中国科大十一月（上）科研进展

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、荣星等人在量子热力学领域取得重要进展。研究组基于固态单自旋量子体系，对量子系统中的最大可提取功开展了系统实验研究，实验表明通过提升量子系统的相干，可以有效提升量子态中的最大可提取功。该成果以“Experimental investigation of coherent ergotropy in a single spin system”为题发表在《物理评论快报》上。美国物理学会Physics期刊为该工作刊发了由德国斯图加特大学Eric Lutz教授撰写的专文评述“Quantum Coherence Boosts Quantum Work”。

在热力学研究中，理解一个系统能够被提取出多少功，具有十分基础且重要的意义。为针对量子系统中研究这个问题，理论研究者们提出了量子系统在循环幺正演化下的最大可提取功这一物理量，并于近期指出量子相干对于最大可提取功的重要作用。然而，实验上尚缺乏对这两个重要物理量关系的检验和展示，主要原因是如何有效测量最大可提取功非常具有挑战性。

本工作中，研究组为避免使用复杂的量子态层析技术，发展了利用辅助比特测量最大可提取功的方法，并基于金刚石氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV）色心体系，展示了对最大可提取功的高效精确测量，成功分离出了相干和非相干的部分。实验结果通过检测一系列量子态的相干最大可提取功，表明相干最大可提取功随着量子相干增加而增加。

图：(a)各类功提取操作前后量子态的能量和量子相干；(b)相干最大可提取功与量子相干的关系。

这项工作不仅展示了量子相干在功提取过程中的作用，还揭示了量子信息理论与量子热力学之间的深刻联系，为未来进一步研究量子系统的特性在热力学模型中的作用打下基础。该研究为未来量子器件的优化与发展提供了理论与实验基础，尤其是在提升量子设备的功容量方面有着重要的意义。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生牛智博为该文第一作者，荣星教授为通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和合肥市的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.180401

Physics专文评述链接：https://physics.aps.org/articles/v17/154

（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）

近日，苏州高等研究院与中国科学院计算技术研究所研究团队合作下在国际期刊npj Digital Medicine上发表综述论文“Addressing Fairness Issues in Deep Learning-Based Medical Image Analysis: A Systematic Review”，详细总结了医学影像分析算法中公平性有关研究现状。

近年来，深度学习在各种医学影像分析应用中展现出了显著的性能。然而，研究指出，这些算法应用于特定人群时会存在一定的性能差异。例如，模型相较于青年、男性群体，在老年、女性群体中的预测表现较差。该问题被研究人员定义为“算法公平性（algorithm fairness）”。解决这一公平性问题已成为人工智能研究人员和临床医生共同的努力方向。

现有不公平性弥补算法示意图

该综述深入探讨了在医学影像分析中解决公平性问题的当前进展，介绍了群体公平性（Group Fairness）的基础知识，归纳了现有医学影像分析算法公平性研究进展，按照公平性评估和不公平性弥补两大类对已有研究进行了深入分析。综述最后讨论了在建立公平的医学影像分析和医疗应用过程中现存的挑战和机遇。通过本篇综述，旨在促进人工智能研究人员和临床医生对公平性的一致性理解，推动不公平性弥补算法的发展，并为创建一个公平的医学影像分析系统做出贡献。

生物医学工程学院博士生徐梓康为论文第一作者，周少华教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、苏州市的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41746-024-01276-5

（生物医学工程学院、苏州高等研究院、科研部）

10月28日，中国科大苏州高等研究院苏育德研究员团队在国际期刊《Small》上发表了题为“Fully Stretchable Microbial FuelCell with 75% Stretchability”的研究论文。该研究将微生物燃料电池的拉伸性提高到75%，对未来可拉伸自供能体系的设计与应用具有指导意义。

