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hth华体会最新官网:日本大型同步辐射光源SPring-8

2021-09-18 04:46:09 | 来源:华体会的网址 作者:苹果手机怎么下载华体会

  日本大型同步辐射设备SPring-8坐落日本列岛中心兵库县的播磨科学花园城(Harima Science Garden City, Hyogo),是世界上能量最高的第三代同步辐射光源。它的英文名称SPring-8(Super Photon ring-8),意为“8GeV的超级光子环”,即输出功率8千兆电子伏。

  * 生命医学:解析蛋白质结构,研讨生命机制、药品规划和改善、运用相位衬度成像办法进行生物样品高分辨率成像等;

  * 运用费:6万日元/小时。但科学家假如在此试验后揭露研讨效果,光源的运用则是免费的。

  1988年10月:树立日本原子力研讨所(JAERI)和理化学研讨所(RIKEN)协作组,进行大型同步辐射设备的规划和研发作业。

  1994年10月:施行“关于同步辐射设备的推行和通用法”,JASRI被指定为“促进同步辐射研讨和运用的组织”。

  2000年6月:榜首条签约的光束线日:日本原子力研讨所JAERI改组为日本原子力开发研讨组织JAEA(Japan Atomic Energy Agency)撤离SPring-8。光源由日本同步辐射研讨所(JASRI)和理化学研讨所(RIKEN)一同办理。

  2006年7月:“关于同步辐射设备的推行和通用法”修改为“促进严重先进科研设备的大众化”。

  直线米长的加快单元,加快电子束能量到1GeV。下图中赤色部件为一个四极磁铁,用于聚集电子束。

  电子束由钡钨浸渍的热离子枪生成。离子枪坐落高压电板,电压约180KV。脉冲持续时刻为1ns或40ns。选取的光束被束聚在一个束聚器上,并与25个加快腔一同加快到1GeV能量。电子束能散经过动力紧缩机体系(ECS)减小。接着,作为注入器的直线加快器把电子束输送到增强器或NewSUBARU小贮存环中。

  环形,周长396米。从直线GeV电子束将在增强器中加快至8GeV。下图蓝色为偏转磁铁,用于发生同步辐射光;黄色部件是六级磁铁,用于安稳电子束。

  增强器的磁聚集结构FODO中,替换摆放着弯转磁铁和四极磁铁,设置注入、加快和输出的重复频率为1Hz,谐波数672。假如注入单一束团到贮存环,则设备RF筛选体系,筛选主束团附近的其它电子束。专用的计时体系依据贮存环各个引出线站所需的光的类型,注入不同的束流。

  巨大的环形,周长1436米。它的惯例单元由2个偏转磁铁、10个四级磁铁、7个六级磁铁组成,长约30米。直线节坐落惯例单元之间,用于设备插件、射频加快腔,束流注入体系,束流诊断体系等,合计44个直线节。

  大贮存环能够长时刻贮存8GeV的电子束,超越百小时。同步辐射耗费的能量经过设备在贮存环周围4个无线电站中的加快设备来补给。恒流(top—up)注入办法有效地保证了贮存环中束流流强的安稳。

  链接:2006年12月7—8日召开了东方科技论坛第86次学术研讨会,议题为“第三代同步辐射光源束流轨迹安稳性问题”。

  日本同步辐射研讨所(JASRI)的Kouichi Soutome博士作了关于“SPring-8的恒流注入与束流轨迹安稳性”的专题报告。他首要着重供给安稳的X射线束给用户关于精细试验的必要性。为了光束方位安稳有必要按捺束流轨迹改动,他指出贮存环中束流流强安稳的恒流(top-up)注入办法可有效地保证同步辐射光强度安稳。SPring-8为此尽力研讨了各式各样引起轨迹改动的要素来历,像磁铁电源的改动,冷却水引起的真空室振动等。

  SPring-8还改善了束流轨迹校对体系和相应的丈量体系。为了top-up注入,SPing-8选用减小由于注入引起的贮存电子束的振动、减小注入电子束丢失、坚持长时刻高纯度的单束团注入等多种办法。终究,他报告了SPring-8在束流轨迹安稳性现状及top-up注入运转形式的功用。SPring-8贮存环内总的电流安稳性操控在0.1%以内,各束团的流强不一起性也操控在10%以内。

