多学科协同创新！中国科大近期研究成果发布

近日，中国科学技术大学物理系彭晨晖教授、蒋景华研究员和香港科大张锐教授团队合作，利用向列相液晶为研究体系实现了斯格明子在拓扑保护下进行结构转换。合作团队揭示了斯格明子在光场驱动下处于非平衡状态时，半斯格明子(half-skyrmion) 和半双半子(half-bimeron) 之间的拓扑结构转换机制。而后展示了具有拓扑缺陷的胶体颗粒在斯格明子转换过程中如同舞动般的自组装动力学特性。这项工作为利用凝聚态材料中非平衡态斯格明子操控胶体颗粒开辟了新的方向，此工作以“Light-driven dancing of nematic colloids in fractional skyrmions and bimerons”为题发表于Nature Communications, 16, 1148 (2025)。

斯格明子最初由粒子物理学家Skyrme 在1961年提出，代表了一种具有拓扑保护结构的三维孤子粒子状态。在包括玻色-爱因斯坦凝聚体、量子场、磁性材料和光学系统在内的各种物理系统中已对斯格明子进行了深入的研究。斯格明子的独特性质，如其稳定性和非平凡拓扑性质，使它们将在下一代数据存储、传感和光通信中具有广泛的应用。作为一种新兴的拓扑结构，斯格明子在二维空间（2D）中呈现出盘状结构，在三维空间（3D）中呈现出弦状结构。迄今，已在各种不同材料中发现诸如斯格明子的反粒子（antiskyrmion）, 分数斯格明子（meron 和 antimeron）以及分数斯格明子对（bimeron）等拓扑结构。但在一个斯格明子弦(skyrmion string)中创建不同的拓扑结构并直接利用光学手段观察不同三维斯格明子之间的拓扑结构转换仍然是一个巨大的挑战。由于液晶体系其内在的复杂性和较大的系统尺寸，其可能为应对上述挑战提供解决方案。

合作团队前期在液晶体系中首先揭示了光驱动活性物质三维拓扑结构，并实现了各三维拓扑结构间的相互转换（PNAS 119, e2122226119 (2022)）, 利用莫尔效应操控复杂三维拓扑结构（Nature Communications, 15, 1655 (2024)），利用光驱动三维拓扑结构形变，发现了光驱动活性胶体自组装新机制（PNAS 120, e2221718120 (2023)），阐明了拓扑驱动胶体纠缠的物理机制（PNAS 121, e2402395121 (2024)）。

在这些前期工作的基础之上，合作团队发现当两种不兼容的拓扑模式间距超过一定距离时，一种新的具有周期性结构的拓扑物态呈现。结合理论模拟和实验验证，这种拓扑结构是一种三维的半斯格明子。这种半斯格明子可具有四种不同的拓扑结构，即半反斯格明子half-anti-skyrmion（HAS（-1/2，π））和半尼尔斯格明子half-Néel-skyrmion（HNS（-1/2，0））和两种半尼尔双半子half-Néel-bimeron（HNB（-1/2，π/2）和HNB（-1/2，-π/2））。当三维斯格明子在光驱动下处于非平衡状态时，其拓扑结构按照HNB（-1/2，π/2）、HNS（-1/2，0）、HNB（-1/2，-π/2）、HAS（-1/2，π）和 HNB（-1/2，π/2）的顺序进行转换。将具有拓扑缺陷的胶体颗粒置于此斯格明子中时，胶体颗粒呈现出胶体偶极子形态，此偶极子结构在运动的三维的斯格明子中旋转、被排斥和被吸引。当胶体自组装结构在此斯格明子中时，则呈现kink, coil及旋转等不同的自组装形态。具体来说，由于斯格明子中拓扑结构的转变，诱导胶体自组装结构的可控转换。合作团队还制备了具有环状结构的斯格明子环，此斯格明子环可在光驱动下进行扩张和收缩，胶体颗粒可绕着斯格明子环进行转动，最终形成jamming结构防止斯格明子的湮灭。最终合作团队制备了具有“HKUSTC”字样的任意形状的斯格明子结构，胶体颗粒在其中形成线状和zigzag结构的胶体自组装结构。

