【Science Bulletin】2021年第17期

Quantum control of bosonic modes with superconducting circuits

马稳龙, Shruti Puri, Robert J. Schoelkopf, Michel H. Devoret, S. M. Girvin, 蒋良*

玻色模式在多种量子技术中都有重要应用, 比如光子常用于量子通信, 自旋系综中的磁振子可用于量子信息存储, 力学谐振子可用于微波到光波的量子转换. 最近的研究表明, 玻色模式也可用于进行量子计算, 其最具代表性的物理体系是超导量子谐振腔电路. 超导系统的玻色模式可以具有较长的相干时间, 量子信息可以存储在这些玻色模式的希尔伯特子空间中. 对玻色模式进行量子操控的难点在于引入除高斯操控以外的非线性操控. 本综述系统介绍了目前对玻色模式进行量子控制的各种理论方法和实验进展, 包括幺正控制、量子反馈控制、驱动-耗散控制与和乐量子控制. 文章总结的操控方法将对玻色量子计算的进一步发展具有重要的指导意义.

Classification of topological phases in one dimensional interacting non-Hermitian systems and emergent unitarity

奚文杰, 张智浩, 顾正澄*, 陈伟强*

近年来, 非厄米系统中的拓扑相是一个重要的研究热点. 本文尝试分类一维有相互作用非厄米系统中的拓扑相. 首先, 作者将SSH模型推广到了非厄米情形, 并详细讨论该模型的拓扑多体贝里相位. 在准厄米系统(能谱为实数的非厄米系统)中, 多体贝里相位是具备良好定义的. 之后, 该工作展示对于准厄米系统, 其拓扑分类与厄米情况是相同的. 最后, 对于一般性的一维有相互作用非厄米系统, 该工作构造了它们的不动点配分函数, 并且发现这些不动点配分函数仍然与厄米系统的不动点配分函数有着一一对应. 因此, 可以得出结论, 即对于一般性的一维有相互作用非厄米系统, 其拓扑分类与厄米情况是相同的.

Multi-dimensional wave steering with higher-order topological phononic crystal

徐常清, 陈泽国, 张冠卿, 马冠聪*, 吴莹*

高阶拓扑绝缘体展现出新奇的体-边对应关系, 即d维n阶拓扑绝缘体具有(d−n)维拓扑保护的边界态. 近年来, 高阶拓扑绝缘体的相关物理概念已经被拓展到光子晶体、声子晶体等体系中. 本文着重讨论声波高阶拓扑绝缘体的边界态在波调控中的具体应用. 作者利用原胞的镜像对称性和滑移对称性, 设计出一种拓扑非平庸的三维声子晶体. 该声子晶体的体能带可由非平庸的量子化体极化表征, 从而在不同维度的边界上存在拓扑保护的二维表面态、一维棱态、零维角态. 作者对二维表面态和一维棱态加以利用, 在实验上实现了拓扑边界态主导的声波在不同维度上的传播操控. 具体来说, 通过设计二维表面态的色散的设计, 实现了声波的负折射; 通过利用不同方向上的一维棱态传输, 实现了三维里的声干涉. 这些结果展示了高阶拓扑绝缘体在操控波传播方面具有独特的应用前景.

Universal lithiophilic interfacial layers towards dendrite-free lithium anodes for solid-state lithium-metal batteries

逯贯杰, 董珎材, 刘威, 蒋晓平, 杨祖光, 刘淇文, 杨秀康, 吴丹, 李宗阳, 赵倩男, 胡小林, 徐朝和*, 潘复生

固态锂金属电池具有高安全性和高能量密度的优势, 被认为是最有前景的下一代电池体系. 石榴石型固体电解质(LLZO)具有较高的离子电导率、良好的机械性能和对锂金属稳定等优点, 成为当前的研究焦点. 然而, 固态电解质与金属锂之间较差的固固界面接触和界面处不均匀的锂沉积严重阻碍了固态电池的实际应用. 本文提出一种改善固态电解质/锂负极界面润湿性的通用方法, 通过在固态电解质表面滴加一层亲锂的氧化钴量子点, 原位构建Co/Li₂O中间层. 该方法不仅可以显著降低固态电解质与金属锂之间的界面阻抗, 还可以调节界面处锂离子均匀沉积, 有效抑制锂枝晶的生长. 得益于原位构建的亲锂和导锂离子的Co/Li₂O中间层, 当组装成锂对称电池时, 其可在0.3 mA cm⁻²的电流密度下稳定循环1696 h, 且循环时过电位没有明显变化. 匹配正极LiFePO₄(LFP)或PO₄Li_1.4Mn_0.6Ni_0.2Co_0.2O_2.4(LMNC622)的固态电池在25 °C下能够稳定循环, 且具有较高的放电比容量和库伦效率.

