华人团队设计出可控制“毫米波”的晶体，为巨大通信带宽提高潜力
DeepTech深科技
发布时间：12-2119:51DeepTech深科技官方百家号
“如何将高速数据传输速率进一步提高”，或许是通信领域中所有人都在思考的技术问题。对于这个紧迫问题，业内的研究人员对实现路径存在着各自的看法和不同的意见。
不过，使用更高频率的电磁波以更快的速率来传输，已经是目前无可避免的趋势。从 1G、2G、3G，到如今被广泛应用的 4G 网络发展过程可以看出，人们使用的电波频率越来越高。而随着 5G 成为了今年的年度热词，已经有部分地区正在建设高频电磁波的 “未来化” 通信系统。
随着不断增长的带宽需求，未来的无线通信系统无可避免地被推向了 100 GHz 至 1 THz 的区域，这已经到达 “极高频” 的区间，美国在今年年初决定开放 “太赫兹波” 频率段（95 GHz ~ 3 THz），提供给 6G 的相关实验使用，在 5G 方兴未艾之时率先布局。
这刺激了研究人员对新信号源、调制器、谐振器、移相器，以及滤波器等互补设备的需求。但目前很少有满足该频段需求的装置；同时，毫米波的电磁特性通常是固定的，并且具有 “宽” 的共振特征。而最近来自美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员将等离子、金属和介电材料组合成了一种多功能的人造晶体，或可为更高带宽的无线通信铺平道路。
这项研究横跨伊利诺伊大学香槟分校的电子计算机与工程、光学物理与工程，以及材料科学与工程系等专业，文章发表在近期的 Applied Physics Reviews 杂志上。三名并列第一作者都是该校的华人学者——孙鹏、张润宇和陈闻远。DeepTech 与第一作者之一、该校电子计算机与工程系博士后研究员孙鹏就该研究进行了交流。
图 | 动态等离子体 / 金属 / 介电晶体能够过滤 100~300 GHz 范围内的电磁信号，并在任何给定的时间传送所需的频率；白光照射在晶体上象征着被晶体过滤的宽带毫米波信号，其只允许窄带辐射（以红色、绿色或蓝色的光束形式）穿过晶体（来源：孙鹏 / 伊利诺伊大学香槟分校）
孙鹏向 DeepTech 解释道：“这项技术的格外特殊之处，在于它能在多频率下同时产生多个通讯频道。换句话说，它能允许多个通话同一时间在同一网络下存在。而这一点也是未来高速通讯发展的核心。 ”
此前，过于高频的波段一度被认为是没有使用价值的，因为实在缺乏能够发送或者接收毫米波的电子元件或设备。但这项研究或许将为通信设备提供巨大的带宽潜力，而研究的关键就是 “动态等离子体” 与金属和介电材料的设计。
等离子体（plasma）对于功能和频率之间的快速切换至关重要，但是过往基于等离子体的电磁晶体都太大了，无法在高频下工作。所以，孙鹏和他的同事们发现，突破的关键在于去创建一种可以让等离子和金属柱之间的间距小到操纵辐射波长的结构。
“等离子体是除了固态、气态和液态之外，物质的第四种状态。我们这项研究的创新点在于，通过等离子体来设计并实现三维动态 （空间和时间）可调控的活性功能化材料。这个成果是多领域交叉研究的精妙呈现。”孙鹏说道。
图 | 具有木桩结构的三维等离子体光子晶体（PPCs）结构图像（来源：孙鹏）
从体积角度来看，电磁波的波长随着频率和带宽的增加而缩短。他们为了实现工作在 100 GHz 以上频率的高带宽晶体，就需要进行小规模设计。
孙鹏和他的同事们用 3D 打印制造出一种支架，这是所需网络的基础底片。随后，他们将聚合物倒入，一旦凝固，再向直径为 0.3 毫米的微毛细管中充满等离子体、金属和介电气体。针对这个复制模塑（replica-molding ）技术，他们花了近五年的时间来完善木桩状晶格中微毛细管的尺寸和间距。