  小贮存环周长约119米,由2个14米和4个2.6米的直线节组成。在长直线米长的波荡器和一个光学速调管自在电子激光设备。直线GeV的电子束可直接注入该贮存环中

  SPring-8具有由偏转磁铁引出的光束线条;由刺进件引出的光束线条,直线米;由长刺进件引出的光束线条,长直线米。这些光束线公里。

  光束线前端组件的规划本着足以接受辐射功率,削减触摸的榜首件光学元件的热负荷,以及在光束线发生毛病的情况下维护贮存环真空。

  家同步辐射研讨中心在SPring-8上制作了两条台湾专属硬X光束线:用于生物结构与资料研讨及非弹性X光散射研讨。台湾具有75%至80%的运用时刻。

  1998年12月18日:签署SPring-8台湾专属光束线之协作备忘录与合约。

  2000年10月:生物结构与资料研讨光束线出光并开端试运转。由贮存环偏转磁铁引出,可供研讨员从事X光吸收光谱、高解析X光散射、蛋白质结晶学及微区绕射等试验,进行生命科学、物理、化学的前瞻性科学试验,开辟各种尖端资料的全新研讨范畴。

  2000年12月15日:举办光束线年头:非弹性X光散射光束线,由贮存环聚频磁铁引出,供研讨人员进行高相干性电子体系(高温超导与巨磁电阻前瞻性资料)的尖端研讨。

  2010年12月2日:举办“台湾专属光束线十周年庆祝会”。光束线试验人次,宣告于世界闻名科学期刊的SCI论文233篇,具有广阔的用户群和丰盛的效果。

  棚屋中设备了一个半径为286.5mm的Debye-Scherrer大型照相机。其成像板即为探测器,用于同步搜集全粉形式。该相机可用于较宽的温度规模(15 k—1000 k),完结高算计算和高角分辨率粉末衍射数据的快速搜集。

  高压设备SPEED-Mk. II是一台双层1500吨夯力多铁砧压机。它运用14*14*14mm的烧结金刚石砧,发生高压和高温条件,到达50 GPa和2000oC。它能够出色完结能散X射线衍射和高速CCD成像试验。

  康普顿(Compton)散射磁谱仪首要由3 T超导磁体和10个锗固体探测器(SSDs)组成。超导磁体可在5秒钟内完结从-3 T到3 T之间的磁场切换。锗SSDs环绕掠入X射线度的散射角。样品温度由低温冷却器操控,介于10 K和室温之间。

  超高真空腔(用于如金属和半导体等晶体资料的外表)设备在巨大的X射线m)上。该腔配有规范的外表剖析东西,如低能电子能衍射仪(LEED)和反射式高能电子衍射仪(RHEED)。

  由弯转磁铁引出的中波段硬X射线束线站,向工业用户敞开。首要技能有X射线吸收、衍射、散射和成像。它具有3个试验棚屋:

  棚屋一:XAFS。间隔光源51m, 长*宽*高别离为4m*3m*3.3m。在传输和荧光形式下进行X射线吸收和精细结构丈量,展开高能X射线荧光(XRF)剖析。

  棚屋二:X射线m。设备的多轴衍射仪进行剩余应力丈量和薄膜结构解析,Debye-Scherrer照像机用于粉末衍射研讨。

  棚屋三:间隔光源111m, 巨细为8m*4m*3.3m。运用X射线成像技能进行工业资料的调查。

  该光束线a试验站装备研讨自在原子和分子的半球形高分辨率电子能量剖析仪(Gammadata-SCIENTA,SES-2002)。样品气体由多束阵列(MB Scientific AB)注入。该气体样品的多普勒效应导致的分辨率下降将削减分子束源的动能。

  IXS谱仪是一种特别的科学仪器,需求十分精准的“手臂”运动,而“手臂”又长又重,10米,6吨(下图),还要大视点地滚动:55度。其长度是为了保证杰出的能量分辨率(〜1 meV),分量则是在真空飞行轨迹上,避免X射线的散射和吸收。别的真空绝缘是为了十分准确地操控光学仪器的温度(〜 mK)。