可穿戴自供能技术是维持人体和软体机器人可穿戴电子设备长期运行的关键。微生物燃料电池可以利用微生物将汗液中的化学能（如乳酸，葡萄糖、尿毒等）转化为电能，被认为是一种自然且有效的潜在自供能技术。生物燃料电池的可拉伸性是其在动态力学环境下运行的关键。然而，实现可拉伸微生物燃料电池十分困难。其难点在于微生物燃料电池各个组件（阳极、阴极、离子交换膜、细菌催化剂和封装层）在拉伸状态下无法同步地保持其原有功能。

基于此，本论文研究了一种完全可拉伸的微生物燃料电池器件，可以在高达75%的拉伸条件下稳定运行。其中，器件的关键部分为基于还原氧化石墨烯/希瓦氏菌生物—非生物杂化材料的可拉伸生物阳极。随着拉伸程度的增加，该可拉伸生物阳极内阻逐渐降低，并可以在不断拉伸和收缩的力学刺激下维持生物电流的产生。同时，器件中其余所有组件均采用可拉伸材料的设计和封装集成，最终实现了75%的器件整体同步拉伸，并未出现结构断裂或细菌泄露等问题。本研究对可拉伸微生物燃料电池的性能进行了测试。随着拉伸程度逐步增加，燃料电池内阻持续降低。在拉伸程度为0%、25%、50%和75%时，输出功率密度分别达到5.0 ± 0.7、5.9 ± 0.9、6.2 ± 1.1、6.6 ± 1.4 μW cm−2。该可拉伸微生物燃料电池对可穿戴自供能体系的设计与应用具有指导意义。

可拉伸微生物燃料电池的结构示意图

中国科学技术大学纳米科学技术学院博士生彭士哲为本文第一作者，苏育德研究员为本文末位通讯作者。该工作得到国自然面上项目、科技部重点研发计划青年项目的经费支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202407614

（苏州高等研究院、纳米科学技术学院）

淡水资源是人类生存的命脉。然而，根据世界气象组织发布的最新报告，全球有超过20亿人无法获得充足的淡水资源。传统的海水淡化方法，如蒸馏、反渗透和电渗析，为解决这一问题提供了可行的工业选择。然而，这些方法仍然存在处理复杂、能耗高等缺点。随着近年来全球对碳中和的倡导，以无处不在的免费太阳能为动力的太阳能脱盐受到了广泛关注。

近日，中国科学技术大学刘波教授团队在太阳能驱动海水淡化研究中取得重要进展。该研究团队开发了一种基于弹性聚合物共价有机框架（PP–PEG）的高效太阳能蒸汽蒸发器。PP–PEG泡沫展现出全光谱吸收和出色的光热转换性能，通过优化亲水性、PEG链长度和热管理，在1个太阳辐照下，实现了4.89 kg m−2h−1的蒸发速率。团队进一步巧妙地使用易制得的截锥型反射器充分利用免费太阳能，蒸发速率显著提高至18.88 kg m−2h−1，超过已知的太阳能蒸汽蒸发器的性能。这项创新设计具有制备简单、成本低、效率高、机械稳定性和耐久性等优点，为海水淡化和水净化应用提供了一个有前景的平台。相关成果以“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”为题发表于《自然·通讯》杂志（Nat. Commun. 2024, 15, 9484.）。

具体而言，PP–PEG材料含有柔性的聚乙二醇连接剂，对客体呈现出有趣的自适应性（图a）。卟啉环作为光热功能单元，柔性的聚乙二醇链防止了卟啉环的不利聚集和猝灭，使得PP–PEG具有全光谱吸光度和优异的光热转换性能。基于此，PP–PEG以三维泡沫形式作为蒸发器应用于太阳能驱动的海水淡化。弹性还有助于防止泡沫在蒸发过程中发生崩塌，以维持循环蒸发的性能。为了减少向水体的热量损失，蒸发器采用特殊的自包含模式，将太阳能蒸发器与水体隔离开（图b），在维持连续供水的同时，不仅减少了热传导损失，还充分利用了三维泡沫的侧表面，大幅增加了蒸发面积，促进冷蒸汽的产生，提高了蒸汽的蒸发性能。通过优化亲水性和PEG链长度，在1个太阳辐照下，实现了4.89 kg m⁻²h⁻¹的蒸发速率。