孙鹏说：“组装材料非常困难。但最终还是能够使用设计的材料来观测 100 GHz 到 300 GHz 频率范围内的共振，这是一个针对很大的共振范围的操作。”
此外，他还表示为满足 100-300 GHz 的有效工作区间，这就意味着对等离子的电子密度有很高的要求。除了 3D 打印之外，还涉及软光刻技术（Soft-Lithography） 等多步精细加工过程。所以，目前大规模应用暂时还没有考虑。
但孙鹏和同事们的这项研究表明，设计出晶体的电子特性的快速变化（例如在反射或传输信号之间的切换）可以通过简单地打开或关闭几个等离子体柱来实现。这样的能力证实了这种动态且节能的设备如果用在通信领域时能起到的效用。
对于未来的研究，这篇文章通讯作者、也是负责人之一的 J. Gary Eden 教授表示，希望能进一步优化这种新器件的制造和开关效率。同时，也会尝试深入研究其他的应用之处，比如可以调节晶体以响应特定分子（用在针对大气污染物的共振），还可以用作高灵敏度的检测器等。
图 | 从左至右分别为：孙鹏、张润宇、陈闻远（来源：本人提供）
孙鹏目前是伊利诺伊大学香槟分校的博士后研究员， 就职于电子计算机与工程系。他在今年获得了伊利诺伊大学香槟分校土木与环境工程专业的博士学位，师从美国工程院院士 J. Gary Eden 教授和 Helen Nguyen 教授。同时，他拥有伊利诺伊大学香槟分校电子计算机与工程专业和北京大学生物医学专业的双硕士学位。
张润宇在 2018 年获得了伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程专业的博士学位，他的导师是上述实验的另一名通讯作者和负责人 Paul V. Braun 教授。他的本科也是在伊利诺伊大学香槟分校度过的，于 2012 年取得了该校机械工程专业的学士学位。
陈闻远同样是本科时期就在伊利诺伊大学香槟分校就读，他在 2018 年取得了机械工程专业的学士学位，随后便继续在该校攻读电子工程专业的硕士学位。他从 2016 年的本科期间就跟随 J. Gary Eden 教授进行实验，硕士阶段则继续在 Eden 的课题组中从事等离子体和超材料相关研究。
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发布时间：12-2119:51DeepTech深科技官方百家号
“如何将高速数据传输速率进一步提高”，或许是通信领域中所有人都在思考的技术问题。对于这个紧迫问题，业内的研究人员对实现路径存在着各自的看法和不同的意见。
不过，使用更高频率的电磁波以更快的速率来传输，已经是目前无可避免的趋势。从 1G、2G、3G，到如今被广泛应用的 4G 网络发展过程可以看出，人们使用的电波频率越来越高。而随着 5G 成为了今年的年度热词，已经有部分地区正在建设高频电磁波的 “未来化” 通信系统。
随着不断增长的带宽需求，未来的无线通信系统无可避免地被推向了 100 GHz 至 1 THz 的区域，这已经到达 “极高频” 的区间，美国在今年年初决定开放 “太赫兹波” 频率段（95 GHz ~ 3 THz），提供给 6G 的相关实验使用，在 5G 方兴未艾之时率先布局。
这刺激了研究人员对新信号源、调制器、谐振器、移相器，以及滤波器等互补设备的需求。但目前很少有满足该频段需求的装置；同时，毫米波的电磁特性通常是固定的，并且具有 “宽” 的共振特征。而最近来自美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员将等离子、金属和介电材料组合成了一种多功能的人造晶体，或可为更高带宽的无线通信铺平道路。