  棚屋一:配有高空间分辨率X射线微探针,多功用X射线衍射仪,X射线荧光剖析仪和高能X射线荧光光谱仪。

  智能双角光电子剖析仪(DAPHNIA)用于丈量光电子和俄歇(Auger)电子,“起飞角”可别离设置。供给至4800 eV的大型光电子动能。该仪器现已在运用高能量激起光束方面表现出杰出功用。例如,较深中心层的电子激起,或高动能光电子的运用。

  下图为该光束线棚屋C中用于X射线微量剖析的仪器。该仪器运用相位波带片(phase zone plate)构成强X射线微束,可运用于多种范畴,如样品中微量元素的二维绘图,聚合物的微衍射和激光二极管中的应激剖析等。

  下图是用于丈量高分辨率光电子光谱仪和软X射线磁性圆二色谱仪(MCD)。光电子光谱仪的能量分辨率低于2 meV。MCD的超导磁铁丈量样品的最大磁场为10 T。这两种仪器用于锕系资料的电子结构研讨,如铀化合物。

  建有两个试验站,用于结构生物学研讨。蛋白质结晶学试验站运用X射线结晶范畴的MAD办法,即多波长反常衍射来运用同步辐射光。设备在测角仪上的用于蛋白质晶体的三色谱仪可发生三种不同波长的X射线。

  水是人们再了解不过的物质,水分子结构H2O更是众所周知。但或许人们没有深化思考过:冰将巨大的冷却能量贮存在哪里?为何水在4oC时密度最大?而4oC以上或以下,水密度都下降?为何固态冰的密度小于液态水?

  日本科学家在SPring-8进行了水和冰的结构解析,一些新发现处理了长时刻以来争论不休的关于水性质的问题。他们运用高能非弹性散射光束线W,成功地进行了康普顿散射(Compton scattering)试验,直接观测到了冰在高分辨率下的结构和功用,核实了分子动力学模仿的准确性。这一根底研讨效果,可有助于开发热贮存资料,解析未来新资料的热存储性。论文宣告在美国尖端科学杂志。

  其实早在2008年,日本理化所RIKEN的科学家们就运用SPring-8的BL17SU光束线和软X射线光谱,以及小角散射、哈曼(Raman)散射等技能,提出一起存在不同氢键形式的两种水状况。

  塑料袋和塑料桶等塑料制品因简便、防水、廉价,已成为咱们日常日子中广泛运用且不行或缺的物品。但一起它也有缺点:抗拉强度低,易变形,不耐高温。它们由聚乙烯和聚丙烯等聚合物组成制作,在分子水平的结构由碳原子的长链构成。聚合物的这种“串状”结构使塑料制质量地如生物资料般柔软。但是,科学家研讨发现:资料的抗拉强度会跟着聚合物的链长加长而添加;当碳链具有与钻石中碳原子共价键相似的抗拉强度时,通用塑料会变硬,但不会有钻石般的强度。

  彦阪教授领导的研讨小组和他的博士生冈田幽香(Kiyoka Okada,她在2003-2007年运用BL40B2光束线,调查到原子核核化进程。)从2007年到2010年期间,运用SPring-8的X射线散射设备,初次成功研发了一种聚丙烯基、具有强韧拉伸力和超耐热的新式塑料:NOCs(nano-oriented crystals)。

  一般塑料之所以抗拉能力差,是由于结晶度低。结晶度在50%左右的,即为高质量塑料。换而言之,结晶度越高,分子间的彼此作用力越强,抗拉强度和耐热性越强。当聚合物分子规矩摆放时,晶体构成。因而若要进步结晶度,就有必要尽或许地让聚合物分子规矩摆放。

  彦阪教授领导的研讨小组发现了当塑料在熔融状况下使聚合物规矩摆放的办法,并证明运用该办法的结晶度为92%。由于NOCsS的结构看上去像铁甲,由一小片一小片的铁板组合而成,因而该模型被称作“铁甲”模型。新式聚丙烯具有比一般塑材约七倍的抗拉强度,耐热温度达170°C或更高176°C,透光率99%,可回收,并且价格便宜,由于只需在传统的聚丙烯出产进程中添加一道工序。