通过深入理解拓扑斯格明子的形成和转换机制，合作团队能够精确控制斯格明子的结构和运动，并利用其作为信息载体对胶体颗粒进行自组装和传输。此项研究不仅为凝聚态物理中斯格明子领域开辟了新的方向，而且为智能胶体复合材料的设计和开发提供了新的思路。

图1.胶体颗粒在不同拓扑结构的斯格明子中形成形态各异的自组装结构

此工作实验部分由中国科大彭晨晖教授、蒋景华研究员团队完成，理论模拟部分由香港科大张锐教授团队完成。彭晨晖教授、蒋景华研究员和张锐教授为本文共同通讯作者，中国科大博士生扎吾热阿斯了汉和香港科大博士生唐文滔为本文共同第一作者。中国科大研究生张婧、王睿洁和石青田，本科生陈子君和宋甘霖为共同作者。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国科大双一流平台建设经费、中国科大青年创新重点基金和香港研究资助局的资助。

论文信息：

Light-driven dancing of nematic colloids in fractional skyrmions and bimerons

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56263-5 

中国科大郭光灿院士团队李传锋教授、许金时教授研究组与合作者发展了适合研究单体高维量子系统的可扩展光学体系，成功观测到最强的逻辑形式量子关联。李传锋、许金时等和数学科学学院马杰教授等人，联合安徽大学许振朋教授、北京玻色量子科技有限公司文凯博士、南开大学陈景灵教授等组成了该研究团队。成果1月29日发表在国际知名期刊《科学·进展》（Science Advances）上，《新科学家》（New Scientist）杂志以“Experiment with 37 dimensions shows how strange quantum physics can be”为题报道本项成果。

量子力学允许出现超越经典物理学的关联，其中逻辑形式的量子关联无需违背不等式，能够更明确地展示与经典关联的不同，吸引了广泛的关注。1989年，Greenberger, Horne 和Zeilinger (GHZ) 首次预言了态依赖的逻辑形式量子关联，揭示了量子力学和经典物理学在实验中四个条件概率组合的预言上出现确定性的矛盾，即著名的GHZ悖论。逻辑形式量子关联的强度与所使用的条件概率组合的数量有关，条件概率组合数越少，量子关联就越强。自GHZ结果发表36年以来，更强的逻辑形式量子关联一直未取得进展。为了解决这一开放性问题，研究团队发展了适用于逻辑形式关联的图论方法，通过搜索图论常数，在37维空间中发现了仅使用三个条件概率组合的量子关联，如图1(A)所示。研究进一步表明，条件概率组合的数量已无法进一步减少，证明了该结果就是逻辑形式量子关联的极限。

图1：(A) 包含三个条件概率组合的GHZ型悖论中互斥事件的图表示；(B) 实验结果及相应的非互文隐变量模型(NCHV)理论预言结果。

为了观察到高维空间中的量子关联，研究团队设计了一个基于直和空间编码和时间维度复用的可扩展光学体系，可以将高维空间中的制备-测量实验分解为多个低维空间中的实验。团队在该体系中以超过8个标准差的置信度，观测到了高维空间下逻辑形式量子关联，如图1(B)所示。该研究将为寻找更强的其它形式量子关联提供重要线索，同时实验中所观测到的量子关联将在量子计算和量子通信领域发挥重要作用。

中国科学院量子信息重点实验室已毕业的博士研究生刘正昊、孟雨和数学科学学院的博士研究生吴雨泽为论文共同第一作者。该工作得到了合肥国家实验室、基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd8080

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际知名期刊《Nature Sustainability》上发表了题为“Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation”的研究型论文。该研究首次提出了一种基于电化学原理的绿色可持续废弃物回收管理策略，能够同时实现废旧锂离子电池正极材料中的锂资源回收和工业尾气中的氮氧化物污染物的捕获和转化。研究团队巧妙设计了一种无能量消耗的回收方法，利用尾气中二氧化氮的电化学还原电位与废旧电池正极材料的电化学氧化电位差，不仅成功回收了废旧电池正极材料中的锂资源，还将二氧化氮转化为高价值的硝酸锂盐。与此同时，这一过程还能实现大量的能量输出，为锂回收与污染物治理提供了一种高效、环保且具有经济价值的全新解决方案。

