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  • 中國科學技術大學發表10篇CNS,全球學術排名表現出色

    2019年9月06日 09:50:05 來源: iNature
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    1. Science:中國科學技術大學在量子力學再取新突破

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      實現對量子系統的調控是人類認識并利用微觀世界規律的必然訴求,也是諸多前沿科學領域的核心要素。自旋作為一種重要的量子調控研究體系,在世界各國的量子計劃中均被列為重點研究對象。開展單自旋量子調控研究有助于人們在更深層次上認識量子物理的基礎科學問題,將有力推動基于量子力學原理的量子信息科學、量子精密測量、量子導航等諸多前沿學科研究。杜江峰研究組長期在固態自旋量子調控及應用方面進行研究,系統性提出了固態自旋量子調控實驗方法新理念,并立足國內自主研制了一系列國際領先的自旋調控實驗裝備,在自制裝備上系統性地發展了單自旋量子調控技術,把微觀磁共振手段推廣應用于物理、生物、化學等前沿科研中。本文是他們繼實現世界最高精度的單自旋量子操控之后,將目標聚焦于如何在單自旋體系中實現非厄米哈密頓量的操控,以期實現新奇的物理學現象觀測。

      眾所周知,量子體系的狀態演化由哈密頓量確定并服從薛定諤方程。在傳統量子力學框架中,實的能量本征值由哈密頓量滿足厄米性所保障。然而,Bender于1998年提出一類滿足宇稱時間對稱性的非厄米哈密頓量也可保證物理能量本征值為實數,可以描述包括開放系統在內更普遍的對象,從而拓展了量子力學的范疇。尤其值得指出的是,非厄米哈密頓量所描述的物理體系能夠展示出一些新奇的物理性質,因此激發了物理學界強烈的研究興趣。盡管宇稱時間對稱哈密頓量的概念源于對量子力學框架的拓展,但是通常的量子體系由厄米哈密頓量所描述,從而要在通常的量子體系中實現宇稱時間對稱哈密頓量的演化具有巨大挑戰。先前的理論指出引入耗散過程可實現宇稱時間對稱哈密頓量,然而耗散會不可避免地破壞量子相干性,非常不利于在量子系統中開展相關研究,因此之前絕大部分相關研究為基于經典物理體系開展模擬實驗。

      杜江峰研究組提出了一種新理論方案,通過引入一個輔助比特在量子系統中研究由非厄米哈密頓量所支配的演化規律。該方法對非厄米哈密頓量本身沒有任何限制,包括任何維度及含時演化,均只需要消耗一個輔助比特的代價來實現?;诖朔桨?,研究組將金剛石中的一個氮-空位缺陷中的電子自旋用作系統比特,一個核自旋作為輔助比特,實現了宇稱時間對稱哈密頓量,并觀測到宇稱時間對稱性破缺現象。實驗結果首次展示了單自旋量子態在宇稱時間對稱哈密頓量支配下的演化。通過調節哈密頓量的參數,可以清晰地觀測到從對稱性未破缺到對稱性破缺的相變過程(如圖所示)。實驗結果驗證了新方案的可行性,為進一步研究非厄米哈密頓量相關的新奇物理性質提供了堅實的基礎。

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    圖:實驗觀測到宇稱時間對稱性破缺。A、B分別為宇稱時間對稱哈密頓量HPT本征能量E的實部和虛部。哈密頓量在其參數0<r<1的區域,宇稱時間對稱性未破缺,能量本征值為實數;在r>1的區域,宇稱時間對稱性破缺,能量本征值為虛數;r=1處為相變點。(圖來源于《科學》文章正文)

      該工作使得人們能夠用一種更普遍的方式來實現量子調控,從而開啟了實驗研究非厄米量子力學的新篇章。該成果適用于在各種量子體系實現任意非厄米哈密頓量,從而為開展廣泛的量子力學基礎問題研究,例如在非厄米哈密頓量下研究新拓撲不變量、量子熱力學、以及開放系統中的退相干和耗散等提供實現途徑。另外基于相變點可以提高量子測量的靈敏度,有望在基于金剛石色心的量子精密測量領域得到重要應用。

      中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生伍旸和碩士研究生劉文權為該文并列第一作者,杜江峰院士和榮星研究員為論文的共同通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。

      注:解析參考中國科學技術大學官網介紹。

      參考信息:

      https://science.sciencemag.org/content/364/6443/878

      解析鏈接:

      http://news.ustc.edu.cn/2019/0531/c15884a382020/page.htm

      2.Nature:中國科大在揭示人類皰疹病毒的基因組包裝機制方面取得重大突破

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      2019年5月30日,《自然》雜志在線發表了中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院劉云濤博士、畢國強教授與合作者的研究論文,該工作利用冷凍電鏡首次解析了人類皰疹病毒基因組包裝的關鍵機制以及病毒的DNA基因組結構,有助于預防和控制皰疹病毒引發的多種疾病,并可望改造皰疹病毒用于靶向治療。

