電子發燒友網訊：一個優秀的技術工程師不可能只是沉浸于一個狹小的技術領域中閉門造車，足夠優秀的工程師總是能在工程設計中運用發散思維整合各種最新科技或前沿技術，打開創意產品設計之門，為通往優秀工程師之路上積聚點滴技術精華而添磚加瓦。為供電子發燒友網工程師讀者參考之需，電子發燒友網整合了令人拍案叫絕的《絕對新科技！最熱前沿技術精彩賞析》系列絕對新科技文章，后期還將陸續推出其他相關系列，敬請留意。

一、超級DNA硬盤：1立方毫米可存儲704TB數據

早期的研究已經可以把DNA做成電路或小工廠，但從沒見過將DNA當做存儲介質的。哈佛大學的研究人員卻將這一夢想變成了現實。

這個由喬治·切齊（George Church）、瑟里拉姆·庫蘇里（Sriram Kosuri）和高原（Yuan Gao，音譯）領導的團隊可以將96比特數據存儲到DNA鏈中。具體方法則是為腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分別賦予二進制值，隨后通過微流體芯片對 基因序列進行合成，從而使該序列的位置與相關數據集相匹配。

這項技術表面看起來似乎沒有什么了不起，但用微觀物質存儲宏觀數據卻會達到意想不到的效果：1立方毫米即可存儲704TB的數據，相當于數百個硬盤的 容量。雖然這一成果令人振奮，但流程還很緩慢，因此不能存儲對時效性要求較高的數據。另外，DNA中的細胞可能會破壞DNA鏈，所以不適合數據傳輸。

但無論如何，如此大的數據密度還是有望備份全人類的知識。不過，多數人的想法可能更加實際——什么時候能用可以承受的價格買到一塊有機硬盤？

二、 美工程師打造氚電池，可持續20年微供電

一家總部位于美國邁阿密的公司City Labs最近取得了制造、銷售其NanoTritium系列betavoltaic電源產品的官方許可；該產品內含少量放射性同位素 ── 氚 （tritium），這種元素常在出口標示或是潛水表中。

City Labs所取得的產品銷售許可，讓終端使用者能取得安全可靠的betavoltaic電源產品，免除了官方文件往來、以及對使用者進行放射性物質知識訓練的麻煩。此外，這類已取得許可產品的購買者也不用事先取得放射性物質使用執照。

據了解，City Labs的12.3年半衰期（half life）氚放射性同位素電池，具備很長的續航力；在第一個12年的使用周期內，只會消耗一半的電池電力。無論在任何溫度或環境因素下，該種電池會持續性的發射出低功率的電子，這與傳統的電池大不相同，后者是依賴壽命短暫的化學反應來產生電子并提供電力。

City Labs是在2005年4月由邁阿密的兩位企業家Peter Cabauy與Denset Serralta所創立，他們率領了一個由來自國家實驗室、各大學的科學家與工程師組成的團隊，創造了第一款可商用的氚電池；該NanoTritium系列電池是在2008年完成開發，鎖定強化加密安全性的國防系統存儲器備用電源應用。

而現在氚betavoltaic電池的應用，開始拓展到國防以外的領域，包括居家保全、醫療以及其他工業工程應用；該種電源可為不易或無法更換電池、或是電池壽命至關重要的低功率微電子裝置與傳感器提供電力。City Labs型號P100a的氚betavoltaic電源，號稱可為微電子平臺提供至少20年的持續性納瓦（nanoWatt）電力。

City Labs 表示已委請國防承包業者Lockheed Martin測試該公司的電池產品，確認該產品的運作可符合規格，并能耐受極端溫度（-50°C ~ +150°C）以及震動、高度等惡劣環境條件。該公司在2011年完成首輪募資，并曾取得美國空軍的百萬美元合約。

三、 IBM發現半導體電子自旋螺旋，將改變存儲技術現狀

位于蘇黎世（Zurich）的IBM研究中心（IBM Research）與瑞士聯邦理工學院（ETH）研究人員宣布，觀察到了半導體中的持續性電子自旋螺旋（persistent spin helix），此結果可能對未來信息的存儲與處理技術帶來沖擊。

