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成果速览
1. 在纳米谐振子的声子模式相干操控方面取得重要进展
2. 利用原位同步辐射发现单原子近自由催化动力学行为
3. 首创人工智能全自动地震监测系统
4. 在基于主族S区元素发展高活性电催化氧还原反应催化剂方面取得进展
5. 新型手性无机纳米材料的研制取得新进展
6. 实现高性能可集成固态量子存储器
[1] 在纳米谐振子的声子模式相干操控方面取得重要进展
中国科技大学郭光灿院士团队在纳米谐振子声模相干操控方面取得重要进展。该团队郭国平教授、宋骧骧副研究员、邓光伟副研究员（现电子科技大学研究员）等人与美国加州大学默塞德分校田琳教授，以及本源量子公司合作，实现了空间上非直接连接的谐振子之间的声子模式相干操控。相关研究成果以“Coherent phonon dynamics in spatially separated graphene mechanical resonators”为题，发表在3月2日出版的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上。
该工作首次在实验上实现非近邻声子模式之间的可控相干操控，为进一步利用纳米谐振子器件中的声子模式来进行信息的相干存储和相干传递创造了条件，拓展了基于纳米声学的声光电一体化器件的可能性。审稿人评价“这些结果明显超越了现有谐振子在经典区域中的相干操作水平(These results clearly go beyond what has been achieved thus far on the coherent manipulation of resonators in the classical regime)”。随着基态冷却技术的进一步发展，该成果也将为量子区域声子态的电学操控，以及基于声子体系的新型杂化量子信息器件的研发提供新的途径。
图 |（a）样品电子显微镜侧视图，悬浮部分为石墨烯条带。（b）非近邻纳米级谐振子间的Rabi振荡图样。（c）非近邻纳米级谐振子间的Ramsey干涉。
论文链接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/02/28/1916978117
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/2020/0304/c15884a414004/page.htm
[2] 利用原位同步辐射发现单原子近自由催化动力学行为
中国科学技术大学姚涛教授课题组发展原位同步辐射吸收谱学技术，发现铂（Pt）单原子催化剂在电催化还原反应中的近自由演变的动力学行为（下图），这种动力学演变极大促进了Pt单原子催化剂在广泛pH电解液中的析氢性能。相关研究成果以“Uncovering near-free platinum single-atom dynamics during electrochemical hydrogen evolution reaction”为题，发表在《自然·通讯》上（Nature Communications11, 1029 (2020)）。论文的第一作者是中国科大硕士生方师。
研究团队发展同步辐射原位X射线吸收谱学技术，选取活性位点高度均一的Pt单原子催化剂作为模型催化剂，实时监测Pt单原子位点在电还原工作状态下的演变过程。观察到在一定还原电压下，Pt原子和载体上C/N原子的配位减少，Pt价态降低，Pt的电子结构接近自由单原子。理论计算表表明，经过这种动态演变，Pt原子的d带结构得到优化，促进了Pt单原子活性位点对水分子的吸附，并有利于氢中间体的吸附和脱附，从而使得该催化剂在广泛pH的电解液中都具有优异的析氢性能。这项研究成功地利用原位X射线谱学技术精确表征了Pt1/N-C单原子催化剂的三维原子和电子结构，还发现了在电催化还原的工作状态中一种普适的近自由单原子动态演变，为今后能源催化剂的结构设计和调控提供了新的思路。
图 | 单原子Pt催化剂的原位同步辐射表征及近自由结构演变过程
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14848-2
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/2020/0226/c15884a413767/page.htm
[3] 首创人工智能全自动地震监测系统
