结合而不是激光，还能进一步缩小到微芯片大小。”迪特尔说，这样结合起来能在几分钟内测试出一系列抗生素治疗某种细菌的效果。

    研究人员还评估了新工具在肿瘤学领域的应用，有望用于检查肿瘤细胞在抗癌药物作用下的新陈代谢，评价某种抗癌疗法的效果。

    波士顿大学利用激光开发出单像素太赫兹成像新方法

    与电磁频谱中其它频段不同，操纵太赫兹波用于捕获光波可在其内部相互作用的物体或材料的图像，是极其困难的。波士顿大学物理学教授Willie J. Padilla说，现有的大多数太赫兹成像设备都采用非常昂贵的技术，或者需要数小时和繁重的手动控制，才能产生一个可用的图像。

    为了开发出方便且有效的太赫兹成像技术，Padilla及其同事使用光学和电子控制，发明了一种单像素成像技术，使用编码孔径快速且高效地操纵太赫兹波。研究结果发表在《光学快报》杂志（doi: 10.1364/OE.21.012507）上。

    在所谓的太赫兹频带内，传统的电子传感器和半导体设备都是无效的。某些系统仅可以捕获场景中的一小部分，因此，调谐这些太赫兹波几乎是无效的。这就激起了人们寻找可以操纵太赫兹波的新型成像技术的热情。

    克服机械学方面的挑战后，成本和图像清晰度被视作努力驯服太赫兹频带的关键步骤，因为实现对这一频段的成像和传感有可能促进化学指纹图谱、皮肤实时成像（可用于简单的皮肤癌检测）、隐藏武器的安全成像等领域的发展。这一挑战的核心是开发出一种可以产生高效掩膜（类似相机的光圈）的技术，具备调谐太赫兹辐射以便在短短几秒钟内产生清晰图像的能力。

图：波士顿大学研究人员开发的单像素太赫兹成像新方法，采用一束激光来操控太赫兹波产生新型的太赫兹图像。(a)成像过程中，太赫兹波穿过物体；(b)接着，轰击硅半导体，产生有关如何对图像进行采样的特定指令；(c)然后，数据继续传递，以在短短几秒内数字重建原始物体的图像。（波士顿大学Claire M. Watts供图）

    按照Padilla和研究生David Shrekenhamer和Claire M. Watts的描述，Padilla方法的核心是 “编码孔径复用技术”，该技术使用激光束和电子信号向半导体发送一组指令，这样，太赫兹波穿过物体之后，半导体就可以引导物体图像的再现。

    数字微镜装置使用指令对激光束进行编码，引导硅掩膜的某些部分发生反应，并允许选定的太赫兹波样本自由穿过，且与图像图案保持一致。研究人员说，光学指令和半导体反应的组合可以形成太赫兹空间光调制器。宽带采样的太赫兹波穿过物体之后，调制器可以起到传统相机中光圈的作用，引导物体完整图像的数字重建，物体的完整图像则来源于穿过物体的宽采样太赫兹波。

    研究人员说，这种方法可以产生不同分辨率（63~1023像素）的掩膜，图像采集速度高达0.5 Hz或约2 s。研究结果已经证实使用配备单像素探测器的光控空间光调制器获取实时、高保真太赫兹图像的可行性。

    Padilla说：“实验室中正在做进一步的研究，以优化太赫兹波的控制，包括使用带复杂图案的超材料操纵太赫兹波以更快、更高效地生成图像。”

    科学家利用激光首次成功测得太阳能电池缺陷

    慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-Universität München，LMU）Bert Nickel博士带领的研究团队近期研发出一种新型手段，用以探测太阳能电池的材料缺陷。该小组首次利用激光对材料进行局域激发，成功实现了有机薄膜太阳能电池活性层（active layer）的功能表征。

科学家利用激光首次成功测得太阳能电池缺陷

    太阳能电池利用光子激发活性层中的分子，并产生电子-空穴对，最终实现光-电转换。这些光生载流子会被集电极吸收，所需时间则取决于活性层的细微结构。若局部区域存在缺陷，原子的规则排列被破坏，便形成一个局部载流子陷阱，从而减小光电流。

    研究报告的主要作者Christian Westermeier介绍：“我们利用激光对材料进行光栅扫描，并以旋转式衰减器等各类装置调制聚焦光束，从而直接映射出有机薄膜中缺陷的空间分布。这是前人从未做过的工作，也是本研究的一项重大的突破。”

    通过LMU研发的新型成像手段，研究人员可以利用激光来探测局部缺陷对电流的影响。相关研究成果已发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。

    法国科学家首次利用三束激光直接测量范德华力

    法国国家科学研究中心的研究人员在最新一期《物理评论快报》上撰文指出，他们首次直接对两个原子间的范德华力进行了测量，另外，测量中使用的技术也可用于制造在量子计算机中非常有用的量子逻辑门。