IBM表示，該研究團隊觀察到了半導體內同步移動了數十微米（micrometer）的電子自旋，而且這些電子同步移動的模式很類似跳華爾滋的一對舞者。此外研究人員也發現，當同步化的電子從半導體晶格通過，能將電子自旋協調的周期延長至30~1.1納秒（nanosecond）。這樣的結果意味著可利用電子自旋取代電荷做為資料儲存與處理的基礎，如此就可克服芯片體積縮小所帶來的極限。

蘇黎世IBM研究中心的納米系統研究團隊物理學家Gian Salis表示：“舉例來說，就算一開始所有的電子對都是由面朝北方的“女舞者”開始移動，過了一會兒之后，所有旋轉的電子對都會被導往不同的方向。我們現在能鎖定那些“舞者”旋轉的速度以及移動的方向，如此就能透過完美的“編舞”，讓某個特定區域的“女舞者”面朝同樣的方向。”

這種控制以及操縱、觀察電子自旋的能力，是未來開發以自旋為基礎、可利用電氣編程的晶體管之重要步驟。而鎖定電子自旋的概念早在2003年就被提出，自從那時候開始，有一些實驗也曾發現可進行該種鎖定的跡象，但迄今一直都沒有被直接觀察到。研究團隊是利用自旋軌道的交互作用來取得同步化，并以短雷射脈沖來監測數千個電子自旋。

通常這類電子自旋的旋轉都是隨機的、而且方向性松散，科學家現在則能觀察到那些自旋是如何巧妙排列成一種規律的條紋狀（stripe-like）圖案，也就是所謂的持續性電子自旋螺旋。以上實驗是利用ETH所提供，經過精密設計的超純凈砷化鎵 （gallium arsenide）來進行。

不過要想將自旋電子研究成果商業化，還有非常多障礙需要克服；其中一個就是自旋電子研究通常需要在低溫之下進行，好將電子自旋與周遭環境之間的交互作用降到最低。IBM研究人員的實驗就是在凱式溫度40度（Kelvin，攝氏零下233度）進行；這項實驗成果論文（Direct mapping of the formation of a persistent spin helix）發表在8月號Nature Physics期刊。

四、取代電子電路！世界最小半導體激光器誕生

電子發燒友網訊：德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家們說，他們與***和中國的同事們共同研究開發出了世界上最小的半導體激光器。

調查報告說，這項研究是光子技術從計算機到醫學的應用上的一個突破！

“我們已經開發出一種在低于3D衍射極限下運行得很好的納米激光器設備，” 一位來自德克薩斯大學的物理學教授Chih-Kang “Ken” Shih在一則聲明中說，“我們相信我們的研究會對納米科技產生很大的影響。”

Shih和他的同事們在本周的《科學》雜志上首次報道了低于3-D衍射極限的連續波。當發射的時候，納米激光器會發出綠色的光，激光太細了以至于裸眼都無法看到。

研究人員說，對于快速、小型、低能量的量子科技來說，小型化的半導體激光器是關鍵。比如超高速計算機芯片，用來探測、處理和研究疾病的高度靈敏的生物傳感器，還有下一代通信技術。這樣的光子設備能利用納米激光器來產生光學信號和傳輸信息，并且有可能會取代電子電路。但是，研究人員表示，目前光子設備的尺寸和性能暫時不對外公開的。

物理系研究生夏洛特·桑德斯（Charlotte Sanders）與Ken Shih教授的研究幫助開發出世界上最小的納米激光器。

（照片來源于：Alex Wang，德克薩斯大學奧斯汀分校）

研究人員稱，這種新器件是由參雜了氮化銦鎵的氮化鎵異質納米棒構成的。這兩種合金是普遍用于LED的半導體。納米棒被安置在一層原子級薄的硅絕緣層銀膜頂層，研究人員說。

根據德克薩斯大學發出的一份聲明，Shih的實驗室已經開發出超過15種新的材料。原子平滑是一致的，開發光子設備，不會散開也不會失去等離子體，這些電子波被用來移動大量的數據的電子波。