为充分利用免费的太阳能资源，该项研究设计了一个铝制的截锥形型反射器，将光反射到三维泡沫的侧表面（图b）。当三维泡沫与反射器耦合时，显著提高了蒸发性能。在1个太阳辐照下，蒸发速率达到18.88 kg m⁻²h⁻¹，相比没有反射器时的蒸发速率4.89 kg m⁻²h⁻¹，增加了286.1%，是迄今为止文献报道的最高的太阳蒸发性能。这种充分利用自然资源的创新方法，将给太阳能驱动海水脱盐淡化领域的研究人员带来启发。

图. PP-PEG的制备及应用于太阳能蒸汽蒸发示意图

综上所述，该项研究开发了基于弹性聚合物共价有机框架（PP–PEG）材料的高效太阳能蒸汽蒸发系统。该系统制备简单、效率高、成本低、机械稳定性和耐用性良好，有望成为极具前景的海水淡化和水净化平台。

该项研究受到国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研专项资金和安徽省自然科学基金的资助。刘波教授为该论文的通讯作者，博士研究生胡阿威为该论文的第一作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53902-1

（应用化学系、科研部）

中国科学技术大学与合肥国家实验室夏添、卢征天、邹长铃等人合作，利用激光冷原子方法制备成基于自旋的薛定谔猫态，其寿命达到分钟量级，有助于提升对自旋进动相位的测量灵敏度。相关成果以“Minutes-scale Schrӧdinger-cat state of spin-5/2 atoms”为题于11月1日发表在《自然-光子学》期刊上(Nature Photonics)。

在量子精密测量中，自旋进动不仅是测量磁场、惯性等许多物理现象的有效探针，还可以用于探索超越标准模型的新物理。在做自旋进动测量时，高自旋薛定谔猫态具有明显优势，一方面因为高自旋量子数放大了进动频率信号；另一方面因为猫态对一些环境干扰因素不敏感，从而压制了测量噪声。然而，实验中应用猫态面临两大技术挑战：一是如何在高维量子空间中实现幺正变换的高效操控；二是需要保持足够长的量子相干时间。

图.镱-173原子自旋在一维光晶格中形成薛定谔猫态。左边两个球体分别代表自旋朝上、朝下的两个本征态，它们叠加形成由右边球体代表的薛定谔猫态。

在本工作中，研究团队成功实现了一种具有超长相干时间的薛定谔猫态。研究人员利用光晶格囚禁自旋为5/2的镱-173原子，通过控制激光脉冲对原子诱导非线性光频移，制备出由自旋投影为+5/2与-5/2两个态组成的叠加态。由于这两个态的磁量子数相距最远，所以它们的叠加态被称为薛定谔猫态。这种猫态具有增强的磁场灵敏性，同时在光晶格中感受到完全相同的光频移，处于“无消相干子空间”中，从而对光晶格的强度噪声和光斑形貌变化具有天然的免疫性。实验结果表明，该猫态的相干时间突破了20分钟。通过Ramsey干涉测量法，研究人员证实了接近海森堡极限的相位测量灵敏度。这一长寿命薛定谔猫态为原子磁力计、量子信息纠错以及探索新物理等开辟了新途径。

合肥微尺度物质科学研究中心杨洋博士为论文第一作者，夏添研究员和卢征天教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委和科技部的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01555-3