    范德华力是中性原子之间通过瞬间静电相互作用产生的弱作用力，以其发现者荷兰物理学家约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯的名字命名。很多物质的“一举一动”都与这种力有关：正是这种力让大多数气体分子簇拥在一起；也是这种力让壁虎的脚趾头紧紧贴在光滑的墙壁上。但是，只有当原子紧紧“依偎”在一起时，这种弱作用力才明显，所以，科学家们迄今没有直接测量到这种作用力。

    现在，法国科学家使用两束激光让一对原子紧紧“依偎”在一起，并用第三束激光测量了它们之间的范德华力。

    在最新实验中，科学家们选择里德伯原子——一个价电子被激发到高量子态的高激发原子作为他们实验的一部分。里德伯原子很大，而且，其中的一个电子处于高带电状态；另外，这种原子之间的力比很多其他原子对之间的力都要强，也正因如此，可以在更远的距离内测量这种力，这就使得里德伯原子成为测量范德华力的理想选择。

    研究人员首先朝一对里德伯原子发射两束激光，使它们紧贴在一起，随后，朝这两个原子发射第三束激光使其以特定的频率振荡，通过测量这一振荡，他们可以利用数学方法计算出这两个原子间的范德华力。

    而且，科学家们通过测量基态和激发态之间的振荡发现：两个原子之间的距离对于测量范德华力非常重要。如果距离太近，其中一个原子的激发态会打垮另一个原子的激发态；如果距离太远，两个原子之间的作用力会变得太弱而无法测量。因此，科学家们使用第三束激光作为光学镊子，将两个原子之间的距离调整至最适合测量的距离。

    该研究团队也强调称，用来测量范德华力的技术也能使正在振荡的原子演变到一种完全相干的状态，这意味着这一技术有望被用来制造在量子计算机内非常有用的量子逻辑门。

    拍瓦激光器助美科学家成功将电子加速到2GeV

    激光—等离子体加速的想法，于上世纪70年代末，由德克萨斯大学奥斯汀分校物理学家Toshiki Tajima和加州大学洛杉矶分校物理学家John Dawson共同提出。从上世纪90年代开始，科学家一直尝试在实验上验证这一概念，但是受到激光器功率的限制，最大能量多年来一直徘徊在1 GeV左右。

    近期，德克萨斯大学奥斯汀分校Mike Downer教授的研究小组成功地在1英寸的距离内将约5亿个电子加速到2 GeV。研究结果发表在《自然•通讯》杂志（Nat. Commun. 4, 1988）上。

    Downer说：“到目前为止，将电子加速到2 GeV这一级别的能量需要长度超过2个足球场的传统加速器，而我们实验中所用的设备尺寸缩减了近10,000倍。2GeV加速器产生的电子可以转换成‘硬’X射线，亮度比肩大型装置产生的X射线。对实验条件进一步优化后，我们甚至可以驱动X射线自由电子激光器——目前可用的最亮X射线源。”

图1：德克萨斯大学奥斯汀分校的台式实验装置。

    台式X射线激光将为化学家和生物学家带来巨大变革：他们可以使用这种高亮度的X射线在原子精度和飞秒时间分辨率上研究物质和生命的分子基础，而无需使用大型的国家装置。

    Downer说：“我们能够产生的这种X射线具有飞秒量级的脉宽，分子振动和最快的化学反应就发生在这个时间尺度上。例如，这种X射线具有足够高的能力和亮度，使我们能够看见活体样本中单个蛋白质分子的原子结构。”

    Downer和他的同事利用激光—等离子体加速产生能量高到足以产生X射线的电子；该方法使用超短超强激光脉冲轰击气体云团，使其电离形成等离子体。Downer说：“该方法还能够记录自身内部结构。首先，将电子从背景离子中分离出来，并创建巨大的内部空间电荷场。接着，带电粒子从等离子体中溢出，被空间电荷场俘获，以接近光速的速度沿激光脉冲前进方向移动，并在空间电荷场中获得加速。”

    该研究小组在实验中使用了Texas拍瓦激光器，因而他们所使用的气体密度远远低于前期实验中的气体密度。Downer说：“气体密度越低，激光脉冲传输速度越快。但是，就前几代激光器而言，如果气体密度过低，就没有足够的电子注入到加速器中，因而什么也得不到。”

