中国科大十月（下）科研进展

精准识别催化材料表面纳米尺度的活性位点结构及反应过程中产生的中间吸附物种，对于理解催化反应与材料结构之间的本质关联性至关重要。然而，传统光谱技术仅能获取催化材料表面的系综平均信息，无法实现对真实活性位点在纳米尺度的高空间分辨鉴别。因此，基于突破光学衍射极限的原子力显微镜-红外光谱联用技术，在高空间分辨率下对材料形貌和表面吸附物种进行微区分析，有望为辨别和追踪催化表界面真实活性位点提供一种新的研究范式。

有鉴于此，中国科学技术大学国家同步辐射实验室、精准智能化学重点实验室姚涛教授团队在纳米级空间分辨红外成像及催化研究中取得新进展。研究团队通过多模态红外成像和原位同步辐射X射线吸收谱技术，首次从实验上直接观察到活性物种在催化剂表面的空间分布，并进一步建立了不同间距下Ir-Co协同催化活性与其空间位置的固有相关性。相关研究成果以“Visualization of the Distance-Dependent Synergistic Interaction inHeterogeneous Dual-Site Catalysis”为题，发表在国际学术期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.Doi: 10.1021/jacs.4c10613）。

图.多模态纳米红外成像和原位同步辐射技术揭示催化反应机理。

研究团队依托合肥国家同步辐射实验室自由电子激光原子力显微-红外光谱（AFM-IRFEL）实验站对Ir-Co双位点协同催化甲酸氧化反应进行了深入研究。AFM-IR联用AFM和IR光谱技术，同时获得样品局域结构和化学指纹信息，最佳空间分辨率优于10 nm。结合共振增强技术，进一步提高检测灵敏度，从而实现单分子层样品的高灵敏度探测。研究团队发现Ir-Co催化剂中C-O信号和O-H信号在空间上高度重叠，为协同催化的实现提供直观可视化证据。此外，红外光谱中 C-O 信号的峰位偏移为反应物种间的协同作用提供了有力的谱学证据。高空间分辨成像结果揭示了反应物种在催化剂表面裂缝处的集中分布，裂缝区域表现出显著的活性。这些区域的独特结构，如悬挂键和缺陷是其高催化活性的主要来源。材料表面成像差异反映了位置相关的催化反应活性，为化学反应路径和催化活性的调控提供了重要的科学指导。

论文的通讯作者是姚涛教授、丁韬特任研究员和刘潇康特任高级工程师，共同第一作者是硕士研究生蒋帅威、薛佳伟特任高级工程师和刘统博士。相关研究得到了国家杰出青年基金、科技部重点研发计划等项目的资助，也得到了合肥国家同步辐射实验室、上海和北京同步辐射装置测试机时的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10613

（国家同步辐射实验室、精准智能化学重点实验室、科研部）

核电厂运行、核事故应急、乏燃料后处理与核设施退役、以及医用同位素应用等过程都会产生大量的对人类健康和生态环境构成潜在威胁的含99Tc放射性废水，发展含99Tc放射性废水高度减容和深度净化处理技术至关重要。

目前，99TcO4-的去除主要存在三大难点：①由于其半衰期长(2.13×105年)、溶解高性(11.3mol/L, 20℃)、流动性强(岩石矿物中低吸附容量)，99TcO4-极易迁移至地下水与周边环境。②99TcO4-会与铀、钚或锆形成溶剂化合物，在PUREX流程中铀钚分离时，99Tc会进入水相和有机相，极大增加铀钚分离难度。③高放废物高温玻璃固化时会产生挥发性的99Tc2O7，会增加放射性气体的析出，必须使用机械沉降分离设备，这会增加处理的难度和成本。因此，需设计有效且高效的99Tc去除方法以解决99TcO4-迁移和泄漏污染的问题。