      皰疹病毒在自然界中廣泛存在,在感染人體后能夠引發多種疾病,包括帶狀皰疹、出生缺陷、多種免疫系統疾病以及癌癥。皰疹病毒包括囊膜、中間體蛋白層、衣殼和基因組四層結構,其中衣殼通常被視為一個正二十面體,其上有一個獨特的DNA通道,是病毒基因組進出的地方。在皰疹病毒生命周期中,最關鍵的過程之一就是將DNA剪切酶“召集”到該DNA 通道上,識別、包裝和切割雙鏈DNA,最終產生含有基因組的病毒粒子。當病毒基因組在病毒衣殼內裝滿后,會發出某種信號,從而切除冗余的DNA以完成組裝。由于缺乏病毒基因組和衣殼DNA通道的高分辨結構,人們對于病毒粒子的基因組包裝過程知之甚少。

      利用冷凍電鏡解析生物大分子的原子分辨率三維結構已成常態,然而對于皰疹病毒基因組結構以及包裝基因組的分子機器(即DNA通道)的結構解析仍舊需要克服諸多困難,例如:1、皰疹病毒顆粒具有巨大的直徑,導致對于每個病毒顆粒來說,只有部分區域在冷凍電鏡成像時能夠很好地處于成像焦平面,極大限制了結構解析的分辨率。2、通常對皰疹病毒結構的解析采用正二十面體對稱的重構方式來獲得高分辨衣殼結構,但是DNA通道和基因組不符合二十面體對稱性。3、DNA具有雙螺旋對稱,DNA通道蛋白大致具有十二重對稱性,而病毒頂點的衣殼蛋白具有五重對稱性,這種偶聯的對稱性不匹配極大地增加了結構解析的復雜度。

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    人類I型單純皰疹病毒(HSV-1)DNA通道蛋白的原子分辨率三維結構

      為了攻克這一難題,研究人員建立了一套基于連續局部分類和對稱性釋放的重構方法,有效地從病毒的冷凍電鏡照片中重建出DNA通道的原子分辨率結構和大部分基因組的三維結構,發現病毒基因組具有左手超螺旋的纏繞方式和一個無序核心。進而,提出病毒可以通過序列識別和構象傳遞兩種方式感知和傳遞基因組包裝的信號,并發現病毒使用“剛性框架-靈活連接”策略獲得不匹配的對稱性,這種不對稱性導致的棘輪運動可能是病毒DNA轉運進出衣殼的結構基礎。

      理解皰疹病毒DNA轉運和基因組包裝信號獲取和傳遞的基本規則,一方面有望針對性用于皰疹病毒引起的疾病的預防和控制;另一方面,這些發現有助于對皰疹病毒進行改造,使其成為更實用的載體工具,并用于靶向治療或大腦神經環路示蹤等。此外,病毒這種通過DNA超螺旋組裝方式來減輕基因組組裝過程中的DNA變形扭矩,對于揭示細胞的基因組組織結構有借鑒意義。

      該研究展示了皰癥病毒完整的非對稱結構,獲得了第一個真核生物病毒的DNA通道原子模型,也是第一次探測到DNA在通道里的扭曲狀態。審稿人評論說,“作者采用最前沿的局部分類方法對皰疹病毒結構的完美解析,堪稱高分辨冷凍電鏡三維重建的匠心力作?!?/p>

      原文鏈接:

      https://www.nature.com/articles/s41586-019-1248-6

      解析鏈接:

      http://news.ustc.edu.cn/2019/0530/c15884a381897/page.htm

      3.Science:超導量子計算在強關聯糾纏體系的量子隨機行走實驗研究中取得重要進展

      中國科學技術大學潘建偉、朱曉波和彭承志等組成的超導量子實驗團隊,聯合中國科學院物理研究所范桁等理論小組,開創性地將超導量子比特應用到量子隨機行走的研究中。該工作將對未來多體物理現象的模擬以及利用量子隨機行走進行通用量子計算研究產生重要影響。這一重要研究成果于5月2日在線發表在國際權威學術期刊《科學》上。

      量子隨機行走是經典隨機行走在量子力學中的拓展,區別于經典隨機行走,量子隨機行走利用量子疊加態的特性,粒子在格點中游走特性需要用量子力學的波函數統計規律來詮釋。量子隨機游走本身可以模擬多體物理體系的量子行為,并且理論上最終可用于通用量子計算,因而引發了高度關注。