图2：真空腔室的内部布局：激光束从右侧射入；气体喷嘴放置腔室中心位置，其内部发生电子加速。实际加速距离大约为1英寸。

    Downer说：“现在，2GeV加速器的可操作行已经得到了证实，预计未来几年内将研发出10GeV加速器，可用于做生物学家和化学家所期望的X射线分析。我认为，实现10GeV电子产生无需重大突破。如果我们能够保证未来几年的研究经费到位的话，所有这一切都可以发生。现在，市场上已经开始销售商用拍瓦激光器。只要我们能够做的更好，生产商就将可以开发出10GeV加速器模块。然后，化学家和生物学家等终端用户就可以获得更多的创新和发现。我还相信，未来十年内就可以研发出类似规模（几厘米长）的20GeV加速器。”

    阿尔卡特朗讯借激光器刷新跨洋海缆单光纤数据传输纪录

    阿尔卡特朗讯日前宣布创造了跨洋海缆单光纤数据传输的新纪录。

    在位于巴黎附近维亚索的阿尔卡特朗讯创新城园区所进行的测试中，贝尔实验室研究人员在7, 200公里的距离上成功实现了31Tbps的数据传输速率，这是现有最先进海缆传输能力的三倍。本次测试网络跨度（span）为100公里，网络跨度是指在整个传输距离中放大器之间的恒持距离。

    研究人员在本次测试中实现了迄今为止单光纤海缆数据传输的最高速率。试验采用了贝尔实验室开创性的200Gbps单载波数据通道。在这样的速度和距离上，信号失真与噪音令数据恢复变得非常困难。为应对这一挑战，贝尔实验室研究人员在本次测试中采用了创新的检测技术与一系列其它技术，包括调制、传输以及采用了高级纠错编码技术的信号处理系统。

    本次试验采用155个激光器，各激光器分别在不同的频率上运行，通过50 GHz频率栅格实现200 Gbit/s的数据传输，以大幅增强现有波分复用（WDM）系统的性能，这些系统目前可实现的最高容量为100G。

    本月初，本次试验的详细结果被OECC以Post Deadline Paper（PDP)方式发表在2013年在日本举行的亚太光电子通信大会（OECC）上。15年来，阿尔卡特朗讯的突破性创新达24项之多，包括密集波分复用系统（DWDM）、非零色散光纤与单载波相干检测，均引领着长距离数据传输技术的发展，而本次试验所创立的新纪录只是其中最新的一项突破。

    阿尔卡特朗讯首席战略与创新官Philippe Keryer表示：“海底光缆肩负着在各个国家、地区与大洲之间大量传输视频与数据的重任，与数字经济密不可分。客户对网络数据容量以及更高传输速度需求日益迫切。正如本次实验一样，阿尔卡特朗讯的研究人员不断加强试验，以开发新的技术解决方案，加快全球数据网络发展。这也再次印证了我们近期所公布的‘转型方略’中的核心研发方针。”

    美研究人员借用激光成功在小鼠大脑植入虚假记忆

    如果有一天你发现脑海中那些有趣、幸福或恐怖事，都是别人编造植入，不要惊讶，这并非天方夜谭。美国一研究团队25日宣布，他们已成功给小鼠的大脑植入虚假记忆，从实验上证实了人为改造记忆的可能性。

    植入记忆的难点有两个：首先，准确地找到只和某一个特定记忆有关的脑细胞；其次，在时间和空间上精确地激活这些细胞，从而重现这段记忆。一年前，美国麻省理工学院脑与认知科学系利根川进教授所在实验室研究人员在《自然》杂志上发表文章，介绍了他们如何通过光遗传学手段标记并激活与一个特定记忆相关的脑细胞，从而人为激活某个记忆过程。现在，该实验室利用类似的方法，给小鼠的大脑添加从未真实发生过的记忆。

    研究人员当天在《科学》杂志上报告说，他们首先将小鼠放在一个特定的环境A中，标记和环境A记忆有关的脑细胞，并使得这些细胞对光敏感。然后将小鼠放在一个完全不同的环境B中，并将激光通过光导纤维传入大脑，激活这些标记的细胞，从而唤起环境A的记忆。正当小鼠身处环境B，回忆环境A时，他们给予轻微的电击，于是小鼠错误地认为它是在环境A中受电击。当把小鼠放回环境A时，它们会因为这个虚假记忆而对环境A产生恐惧。

    简而言之，研究人员人为激活小鼠大脑中一个特定记忆，并同时给予新刺激，使两者联系在一起转化成一个新记忆，但这个记忆的内容在现实中从未真正发生，是一个虚假的记忆。

    “我们的研究从实验上证明了人为改造记忆的可能性。”研究报告共同第一作者刘旭对新华社记者说。他指出，这是第一次形成一个独立的虚假记忆。以前有过类似的研究，但无法产生一个探测得到的虚假记忆，而只是一个与真实记忆融合在一起，无法区分的混合记忆。