  这一美妙的新塑材最或许运用于传统轿车工业中钢铁车身的改造,尽管车身厚度将添加一倍,但分量仅为钢材的四分之一。

  多种离子参加生物体的生物活性。钙2+离子促进肌肉运动,是生物体中至关重要的离子之一,它贮存在肌原纤维内质网中。当钙2+离子被开释到肌肉细胞中时,肌肉即缩短。一起,钙2+离子还需回到内质网中使肌肉舒张。一种称为钙泵的膜蛋白担任泵回钙2+离子。

  他的研讨效果顺次宣告在英国2000年,2002年和2004年的《天然》杂志上。鉴于这一系列的杰出成就,丰岛教授被颁发2009年的朝日奖(Asahi Prize)。

  左:钙泵结构改动示意图。该图所示为钙泵反响周期中结构改动的一个环节:ATP被捆绑,Ca2+离子被困于膜蛋白中。中心的结构改动以灰色出现。

  每年,不计其数吨陨石落到地球,它们外表虽被烧成焦黑,但内部的金属和矿藏质成分仍坚持不变,因而被称作太空的“化石”。它为人类了解太阳系的奥妙供给了有力依据。

  日本同步辐射研讨组织的小杉正人博士(Masato Kotsugi, JASRI)运用SPring-8的BL25SU光束线上的光电子发射显微镜(PEEM)解析了铁陨石的结构。铁陨石是由富含铁的α相和富含镍的γ相组成。小杉博士证明晰在铁镍界面处存在一种纳米级的矿藏层,称做Tetrataenite。但它在地球上并不存在,将成为一种优异的新式磁性资料。小杉博士近一步剖析了Tetrataenite的特色,由50%的铁和50%的镍组成,铁和镍原子替换摆放,为规矩的周期性晶体结构。它发生一种硬磁,即磁化方向不会简单改动。闻名的硬磁资料包含永久磁铁和混合动力轿车中发动机运用的资料。

  小杉博士的另一个严重发现:Tetrataenite在硬盘制作方面将是一种很有潜力的替代品。白金(Platinum)是下一代硬盘不行短少的资料,但它是一种稀有的金属,价格节节攀升。现在对白金的需求现已超越了其出产能力。每年大约有2吨的白金被用于全球硬盘出产。假如铁和镍人工组成的Tetrataenite能够作为硬盘资料,那么白金的消费量将大大削减,然后促进资源节省和硬盘的低成本出产。

  京都大学的北川浩教授(Hiroshi Kitagawa, Kyoto University)和神州大学的理惠博士(Rie Makiura,Kyushu University)进行了纳米标准碘化银(AgI)粒子的研讨。他们在世界上初次证明晰室温条件下完结安稳的固体电解质的或许。这项研讨效果因巨大的开展潜力而遭到高度重视。论文2009年5月宣告在英国科学杂志《天然资料》(Nature Materials)上。

  2004年,东北大学生命科学院研讨生院的福田博士(Mitsunori Fukuda, Tohoku University)在分子水平上阐明晰黑素细胞黑素的传输机制。2008年,他与理化学研讨所(RIKEN)的横山教授(Shigeyuki Yokoyama)协作,在SPring-8上的BL41XU结构生物学I试验站成功地解析了Rab27B和Slac2-a的立体结构。他们确认的结构数据将极大地促进新的肌肤美白品和防备青丝发生的药物研发。

  流感病毒由8个RNA基因组成,且病毒粒子外表还有两种类型的穗状蛋白:血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)。由于自身结构简略,病毒不能自我仿制。但它们侵入人体宿主细胞后可运用人体细胞的仿制体系熟练地进行仿制。

  HA如一把钥匙,在与细胞外表的糖蛋白结合后,流感病毒便可侵入人体。NA则在子代病毒从细胞别离和开释中起着重要作用,是协助病毒感染其它细菌的酵素。构成以上两种蛋白的氨基酸简单发生骤变。迄今,科学家们已发现了16种HA和9种NA蛋白。这些蛋白质恣意组合为多种类型的流感病毒(H1N1--H16N9)。例如,2009年盛行的甲流感H1N1和1997年开端盛行的H5N1病毒:禽流感。

  流感病毒共编码10种蛋白,其间RNA聚合酶在病毒基因仿制中适当重要。它包含3个亚基:PA,PB1和PB2。当其间一个缺少,RNA聚合酶就失去了酶的功用导致病毒不能仿制。因而,假如能够确认这3种亚基组合的立体结构,就能够阻断RNA聚合酶的功用。

