皮牛顿力到微牛顿力的红外纳米传感器

机械力是许多物理和生物过程的基本特征，包括机器人、生物物理学、储能和医学在内的各种应用都需要高灵敏度和高空间分辨率的机械信号远程测量。纳米级发光力传感器擅长测量皮牛顿力，而更大的传感器在探测微牛顿力方面显示出强大功能。然而，可从亚表面或界面位置远程探测的力值仍然存在很大差距，且没有一个单独、非侵入式的传感器能够测量理解许多系统所需的大动态范围。

研究组展示了Tm3+掺杂的雪崩纳米粒子力传感器，可通过深穿透近红外光进行远程定位，并且可以检测动态范围跨越4个数量级的皮牛顿到微牛顿的力。利用原子力显微镜结合单纳米粒子光谱学，研究组表征了光子雪崩过程的机械灵敏度，并揭示了其优异的力响应性。

通过控制纳米传感器内的Tm3+浓度和能量转移，研究组展示了不同的光学力传感模式，包括机械增亮和机械变色。这些纳米级光学力传感器的适应性以及多尺度传感能力，使其能够在现实世界的动态和多用途环境中运行，复杂的结构涵盖了生物有机体到纳米机电系统。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-08221-2

光学微测量仪揭示活体管腔内的力动态

肌肉细胞中动作电位产生的力将血液、食物和废物运送到全身的管腔结构。虽然目前拥有无创电生理技术，但大多数机械传感器仍无法无创进入管腔结构。

研究组介绍，无毒的可摄入式机械传感器，可实现管腔力的定量研究，并将其应用于研究活体秀丽隐杆线虫的摄食。这些光学“微测量仪”由嵌入纳米颗粒的聚苯乙烯微球组成。结合光学显微镜和原子力显微镜用于体外研究的微测量仪，研究组发现力引起发射红光和绿光比率的线性和无迟滞变化。

通过荧光成像和无创电生理学分析，研究组发现成年秀丽隐杆线虫在进食过程中产生10μN左右的咬合力，并且咬合力产生的时间模式与进食器官的肌肉活动一致。此外，研究组测量的咬合力与用于分解虫体细菌食物的压力范围内的赫兹接触应力一致。

微测量仪有望进行定量研究，以探索该器官和其他管腔器官中神经肌肉压力如何受到衰老、基因突变和药物治疗的影响。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-08331-x

用“闪烁”约束的快速射电暴磁层起源

快速射电暴（FRB）是一种持续时间在微秒到毫秒之间的射电瞬变现象。

FRB的发射机制仍具有争议，主要有两种相互竞争的模型：发生在靠近中央引擎的物理过程；传播到大径向距离的相对论性激波。这两种模型的预期发射区域大小有显著差异。

研究组提出了FRB 20221022A频谱中两个相互相干闪烁尺度的测量：一个源自位于银河系内的散射屏，另一个源自其宿主星系或局部环境。使用散射介质作为天体物理透镜，可将观测到的FRB横向发射区域的规模限制在≤3×104千米。

这种发射尺寸与大径向距离模型的预期不一致，更自然的解释是在中心致密天体的磁层内或磁层外发生了发射过程。最近，人们发现FRB 20221022A呈现S形偏振角摆动，极有可能源自磁层发射过程。

这项工作中提出的闪烁结果独立支持这一结论，同时强调闪烁是人们理解FRB发射物理及其宿主星系的有用工具。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-08297-w

在300毫米CMOS试产线上制造砷化镓纳米脊激光二极管

硅光子学是一项快速发展的技术，有望彻底改变人们沟通、计算和感知世界的方式。然而，缺乏高可扩展性的原生互补金属氧化物半导体（CMOS）集成光源是阻碍其被广泛应用的主要因素之一。尽管Ⅲ-V族光源在硅上的混合和异质集成方面取得了相当大的进展，但Ⅲ-V族材料的直接外延单片集成仍是具有最佳成本效益的片上光源。

研究组报道了基于纳米脊工程的新集成方法，在CMOS试产线上，在300 毫米硅晶圆上完全制造了电驱动砷化镓（GaAs）基激光二极管。在晶圆上的300多个器件中，室温连续波激光的波长约为1020 纳米，阈值电流低至5 毫安，输出功率超过1毫瓦，激光线宽低至46兆赫，激光工作温度高达55℃。

这些结果展现了Ⅲ-V/Si纳米脊工程概念在硅光子学平台中单片集成激光二极管的潜力，有望实现光学传感、互联等领域的成本敏感型大批量应用。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-08364-2

（未玖编译）