经过六年的努力，中国科技大学地球和空间科学学院张捷教授课题组、信息科学技术学院李卫平教授、陈志波教授课题组、计算机科学与技术学院陈恩红教授课题组与中国地震局地震预测研究所赵翠萍研究员团队合作推出世界首个人工智能地震监测系统—“智能地动”监测系统。该系统在位于四川、云南两省的中国地震实验场试用了一年，中国地震局基于2019年446个地震评估结果对比显示无人操作的“智能地动”监测系统与专业人员人工计算处理结果的准确性非常接近，同时，“智能地动”监测系统仅需要1-2秒时间报出所有地震震源参数，而目前世界上最先进的美国国家地质调查局（USGS）自动速报系统需要3-5分钟计算时间后报出地震信息。能够快速报出地震预警信息对于及时通知公众立即采取防护措施、迅速终止核电站等重要设施的运行、减缓高铁速度、确定救援方案等具有重要意义。无人操作的人工智能地震实时监测系统的出现，极大地缓解了24小时人工监测地震的压力，特别是能够及时处理密集的地震台网大数据，帮助减少了误报、漏报现象。
张捷教授课题组与陈恩红教授课题组曾于2014年在Nature Communications发表了地震搜素引擎的创新工作，该工作的研究成果也在“智能地动”系统里实现了实际运行，发挥了重要作用。2020年2月6日张捷教授课题组与李卫平教授、陈志波教授课题组联合在Scientific Reports发表论文：Locating induced earthquakes with a network of seismic stations in Oklahoma via a deep learning method，该论文的第一作者是张雄博士，通讯作者是张捷教授。近两年来张捷教授课题组在人工智能地球物理学的应用领域发表了15篇学术论文，在国际学术大会上21次做相关的学术报告。
图片说明：中国科大交叉合作团队与中国地震局合作推出的人工智能地震实时监测系统。红色三角符号代表云南省境内地震台，蓝色三角符号代表四川省境内地震台，圆圈是该系统自动报出的地震位置。
图 | 中国地震局演示“智能地动”地震监测系统
图| 中国地震局总部实时运行该监测系统
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/2020/0225/c15884a413709/page.htm
[4] 在基于主族S区元素发展高活性电催化氧还原反应催化剂方面取得进展
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和材料科学与工程学院陈乾旺教授课题组在基于主族s区金属发展高效ORR反应催化剂上取得进展，他们在密度泛函理论的计算指导下,实验合成了含有镁（Mg）辅因子的碳基催化剂，将主族s区金属Mg发展成了活性可比贵金属的ORR电催化剂。该研究成果于2020年2月18日发表在Nature Communications。
催化的d-带中心理论认为过渡金属的d轨道中心与反应物种在金属表面的吸附自由能线性相关，一直被用来指导过渡金属催化剂的设计。而主族s区金属离域的s带与反应中间体的相互作用往往导致过强或者过弱的吸附，因而不是好的催化剂。但在自然界中以Mg为中心的辅酶因子（如DNA聚合酶和己糖激酶）在一些生化反应过程中表现出很高的活性。这种天然的通过金属和配位原子的反馈键来调节中心原子的能带的方法为实验设计主族金属催化剂提供了思路。通过理论计算，改变氮（N）原子的配位数调节中心金属原子的能带结构，进而筛选出Mg-N2的结构具有最合适的反应吸附能，性能接近贵金属铂。实验设计合成了新的Mg基MOF，经过高温热解处理，部分Mg原子被N铆钉在类石墨烯的碳基底上形成了Mg-N配位结构的催化剂。其碱性ORR活性超过商业铂碳，半波电位达到910mV，并且有着出色的稳定性，5000次循环无衰减。此外在酸性ORR中，这种材料同样有着半波电位790mV的高活性和较好的稳定性。通过合理的催化剂设计和电子结构调控，基于主族s区金属制备的催化剂同样可以媲美过渡金属催化剂，这为催化剂的设计提供了新思路。
图 | 图片说明：金属辅因子结构模型的反应活性计算以及结果。
a.四种不同的N配位结构的金属（Mg，Al和Ca）辅因子模型。b-c. ORR中反应中间物种之间的线性关系。d. 金属辅因子的反应活性火山图。e. 筛选出的部分高活性的金属辅因子与过渡金属辅因子的活性比较。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14565-w
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http://news.ustc.edu.cn/2020/0223/c15884a413639/page.htm
[5] 新型手性无机纳米材料的研制取得新进展