这项研究横跨伊利诺伊大学香槟分校的电子计算机与工程、光学物理与工程，以及材料科学与工程系等专业，文章发表在近期的 Applied Physics Reviews 杂志上。三名并列第一作者都是该校的华人学者——孙鹏、张润宇和陈闻远。DeepTech 与第一作者之一、该校电子计算机与工程系博士后研究员孙鹏就该研究进行了交流。
图 | 动态等离子体 / 金属 / 介电晶体能够过滤 100~300 GHz 范围内的电磁信号，并在任何给定的时间传送所需的频率；白光照射在晶体上象征着被晶体过滤的宽带毫米波信号，其只允许窄带辐射（以红色、绿色或蓝色的光束形式）穿过晶体（来源：孙鹏 / 伊利诺伊大学香槟分校）
孙鹏向 DeepTech 解释道：“这项技术的格外特殊之处，在于它能在多频率下同时产生多个通讯频道。换句话说，它能允许多个通话同一时间在同一网络下存在。而这一点也是未来高速通讯发展的核心。 ”
此前，过于高频的波段一度被认为是没有使用价值的，因为实在缺乏能够发送或者接收毫米波的电子元件或设备。但这项研究或许将为通信设备提供巨大的带宽潜力，而研究的关键就是 “动态等离子体” 与金属和介电材料的设计。
等离子体（plasma）对于功能和频率之间的快速切换至关重要，但是过往基于等离子体的电磁晶体都太大了，无法在高频下工作。所以，孙鹏和他的同事们发现，突破的关键在于去创建一种可以让等离子和金属柱之间的间距小到操纵辐射波长的结构。
“等离子体是除了固态、气态和液态之外，物质的第四种状态。我们这项研究的创新点在于，通过等离子体来设计并实现三维动态 （空间和时间）可调控的活性功能化材料。这个成果是多领域交叉研究的精妙呈现。”孙鹏说道。
图 | 具有木桩结构的三维等离子体光子晶体（PPCs）结构图像（来源：孙鹏）
从体积角度来看，电磁波的波长随着频率和带宽的增加而缩短。他们为了实现工作在 100 GHz 以上频率的高带宽晶体，就需要进行小规模设计。
孙鹏和他的同事们用 3D 打印制造出一种支架，这是所需网络的基础底片。随后，他们将聚合物倒入，一旦凝固，再向直径为 0.3 毫米的微毛细管中充满等离子体、金属和介电气体。针对这个复制模塑（replica-molding ）技术，他们花了近五年的时间来完善木桩状晶格中微毛细管的尺寸和间距。
孙鹏说：“组装材料非常困难。但最终还是能够使用设计的材料来观测 100 GHz 到 300 GHz 频率范围内的共振，这是一个针对很大的共振范围的操作。”
此外，他还表示为满足 100-300 GHz 的有效工作区间，这就意味着对等离子的电子密度有很高的要求。除了 3D 打印之外，还涉及软光刻技术（Soft-Lithography） 等多步精细加工过程。所以，目前大规模应用暂时还没有考虑。
但孙鹏和同事们的这项研究表明，设计出晶体的电子特性的快速变化（例如在反射或传输信号之间的切换）可以通过简单地打开或关闭几个等离子体柱来实现。这样的能力证实了这种动态且节能的设备如果用在通信领域时能起到的效用。
对于未来的研究，这篇文章通讯作者、也是负责人之一的 J. Gary Eden 教授表示，希望能进一步优化这种新器件的制造和开关效率。同时，也会尝试深入研究其他的应用之处，比如可以调节晶体以响应特定分子（用在针对大气污染物的共振），还可以用作高灵敏度的检测器等。
图 | 从左至右分别为：孙鹏、张润宇、陈闻远（来源：本人提供）
孙鹏目前是伊利诺伊大学香槟分校的博士后研究员， 就职于电子计算机与工程系。他在今年获得了伊利诺伊大学香槟分校土木与环境工程专业的博士学位，师从美国工程院院士 J. Gary Eden 教授和 Helen Nguyen 教授。同时，他拥有伊利诺伊大学香槟分校电子计算机与工程专业和北京大学生物医学专业的双硕士学位。