      超導量子計算作為量子計算最有前景的方案之一,受到各國政府的高度關注,也得到了包括Google、IBM、Intel、騰訊、阿里巴巴等在內的各大型公司的直接投入。超導量子計算作為固態量子計算方案,其內在的優勢就在于其工藝上就具有良好的可擴展性。然而在不斷集成更多的量子比特的同時,如何保證所有量子比特的質量是目前最大的挑戰。

      近兩年來,雖有報道IBM、Google等公司的超導量子計算研究團隊分別研發了50比特及72比特的超導量子處理器,但是至今仍未能有完整的公開數據表明其處理器的質量,在最大糾纏比特數目這一標定多量子比特計算系統的關鍵指標上也沒有結果發表。潘建偉教授及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等人通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特處理器,成功實現了12個超導量子比特的多體真糾纏態“簇態”的制備。這個新的工作打破了此前由中國科大、浙江大學、物理所聯合研究組創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。尤其重要的是,中國科大小組生成糾纏的方式是由標準的量子比特門搭建而成,不同于先前的集體共振耦合,根本上具有更好的可擴展性。這一記錄也是目前固態量子系統內最大的多體真糾纏比特數目,標志著中國科大自主研制的超導量子計算系統的整體性能已達到了國際最先進的水平,為下一步實現大規模隨機線路采樣等“量子霸權”問題和可擴展單向量子計算奠定了基礎。相關成果以“編輯推薦”的形式近期發表于《物理評論快報》。

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    圖1:單光子在11個一維鏈超導量子比特中的隨機游走。A/D、B/E、C/F分別為從中間位置、最左端及最右端開始激發量子比特并進行隨機游走。實驗上清晰地觀察到了激發在邊緣的反射形成的回波,與理論吻合。(圖來自《科學》文章正文)

      正是基于所自主研制的高質量的超導量子計算系統,研究團隊首次在固態量子計算系統中實驗演示了強關聯糾纏體系的量子隨機游走。研究團隊研究了單粒子及雙粒子激發下一維短程耦合的量子隨機行走,觀察到了高保真度的態、糾纏度及關聯函數在時空光錐中的含時演化。此外,實驗上首次觀察到了由于邊界反射及波函數干涉形成的次級糾纏波陣面的傳播行為。在引入雙粒子激發的情況下,實驗上觀測到了由時間依賴的長程反相關的強關聯光子形成的費米子化行為,描繪出光子的反聚束行為。該工作首次利用人工量子比特進行光子反聚束行為的模擬,為未來利用量子隨機行走進行多體物理現象的模擬以及通用量子計算研究打下了基礎。

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    圖2:雙光子在12個量子比特中的隨機游走。A、B分別展示了激發中間位置及邊緣位置兩個量子比特后的隨機游走行為。C-H展示了隨著時間演化,二階關聯與量子比特運動方向的關系,展示了強關聯光子的費米子化行為。(圖來自《科學》文章正文)

      中國科學技術大學朱曉波是負責該項工作實驗部分的通訊作者,中國科學院物理研究所范桁是負責理論部分的通訊作者。閆智廣(中國科學技術大學)、張煜然(北京計算科學中心/物理所)和龔明(中國科學技術大學)是文章的共同第一作者。

      上述工作得到了科技部、中科院、國家自然科學基金委、安徽省和上海市等單位的資助。

      解析鏈接:

      http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0506/c6076a380131/page.htm

      4.Nature:發現首例磁星驅動的X射線暫現源

      中國科學技術大學物理學院天文系薛永泉教授研究組領銜的一項研究,發現了首例雙中子星并合形成的磁星所驅動的X射線暫現源,證實了雙中子星并合直接產物可以是大質量毫秒磁星,明確了一系列關于中子星物態方程與極高磁場強度等基本物理規則條件,進而深化了對中子星基本屬性的認識,證實了之前的理論預言。該研究成果以“A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron-star merger”為題,于4月11日在線發表在國際權威期刊《Nature》上。

      中子星是大質量恒星演化后期發生超新星爆炸以后形成的致密天體,是宇宙中最為神奇的天體之一。它幾乎全部由中子組成,具有超高密度(即核密度,為水密度的上億倍)、超強磁場(為地表磁場的上億倍)等極端物理屬性,是檢驗基本物理規律極佳的天然實驗室。然而,迄今為止,人們對于中子星自身基本屬性(例如物態方程)的認識還是相對模糊的。