双阳离子共价有机聚合物构建策略图

为此，核科学技术学院辐射防护课题组陈志副教授团队利用双阳离子策略通过两步法成功构建了具有高电荷密度和丰富活性位点的双阳离子共价有机聚合物（DCOP）材料。光谱表征结合理论计算的结果显示，DCOP呈现片状结构，具有优越的多孔性和一定的热稳定性能，这是利于99TcO4-的去除。利用非放射性的ReO4-模拟研究，批量实验结果表明，DCOP对ReO4-具有超快的去除动力学(30 s内R> 99%)、高去除容量(708.9 mg/g)、高选择性(在NO3-和SO42-超过1000倍时R分别为77.5%和85.5%)、优异的稳定性(在1M HNO3, 1M NaOH, 240 kGy γ辐射等极端条件下)、良好的可回收性(6次)和高应用潜力(模拟Hanford废液中R为90.7%)。本研究显示了双阳离子共价有机聚合物在提高核废水中99TcO4-/ReO4-去除效率方面的巨大潜力，为设计核废水处理的高性能COP材料提供了新的有价值的策略。相关成果近日以“Dual-cation covalent organic polymers with sufficient adsorption sites for enhancing99TcO4-/ReO4-removal”和“Polymer microspheres functionalized with a trialkylamine containing unequal alkyl chains as an anion exchange resin for efficient removal of ReO4-as a surrogate for99TcO4-”为题分别发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》和《Journal of Environmental Chemical Engineering》。这是自今年2月该课题组以“Synthesis and performance of guanidinium-based cationic organic polymer for the efficient removal of TcO4-/ReO4-”为题发表在国际知名期刊《Journal of Hazardous Materials》上以来，又一次取得的系列重要进展。

核科学技术学院辐射防护课题组博士生唐辉平和康雨佳分别为两篇文章的第一作者，陈志副教授为通讯作者。陈志副教授课题组长期从事放射性废水的高度减容和深度净化处理技术的研究工作，实验室建设有完善的材料合成和核素分析平台，分析精度达到国际领先水平。研究团队近期十分关注核医学科产生的含131I和99Tc放射性废水的处理问题。

该项工作得到了学校理化试验中心和辐照中心的大力支持。

相关论文链接：

1、https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156390

2、https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133602

3、https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.114364

（核科学技术学院、科研部）

日前，中国科大郭光灿院士团队固态量子计算研究组郭国平教授与微电子学院iGaN实验室孙海定教授合作，开发并优化了一套人工神经网络算法并应用于射频功率器件及其电路的设计与实验验证，并在超宽温域范围获得器件级和电路级的高精度建模。团队提出了基于人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）算法的氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）器件在宽温域（极低温4.2K至室温300 K）的建模方法，实现了对GaN基HEMT直流和射频特性的快速、高精度建模，并实现了对器件关键性能指标超99%精度的预测。基于该紧凑型器件和模型，团队进一步设计和制备了GaN基单片微波集成电路（MMIC），验证了该模型在电路级的泛化能力和鲁棒性。这项研究成果以“Accurate Modelingof GaNHEMTs and MMICs for Cryogenic Electronics Applications Utilizing Artificial Neural Network”为题，发表于功率电子学领域重要期刊《IEEE电力电子新兴和精选主题杂志》（IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics）。

近年来，人工神经网络（ANN）算法在基础理论研究和工业应用中大放异彩，并在智能驾驶、大数据语言模型、人脸识别等领域已经得到了广泛的应用，深刻地影响和改变着我们的日常生活。最近，两位科学家因其“基于人工神经网络实现机器学习的基础性发现和发明”而荣获2024年诺贝尔物理学奖。在半导体芯片制造、测试和分析领域，复杂的工艺流程及高昂的流片、测试费用是芯片产业发展面临的长期困扰。若能在芯片大规模生产制备之前，利用ANN算法针对前期获得的大量实验数据进行训练和建模，对器件和电路进行精确、快速的建模和仿真，有望大大降低人力和时间成本，并提升芯片技术研发效率，实现高性能半导体器件和电路的应用。