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

近日，中国科学技术大学曾杰教授课题组在高熵合金催化剂的设计制备领域取得重要进展。研究人员提出了一种基于合金化效应设计、制备用于丙烷脱氢的高熵合金催化剂的方法，通过金属助剂的逐步引入与合金化效应的平衡，构筑出表面富集孤立铂位点的高熵合金催化剂。该催化剂对丙烷脱氢反应展现出优异的催化性能，尤其具有超高的丙烯生成速率。相关成果以“Progressive fabrication of a Pt-based high-entropy-alloy catalyst toward highly efficient propane dehydrogenation”为题发表于《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,e202419093）。

高熵合金因其巨大的组成空间、独特的结构以及优异的稳定性，展现出优于传统单金属或二元合金的催化性能，成为多相催化领域的热点材料。尽管前人已报道了一些高熵合金催化剂的筛选/设计策略，传统的试错法仍占主导，限制了高效催化剂的探索。因此，亟需发展合理的设计策略，推动高熵合金的合成及催化应用。另一方面，物理化学性质的差异使得金属助剂对铂基丙烷脱氢催化剂的几何电子结构具有不同的影响。进而对合金效应的深入理解可以为设计制备高效丙烷脱氢高熵合金催化剂提供理论依据。

研究人员通过对铂基二元合金体系的深入研究发现铜、锡、金和钯对铂展现出稀释、包覆、表面富集以及不均一效应。经金属助剂的依次引入，逐步实现了对铂物种的稀释、孤立、表面富集以及高熵化稳定，最终制备得到表面富集孤立铂位点的高熵合金催化剂。

图1.基于合金化效应逐步设计与构筑高熵合金催化剂

催化研究表明，合金元素逐步引入带来的结构变化对应地实现了丙烷脱氢催化选择性、活性及稳定性的提升。所制备的高熵合金催化剂在550摄氏度常规测试条件下200小时内无明显失活。此外，在354每小时的高空速条件下，所制备高熵合金催化剂在550及600摄氏度下均展现出超高的丙烯生成速率，优于已报道的铂基多元合金催化剂。该工作对合金化效应的深刻理解和灵活应用实现了高熵合金催化剂的定向构筑，为高熵合金设计制备提供新思路，有望加速催化剂的开发与研究。

图2.丙烷脱氢催化性能研究

该项研究受到国家自然科学基金委、中国科学院和科技部等的资助。曾杰教授、严涵特任副研究员为该论文的通讯作者，博士生罗均为论文的第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202419093

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教授、江敏副教授等在轴子暗物质探测方面取得重要进展。他们利用量子精密测量技术在“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内成功开展了轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上的探测界限提升了至少50倍。这一重要研究成果于11月4日以“New Constraints on Axion-Mediated Spin Interactions Using Magnetic Amplification”为题发表于国际著名学术期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 133, 191801 (2024)]，并被选为“编辑推荐（Editors’ Suggestion）”文章。同时，美国物理学会的Physics Viewpoint栏目发表了由印第安纳大学伯明顿分校的Michael Snow教授撰写的专文评述 “Searching for Axions in Polarized Gas”。

粒子物理标准模型自半个世纪前确立以来，已在粒子加速器实验中经受住了无数次的检验。然而，粒子物理标准模型所描述的粒子和相互作用仅占据了观测宇宙能量密度的5%。诸多超越标准模型的理论例如大一统理论、弦理论以及超维理论等预言了轴子这种暗物质的热门候选粒子。这类粒子可以与标准模型粒子相互作用，引起标准模型粒子微弱的能级移动。量子精密测量技术利用相干、关联和纠缠等特性，可以实现对微弱能级的超灵敏测量，而且通常具备桌面尺寸，为暗物质搜寻提供了变革性的手段。国内外众多知名高校和科研机构基于量子精密测量技术在广阔的质量范围（10-20eV至1 eV）内开展了一系列轴子暗物质搜寻实验。近年来，Nature和Physics Reports等国际权威学术期刊相继发表文章指出，一些特定理论模型（例如高温格点QCD模型和SMASH模型）预测轴子和Z'玻色子极有可能存在于所谓的“轴子窗口”（10 ueV-1 meV）内。然而，由于轴子暗物质的信号极其微弱，极易被环境噪声和经典磁场的干扰信号所掩盖，因此仅有少数研究团队在这一质量范围开展过实验搜寻。