中国科学技术大学俞书宏院士团队与国家纳米科学中心唐智勇研究员课题组、多伦多大学Edward Sargent教授团队开展多方合作，在新型手性无机纳米材料合成研究中取得突破性进展。研究人员首次通过在一维纳米结构单元中定点选择性复合磁性材料，利用局域磁场调制电偶极矩与磁偶极矩之间的相互作用，成功合成了一类新型手性无机纳米材料。该成果以“Regioselective magnetization in semiconducting nanorods”为题在线发表《自然纳米技术》杂志上(Nat. Nanotechnol. 2020, 10.1038/s41565-019-0606-8)。
俞书宏院士团队长期开展功能无机纳米材料的合成方法学研究，在胶体纳米晶成核生长方面积累了丰富经验。构建此类磁光手性纳米异质结构的前提是在特定位置引入局域磁场，因而需要实现磁性单元的位点选择性生长。研究人员基于材料间接触角与异质成核生长的相互关系（图1a-c），提出了一种“双缓冲层设计”合成策略（图1d），通过次序引入中间缓冲层改变材料间的界面能差异，从而解决了传统半导体材料与磁性材料间的晶格和化学失配问题，巧妙地实现了磁性材料在不同半导体特定位置的选择性生长。
研究结果表明，该方法具有高度普适性，可广泛用于多种半导体材料与磁性组分间的耦合，为今后设计开发手性光学活性纳米材料开辟了新途径。同时，这种新型磁光半导体纳米材料的成功开发使得在室温下的各向异性铁磁性以及自旋操控成为可能，从而有望为自旋电子学和量子计算技术提供新的材料平台。
图1：一维纳米棒的位点选择性磁化。（a-c）异质成核生长与两种材料间接触角的关系总结。（d）“双缓冲层”策略实现磁性组分在纳米棒端点的选择性生长。
图2：四元异质纳米棒的外延生长表征。（a-b）高分辨图像显示每种组分晶面，展示了沿立方晶体[111]轴的外延生长方向。（c）异质纳米棒的三维模型和俯视投影图。（d）晶面原子模型。（e）纳米棒组分元素分布。（f-h）纳米棒端点结构分析。
图3：局域磁场在胶体异质纳米棒中的光学活性体现。（a）电偶极矩与磁偶极矩的相互作用与材料的手性关系。（b）异质纳米棒的磁滞回线。（c-d）圆二色性测试结果。（e-f）磁圆二色性测试结果。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/2020/0221/c15884a413614/page.htm
[6] 实现高性能可集成固态量子存储器
中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权等人采用飞秒激光微加工技术制备出高保真度的可集成固态量子存储器，并基于自主研制设备首次实现稀土离子的电子自旋及核自旋相干寿命的全面提升。相关成果分别于2月20号和28号发表在著名物理学期刊Optica和Physical Review Applied上。
当前固态量子存储器研究面临两方面的挑战，一方面，已有的固态量子存储实验使用的存储介质大多是块状晶体，这种材料不能直接对接光纤网络或集成光学芯片，难以实现大规模扩展性应用。另一方面，稀土离子的电子自旋及核自旋与晶体内声子相互作用，导致量子存储器的相干寿命严重受限。为了推进量子存储器的实用化，研究组从材料加工与测试装备着手对以上问题展开系统性研究。
为解决扩展性问题，研究组采用飞秒激光微加工技术首次在掺铕硅酸钇晶体中刻蚀出光波导，研制出可集成的固态量子存储器。波导区域距晶体表面150微米，波导宽度为20微米，可以与其他微纳电子学及微纳光学器件进行集成加工。由于波导区域内的光场功率密度高，实验所需的控制激光功率相比块状晶体所需功率下降了约30倍。实验中演示了原子频率梳（AFC）以及低噪声回波恢复（ROSE）两种光量子存储方案，并通过参考光信号与存储器读出光信号之间的干涉，测定了存储保真度。两种方案对应的保真度分别超过99%和97%，表明这种可集成量子存储器具有很高的可靠性。
图| 可集成固态量子存储实验示意图
(a)深低温电子与核自旋双共振谱仪的样品局部图
(b)自旋回波信号强度与工作温度的关系
论文链接：
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-2-192
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.13.024080
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/2020/0308/c15884a414182/pagem.htm
本文参考来源：中国科大新闻网