以GaN基HEMT器件为例，作为具有性能优异的电力电子功率和射频器件的典型代表，GaN基HEMT是射频基站、数据中心和电力转换系统等尖端应用领域中的关键元件之一。并且作为基于宽禁带半导体材料的电力电子器件，GaN基HEMT天然地适合工作于具有极端环境温度的条件下。为了更好地推动GaN HEMT在极端环境电子系统中的应用，我们需要能够精确描述器件特性的高低温紧凑模型，并基于此设计相应的电路系统。在本工作中，研究团队基于前馈神经网络（feed forward neural network, FFNN）和反向传播算法，首次完成了GaN HEMT器件在4.2 K至300 K温度范围内，针对不同工作温度、不同器件尺寸、不同偏置条件、不同工作频段下的器件特性和电路特性的精确建模（图1）。

图1. 基于人工神经网络的紧凑模型。(a) ANN的结构和建模流程；(b) 前馈神经网络结构

实验结果表明，基于ANN算法的低温紧凑模型在4.2 K至300 K的温度范围内可以对GaN基HEMT器件的直流特性（以输出特性为例，图2a）和射频特性（以小信号史密斯圆图为例，图2b）实现准确建模和预测，在保证模型预测精度大于99%的同时，将建模时间缩短至几小时，大幅降低建模成本；更进一步，研究团队成功将该低温GaN基HEMT器件模型应用于一款单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)的设计和流片，实现了对GaN基MMIC常温和低温性能的高精度描述，电路的关键性能指标误差在常温和低温环境下均小于4%（图2c），验证了ANN模型的泛化能力和鲁棒性。

图2. 在4.2 K至300 K温度范围内，(a) GaN HEMT直流输出特性ANN模型预测结果；(b) GaN HEMT射频小信号特性；(c) GaN MMIC的增益和相位特性。实测数据表示为线，ANN模型预测结果表示为点。

同时，该工作所设计的ANN模型具有自适应的网络结构调整方法，可以根据不同的数据集规模和器件工作场景，自动调整网络隐藏层数和神经元数量，使该模型可以便捷地扩展至不同的器件制程和应用场景，满足其对器件和电路级的精确建模需求。特别地，在量子计算蓬勃发展的今天，基于GaN基HEMT的低温器件和电路系统有着极大的应用潜力，而对于这一新型的低温电子系统而言，精确的ANN基紧凑型模型能够高效地应对来自后摩尔时代近阈值建模、量子效应、极端条件和异构集成等方面的建模挑战，实现设计工艺协同优化（Design Technology Co-optimization,DTCO）流程，同时实现高精度和快速度的建模流程。该工作为探索极低温GaN基器件与电路在固态量子计算中的应用提供了新思路。

中国科学院量子信息重点实验室博士研究生向梓琨和中国科学技术大学微电子学院博士研究生张昊宸为论文共同第一作者，我校特任副研究员雒超和特任教授孙海定为论文共同通讯作者，本项目还得到了郭国平教授，金西教授、裴轶博士的大力支持和指导。此外，该工作得到了科技创新2030重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。本项目的器件制备和MMIC流片获得了苏州能讯半导体公司的大力支持和协助。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10669016

（物理学院、科研部）

近日，中国科学技术大学微电子学院胡芹特任研究员课题组在钙钛矿软X射线探测器研究中取得新进展。团队基于钙钛矿半导体薄膜缺陷调控和PIN垂直型器件结构设计策略，实现了目前钙钛矿软X射线探测器中的最高量子效率。相关成果以“Flexible Soft X-Ray Image Sensors based on Metal Halide Perovskites With High Quantum Efficiency”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》上，并被选为卷首插图（图1）。