图1 （a）实验示意图；（b）实验约束的轴子暗物质界限

在本项工作中，研究人员巧妙地利用了两个相距60毫米的极化¹²⁹Xe原子系综，在轴子窗口内探测轴子暗物质诱导的自旋相关相互作用（见图1a）。在实验装置中，一个¹²⁹Xe原子系综充当自旋传感器，另一个129Xe原子系综作为自旋源。为了提高¹²⁹Xe核自旋的极化度或者探测灵敏度，研究人员在¹²⁹Xe原子系综中混入碱金属Rb，成功实现了对¹²⁹Xe极化矢量信号高达145倍的放大，构建了一个超灵敏的轴子暗物质探测器。实验中，对自旋源中的¹²⁹Xe原子系综施加磁场脉冲，使¹²⁹Xe原子的核自旋翻转90°，随后这些原子以其特有的拉莫尔频率绕其极化轴进动。理论预期这类进动的¹²⁹Xe原子将通过轴子传递自旋相互作用给自旋传感器中的¹²⁹Xe，从而产生潜在的轴子暗物质信号。为了捕捉这一微弱信号，研究人员利用激光探针监测¹²⁹Xe传感器的极化状态，寻找可能揭示轴子暗物质存在的微小偏差。然而，由于轴子暗物质信号极其微弱，经典磁场干扰可能成为高灵敏识别轴子信号的巨大挑战。为了克服这一挑战，研究人员精心设计了磁屏蔽系统，成功把经典磁场信号抑制了1010倍。此外，他们还采用了在引力波探测（如LIGO）中广泛应用的最优滤波技术（optimal filtering），以最大限度地提高轴子暗物质信号的信噪比。尽管研究人员暂时未能发现轴子暗物质存在的直接证据，但他们仍在轴子窗口内给出了迄今为止最强的中子-中子耦合界限，创造了新的国际最佳纪录（见图1B）。这一成果不仅展示了量子精密测量技术在暗物质探测领域的巨大潜力，也为未来的相关研究奠定了坚实的基础，例如彭新华教授及合作者于2023年提出了将量子传感器送到中国空间站的想法，利用地球作为自旋源以及空间站绕地球高速运动的独特优势，搜寻轴子等暗物质候选粒子诱导的新奇自旋相互作用，预期灵敏度将提升6-8个数量级，详见arXiv:2410.15755。

论文发表的同时，印第安纳大学伯明顿分校Michael Snow教授撰写了Viewpoint，评述“The work of Su and colleagues is distinguished by their application of two new developments—magnetic amplification and signal templates—which enabled them to improve the sensitivity of their search for spin-dependent exotic interactions by about 2 orders of magnitude beyond the existing state of the art.”该工作的独特亮点在于研究人员创新性地引入了两种新技术——磁放大技术和信号模板，从而将轴子暗物质的探测灵敏度提高约两个数量级，超越了国际最先进水平。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士后苏昊文为该文第一作者，彭新华教授和江敏副教授为通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后基金会等资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191801

APS Physics Viewpoint报道链接：https://physics.aps.org/articles/v17/157

（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）

电磁波污染和热损伤对精密仪器，尤其是在航空航天领域，构成了严重威胁。功能性气凝胶因其吸收电磁波和隔绝热量的特性，提供了一种具有良好前景的解决方案。然而，优化这两种特性时常面临着一个以往研究中常常被忽略的矛盾：热防护效果与材料厚度呈正相关，而电磁波吸收只能在特定厚度下达到最佳效果（图1）。因此，目前的研究难以同时实现电磁波吸收效率和热防护效果的平衡。