张润宇在 2018 年获得了伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程专业的博士学位，他的导师是上述实验的另一名通讯作者和负责人 Paul V. Braun 教授。他的本科也是在伊利诺伊大学香槟分校度过的，于 2012 年取得了该校机械工程专业的学士学位。
陈闻远同样是本科时期就在伊利诺伊大学香槟分校就读，他在 2018 年取得了机械工程专业的学士学位，随后便继续在该校攻读电子工程专业的硕士学位。他从 2016 年的本科期间就跟随 J. Gary Eden 教授进行实验，硕士阶段则继续在 Eden 的课题组中从事等离子体和超材料相关研究。
大黄米，营养价值高，又能补益止泻，但糖尿病人群要少吃！#养生#
大黄米，具有较高的营养价值，尤其膳食纤维、维生素及矿物质含量丰富，也是药食同源之品，有良好的补益功效。虽是作为五谷杂粮的一种，但大黄米的餐后血糖反应显著，糖尿病人群不宜多食。
黍（shǔ）是我国最古老的作物之一，产地主要分布在华北、西北的部分地区，是当地人的主要口粮。
黍去皮之后即为大黄米，按品种不同，可分为粳黄米与糯黄米。
粳黄米，俗称硬黄米，米粒透明、有光泽，黏性低；糯黄米，俗称软黄米、黏黄米，米粒粉质、不透明，黏性大，常将其磨面作糕点，也用于酿酒。
大黄米颜色淡黄，熟后黏性增强，无论是蒸煮、清炖，还是烧卤、煎炸都风味香浓，甜软香糯，一般人群均可食用。
在我国应用最广的就是大黄米制作的各类风味小吃，著名的有传统小吃茶汤、杏仁茶、驴打滚、炒米、炸糕、年糕、清真酥香糖、汤团、粽子、黄米粉、黄米面等。
一. 少食益气止泻，多吃有碍脾胃
中医认为，大黄米在五行属金，归经入肺、大肠，性味是甘温的，能够补肺气，对肺病患者有益，还具有补中益气、止泻痢的作用。
历史上，大黄米就经常被当作食疗之品。在《洪椴辑刊医药摄生类八种》的食治养老方中记载，老人若出现泻痢不止、面色萎黄、日渐消瘦、乏力、胃口差等症状，可用大黄米煮粥，再以阿胶末调和，空腹服用。
《食医心鉴》中说，治疗小儿每天下痢几十次，近乎虚脱的病症，可用大黄米煮粥，快熟的时候加入鸡蛋黄、蜡（蜂蜡），搅拌均匀食用。同样治疗泻痢。
在以上这些食疗方中，大黄米补气止泻，偏于治标；阿胶、鸡蛋黄等都具有滋阴补血的功效，偏于治本，符合泄泻过多、津液亏虚的状态。二者同食则标本兼顾，既可止泻又能养阴，从而起到标本兼治的最佳疗效。
但大黄米和糯米的黏性类似，若食用过多就会影响脾胃的正常运化，也就是中医所说的“碍脾胃”，体内就容易因此生湿化热，阻碍气血运行，让人产生烦热的感觉，还会使筋骨变得迟缓无力。
二. 搭配豆类食用大黄米营养价值更高
中医认为，大黄米在五行属金，归经入肺、大肠，性味是甘温的，能够补肺气，对肺病患者有益，还具有补中益气、止泻痢的作用。
历史上，大黄米就经常被当作食疗之品。在《洪椴辑刊医药摄生类八种》的食治养老方中记载，老人若出现泻痢不止、面色萎黄、日渐消瘦、乏力、胃口差等症状，可用大黄米煮粥，再以阿胶末调和，空腹服用。
《食医心鉴》中说，治疗小儿每天下痢几十次，近乎虚脱的病症，可用大黄米煮粥，快熟的时候加入鸡蛋黄、蜡（蜂蜡），搅拌均匀食用。同样治疗泻痢。
在以上这些食疗方中，大黄米补气止泻，偏于治标；阿胶、鸡蛋黄等都具有滋阴补血的功效，偏于治本，符合泄泻过多、津液亏虚的状态。二者同食则标本兼顾，既可止泻又能养阴，从而起到标本兼治的最佳疗效。
但大黄米和糯米的黏性类似，若食用过多就会影响脾胃的正常运化，也就是中医所说的“碍脾胃”，体内就容易因此生湿化热，阻碍气血运行，让人产生烦热的感觉，还会使筋骨变得迟缓无力。
三. 搭配豆类食用大黄米营养价值更高