图1. 《Advanced Materials》论文卷首插图

自1895年被首次发现以来，X射线已经被广泛应用于医疗诊断、工业探伤、安防安检等各个重要领域，其中X射线面阵探测器是X射线成像设备中的关键部件。而针对软X射线波段（0.1-10 keV）的探测成像技术在现代科学研究中则扮演着至关重要的角色，其应用范围涵盖了天文观测、生物成像、微纳加工等多个领域。随着我国深空探测技术和同步辐射大科学装置的不断发展迭代，对高可靠性、高性能的软X射线探测器提出了更高要求。当前软X射线图像传感器市场主要由国外厂商主导的硅基CCD（Charge-coupled Device）器件占据，因此亟需开发具有我国自主知识产权的新型软X射线探测技术。此外，硅对软X射线吸收率较低，导致硅基CCD器件在灵敏度、耐辐照性方面受限，且工作时需冷却至低温导致成本较高。钙钛矿半导体具有X射线吸收系数大、载流子寿命积高、制备成本低等突出优势，在软X射线探测方面具有巨大潜力。但目前关于钙钛矿软X射线探测器的研究还相对较少，且其在量子效率等关键性能参数距离理论值还有较大差距。

针对上述问题，研究团队首先针对软X射线特点，结合光场分布模拟，优化了钙钛矿PIN垂直型光电二极管结构，最大化增加钙钛矿活性层的光吸收（图2）。特别的，采用纳米网络电极，使软X射线可以通过多尺度电极网络被活性层吸收，减轻了上电极遮挡的同时不降低载流子的提取和传输。其次，研发团队构筑了多维钙钛矿异质结，降低钙钛矿半导体薄膜缺陷，减小载流子复合的同时降低器件暗电流，提高光电响应。最终该器件在室温下达到目前已知报道的钙钛矿软X射线探测器中的最高量子效率。各项性能参数接近硅基商业化器件水平，且在基于同步辐射线站的高通量软X射线辐照下依然保持良好的稳定性。基于该高性能器件结构，团队还成功在柔性基底上制备了软X射线探测器，并实现了曲面线性成像阵列。最后，针对空间探测等极端环境应用需求，团队验证了钙钛矿器件在10-383 K极限温度范围内的工作稳定性。以上研究证明了钙钛矿半导体光电器件在新一代适应复杂光学系统的柔性软X射线成像探测系统中的应用潜力。

图2. a. 软X射线成像系统以及钙钛矿软X射线探测器结构示意图；b. Si与钙钛矿在软X射线波段的衰减长度对比，钙钛矿具有较短且较平稳的衰减长度；c. 纳米网络电极的扫描电子显微图像；d. 多维钙钛矿异质结器件能带图；e.构筑多维钙钛矿异质结前后器件性能对比；f. 钙钛矿软X射线探测器在高通量X射线的长时间照射下保持较好的稳定性。

该论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士研究生谭鹏举和硕士研究生刘天宇，胡芹特任研究员、刘啸嵩教授、李渝博士、赵晓龙副研究员为该论文的共同通讯作者。中国科大关勇高级工程师、丁红鹤博士、焦学琛特任研究员、朱俊发教授、樊逢佳教授、杨上峰教授、龙世兵教授，美国劳伦斯伯克利国家实验室Thomas P. Russell教授等参与了课题的联合攻关。该项研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划以及中国科学技术大学的基金资助。同时也得到了国家同步辐射实验室、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大理化科学实验中心的支持。

(论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407244)

（微电子学院、科研部）

中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心邓兆祥教授、姚东宝特任副研究员研究团队利用可编程DNA链替换反应精准调控纳米粒子催组装过程，构建了一系列无信号泄漏的DNA逻辑运算器件。相关成果以“Implementation of Digital Computing by Colloidal Crystal Engineering with DNA”为题，近日在线发表于国际著名学术期刊《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society）。