      雙中子星并合的直接產物除了黑洞之外是否還可能是中子星,一直以來尚無定論。早在2006年南京大學戴子高教授領銜的一項理論研究就預言,如果中子星物態方程足夠硬,即壓強隨著核密度變大而顯著增加,則至少應有一些雙中子星并合事件在產生引力波暴的同時,會產生大質量毫秒快轉的極強磁場中子星(即毫秒磁星,其磁場為地表磁場的上百萬億倍;見圖1)或者甚至是穩定的中子星。由于磁星所驅動的X射線輻射基本各項同性,因而如果觀測視線與其噴流(會產生短伽瑪射線暴)方向夾角較大時,我們將預期看到一個沒有對應的短伽瑪射線暴、光變曲線具有特征平臺期的X射線暫現源,然而這樣的天體卻從未被發現。

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    圖1:遙遠宇宙中神秘磁星的假想圖(圖像創作:王國燕、何聰)

      薛永泉教授等人在迄今為止最深、最靈敏的X射線巡天——七百萬秒錢德拉南天深場(7Ms CDF-S)里發現了一個新型的X射線暫現源(稱為CDF-S XT2,簡稱XT2;其X射線輻射僅持續了約7個小時),其紅移為0.738,即距離我們約66億光年遠。觀測數據與理論分析顯示:(1)XT2沒有伽瑪射線探測。(2)XT2的光變曲線具有從平臺期(即光度基本不變)到下降期(光度隨時間t成-2次方冪律衰減)快速演化的特征形狀與時標(見圖2左上及圖2下),與理論預言的大質量毫秒磁星產生的X射線輻射完美吻合。(3)XT2位于其寄主星系的外沿(見圖2右上),這和雙中子星受超新星爆炸不對稱的反沖力作用被“踢出”至星系邊緣的圖像吻合;而且基于XT2寄主星系各項物理屬性算出的XT2起源于雙致密星并合的概率非常得高。(4)估算的類似XT2的暫現源事件發生率被修正到位于近鄰宇宙里的值時,其與由第一例雙中子星并合引力波事件GW170817可靠導出的雙中子星并合發生率相符,從而進一步支持了XT2的雙中子星并合起源。以上論據一致表明,XT2是首例雙中子星并合形成的磁星所驅動的X射線暫現源,且其沒有對應的短伽瑪射線暴。

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    圖2:XT2的X射線特征光變曲線(左上)

    與圖像(下)及其相對寄主星系的位置(右上)

      中國科大薛永泉教授為該論文第一兼通訊作者,其碩士研究生鄭學琛與美國內華達大學張冰教授為論文共同通訊作者,北京大學李曄博士與紫金山天文臺吳雪峰研究員等人為論文主要作者。該項研究得到了國家自然科學基金、科技部973計劃、中科院前沿科學重點研究計劃項目等的資助。

      論文鏈接:

      https://doi.org/10.1038/s41586-019-1079-5

      解析鏈接:

      http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0411/c6076a378088/page.htm

      5.Science:中國科學技術大學在可見光催化脫羧偶聯反應領域取得重要突破

      光催化利用光照來激發電子引發化學反應,能夠在溫和條件下實現化學鍵的斷裂與重組。相比于傳統的加熱反應,具有綠色清潔、安全環保和易于控制等優點。近年來,光催化反應在合成化學領域不斷取得突破,一系列光催化反應體系被發現,并成功應用于各種復雜化合物的合成中,展現出突出的合成價值和應用潛力。然而,目前光催化劑主要為貴金屬配合物(Ir、Ru等)和有機染料,催化體系通過吸收可見光來激發電子從基態躍遷到激發態,進而與底物發生單電子轉移(SET)實現催化循環(圖1-1)。而這種可見光誘導的分子內電荷轉移需要分子中含有大π離域結構或者金屬-配體絡合共軛產生帶隙,才能在低能量可見光范圍內具有吸收效應,因此為了實現可見光激發的電子躍遷,需要引入復雜分子結構,會不可避免地增加光催化劑的成本。

      光誘導分子間的電荷轉移可以通過非共價鍵的方式在電子給體和受體之間發生,并不限定每一個底物(給體或受體)都要在特定波長范圍內具有吸收效應,只需要滿足給體和受體結合形成的復合物在特定波長的范圍內具有吸收即可,這樣就可以簡化光催化體系構成,降低催化劑成本。雖然這種光能利用方式已廣泛應用于光伏器件中,但以催化還原催化循環的機制應用于合成領域仍是未被提出過的新概念。

      中國科學技術大學傅堯和尚睿研究團隊長期致力于發展生物質來源的有機羧酸脫羧轉化領域的研究?;诰G色催化的理念,該團隊首次提出了基于可見光激發的分子間電荷轉移用于光氧化還原催化的新概念,發現了一種簡單易得、高效環保的非金屬陰離子復合物光催化體系,成功實現了溫和條件的脫羧偶聯反應,突破了傳統反應需要貴金屬光催化劑或有機染料的限制。研究成果以“Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide”為題,于2019年3月29日以研究長文的形式在線發表在國際權威期刊《Science》上。