Shih說，對于低損耗數據的應用來說，原子級光滑的表面電漿結構能夠滿足其新器件要求。

對于發展完全片上通信系統的芯片來說，納米激光器被看作是一很重要的組成部分。它將能夠阻止熱量積聚和在多個芯片間傳遞數據時信息的損失。

“電子和光子之間的大小不匹配一直是實現芯片上的光通信和計算系統最大的障礙。” ***清華大學教授、前Shih的博士生Shangjr Gwo說。

五、 上海理工大學發現逆多普勒效應，或催生隱形斗篷

隱形斗篷這一科幻技術未來將可能成為現實，宇宙大爆炸和中宇宙膨脹現象有可能得到顛覆性的解讀。上海理工大學光學工程學科團隊首次在負折射光子晶體中觀察到了光波波段逆多普勒頻移的物理現象，并在最新出版的《自然· 光子學》上刊出該研究成果。這是世界上首次在光學領域證實多普勒效應的逆轉，將在天文學、醫 學、微電子工業等方面得到應用。

多普勒效應是指當觀察者和光波源之間存在著相對移動時，光波的頻率會發生改變的現象。當物體光源和觀察者距離不斷靠近時，光頻率增高顏色變藍，反之則變紅。而多普勒效應逆轉則說明當光源和觀察者距離不斷靠近時，光頻率不增高反而降低，光頻率從藍色波長減小至紅色波長。

這一效應最早由前蘇聯物理學家在1968年作出理論預言，但一直未得到實驗證實。上海理工大學上海市現代光學重點實驗室在莊松林院士領導參與下，由陳家璧教授率領的科研組成功逆轉了這種在自然條件下無法發生的效應。

研究人員通過用硅研制出一種人造納米結構的晶體——被稱為“光子晶體”的物質來實現負折射率。通過向這個獨特的光子晶體“超級棱鏡”發射激光束，并且改 變“超級棱鏡”與探測器間的距離，成功創造了多普勒效應逆轉現象。同時，該實驗最終得到的光子晶體折射棱鏡，其微米量級刻蝕深寬比達到了25∶1，這意味 著將1億根直徑為頭發絲三十五分之一、長度50微米的硅介質圓柱整齊排列，刻劃在硅片上。

逆多普勒效應將推動如隱形斗篷等科幻技術未來的發展，其成為現實的速度可能會超過大部分人的想象。

六、 美科學家創造由超流態原子循環構成的原子電路

根據美國國家技術與標準研究院（NIST）的研究結果，圍繞環形軌道運行的超低溫原子證實了超流體（超導的原子形態）有潛力賦予用于高精確度陀螺儀的傳感器跟蹤旋轉運動的能力。

當氣體溫度接近絕對零度時，便會凝結為超流體，可以像永動機一樣旋轉流動，類似SQUID（超導量子干涉儀）讓電子繞超導環旋轉。這樣的原子SQUID能讓超精準的陀螺儀尺寸縮小到MEMS的大小。

美國國家標準與技術研究院的研究人員與馬里蘭州立大學（University of Maryland）合作創造了首個由超流態原子循環構成的原子電路，可以通過激光控制的柵欄（barrier）實現開關。研究小組已經可以演示工作時間長達破紀錄的40秒的永動機——被稱為持續電流。

美國國家標準與技術研究院表示他們將向原子技術（atomtronics）時代前進，所有電路元器件都會基于原子級的機制，可以駕馭量子效應以創造超導體、超導電線（Superinsulator）和超流體設備。

原子規模的由超冷鈉氣（紅色）環繞而成的環。

左圖是激光柵欄阻止原子流動后的形態；右圖是激光柵欄關閉后的狀態。

七、 美科學家研發可吹塑的合金：BMGs材料

幾十年來，科學家們一直試圖找到或制造出這樣一種材料，既能像塑料一樣具有良好的可塑性和較低的加工成本，又能像鋼一樣具有很好的強度和耐久性。這并非不切實際的幻想，據美國物理學家組織網近日報道，日前美國耶魯大學的科學家們已實現了這一目標。