DNA分子严格遵循碱基互补配对原则，具有优异的可编程性和结构可设计性。受传统半导体电子计算机的启发，能够执行逻辑运算功能的DNA分子计算器件在过去30年中经历了快速发展。其中，基于toehold介导的DNA链替换反应所构筑的DNA逻辑运算器件展现出很高的复杂度和优异的可集成性。目前报道的大多数DNA逻辑运算器件以荧光作为信号读出，并依赖荧光强度进行结果判定。这类器件仅能在分子水平上处理信息，难以避免非特异性反应导致的信号泄漏。

图1 基于PAE催组装的无泄漏信号读出系统设计原理

在DNA胶体晶体工程领域，DNA功能化的纳米粒子（也称为可编程原子等价物，即PAE）可通过传统的热退火方法组装成不同晶体对称性的微米级超晶格（面心立方、体心立方、氯化铯等）。受田中群院士提出的催组装（Catassembly）概念启发，中科大团队近年来以DNA链替换作为催组装过程的基元反应，发展了系列纳米粒子催组装策略（PNAS2020, 117, 5617；PNAS2023, 120, e2219034120；Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202403492）。通过恒温条件下精准调控纳米粒子组装路径，实现有序超晶格的构筑，解决了传统热退火方法不能充分利用DNA的可编程性、不利于活性组装基元（如蛋白酶）引入以及难以实现组装结构间固相转变的问题。尤其是可去除型DNA催组剂（Catassembler）协助的催组装策略（PNAS2023, 120, e2219034120），为恒温制造纳米粒子超晶体提供了一种简单且通用的途径。在该策略中，DNA催组剂类似于化学反应的催化剂，可通过纠正无定形聚集结构中的错误DNA连接，加速组装系统脱离各种动力学陷阱，实现亚稳态逃逸。

针对传统荧光读出策略构筑DNA逻辑器件面临的问题，中国科大团队成功将DNA链替换逻辑运算网络与纳米粒子催组装结合，首次实现DNA分子逻辑驱动的大尺寸三维胶体超晶体构筑，表明纳米粒子催组装可作为无泄漏且直观可视的逻辑信号读出系统。在作者设计的纳米粒子催组装系统中，惰性纳米粒子（dPAE，无粘性末端）需要与上游DNA逻辑回路释放的引发链（Trigger）之间发生DNA链替换反应，才能转化为活性纳米粒子（PAE，有粘性末端）。一方面，PAE组装需要足够数量的粘性末端以获得多位点协同作用；另一方面，过高浓度的DNA催组剂会导致PAE粘性末端被封堵从而破坏组装结构。因上游DNA逻辑回路非特异性释放的Trigger不足以启动PAE的催组装过程，故不能形成稳定的超晶体，即泄漏的噪声可被完全“过滤”吸收，使得所构建的逻辑器件具有优异的抗信号泄漏能力。逻辑运算结果可根据特定超晶体的小角X射线散射（SAXS）图案进行准确判断，无须人为设定信号强度阈值（图1）。当PAE超晶体的类型和有序度不影响输出判断时，可以更为方便地通过紫外-可见分光光度计或肉眼观察获知运算结果。

图2 以PAE催组装为信号读出的双输入DNA逻辑门

通过理性化设计，作者构建了一系列单输入（YES和NOT）、双输入（OR、AND、XOR、NOR、NAND、XNOR、INHIBIT）DNA逻辑门（图2）以及两层级联DNA逻辑回路（OR-AND、AND-OR、AND-NOR）。借助SAXS信号优异的区分度，基于两种不同超晶格体系分别构建的XOR和AND逻辑门，进一步实现了半加法运算。同时，该工作还成功构筑了一个具有信息安全保护功能的双输入DNA键盘锁。由于PAE催组装仅作为DNA逻辑运算系统的最终信号读出，理论上任何基于DNA链替换反应的逻辑回路均可适用，从而有利于未来构建更复杂、更大规模的DNA逻辑体系。本工作基于PAE催组装实现的无泄漏DNA逻辑门是对现有DNA逻辑系统的显著改进，在构筑具有逻辑运算功能和动态可编程的三维有序大尺寸胶体超晶格方面迈出重要一步。