  2008年7月,横滨市立大学纳米生物学研讨生院山姆博士(Dr. Sam-Yong Park, Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University)成功解析了PA和PB1的组合结构,剖析了与病毒仿制相关的酶结构,这将加快新的抗病毒药物的研发。完结“冬天人们不必再忧虑流感”的希望为期不远了。

  美国“星尘号”飞船(Stardust Project, 1999-2007)把涣散的怀尔德二号(81P/Wild)彗星尘土样本搜集并带回了地球,人们希望经过对这些样品的剖析,取得关于彗星及整个太阳系46亿年前来源的信息。

  神州大学中村智城博士(Dr. Tomoki Nakamura, Kyushu University)对彗星尘土进行了深化的研讨。他运用SPring–8上BL37XU的X射线衍射试验设备和高能加快器研讨组织(KEK)的同步辐射设备,剖析和测定了构成尘土的晶体类型和丰度比。之后,大阪大学研讨生院的土山晃教授(Akira Tsuchiyama,Osaka University)运用BL47XU的CT扫描,完结了彗星尘土的内部结构可视化。

  中村博士发现“陨石球粒”源于太阳系外的彗星尘土,因而不能再用传统的太阳系构成模型解说。“陨石球粒”是陈旧陨石的首要组成成分,富含镁、硅和少数的铁。博士以为“球粒”的搬迁发生在尘土盘组成的原始太阳系中;但他标明将进步至少20个样品的剖析精度,以取得具有计算含义的定论。他还将持续展开彗星陨石时代丈量,确认搬迁时刻。估计新的太阳系构成模型行将树立。

  1985年发现的富勒烯形状特征——包含60个碳原子,好像一个足球——引起了科学界的广泛重视。1991年,发现柱状碳纳米管。2008年1月,名古屋大学北浦良副教授和筱原久典教授(Ryo Kitaura & Hisanori Shinohara, Nagoya University)成功地组成一种纳米级的金属丝。

  纯金简单发生氧化反响,但一根十分薄的纳米线能够安稳地存在于空气中,由于纳米标准的资料有一个一起的安稳结构。为了调查纳米管的内部结构,北浦良副教授在SPring –8的BL25SU试验站进行了固体软X射线光谱试验。他调查到X射线对Er的吸收是仅有的,然后确认了ErCl3线构成于碳纳米管。

  日本东京大学和理化学研讨所的相田卓三教授(Takuzo AIDA,University of Tokyo/RIKEN)被誉为世界上最富有想象力和最高产的高分子化学家。近些年来,他将SPring-8作为重要的研讨东西,首要成功确认了一种新式导电石墨纳米管的结构。接着,他以坚实的依据标明石墨分子的亲水性和疏水性在疏水基严密相连,构成管状螺旋的分子对。别的,他还成功规划了具有分子间短程序的液晶相。这两项研讨效果2008年都宣告在美国化学协会杂志上(《Journal American Chemical Society》)。2009年,“盘状分子中的双接连立方液晶资料”规划荣登美国化学协会杂志的封面,他也因而取得美国化学学会高分子化学奖。

  在东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)、日本海洋地球科学和技能署(Japan Agency of Marine-Earth Science and Technology)、日本同步辐射研讨中心(JASRI)三方通力协作下,发现地球内核在最深部分的资料是六角密排结构的铁。金属铁在超高压和超高温条件下的状况,相似于运用超高压和超高温模仿的地球内核状况。科学家们运用SPring-8高亮度的X射线调查金属铁的单晶结构改动,榜首次发现在高温高压极点条件下,六角密排的结构安稳。该晶体结构的解析有助于人们对地震观测的剖析,大大加强了人们对地核构成及其开展改动的知道。这一效果宣告在美国2010年10月15日的《科学》杂志上。

  日本北神州市立大学(The University of Kitakyushu)和JARSI的一个联合研讨小组最近宣告:运用SPring – 8高亮度同步辐射,在BL03XU先进软资料、BL40B2结构生物学II试验站上解析了溶剂在凝胶状况下的分子结构。该研讨效果得益于有机凝胶因子(organogelator,低分子量化合物)。只需在其间参加适当于1%的溶剂就能使整个溶剂发生凝胶,这将大大有助于防备海上石油走漏形成的环境污染。论文在线月的《聚合物杂志》上。