      文中通過理論計算發現碘化鈉、三苯基膦以及活性羧酸酯通過庫侖力形成電荷轉移復合物(CTC)釋放能量值為3.8 kcal/mol。按照Marcus理論,碘到鄰苯二甲酰亞胺片段的電子轉移能壘為61.2 kcal/mol,而不加入三苯基膦時,類似的電子轉移過程必須克服更高的能壘(86.5 kcal/mol)。三苯基膦一方面可以促進電子的轉移,另一方面可以捕獲碘自由基形成Ph3P–I?。理論計算結果表明Ph3P–I?具有還原能力,其自旋密度離域于碘原子和膦原子之間,這種陰離子復合物類似于氧化還原型光催化劑的氧化態的形式,具有參與構建光誘導的氧化還原循環圈的可能(圖1-2)。

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    圖1.催化劑體系和電荷能量轉移模型(左)、光催化反應裝置(右)

      結合上述理論計算研究,該研究團隊成功實現了催化脂肪羧酸衍生物脫羧反應,生成的烷基自由基中間體可以和多種底物結合,實現溫和條件下的Minisic反應和Heck反應。通過該催化體系,多種天然、非天然氨基酸可以與烯醇硅醚發生反應,并且放大到克級規模時仍可保持較高的催化效率,為β-氨基酮類化合物的制備提供一種有效途徑。更有價值的是,該催化體系與商業化的手性磷酸協同催化時,氨基酸可以與氮雜環反應,實現氮雜環C2位不對稱α-氨基烷基化反應,為含氮雜環類藥物分子的不對稱修飾提供了一種有效手段。此外,天然產物和合成化學品中廣泛存在的烷基胺類衍生物還可以發生脫氨Heck反應。(圖2)。

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    圖2.光誘導非金屬陰離子復合物催化的脫羧脫胺偶聯反應

      這種新型非金屬陰離子復合物光催化體系大大降低了催化劑成本,可應用于多種重要的功能分子的合成,解決了過渡金屬在功能化合物和藥物合成中殘留等問題,為生物質羧酸分子轉化、手性藥物合成和多肽修飾提供了新的手段,具有重要的合成化學價值和良好的工業應用前景。

      該研究工作得到了科技部、基金委、中科院和合肥大科學中心的支持。

      論文鏈接:

      http://science.sciencemag.org/content/363/6434/1429

      解析鏈接:

      http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0408/c6076a377835/page.htm

      6Cell:中國科學技術大學薛天,鮑進及馬薩諸塞大學醫學院韓綱使人看得更遠

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      視覺是人類必不可少的感官方式。我們的視覺系統可以探測到400到700 nm之間的光,即所謂的可見光。在哺乳動物感光細胞中,由視蛋白及其共價連接的視網膜組成的光吸收色素被稱為固有光子檢測器。然而,檢測較長波長的光,例如近紅外(NIR)光,雖然是理想的能力,但對哺乳動物來說是一項艱巨的挑戰。這是因為利用較低能量的光子檢測較長波長的光需要視蛋白(例如,人類紅錐視蛋白)具有低得多的能量障礙。因此,這導致難以忍受的高熱噪聲,因此使NIR視覺色素不實用。這種物理限制意味著沒有哺乳動物感光器可以有效地檢測超過700nm的NIR光,并且哺乳動物不能看到NIR光并將NIR圖像投射到大腦。

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    pUMP的特征

      為此,納米粒子與生物系統的成功整合加速了基礎科學發現及其向生物醫學應用的轉化。在這里,研究人員報告了一種可注射,自供電,內置近紅外光納米天線,可以將哺乳動物的可見光譜擴展到近紅外范圍。這些視網膜光感受器結合上轉換納米顆粒(pbUCNP)充當微型能量轉導器,其可以將體內哺乳動物的不可見NIR光轉換成短波長可見發射。

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    pbUCNPs的生物相容性

      通過視覺皮層中的體內視網膜電圖(ERG)和視覺誘發電位(VEP)記錄,研究人員顯示注射pbUCNP的小鼠的視網膜和視皮層均被NIR光激活。通過動物行為測試,研究人員進一步證明注射pbUCNP的小鼠獲得了NIR光感和獨特的環境日光兼容的NIR光圖像視覺。因此,內置的NIR nanoantennae可以使哺乳動物的視覺光譜有效地延伸到NIR領域而沒有明顯的副作用。令人興奮的是,研究人員發現注射pbUCNP的動物同時感知NIR和可見光模式。