中国科大博士研究生刘晓雨和姚东宝特任副研究员为本论文的共同第一作者，中国科大邓兆祥教授、姚东宝特任副研究员以及上海光源滑文强副研究员为本论文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金委重大项目、科技部重点研发计划、合肥微尺度物质科学国家研究中心以及中国科大青年创新重点基金的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12078

（化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华研究组和华中科技大学吕新友教授合作，在Rabi模型多临界现象的量子模拟研究中取得了重要进展。该研究通过发展开放量子体系的稳态量子调控技术，首次成功地在核磁共振量子模拟器上验证了封闭和耗散Rabi模型中的量子多临界现象，推动了开放体系量子相变以及非平衡稳态量子模拟领域的发展。相关研究成果于10月23日以“Experimental Quantum Simulation of Multicriticality in Closed and Open Rabi Model”为题在线发表于国际学术期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett.133,173602(2024)]。

多临界现象广泛存在于经典物理世界中，例如热力学中的三相点就是指物质的三相（气相、液相、固相）达到热力学平衡共存时的多临界点。在量子相变理论中，三相点则被定义为一阶量子相变和二阶量子相变的交汇点。量子多临界现象中蕴含着重要的量子相变机理，同时也为量子度量和量子材料领域提供了丰富的量子资源。在描述光和原子相互作用的Dicke模型或Rabi模型中，当独立改变旋波项和反旋波项相互作用强度时，二维的耦合参数空间中存在一个Z2对称性破缺和U1对称性破缺相交的量子三相点。有趣的是，当该模型存在一定强度的玻色子耗散时，理论预言U1对称性破缺的边界和三相点将会同时分裂为两个，此外体系中还会出现一些新的相区域【如图(a)所示】。然而，这一重要的耗散诱导的量子多临界机制一直未能得到有效的实验验证。原因在于许多实验上的光-原子相互作用体系不仅很难调控到多临界相变所需的参数范围，在此基础上实现稳定可控的玻色子耗散通道更是一件难以完成的挑战。

(a)具有多临界相变行为的封闭和耗散Rabi模型。(b)非平衡稳态的量子变分算法。(c)封闭和耗散Rabi模型多临界相变的实验数据。

研究组一直致力于发展前沿的量子控制技术，并利用量子模拟的方法验证光-原子相互作用领域内重要的现象和机理。此前同吕新友教授合作，研究组在核磁共振体系上利用基态的绝热量子控制技术，成功实现了超越no-go定理的超辐射相变量子模拟【Nat. Commun. 12, 6281 (2021)】。在此基础上，研究组不仅再次利用绝热量子模拟技术实现了封闭Rabi模型的多临界量子相变，还进一步在核磁共振量子模拟器上发展了非平衡稳态的变分量子模拟方法【如图(b)所示】，将量子模拟的研究范围从以往的封闭系统的基态扩展到了开放量子体系的稳态上。利用这一新型的量子模拟技术，研究组成功实现了耗散Rabi模型非平衡稳态的量子模拟，并测得了不同的耦合参数条件下耗散Rabi模型稳态的序参量【如图(c)所示】，实验结果高度符合理论预期。

研究结果表明，Rabi模型中的玻色子耗散通道不仅仅导致退相干效应，还带来了新型的光-原子相互作用多临界相变机制。该工作将耗散量子调控手段同变分量子算法成功结合，极大提升了实验模拟开放量子体系的能力，因此这种耗散诱导的三相点分裂现象得以首次在实验体系上被验证。此外，这些稳态多临界点附近丰富的相变性质也有望为量子传感等领域提供关键的量子资源。

中国科大中国科学院微观磁共振重点实验室博士后吴泽、安徽师范大学胡长生博士、中国科大博士研究生王天韵为该文共同第一作者。彭新华教授和吕新友教授为该文共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省等资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.173602