大黄米的营养价值颇高，含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素和矿质元素。
糯性品种的蛋白质含量一般在13.6%左右，最高可达17.9%。其中，组成身体蛋白质的必需氨基酸含量均高于小麦、大米和玉米，但含量比例不平衡。所以，食用时，搭配适量的乳制品和豆类等其他富含氨基酸的食物，可以提高饮食的营养价值。
大黄米中膳食纤维含量也显著高于常见谷类食品。膳食纤维作为一种特殊的碳水化合物，是不能被人体消化的，这样有利于增加肠内食物的体积，刺激胃肠道的蠕动，保持大便通畅，缓解便秘症状，从而降低肠道癌症的发病率，并且能改善肠道菌群，维持体内的微生态平衡。此外，膳食纤维还可以预防冠心病。
有研究表明，大黄米中维生素的含量均高于大米。此外，大黄米所含矿质元素也较为丰富，其常量元素及微量元素的含量高于水稻的3.4倍、小麦的2.3倍、玉米的1.05倍。其中钾、镁、钙的含量较高，钠的含量较低，这种高钾低钠特性的谷物，适合于心血管病、高血压病的人群选择食用。而镁在人体内有防止心血管硬化的作用，因此，适量食用大黄米可以保护心血管健康。
四. 糖尿病患者不可多吃大黄米
大黄米好吃又营养，看到这里是不是已经迫不及待要尝试一下？别急，对于糖尿病患者来说，还真得先弄清楚能不能食用这一美味。
在很多人的观念里，血糖高的人群适合吃五谷杂粮，不是因为它们的热量低，而是其膳食纤维多、饱腹感强，消化吸收速度慢，从而可以让人少吃点主食，也就是减少糖分的摄入量。
大黄米虽然是五谷中的一种，但它升高血糖的能力可不容小觑。有研究表明，大黄米虽然为全谷类食物，但血糖反应显著高于小米、粳米（以粳米的血糖指数为100作为参照，大黄米的血糖指数最高可达150以上），与葡萄糖相当，不适合血糖控制不佳的人群大量食用。
对于正在努力控制血糖的人群，可以适当食用大黄米类食物换换口味、解解馋，但不可贪多，用它代替普通细粮或者其他全谷杂粮饭则是不合适的。
大黄米，具有较高的营养价值，尤其膳食纤维、维生素及矿物质含量丰富，也是药食同源之品，有良好的补益功效。虽是作为五谷杂粮的一种，但大黄米的餐后血糖反应显著，糖尿病人群不宜多食。
黍（shǔ）是我国最古老的作物之一，产地主要分布在华北、西北的部分地区，是当地人的主要口粮。
黍去皮之后即为大黄米，按品种不同，可分为粳黄米与糯黄米。
粳黄米，俗称硬黄米，米粒透明、有光泽，黏性低；糯黄米，俗称软黄米、黏黄米，米粒粉质、不透明，黏性大，常将其磨面作糕点，也用于酿酒。
大黄米颜色淡黄，熟后黏性增强，无论是蒸煮、清炖，还是烧卤、煎炸都风味香浓，甜软香糯，一般人群均可食用。
在我国应用最广的就是大黄米制作的各类风味小吃，著名的有传统小吃茶汤、杏仁茶、驴打滚、炒米、炸糕、年糕、清真酥香糖、汤团、粽子、黄米粉、黄米面等。
一. 少食益气止泻，多吃有碍脾胃
中医认为，大黄米在五行属金，归经入肺、大肠，性味是甘温的，能够补肺气，对肺病患者有益，还具有补中益气、止泻痢的作用。
历史上，大黄米就经常被当作食疗之品。在《洪椴辑刊医药摄生类八种》的食治养老方中记载，老人若出现泻痢不止、面色萎黄、日渐消瘦、乏力、胃口差等症状，可用大黄米煮粥，再以阿胶末调和，空腹服用。
《食医心鉴》中说，治疗小儿每天下痢几十次，近乎虚脱的病症，可用大黄米煮粥，快熟的时候加入鸡蛋黄、蜡（蜂蜡），搅拌均匀食用。同样治疗泻痢。
在以上这些食疗方中，大黄米补气止泻，偏于治标；阿胶、鸡蛋黄等都具有滋阴补血的功效，偏于治本，符合泄泻过多、津液亏虚的状态。二者同食则标本兼顾，既可止泻又能养阴，从而起到标本兼治的最佳疗效。
但大黄米和糯米的黏性类似，若食用过多就会影响脾胃的正常运化，也就是中医所说的“碍脾胃”，体内就容易因此生湿化热，阻碍气血运行，让人产生烦热的感觉，还会使筋骨变得迟缓无力。