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    文章總結

      因此,這些新型光感受器結合NIR光納米天線提供可注射的,自供電的,生物相容的和NIR可見光兼容的解決方案,以將哺乳動物視覺光譜擴展到NIR范圍。這一概念驗證研究應指導未來的研究,以擴展人類和非人類視覺,而無需任何外部設備或遺傳操作。賦予具有近紅外視覺能力的哺乳動物也可以為重要的民用和軍用應用鋪平道路。

      參考信息:

      https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1#

      7Nature:中國科學技術大學在高效去除氫氣中微量CO研究方面取得突破性進展

      氫能是未來最理想的一種清潔能源。氫燃料電池汽車以氫氣為燃料,能量轉化效率高,清潔零排放,是未來新能源清潔動力汽車的主要發展方向之一。然而氫燃料電池汽車的推廣目前仍然困難重重,其中一個關鍵難題是氫燃料電池電極的CO中毒問題?,F階段,氫氣主要來源于甲醇和天然氣等碳氫化合物的水蒸汽重整、水煤氣變換反應等,通常含有0.5%~2%的微量CO。作為氫燃料電池汽車的“心臟”,燃料電池電極極易被CO雜質氣體毒化,從而致使電池性能降低和壽命縮短,嚴重限制了該類汽車的推廣。富氫氛圍CO優先氧化(PROX)是車載去除氫氣中微量CO的最理想方式。然而現有PROX催化劑工作溫度相對較高(室溫以上)且區間窄,無法在寒冷條件下為氫燃料電池頻繁冷啟動過程中提供有效保護。

      針對該技術難題,中國科學技術大學路軍嶺教授、韋世強教授、楊金龍教授等課題組密切合作,利用原子層沉積技術(ALD),首次設計出一種新型Fe1(OH)x-Pt單位點界面催化劑結構(圖1),并在低溫高效去除氫氣中微量CO制備高純氫氣方面取得突破性進展。研究成果以“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H2”為題,于2019年1月31日在線發表在國際權威期刊《Nature》上。

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    圖1.Fe1(OH)x-Pt單位點界面新型催化劑結構模型示意圖。這里藍色、黃色、紅色、白色小球分別代表鉑、鐵、氧和氫原子。

      該工作中,路軍嶺課題組充分利用ALD技術中的表面自限制反應以及二茂鐵金屬源在貴金屬表面解離吸附和分子間空間位阻效應的特性,成功地在SiO2負載的Pt金屬納米顆粒表面上,原子級精準地構筑出單位點Fe1(OH)x物種,進而促成了豐富且具有超高活性和高穩定性的Fe1(OH)x-Pt單位點界面催化活性中心的形成。在PROX反應中,研究人員利用該新型催化劑首次在~-75 °C至110 °C的超寬溫度區間,成功實現了100%選擇性地CO完全去除(圖2a,b),極大突破了現有PROX催化劑工作溫度相對較高且區間窄的兩大局限性,為氫燃料電池在寒冷條件下頻繁冷啟動和連續運行期間避免CO中毒,提供了一種全方位的有效保護手段,從而為未來氫燃料電池汽車的推廣掃清了一重大障礙。更難能可貴的是,該催化劑在模擬真實環境,即CO2和水汽都存在的情況下,仍可表現出極佳的穩定性(圖2c),且比質量催化活性(5.21 molCO?h-1?gPt-1)是傳統Pt/Fe2O3催化劑的30倍(圖2d)。

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    圖2.利用ALD方法制備出來的1cFe-Pt/SiO2、2cFe-Pt/SiO2、3cFe-Pt/SiO2單位點界面催化劑和常規Pt/SiO2、Pt/Fe2O3催化劑在PROX反應中的催化性能對比。(a)CO轉化率;(b)CO選擇性;反應條件:1% CO、0.5% O2和48% H2,平衡氣為氦氣,空速為36,000 ml g?1 h?1,壓力為 0.1 MPa。(c)1cFe-Pt/SiO2催化劑的長時間穩定性測試。反應條件:1% CO、0.5% O2、48% H2、20% CO2和3% H2O,平衡氣為氦氣,空速為36,000 ml g?1h?1; 壓力為 0.1 Mpa,反應溫度為353 K。(d)催化劑比質量活性的對比。

      韋世強教授課題組利用原位X射線吸收譜(XAFS)從實驗上探測到Fe1(OH)x物種在PROX反應氣氛中的結構是Fe1(OH)3,Fe原子與Pt納米顆粒表面Pt原子形成Fe-Pt的金屬鍵,而無明顯的Fe-Fe鍵,并且驚奇地發現該物種具有超高還原特性,在室溫就實現氫氣還原生成Fe1(OH)2,揭示了其高催化活性的內在原因。王兵教授課題組利用掃描隧道電子顯微鏡(STM)研究了FeOx ALD在Pt單晶表面的生長行為,觀察到了亞納米尺寸FeOx物種的形成,從而直接證明了在Pt表面上形成單分散Fe物種的可能性。與此同時,近常壓X-射線光電子能譜(NAP-XPS)實驗也進一步證實PROX反應氣氛下,與Fe成鍵的氧物種是羥基物種。