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

我校郭光灿院士团队在硅基量子点阵列的二维扩展及其耦合可调性研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、王保传特任副研究员等人与本源量子计算有限公司合作，成功研制出一种具有高度耦合可调的二维硅基量子点阵列，首次在硅量子点阵列中实现了对最近邻以及次近邻耦合的独立大范围调控。这一研究成果对推动硅基半导体量子计算研究具有重要意义。相关研究成果以“Highly Tunable 2D Silicon Quantum Dot Array with Coupling beyond Nearest Neighbors”为题，于10月14日在线发表在国际期刊Nano Letters上。

硅基半导体量子点以其较小的特征尺寸和与现代半导体制造工艺的兼容性，具备大规模扩展量子比特数量的潜力，成为实现实用化量子计算和量子模拟的重要候选方案之一。近两年来，硅基自旋量子比特在向容错量子计算发展的过程中取得了重大进展，包括实现超过容错阈值的单比特和双比特量子门，以及基于线性阵列的多比特通用量子门操控。为了进一步推动硅基半导体量子计算的发展，实现量子比特的二维耦合扩展显得尤为重要。然而，由于小尺寸带来的制造挑战以及实验室平面工艺的局限性等因素，硅基量子点阵列的二维扩展研究进展缓慢，国际上相关报道相对较少。此外，现有研究主要关注最近邻耦合的可调性，缺少对次近邻耦合的调控研究，而这一调控在量子计算和模拟中具有重要的意义。

基于以上背景，我校郭国平教授研究组设计并制备了一个包含中心势垒栅极的2×2硅基量子点阵列器件。研究人员在极低温下对该器件的性能进行了系统表征，研究结果表明，该器件每个量子点中的电子可以实现独立填充，并调节至单电子占据状态。此外，最近邻耦合能够在较大范围内独立调控，而次近邻耦合则可以通过中心势垒栅极实现非对称调控。基于这种高度的可调性，研究人员可以根据需求选择性地关闭和打开特定的耦合，从而将量子点阵列配置为不同的耦合结构并开展具体应用研究。这一工作为硅量子点阵列作为量子计算与量子模拟的多功能平台提供了全新可能性。

图（左）硅基量子点二维阵列器件核心区的电子显微镜伪色图；（右）任意调控量子点间最近邻和次近邻耦合，从而构造出不同的耦合结构。

中国科学院量子信息重点实验室博士研究生王宁为论文第一作者，特任副研究员王保传为论文通讯作者。该工作得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委、中国科学院以及安徽省的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02345

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

10月25日，中国科学技术大学生命科学与医学部瞿昆教授课题组在《自然·通讯》期刊上发表了文章“Comparative analysis of methodologies for detecting extrachromosomal circular DNA”，系统性评估了7种在测序数据中鉴定eccDNA的分析算法及7种不同实验建库方法的性能和差异。

染色体外环状DNA（Extrachromosomal circular DNA, eccDNA）作为一种在真核细胞内广泛存在的环状DNA，在肿瘤研究中具有重要意义。在肿瘤细胞中，eccDNA参与癌基因扩增，基因转录调控和肿瘤异质性，从而促进肿瘤发生和发展。因此，对eccDNA的深入研究可以推动我们对肿瘤发病机制的理解，也为靶向药物的开发提供新的方向。

目前，尽管已有多种测序建库方法和生物信息学算法用于eccDNA的鉴定，但eccDNA片段的大小多样且来源于不同基因组区域，实验和分析结果在不同方法间存在较大差异，给研究人员选择最适分析算法和实验方法带来挑战。现有的评估通常只关注准确性或计算需求等单一因素，并且往往基于过于简化的模拟数据，难以反映真实测序数据的复杂性。各类实验方法在检测eccDNA效率方面的显著差异，更加凸显出系统评估这些方法的重要性。