  传统的光学显微镜分辨率受限于光的波长,而X射线万倍,分辨率到达原子级,也就是说能够调查到物质中单个原子的三维结构,X射线广泛运用于医疗、生命科学和资料科学等。但X射线光源(包含同步辐射)发生的光不甚均匀,波场不相一起;激光则运用一对镜子可发生均匀的光。这促进科学家们竭尽心力探究一种新的技能,完结无镜激光,即X射线自在电子激光(XFEL: X-ray Free Electron Laser)。XFEL是组合了自在电子态激光特性的X射线,被称为最有出路、最具科学探究和发现价值的未来新光源,亦被称作“梦之光源”和“科学时代的新曙光”。它一起具有激光和辐射光的两层特性,可作业于整个X射线波段区,它在亮度、相干性和时刻结构上都大大优于第三代同步辐射光源,被世界公以为是“第四代光源”的可行技能道路之一。

  美国、欧洲和日本都相继开展了XFEL,并进步到国家战略的高度予以布置和施行。美国斯坦福大学的直线加快器相干光源LCLS(Linac Coherent Light Source,Stanford Linear Accelerator Center, USA)现已在2009年出光,是世界上首个X射线自在电子激光设备。欧洲自在电子激光设备(European XFEL)由德国DESY和其它11个欧洲国家一同参加,中心工程为长达3.4公里的地下地道,已于2010年7月1日正式开工,估计2014年竣工,2015年将进行初次科学试验。

  SPring-8早已着手了XFEL的预制和研讨作业,加快器样机也成功发生榜首束激光束。2006年,XFEL项目工程开工。现在,700米长8GeV的X射线自在电子激光设备正在终究的建造中,估计将于2011财政年度投入运转。在

  2002年10月:完结短时高磁场线月:电子枪研发成功,发射率值为世界之最。

  2005年1月:日本文部科学省MEXT报告光与光子科技的未来研讨和开展方针,XFEL将作为国家重要科研项目立项。

  2005年4月:开端研发250MeV的测验装加快器。日本文部科学省MEXT的自民党作业组确认新一代同步辐射光源作为“国家级重要的关键技能”。

  2005年11月:榜首束电子束成功经过测验加快器,并证明发生同步辐射光。

  2005年12月:日本政府从2006年国家财政预算中拨款23亿日元用于XFEL设备的建造和研讨。

  2006年2月:RIKEN和SPring-8咨询委员会RSAC指出:自在电子激光XFEL和大型同步辐射设备SPing-8的联合在全世界属绝无仅有,因而日本应在XFEL的建造方面起到带头作用。

  2006年4月:RIKEN和日本同步辐射设备研讨组织JASRI建立XFEL项目协作办公室。

  2006年6月:在测验加快器中成功完结49nm UV X射线的激光振动,并成功出光。

  SPring-8的X射线亿倍的光,而XFEL发生的光要比SPring-8还要亮10亿倍,脉冲比现有的X射线倍。更高亮度的光源使科学家们能够更真实地调查原子的三维结构和它们的超快速运动。

  电子束的原始质量决议了自在电子激光的质量。科学家们特制了一种超高压热电子枪,运用单晶铈—六溴硼化物阴极(CeB6, a single-crystal cerium-hexaboride cathode)来发细、准直性高、安稳的电子束。然后,其被输运到电子束紧缩体系内,峰值电流将加强到几千安培。

  电子束能量经过C波段直线GeV,然后输运进真空波荡器发生激烈的XFEL辐射。

  C波段直线加快器是SPring-8和KEK开发的。C波段的加快梯度(35MeV/m)使加快器的长度大大缩短。总长原为1282米亚微米精度的加快器结构,终究设备在长为400米的地道中。

  科学家们为了准确丈量自在电子激光中的动摇,剖析了激光脉冲以每秒20脉的速度辐照氩原子的一切电子能。他们发现电子与多光子的吸收只发生在光强很高时,并澄清了在多光子吸收进程中共振态的重要性。该研讨效果标明,在挑选恰当的激光波长根底上相应的共振条件,运用X自在电子激光,能够促进纳米科学、纳米技能和资料制备的研讨。论文宣告在2010年9月24日美国物理学会的科学期刊《物理谈论快报》上。