      楊金龍教授課題組理論計算確定了Fe1(OH)3在Pt表面上的空間構型,證實Pt顆粒表面上形成的Fe1(OH)x-Pt單位點界面是其催化活性中心,并揭示了其催化反應機理:吸附的CO首先進攻其中一個OH,形成COOH表面中間物種;此后,O2在該界面處以極低的勢壘活化;形成的原子O隨后進攻COOH,最終生成CO2。

      眾所周知,金屬—氧化物界面在眾多催化反應中起著至關重要的作用。該工作為人們設計高活性金屬催化劑提供了一新思路。

      該項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國家基礎科學中心項目、中組部“青年千人”計劃、瑞典瑞典研究協會和克努特和愛麗絲布·瓦倫堡基金會的支持,并由衷地感謝北京同步輻射、上海同步輻射、合肥國家同步輻射中心以及瑞典Max-lab等國家實驗室為該項研究提供的寶貴機時。

      論文鏈接:

      https://www.nature.com/articles/s41586-018-0869-5

      解析鏈接:

      http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0202/c6076a372236/page.htm

      8Science:中國科學技術大學在超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得實質性突破

      中國科學技術大學潘建偉、趙博等利用超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得重大突破:他們通過對磁場的精確調控首次在實驗上觀測到超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振,向基于超冷原子分子的超冷量子化學研究邁進了重要一步。1月18日,這一重要研究成果發表在國際權威學術期刊《科學》上。

      量子計算和量子模擬具有強大的并行計算和模擬能力,不僅為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案,也可有效揭示復雜物理系統的規律,為新能源開發、新材料設計等提供指導。量子計算研究的終極目標是構建通用型量子計算機,但這一目標需要制備大規模的量子糾纏并進行容錯計算,實現這一目標仍然需要經過長期不懈的努力。當前,量子計算的短期目標是通過發展專用型量子計算機,即專用量子模擬機,能夠在某些特定的問題上解決現有經典計算機無法解決的問題。例如,超冷原子分子量子模擬,利用高度可控的超冷量子系統來模擬復雜的難于計算的物理系統,可以對復雜系統進行細致和全方位的研究,從而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。

      在量子模擬研究方向上,人們首先研究的是理論上可以處理的問題,通過理論和實驗比較來演示量子模擬的可靠性和潛在的優越。例如,2016年潘建偉、陳帥等在《科學》雜志發表研究論文,首次在超冷原子量子模擬中實現了二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚,發展了超冷原子人造規范場模擬凝聚態拓撲問題的新途徑;2017年,潘建偉、陸朝陽等在《自然·光子學》首次報道了針對玻色取樣任務的光量子計算原型機,超越了早期的電子管和晶體管計算機,但仍需要技術上的進一步發展才可能超越目前的經典超級計算機。此外,最近IBM、Google等國際知名科技公司利用超導量子系統模擬了小分子體系的基態能量,結果誤差滿足化學精度,相關論文發表在《自然》雜志等學術期刊上。然而,對于這一類簡化小分子,目前水平的演示性量子實驗無論在速度和精度方面都仍然無法超過經典計算機。

      量子模擬最有前途的現實應用是真正解決那些經典數值計算方法無法有效求解的重要多體問題。當前,這些問題的解決是專用量子計算機的重要發展目標。例如,在化學物理領域,通過量子力學計算原子分子相互作用勢能面以及模擬粒子在這一勢能面下分子碰撞的動力學,就是這樣一類重要科學問題。理論上計算原子分子的勢能面需要求解多電子體系的薛定諤方程來得到電子系統的基態能量。由于電子之間存在強關聯,其基態能量無法精確求解。因此理論量子化學發展各種方法來近似求解勢能面,并在小質量少電子的分子體系取得了成功。但是對大質量多電子的分子體系,理論計算的勢能面已經無法可靠地模擬分子碰撞中的動力學行為。

      通過構建針對特定問題的專用量子模擬系統,勢能面的信息可以由實驗測量原子分子的散射共振來獲得。散射共振的測量結合理論建??梢詼蚀_地反推出勢能面的全局信息,從而給出勢能面最精準的刻畫。分子的散射共振是典型的量子現象,只有在超低溫度下才會顯現出來。近年來,隨著超冷原子分子技術的發展,完全可控的超冷基態分子可以從接近絕對零度的原子氣中被制備出來。自2008年美國科學院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和葉軍(Jun Ye)的聯合實驗小組制備了銣鉀超冷分子以來,多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實驗室中被制備出來。但由于這種大質量多電子分子體系的散射共振無法在理論上進行預測,十多年來觀測超冷分子的散射共振一直是該研究領域在實驗上的重大挑戰。