图1.电磁波吸收和热防护优化策略之间的矛盾。

为了解决电磁波吸收与热防护性能共同优化中的关键冲突，中国科学技术大学俞书宏院士团队提出一种双重防护材料的设计策略：i) 高孔隙率，以促进电磁波的多次反射和散射；ii) 衰减常数（𝛼）与阻抗匹配（Z）之间的良好平衡；iii) 通过改变压缩厚度来调节导电性和电磁参数的能力；iv) 在高应变下具有可靠的结构鲁棒性和耐久性；v) 各向异性热导率，包括垂直方向（与层状方向垂直）的超低导热率和对齐方向（与层状方向平行）的较高导热率。鉴于此，研究人员设计并制备了一种兼备动态电磁波吸收性能和热防护的功能碳弹簧（functional carbon spring,FCS）气凝胶材料。相关研究成果以“Functional Carbon Springs Enabled Dynamic Tunable Microwave Absorption and Thermal Insulation”为题发表于国际学术期刊《先进材料》上 (Adv. Mater.2024, 36,2412605)。该论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士后王泽宇、博士研究生李博和西北工业大学博士研究生李朝晨，通讯作者为中国科学技术大学俞书宏院士、朱银波副教授和西北工业大学叶昉副教授。

FCS独特的仿足弓长程层状多拱微观结构使其电磁波吸收性能可调，并具备优异的热防护能力。通过调整压缩应变从0%到50%，该材料的可调有效吸收带宽可达13.4 GHz，覆盖了测量频谱的84%。值得注意的是，在75%应变时，吸收带宽降至0 GHz，展现出新颖的吸波“开-关”切换能力。其超低的垂直热导率（12.7 mW m⁻¹K⁻¹）和“面内高热导，面外低热导”的各向异性热传导机制赋予FCS卓越的热防护效果。数值模拟表明，FCS在热防护方面优于常见的蜂窝结构和各向同性多孔气凝胶。此外，研究人员建立了“电磁-热”双重保护材料数据库，直观展示了该材料和设计策略的优越性。

图2.a) FCS的可调的电磁波吸收性能与优异的热防护能力。b)“电磁-热”双重保护材料数据库。

这项研究阐明了限制具有优越电磁波吸收和热防护特性的多功能气凝胶材料发展的冲突，进一步提出了一个新的设计范式。此外，所提出的隔热材料数据库和“电磁-热”双重保护材料数据库也为直观的性能比较提供了标准。

该工作得到新基石研究员项目、国家重点研发计划、中国科学院战略型先导科技专项基金、国家自然科学基金重大项目、中国科学院青年创新促进会、安徽省重大基础研究项目等资助，以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412605

（化学与材料科学学院、科研部）

中国科大中国科学院量子信息重点实验室丁冬生课题组在里德堡原子周期性驱动耗散系统的研究中取得重要进展。该课题组在里德堡原子驱动耗散系统中观察到了高阶和分数离散时间晶体。相关成果11月10日以“Higher-order and fractional discrete time crystals in Floquet-driven Rydberg atoms”为题发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。

自发对称性破缺是解释物质相变的重要机制，比如空间上的平移对称性的自发破缺，使得物体形成了空间上的有序结构，也就是空间晶体。同样，研究人员提出时间上是否能发生类似的对称性自发破缺，从而形成时间晶体。最初，这个概念由诺贝尔物理学奖获得者FrankWilczek教授提出，它描述物质的时间和空间上的特征周期性地复现。研究人员在实验和理论上都对此进行了大量研究，在理论上提出了离散时间晶体（DTC）的概念并且在实验系统中观测到了离散时间晶体的存在。离散时间晶体，就是满足时间上离散平移对称性的自发破缺，表现为实验系统的响应周期是驱动周期的整数倍，如图1所示：