In situ observation of cracking and self-healing of solid electrolyte interphases during lithium deposition

杨婷婷, 李荟, 唐永福, 陈敬钊, 叶宏俊, 王宝林, 张引, 杜聪聪, 姚景明, 郭柏玉, 沈同德, 张利强*, 朱挺*, 黄建宇*

锂金属电池由于其超高的理论容量, 被誉为是电池的“圣杯”. 然而, 锂金属电池循环过程中树枝状或苔藓状锂的生长会使电池容量下降、电解液消耗、内部短路甚至起火爆炸. 而直接追踪锂枝晶的生长仍然是一个巨大的挑战. 本文报道了在CO₂气氛下利用环境电镜实时地观察了电化学诱导的锂沉积. 研究发现单个锂沉积的形态强烈地受到固体电解质界面(SEI)开裂和自愈合的竞争过程的影响. 当SEI膜的开裂速度超过自愈合时, 锂晶须的定向生长占主导地位. 相反地, 当自愈大于裂纹时, 圆形锂颗粒的各向同性生长将占主导地位. 并且当SEI层是Li₂O时, 锂沉积的形貌只有球形, 没有晶须的生成. 因此, 可以通过调节锂沉积速率和SEI成分来控制锂的形貌. 本文还揭示了锂枝晶生长的一种新的“弱点”模式, 这主要是由于在晶须截面上的Bardeen-Herring生长机制的作用. 本研究对控制锂电池中锂枝晶的生长具有重要意义.

New carbon nitride close to C₆N₇ with superior visible light absorption for highly efficient photocatalysis

赵鑫宇, 赵英男, 谭华桥*, 孙慧颖, 覃星, 何永基*, 周敏, 林锦良, 李阳光*

合理设计并制备新型氮化碳是化学和材料领域的研究热点. 本文受尿素聚合的启发, 以草酰二胺替代部分尿素制备了C−C桥联、结构接近C6N7的新型氮化碳UO_x(x为尿素与草酰二胺的物质的量之比, x = 1、1.5、2、2.5和3). 密度泛函理论计算表明, UO_x的共轭性由单个庚嗪环扩展到了整个材料框架. 因此, 其禁带宽度缩小到2.05 eV, 吸收带边被大幅扩展到600 nm. 此外, 它的载流子传输和分离也得到显著增强, 因而展现出优异的光催化活性. 在一系列样品中, UO₂具有最佳的光催化活性, 其光催化析氢速率约为108.59 μmol h⁻¹ (10 mg催化剂), 表观量子效率在420和600 nm下分别为36.12%和0.33%. 此外, UO₂2对二苯肼氧化以及酚类降解也呈现明显优于传统g-C₃N₄的优异光催化活性和稳定性, 它是一类极具发展前景的新型二维材料.

MAFG-AS1/MAFG positive feedback loop contributes to cisplatin resistance in bladder urothelial carcinoma through antagonistic ferroptosis

向亮, 曾庆海, 刘建业, 肖梦卿, 何东, 张群, 谢丹, 邓敏华, 朱煜星, 刘彦, 孛昊, 刘晓明, 周鸣, 熊炜, 周艳宏, 周建大, 李晓辉, 曹科*

促进铁死亡可以降低肿瘤细胞对顺铂的耐药性, 长链非编码RNA(lncRNA)参与铁死亡的调控, 但lncRNA在调控铁死亡介导的膀胱癌顺铂耐药性中的作用尚不清楚. 本研究通过体内外实验, 综合运用ChIP、CO-IP、ChIRP、PRM-MS等实验及多种生物信息学技术探究了lncRNA MAFG-AS1调控铁死亡影响膀胱癌顺铂耐药性的作用及具体机制. 研究结果发现活化的MAFG-AS1/MAFG正反馈环可通过拮抗铁死亡增加膀胱癌的顺铂耐药性. MAFG-AS1和MAFG可作为膀胱癌的潜在治疗新靶点及化疗敏感性评估标志物.

The role of iron homeostasis in remodeling immune function and regulating inflammatory disease

母庆典, 陈立云, 高笑童, 沈舒颖, 绳文静, 闵军霞*, 王福俤*

铁作为必需微量元素, 参与调控机体重要生理过程, 其稳态代谢对于维护机体健康至关重要. 铁稳态代谢的维持受到严密而精细地调控, 一旦稳态失调控而导致的铁过载或铁缺乏均可引发多种疾病. 大量研究成果揭示铁离子及其转运体和铁代谢相关基因在维持免疫系统稳态过程中发挥重要作用, 深入理解铁稳态调控网络有助于为免疫相关疾病开拓新型防治策略. 本文综述了炎症反应和感染性疾病发生发展过程中细胞铁稳态变化规律及分子机制、宿主与病原体对铁摄取及竞争机制等最新研究进展; 深入讨论了铁稳态代谢调控巨噬细胞、B细胞、T细胞等免疫细胞增殖、分化及其发挥效应的分子机理, 包括铁作为辅助因子参与免疫细胞内TLR4信号通路的调控、线粒体氧化呼吸链的传递、转录后调控以及表观遗传修饰等; 总结了靶向铁死亡或铁稳态代谢在抵抗病原体感染、调节炎症以及提升免疫治疗等方面的临床前期最新研究成果, 讨论与展望了这些重要策略在临床治疗应用的广阔前景.