图：eccDNA鉴定的分析算法和实验方法系统性比较工作流程

研究结果表明，Circle-Map和Circle_finder在短读长测序数据中检测eccDNA具有更高的效率。然而，Circle_finder存在一定的局限性，容易生成冗余结果，即在相同eccDNA的鉴定上出现重复。CReSIL在长度长测序数据（特别是测序深度超过10X时）的eccDNA检测中表现最佳。在实验方法方面，Circle-Seq-LR特别适用于检测长度超过10 kb且具有拷贝数扩增的eccDNA (也称ecDNA)，这类eccDNA与肿瘤进展密切相关。此外，不同实验方法检测到的eccDNA在长度、癌基因组成和基因重复元件的包含等方面展现出显著的异质性。该研究不仅深入分析了各种检测eccDNA的分析算法和实验方法的优势和局限性，还在GitHub上提供了完整的分析流程、代码和模拟数据集，旨在帮助研究人员根据自身数据特点选择最优的分析流程，为进一步提升eccDNA检测方法奠定了参考基础。

该研究由瞿昆教授、郭闯副教授共同指导并担任通讯作者，课题组博士后高绪远、课题组已毕业学生刘柯和博士生罗淞文为本文的共同第一作者。这项工作得到基金委杰出青年基金、面上基金，科技部国家重点研发计划，中国科学院基础研究青年团队，安徽省科技重大专项等项目的经费支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53496-8

（生命科学与医学部、科研部）

10月25日，中国科学技术大学生命科学与医学部单革/王小林团队在Molecular Cell在线发表题为“ZC3H14 facilitates backsplicing by binding to exon-intron boundary and 3' UTR”的研究论文，揭示了ZC3H14蛋白结合成环序列外显子-内含子边界和3' UTR促进反向剪接的新机制，并建立了ZC3H14和环形RNA的生物发生与雄性生育的紧密联系。

该团队基于无内含子基因来源的环形RNA构建了circGFP报告系统，进行全基因组CRISPR-Cas9敲除筛选，鉴定出ZC3H14蛋白作为环形RNA生成的正调控因子。ZC3H14能够促进约40%环形RNA的生成，但对mRNA的表达与可变剪切没有显著影响。进一步的实验和生物信息学分析表明，这一调控机制在真核生物中是保守的。

通过免疫共沉淀和质谱分析，研究团队发现ZC3H14蛋白结合多种剪切体组分。进一步的双分子荧光互补及荧光免疫共沉淀实验表明，ZC3H14蛋白可以二聚化甚至寡聚化。ZC3H14 iCLIP-seq分析表明，ZC3H14蛋白结合成环外显子两侧的外显子-内含子边界 (Exon-intron boundary, EIB) 及同源基因3' UTR。ZC3H14结合EIB的突变或3' UTR缺失均导致环形RNA的表达降低，ZC3H14与3' UTR的结合能够增强ZC3H14与EIB的结合。单独或联合利用ZC3H14结合的EIB或3' UTR作为顺式元件，能够用于环形RNA表达载体的构建，实现环形RNA不同程度的过表达。

ZC3H14蛋白在人类与小鼠睾丸组织中高度表达。ZC3H14的敲除导致雄性小鼠后代减少、睾丸减小、精子数目减少且异常精子比例升高，同时睾丸组织中环形RNA的表达显著降低。ZC3H14主要表达在粗线期、双线期精母细胞与圆形精细胞。ZC3H14敲除导致减数分裂进程异常，造成粗线期及双线期联会复合物侧轴断裂，同时伴随粗线期精母细胞环形RNA表达水平降低。在小鼠生殖细胞中，ZC3H14同样结合成环序列两侧的EIB与3' UTR。此外，通过对公共数据进行分析，作者发现ZC3H14及环形RNA与人类非梗阻性无精症显著相关。

中国科大生命科学与医学部王小林特任副研究员、单革教授为本文共同通讯作者；中国科大生命科学与医学部李奇奇博士和博士生杨刚为共同第一作者；该工作还得到了中国科大史庆华教授的帮助和中国科大附属第一医院唐丽琴主任的支持。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、校青创等多项基金资助支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.10.001

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