耶魯大學材料學家簡·施洛爾斯領導的一個研究小組證明，由他們制成的一種塊體非晶合金（BMGs）材料能夠像制作玻璃或塑料制品一樣吹膜成型，且不會犧牲其原有的強度和耐久性。相關論文已在線發表在國際材料學著名期刊《今日材料》雜志上。

據介紹，這種材料由包括鋯、鎳、鈦和銅在內的多種金屬構成。其材料成本與高端鋼材大致相同，但加工成本卻和塑料一樣便宜。吹塑過程在低溫低壓下 進行，此時這種非晶合金會逐漸軟化，并能像融化的塑料一樣流動，但又不會像普通的金屬一樣出現結晶現象，由此為后續的吹塑工作帶來了前所未有的便捷。為了達到并保持理想的精度和溫度，吹塑過程能在真空或液體中進行。

施洛爾斯說，目前金屬材料加工中面臨的關鍵問題就是如何避免不必要的摩擦，而對于這種合金材料來說則完全不存在這個問題，借助吹塑工藝就可以制 造出任意復雜形狀的物體，最小可到納米級。到目前為止，該團隊已經用該材料制造出了無縫金屬瓶、表殼等外形較為簡單的物品和用于微機電系統（MEMS）的 微型諧振器以及生物醫學植入物等結構較為復雜的設備。這些材料的加工過程不到一分鐘，但強度可以達到普通鋼材的兩倍。

此外，通過吹塑法來加工塊體非晶合金，該團隊還將傳統金屬加工的三大步驟（成型、接縫、精加工）合為一步，從而免去此前繁瑣、費時、耗能的加工程序，在時間上新工藝最短只需一分鐘。

“這可能成為金屬加工的一種全新模式，”施洛爾斯說，“憑借其獨特的性能，它將有望成為一種極具潛力的新型材料，就如同當年的合成塑料一樣，在相關工業領域引發一場革命。”

據了解，不久前蘋果公司與擁有該項專利的液體金屬科技公司簽署協議，獲準在消費電子領域使用這項技術。或許在未來的幾年內我們就能用上由該材料制成的筆記本電腦和手機。

八、 蘋果借助近場磁共振技術實現無線電力傳輸

據美國物理學家組織網日前報道，蘋果公司最近提交的一項專利申請顯示，該公司研發出了一種無需充電墊的新型無線充電技術。借助該技術，iPhone和iPad等電子設備只需放在臺式機或筆記本旁邊就可自行完成充電。

據了解，這項名為“本地計算機環境中無線電力應用”的專利，目的是在中距離借助近場磁共振技術（NFMR）實現無線電力的傳輸。

雖然在蘋果的這項專利中并未提及任何特定的設備，但這種充電方式的前景十分誘人。它意味著通過這種方式，無線鍵盤、鍵鼠、iPhone或 iPad等設備只要放在距離臺式機或筆記本電腦1米內就可完成充電，整個過程不需要專門的充電墊，不需要尋找合適的插頭、充電器或USB口。

九、 全球最小的石墨烯調制器實現高速光通訊

美國加州大學伯克利分校（University of California-Berkeley）的美國國家科學基金會（NSF）納米科學暨工程中心（Nanoscale Science and Engineering Center），最近開發出一款號稱全球最小的石墨烯調制器。這個由伯克利教授Xiang Zhang率領的研究團隊聲稱，該研究突破將在未來實現在智能手機上以數秒鐘下載整部電影。

目前的光學調制器是通過以電子信號切換激光的開與關，來加速系統間的長途通訊。而高速光通訊技術正轉向應用于短距離通訊，未來甚至能應用于便攜式裝置，加快大型文檔的傳輸速度。

但遺憾的是，目前的光學元件都是離散式的，體積笨重，還需要采用諸如砷化銦鎵等三五族半導體材料。對此Zhang表示，若以石墨烯（純碳薄片）來制作調制器，就能將高速光通訊技術所需元件變得夠小、成本降低，并整合到移動裝置芯片之中。