Enantioselective trapping of palladium-stabilized oxo-1,4-dipoles with photochemically generated ketenes

李苗苗, 曲宝乐, 肖雨晴, 肖文精, 陆良秋*

氧杂环化合物是许多天然产物和药物分子的核心骨架. 因此, 氧杂环化合物的高效、精准合成是现代合成化学的一个重要课题. 目前, 氧杂环骨架的构建在选择性控制、尤其是立体选择性控制方面仍存在一定的不足. 为了解决这一难题, 本文结合不对称钯催化与可见光活化, 发展了2-烷基二亚甲基碳酸酯(ADTMCs)与α-重氮酮的不对称[4+2]环加成反应, 在温和的条件下高效、高对映选择性地合成了一系列含有手性季碳中心的六元环内酯产物.

The first shrimp preserved in mid-cretaceous Kachin amber: systematics, palaeoecology, and taphonomy

邢立达, 刘煜*, Ryan C. McKellar, Javier Luque, 黎刚, 王艳萍, 易栖如, 孙瑞, 王恩泽, Denis Audo*

产自缅甸克钦的琥珀精美保存了各类动物化石, 为深入研究白垩纪中期(约99 Ma)的生态系统提供了一个独特的窗口. 克钦琥珀中甚至发现了半水生动物等其他琥珀产地暂无报道的罕见类群. 最新研究表明, 除了与淡水栖息地密切相关的众多陆生昆虫等类群以外, 克钦琥珀中还保存了菊石类、双壳类、海百合及珊瑚等海生动物类群. 这一组合表明, 克钦琥珀记录了当时多种类型的动物栖息环境, 如: 在边缘海洋环境(类似红树林的环境)中生长着盛产琥珀的森林(很可能是柏树林), 而琥珀沉积物在形成后便逐渐堆积于海湾或河口等近海海洋环境中. 本文使用光学显微镜、同步辐射和micro-CT等研究手段, 报道和描述克钦琥珀中产出的虾类动物, 并从古生态学和分类学的角度进行探讨. 在这项工作之前, 仅从墨西哥恰帕斯州的中新世琥珀中发现过一个虾类样品. 本文报道的标本是克钦琥珀中产出的首个十足类甲壳动物, 在数量和种类上丰富了该产地淡水甲壳动物的产出, 并将对琥珀中虾类动物的记录提前了大约8000万年.

In-situ water quality investigation of the lakes on the Tibetan Plateau

刘翀, 朱立平*, 王君波, 鞠建廷, 马庆峰, 乔宝晋, 汪勇, 许腾, 陈浩, 寇强强, 张润, 开金磊

青藏高原广泛分布的湖泊是“亚洲水塔”的重要组成部分. 对该地区湖泊水质的调查与研究, 是区域水环境与水资源评估以及气候和环境变化研究的重要基础. 20世纪80年代之前的第一次青藏高原综合科学考察之后, 对该地区大范围湖泊水质调查十分匮乏. 本研究基于2009~2020年期间野外调查工作, 共采集获取涉及124个封闭湖泊的实测水质参数. 调查与研究表明, 青藏高原湖泊盐度变化很大, 大多数湖泊表现出碱性状态, 富营养化程度低, 叶绿素a和溶解有机物浓度低、浊度低、透明度高. 分析显示部分湖泊水质参数随空间、季节、面积变化而发生较大变化. 本研究揭示了青藏高原湖泊水质近期基本状态与规律, 为区域生态、水文、资源、环境与气候变化等研究提供了基础数据.

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Self-powered technology for next-generation biosensor

欧阳涵, 蒋东杰, 樊瑜波, 王中林, 李舟*

An atmospheric perspective on the carbon budgets of terrestrial ecosystems in China: progress and challenges

陈报章*, 张慧芳, 汪涛, 张小曳*

Human exposome and biomarker database for soil pollutants at typical sites of industrial contamination

余应新, 祁增华, 马盛韬, 徐琳, 郑晶, 高艳蓬, 沈先涛, 蔡亚岐, 张卫平, 李桂英, 安太成*