图 1 物理示意图，（a）为包含两个里德堡态的系统能级图，（b）为驱动耗散的系统示意图，（c）为系统在周期为T的射频驱动下的响应。对于一般的系统来说，系统响应的周期往往和驱动周期保持一致，但是当系统处于离散时间晶体相时，系统的响应周期表现为驱动周期的整数倍，如图中的2-DTC，3-DTC。

有趣的是，当物理系统远离热平衡状态时，人们可以观察到稳定的耗散时间晶体、预热离散时间晶体等奇异的物态现象。强相互作用的里德堡原子系统是研究非平衡动力学的理想平台之一。丁冬生、刘邦等人通过在周期性驱动的里德堡原子系统中，通过调节系统参数，观察到了强相互作用里德堡原子气体中的高阶以及分数离散时间晶体。在实验上得到了不同离散时间晶体的相图，观察到了整数阶离散时间晶体的相变过程，如图2所示。同时通过扫描系统参数，观察到了分数时间晶体存在的证据，如图3所示。对于这些现象的研究将有助于我们加深对时间晶体这种特殊物质状态的理解，为探究量子系统的非平衡动力学提供一个平台。

图2 2-DTC和3-DTC以及之间的相变，（a）2-DTC和3-DTC的相图，（b-e）2-DTC到3-DTC之间的相变过程。

图3分数离散时间晶体，（a-c）分数离散时间晶体的相图，（d-f）分数离散时间晶体的傅里叶频谱。

该工作得到了审稿人的高度评价：他们观察到离散时间晶体证明了超越单一离散时间平移对称性破缺的能力，为热原子气体简单的平台中的非平衡动力学提供了新的见解。量子多体系统中更复杂的时间对称性的存在扩展我们在该领域的知识，并为非平衡物理学的新探索铺平道路。（“They observe the breaking of discrete time translation symmetry into higher-order and non-integer categories, which demonstrates the ability for complex temporal symmetries beyond single discrete time translation and offers new insights into non-equilibrium dynamics in a simple platform of thermal atomic gas. The potential existence of more intricate temporal symmetries in quantum many-body systems is highlighted, which could significantly expand our knowledge in the field and pave the way for new explorations into non-equilibrium physics.”）

中国科大博士研究生刘邦为本文的第一作者，丁冬生教授为本文的独立通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中国科学院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53712-5

（光学与光学工程系、科研部）

中国科学技术大学精准智能化学重点实验室、化学与材料科学学院黄伟新教授课题组研究了伽马射线驱动的气相和水相中CH4反应网络，观察到室温存在氧气的情况下水相CH4转化为各种复杂有机分子，在额外引入氨的情况下还生成了甘氨酸（图1）。研究成果以“g-Raydrivenaqueous-phasemethaneconversions intocomplexmolecules up toglycine”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.，并被Angew. Chem. Int. Ed.期刊选为"press release"文章，发表题为"Interstellar Methane as Progenitor of Amino Acids?"的"press release"。

图1.伽马射线驱动水相甲烷和氨气转化为甘氨酸的示意图

宇宙中复杂分子被认为是从广泛存在的简单分子演化而来，理解其初始形成网络非常有趣且重要。宇宙射线及宇宙射线产生的高能粒子能够提供外加能量以驱动宇宙中简单分子的化学反应。冰粒地幔中宇宙射线驱动的自由基化学被认为可以生成星际分子，特别是主要由C、H、O和N元素组成的复杂有机分子。CH4广泛存在于整个星际介质中，并可以为星际有机分子的演化提供C和H源。从甲烷及其它小分子出发来模拟星际分子演化的研究通常在高真空和非常低的温度下进行，其中CH4和其他小分子以固相形式存在，具有与宇宙射线和高能粒子大的相互作用截面。在大型固体上，如地球或位于所谓的宜居带的行星，其拥有相对高的压力和温度，因此CH4和其他小分子以气相或液相存在。由宇宙射线和高能粒子引起的反应可能是这些大型固体上复杂分子演化甚至生命起源的原因，但研究较少。