      在該項研究中,中國科學技術大學的研究團隊首次成功觀測到了超低溫下鈉鉀基態分子和鉀原子間的散射共振。在實驗中,他們從溫度為幾百納開的超冷鈉和鉀原子混合氣出發,制備出處于不同超精細態的鈉鉀振轉基態分子,并將之與處于不同內態的鉀原子相混合。在此基礎上,通過精密的調節磁場來精確地調控原子分子散射態和三體束縛態的能量差,成功地在分子損失譜上觀測到了超低溫下鈉鉀基態分子和鉀原子間的一系列散射共振峰。這些散射共振提供了對含有高達49個電子的鉀-鈉-鉀三原子分子復雜體系勢能面的超高精度測量,成功獲取了勢能面在短程部分的重要信息。

      該工作得到《科學》審稿人的高度評價:“這是一個非常重要的和令人振奮的工作,雖然超冷分子已經被制備出來,卻從沒有分子散射共振被報道過”、“當前超冷化學研究的主要困難在于勢能面的短程部分的信息無法從以往的實驗中獲取。從這種意義上說,這一工作改變了超冷極性分子和超冷物理化學的游戲規則”;“這一工作是當前原子分子物理研究的亮點,具有非常重要的意義”。

      該研究工作得到了中科院、科技部、自然科學基金委和安徽省的支持。

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      論文鏈接:

      http://science.sciencemag.org/content/363/6424/261

      解析鏈接:

      http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0119/c6076a371460/page.htm

      9Science:中國科學技術大學在超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得實質性突破

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      二維電子系統中量子霍爾效應(QHE)的發現使拓撲在凝聚態物理中發揮了核心作用。盡管幾十年前提出將QHE推廣到三維(3D)電子系統的可能性,但尚未通過實驗證明。在這里,該研究全球首次在ZrTe5晶體中實現三維量子霍爾效應(3D QHE)。

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    溫度依賴性的運輸性能

      研究人員在磁場下對塊狀ZrTe5晶體進行低溫電傳輸測量,并在相對較低的磁場下實現極限量子極限,其中僅占用最低的Landau水平。在這種情況下,研究人員觀察到接近于零的無耗散縱向電阻率,伴隨著與沿場方向的費米波長的一半成比例的良好發展的霍爾電阻率平臺。這種響應是3D QHE的特征,強烈暗示了在極限量子下由增強的相互作用效應驅動的費米表面不穩定性。

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    3D QHE和邊緣狀態的傳輸過程

      通過進一步增加磁場,縱向霍爾電阻率都顯著增加并且顯示金屬  -絕緣體轉變,其表示另一個磁場驅動的量子相變。該研究結果提供了3D QHE的實驗證據,并為進一步探索3D系統中的奇異量子相和躍遷提供了有希望的平臺。

      參考信息:

      https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9

      10Nature:快速流入作為類星體中超大質量黑洞吸積盤的相鄰“燃料”

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      類星體是星系中心(或核)特別明亮的物體,被認為是通過將氣體吸收到超大質量黑洞周圍的圓盤中產生的。在銀河系和核周尺度上有觀測證據表明氣體內流向黑洞周圍的吸積盤,并且在圍繞中央吸積盤的塵埃環面上測量了這種流入量。

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    類星體JI035 + 1422的氫和氦吸收譜線

      在更小的尺度上,已建議靠近吸積盤的流入量來解釋最近對氣態寬發射線連續變化的響應建模的結果。然而,對實際到達吸積盤的流入的明確觀察是難以捉摸的。

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    JI035 + 1422中總氫濃度空間中的概率密度分布和流入的特征徑向距離

      在這里,研究人員報告在類星體樣本中檢測到紅移的氫和氦原子的寬吸收線。線條顯示寬范圍的多普勒速度,從零到紅移連續延伸,高達每秒約5,000公里。

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    模式圖

      研究人員將此解釋為氣體向內運動的速度與接近黑洞的自由落體速度相當,將最快的氣體限制在黑洞的10,000重力半徑內(重力半徑是重力常數乘以物體質量,除以光速的平方)。廣泛的光電離模擬產生大約1,000個重力半徑的流入的特征徑向距離,可能與外部吸積盤重疊。

      參考信息:

      https://www.nature.com/articles/s41586-019-1510-y


    本文來源: iNature
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    中國科學技術大學發表10篇CNS,全球學術排名表現出色
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