Zhang 的研究團隊所開發的石墨烯光學調制器，尺寸比一般三五族半導體同類元件小100倍，面積約只有25平方微米（Micron）。該元件的運作原理是在石墨烯 所制作的光波導（optical waveguide）上施加交流電場，當電子信號在峰值時，電場會導致石墨烯變得不透光，因此關閉由激光所驅動的波導；而當接近調制范圍的中心時，石墨烯 就會變得透明，然后接通激光。

號稱全球最小的石墨烯調制器，是以電子信號來開關激光，可望實現快速、尺寸更小、成本更低廉的光通訊解決方案

（來源：UC Berkeley）

在開發新元件的過程中，研究人員還發現，石墨烯的運行帶寬比一般窄帶寬（10納米）的三五族半導體調制器大許多，范圍可達到100倍、橫跨數千納米──從超紫外光到紅外線。Zang表示，其研究團隊所開發的原型是運行于1GHz頻率，但可擴展至500GHz。

“石 墨烯材料讓我們能制作出尺寸相當小巧的調制器，而且速度可望能比目前的技術快十倍。”Zang是與同校教授Feng Wang與博士后研究員Ming Liu、Thomas Zentgraf，以及客座教授Baisong Geng，還有博士研究生Erick Ulin-Avila、Long Ju等共同進行這項研究。

十、 MIT高分辨率裸眼3D技術原型演示效果

近美國麻省理工學院媒體實驗室描述了一種用于呈現較高分辨率3D圖象的新算法。據發明者表示，這種高分辨率3D技術無須佩帶眼鏡，也不會減少亮度或限制觀眾觀看的方位，與傳統的自動立體顯示技術類似。

Ramesh Raskar教授的相機文化團隊設計了該技術的原型。該技術是將立體相機拍攝的圖象分成分別適于左右眼的兩幅圖象，然后分別計算每一個像素垂直和水平兩個方向的視差。接著，該新技術淘汰了垂直條縫視差屏障方法將原始圖象傳送至正確的眼睛，而是使用一種適應當前3D每一像素信息數量的自定義多角度的視差屏障。（注1*）

MIT的原型使用了兩層分別計算每幅圖象視差屏障的液晶顯示屏，結果使得自動立體顯示的圖象更明亮，因為它不像傳統的裸眼3D顯示屏那樣把每個像素的亮度都減半了。同時這一計算方法使觀眾變換方位時也完全能感受到圖象的3D效果。（注2*）

由于視差屏障模塊低亮度耗能少，顯示器本身耗能也比傳統裸眼3D方法更少。但是，每個像素創建一個自定義的視差屏障使得計算復雜性大大增加，因而需要額外的電源。

為了補救這一缺陷，研究者目前正在努力簡化算法的復雜性，同時設計加速芯片來抵消創建自定義視差屏障的額外功耗，使高分辨率3D顯示屏得以實現。

相機文化團隊成員包括Ramesh Raskar和Doug Lanman教授，博士后研究員Yun Hee Kim以及博士研究生Matthew Hirsch。

放棄使用雙鏡頭相機未剪輯的左右圖象，MIT使用如上圖所示的雙層LCD內容自適應視差屏障

（注1*：祼眼3D主要工作方式是這樣的：對于每幀畫像，需要生成兩幅畫面，一個適用于左眼，一個用于右眼。這些畫面被細分為很細的垂直分段并交替 排列。而后用圖像通過視差屏障來觀察，其實主要就是一個劃有很多垂直狹縫的觀察屏。視差屏障被調節為可在平行方向區別人的兩個眼睛。所以擺放好屏，并且如 果觀察者在相對于屏的正確空間方向，那么左眼將只能看到適于左眼的畫面，同樣右眼只看到適于它的畫面。如施展魔法一般，一幅3D圖象出現了。但其局限性不 少。）

（注2*：麻省理工小組利用雙LCD方法，但不用垂直條形屏障，他們屏障是由數以千計的、與下方圖像相匹配的小孔隙構成的。當圖像改變，屏障也跟著變。這需要大量的數學計算，輔助以獨特的算法，專為持續改變屏障取向和多種方式通光而設計。）