    这一研究对记忆的理论研究和实际应用方面都有潜在影响。理论方面，研究人员将能以前所未有的程度从细胞水平剖析记忆机理。刘旭说：“与以前将大脑当作黑箱，由外而内的研究相比，我们的方法可以说是突破性的由内而外地研究大脑和记忆的机制。”在实际应用方面，这一研究可帮助阐明人类错误和虚假记忆的机理，比如目击证人由于虚假记忆造成的错误口供等。

    “人的记忆并不像一张照片，一旦形成就不会改变，”刘旭说，“相反，我们的记忆会不断地随着我们的回忆过程而改变和扭曲。但我们很少会有意识地怀疑记忆的准确性，因为对于我们个人而言，在没有外在固定参照的情况下，我们的记忆就是唯一的事实，因此我们有可能会产生并坚持一些错误的记忆。俗话说"好记性不如烂笔头"，说的就是这个道理。”

    刘旭说，他们下一步计划通过选择性地标记并关闭与某一个记忆有关的细胞，研究是否可弱化甚至抹除记忆。

    德国研究员利用激光成功让光停留60秒

    德国达姆施塔特大学研究人员成功地让光停住并储存了60秒。在发表于美国《物理评论通讯》周刊上的研究报告中，研究人员介绍了他们的技术及其未来可能的应用。

    1999年，一组研究人员曾让光速降至每秒仅17米。2001年，另一组研究人员设法让光停住，但仅仅停留了几分之一秒。几个月后，另一组研究人员将光停留的时间延长到16秒。而这一次，德国研究人员让光停留了整整一分钟。

    将光拦截、储存再释放是研制量子中继器的重要步骤。量子中继器是未来的量子计算机的重要组成部分。携带数据的光必须被储存一定的时间，然后再根据其携带的数据被传输给目的地。为拦截和储存光，研究人员首先要使用一个通常完全不能传输光的晶体。然后使其降至非常低的温度，再用一束激光照射使其形成量子叠加，使一定波段的光能够通过。接着，他们让另一束激光通过现在已经透明的晶体，同时使晶体失去透明性，从而拦截晶体内部的激光。研究人员发现，他们能让光在晶体内部停留60秒。运用同样的技术，研究人员能让某一特定类型的光停留60秒。这就好比让一束光从一扇门进入暗室，然后关上门，一分钟后打开对面的一扇门，让光出去。

    研究人员说，他们的研究发现表明，使用其他晶体也许可以延长光停留的时间。要使他们的技术运用到现实世界中的计算机上，研究人员还需找到一种在室温下储存和传输光的方法。

    X射线激光器助美发现磁铁矿电子开关速度可达万亿分之一秒

   美国科学家表示，他们发现普通磁铁矿内的电子开关一次仅需万亿分之一秒，这一速度或许创下了新高。发表在今天出版的《自然·材料学》杂志的最新研究将有助于科学家们研制出更“迷你”的晶体管，最终制造出速度更快、功能更强的计算设备。

    美国能源部利用斯坦福直线加速器中心（SLAC）的线性加速器相干光源（LCLS）X射线激光器发现，磁铁矿样本中的电子开关一次仅需万亿分之一秒，其速度是现在使用的晶体管的数千倍。该研究的领导者、SLAC兼斯坦福大学的材料学教授如帕里·库克瑞嘉表示：“最新研究首次揭示了这种材料中电子开关的‘速度极限’。”

    在实验中，科学家们先用一台可见光激光器朝样本发射激光，紧接着，再朝样本发射了另一束超亮、超短的X射线脉冲，这就使他们首次研究到样本受到第一束激光的撞击后发生变化的时机和具体细节。另外，通过对X射线脉冲的发射间隔进行微调，他们精确测量出了这种材料从不导电状态变到导电状态所需要的时间，并观察到了转变过程中材料结构的变化。

    科学家们发现，当第一束激光脉冲射到该样本后，会有一些导电的区域形成，随后，样本内的电子结构在原子尺度上会变成碎片，重组成“岛”，由导电的区域所环绕，这些导电和不导电的状态也可以和平共处，成为下一代晶体管内的电子通路。

    几十年来，科学家们一直希望能在原子层面厘清这种电子结构。去年，另一个研究团队已经发现，其由三个铁原子组成。库克瑞嘉表示，这种磁铁矿必须被冷却到零下190摄氏度才能将其电荷锁定在合适的位置，因此，他们计划接下来研究更复杂的结构以及其在室温下的用途。未来的任务是，找出一些奇特的化合物并用新技术诱导其内电子的开关，找出其比硅半导体更优异的性能。

    另一名研究员赫尔曼·杜尔表示，现在全球有很多科学家正在进行试验，希望超越现在使用的半导体硅技术，使用新材料制造出更小更快的计算机，LCLS的独特之处在于，它能够追踪万亿分之一秒内发生在原子尺度的一些过程。