研究人员利用中国科学技术大学化学与材料科学学院60Co源产生的伽马射线，研究了不同条件下伽马射线辐照的CH4转化，提出了反应网络及机理（图2）。伽马射线能够在室温下驱动CH4转化，其转化率和产物随反应物组成的变化而变化。CH4反应生成乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和H2，CH4转化率非常低，由于反应器中残留的微量空气，还会产生少量CO。加入O2大大提高了CH4的转化率，主要生成了CO2、还有少量CO和乙烯（C2H4）以及H2O。加入H2O后，除了气相CH4转化为C2H6和C3H8外，还会引发水相CH4转化为丙酮（CH3COCH3）和叔丁醇（(CH3)3COH），从而提高CH4转化率。H2O和O2的共同加入显著提高了气相和水相CH4的转化，水相产物是甲醛（HCHO）、乙酸（CH3COOH）和CH3COCH3。因此，在伽马射线辐射下，O2和H2O分别被活化为×O2-自由基和×OH自由基（以及eaq-和H+）比CH4被活化为×CH3自由基更有效。此外×O2-自由基和×OH自由基分别引发了主要的气相和水相CH4转化。O2的存在也促进了水相CH4的转化。进一步探索了伽马射线辐照下甲烷水相转化产物CH3COOH与NH3·H2O的反应，发现通过∙NH2自由基和∙CH2COOH自由基反应生成了甘氨酸，证实了伽马射线驱动的CH4+O2+H2O+NH3形成甘氨酸的反应路径。有趣的是，反应中使用的反应物CH4、H2O、O2、NH3都在太空中存在，并且图2中列出的除(CH3)3COH以外的所有有机产物都在太空中被发现。同时，伽马射线驱动的CH4转化遵循自由基机理，其反应速率取决于自由基浓度，对反应温度的依赖性不强。因此，在H2O、O2、NH3和其他小分子存在的情况下，伽马射线驱动的CH4转化可能是产生星际复杂分子的途径。在优化的反应体系中加入包括SiO2、Fe2O3、MgSiO3和氧化石墨烯（GO）等星际尘埃组成化合物，观察到固体颗粒加入降低CH4转化率并改变改变产物选择性。加入SiO2后CH3COOH选择性增加到82%，代表了一种CH4高选择性转化为CH3COOH的新型反应体系。同时，星际分子被发现在同一固体的空间分布是不均匀的，例如，在猎户座BN/KL中观察到CH3COCH3分布不均匀，这不能用相关的辐射反应来解释。而我们研究结果表明星际尘埃的组成和相关的表面化学可能导致星际分子在太空中的不均匀分布。

图2.伽马射线驱动甲烷反应网络及机理。

总之，伽马射线能够在室温下将水相CH4转化为各种产物，包括碳氢化合物、含氧化合物和氨基酸。伽马射线（宇宙射线）驱动的水相CH4转化可能在宇宙中复杂有机分子的形成网络甚至生命起源中发挥重要作用。同时，尽管伽马射线表现出强烈而危险的辐射效应，但目前正被大规模安全使用，是一种容易获得且可持续的能量。伽马射线驱动的选择性水相CH4转化为CH3COOH也为温和条件下有效地利用丰富的CH4作为碳源生产增值产品这一多相催化长期挑战性反应提供了一种新策略。

中国科学技术大学毕业博士方霏和特任副研究员孙潇博士为文章共同第一作者，黄伟新教授为文章通讯作者。该项研究得到了中国科学技术大学化学与材料科学学院葛学武教授和汪谟贞副教授等的实验支持，以及科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会和教育部的经费支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202413296

Angew. Chem. Int. Ed.期刊"press release"链接：https://onlinelibrary.wiley.com/page/journal/15213773/homepage/press/202418press.html

（精准智能化学重点实验室、化学与材料科学学院、科研部）