二. 搭配豆类食用大黄米营养价值更高
中医认为，大黄米在五行属金，归经入肺、大肠，性味是甘温的，能够补肺气，对肺病患者有益，还具有补中益气、止泻痢的作用。
历史上，大黄米就经常被当作食疗之品。在《洪椴辑刊医药摄生类八种》的食治养老方中记载，老人若出现泻痢不止、面色萎黄、日渐消瘦、乏力、胃口差等症状，可用大黄米煮粥，再以阿胶末调和，空腹服用。
《食医心鉴》中说，治疗小儿每天下痢几十次，近乎虚脱的病症，可用大黄米煮粥，快熟的时候加入鸡蛋黄、蜡（蜂蜡），搅拌均匀食用。同样治疗泻痢。
在以上这些食疗方中，大黄米补气止泻，偏于治标；阿胶、鸡蛋黄等都具有滋阴补血的功效，偏于治本，符合泄泻过多、津液亏虚的状态。二者同食则标本兼顾，既可止泻又能养阴，从而起到标本兼治的最佳疗效。
但大黄米和糯米的黏性类似，若食用过多就会影响脾胃的正常运化，也就是中医所说的“碍脾胃”，体内就容易因此生湿化热，阻碍气血运行，让人产生烦热的感觉，还会使筋骨变得迟缓无力。
三. 搭配豆类食用大黄米营养价值更高
大黄米的营养价值颇高，含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素和矿质元素。
糯性品种的蛋白质含量一般在13.6%左右，最高可达17.9%。其中，组成身体蛋白质的必需氨基酸含量均高于小麦、大米和玉米，但含量比例不平衡。所以，食用时，搭配适量的乳制品和豆类等其他富含氨基酸的食物，可以提高饮食的营养价值。
大黄米中膳食纤维含量也显著高于常见谷类食品。膳食纤维作为一种特殊的碳水化合物，是不能被人体消化的，这样有利于增加肠内食物的体积，刺激胃肠道的蠕动，保持大便通畅，缓解便秘症状，从而降低肠道癌症的发病率，并且能改善肠道菌群，维持体内的微生态平衡。此外，膳食纤维还可以预防冠心病。
有研究表明，大黄米中维生素的含量均高于大米。此外，大黄米所含矿质元素也较为丰富，其常量元素及微量元素的含量高于水稻的3.4倍、小麦的2.3倍、玉米的1.05倍。其中钾、镁、钙的含量较高，钠的含量较低，这种高钾低钠特性的谷物，适合于心血管病、高血压病的人群选择食用。而镁在人体内有防止心血管硬化的作用，因此，适量食用大黄米可以保护心血管健康。
四. 糖尿病患者不可多吃大黄米
大黄米好吃又营养，看到这里是不是已经迫不及待要尝试一下？别急，对于糖尿病患者来说，还真得先弄清楚能不能食用这一美味。
在很多人的观念里，血糖高的人群适合吃五谷杂粮，不是因为它们的热量低，而是其膳食纤维多、饱腹感强，消化吸收速度慢，从而可以让人少吃点主食，也就是减少糖分的摄入量。
大黄米虽然是五谷中的一种，但它升高血糖的能力可不容小觑。有研究表明，大黄米虽然为全谷类食物，但血糖反应显著高于小米、粳米（以粳米的血糖指数为100作为参照，大黄米的血糖指数最高可达150以上），与葡萄糖相当，不适合血糖控制不佳的人群大量食用。
对于正在努力控制血糖的人群，可以适当食用大黄米类食物换换口味、解解馋，但不可贪多，用它代替普通细粮或者其他全谷杂粮饭则是不合适的。
#脱贫攻坚#【泗县：林下开出“致富花”】泗县黑塔镇马场村，村里的农闲的妇女正在忙着采收菊花。今年该村尝试在三百亩突尼斯软籽石榴园中套种优质杭白菊等三个菊花品种，不仅大大提高了土地利用效率，也使亩均增收达到1500元左右，并带动20多名贫困户家门口就业，为他们提供了脱贫致富新途径。采收上来的菊花，经过挑拣、上架、烘干、包装等程序，制作成优质菊花茶销往各地。金色的杭白菊已然成为当地村民眼中的“致富花”。 (马远征 /王眷)
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