图1.废旧锂离子电池正极和二氧化氮污染物同时回收设计思路。

具体而言，锂离子将自发地从废旧锂电池正极材料中脱出进入电解液中而另一侧的二氧化氮则会被还原为亚硝酸根，两者结合形成的亚硝酸锂为直接的电化学反应产物，同时产生大约0.4 V的输出电压。电化学反应产物亚硝酸锂则会被空气中的氧气进一步氧化成为更加稳定的硝酸锂产物。

NO2 capture: NO2+ e−→ NO2− Eo= 0.88 V vs. RHE (1)

Li recycling: LiFePO4− e−→ Li++ FePO4 Eo= 0.5 V vs. RHE (2)

Overall: LiFePO4+ NO2→ LiNO2+ FePO4 Eoutput= 0.38 V (3)

LiNO3 production: 2LiNO2+ O2→ 2LiNO3 (4)

作者分析了所提出的回收策略与传统回收策略在经济和环保等方面的优劣势。针对电池回收工艺中各个主要回收步骤的能耗、二氧化碳排放以及成本收益进行系统性的核算后显示，所提出的回收工艺在能耗和二氧化碳排放量上远远低于目前主流的回收策略，表明该策略在绿色可持续经济上具有绝对的领先优势。对成本收益计算结果分析，表明所提出的策略也是优于其它四种传统回收策略。

图2.不同回收策略的技术经济分析。

中国科学技术大学化学与材料科学学院博士研究生王卫平为论文的第一作者，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的陈维教授为该论文的唯一通讯作者。该研究工作得到自然科学基金委重大研究计划项目和面上项目，中国科大创新团队培育基金，中国科大人才团队项目以及中国科学技术大学理化实验中心、超算中心和微纳中心提供的帮助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-024-01505-5

中国科大郭光灿院士团队郭国平、宋骧骧等与本源量子计算有限公司合作，利用双层石墨烯中迷你能谷（minivalley）自由度与自旋自由度之间的相互作用，实现了对石墨烯量子点中单电子自旋填充顺序的电学调控。研究成果以“Switching spin filling sequence in a bilayer graphene quantum dot through trigonal warping”为题，作为封面文章发表在1月21日出版的国际物理知名期刊《Physical Review Letters》上，并被选为“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）。

石墨烯因其较弱的自旋轨道耦合和超精细相互作用，被认为是承载自旋量子比特的理想材料体系之一。其特殊的能带结构为电子提供了能谷等不同于电荷、自旋的其他物理自由度，既可以直接用于编码新型量子比特，也可以通过其与自旋自由度之间的相互作用实现对自旋态的调控。随着研究的深入，人们发现在双层石墨烯中施加一个垂直方向的电场，除了可以产生一个大小可调的能隙外，还会调节石墨烯能带边缘的三角扭曲（trigonal warping）结构，使能带在每个能谷附近进一步产生三个深度可调的能量极值点，称为迷你能谷（图1）。最新研究表明，这些电场可调的迷你能谷可以影响双层石墨烯器件的输运性质，但它们与自旋等其他物理自由度之间的相互作用还没有得到深入研究。

图1.双层石墨烯中电子的自旋（spin）、能谷（valley）、迷你能谷（minivalley）自由度示意图。

研究团队制备了基于双层石墨烯的栅控量子点器件（图2a），可将电子逐个填充进直径约50 nm的束缚势场中。这样低的器件载流子浓度使费米面得以接近带边的迷你能谷，为研究迷你能谷与其他自由度间的相互作用提供了理想平台。通过标定单电子能级在外磁场中的塞曼劈裂（图2b），研究团队分别在小电场和大电场下，实现了对量子点中前12个电子的自旋及能谷填充顺序的分辨。实验结果表明，在小电场下，前12个电子被填充进了两个壳层中，其中第一壳层会依次填充进两个自旋向上和两个自旋向下的电子，且连续填充的两个电子来自不同能谷，形成“2+2”的壳层结构。而在大电场下，所有12个电子均被填充进了第一壳层。尽管能谷配对填充的特征没有改变，但自旋的填充顺序被显著调制了：第一壳层依次填充进了6个自旋向上和6个自旋向下的电子，形成“6+6”的壳层结构（图2c）。

图2. (a)双层石墨烯栅控量子点器件结构示意图；(b)由于自旋塞曼效应，单电子隧穿峰随面内磁场产生移动；(c)利用垂直电场调节迷你能谷自由度，实现对自旋填充顺序的电学调控。

根据泡利不相容原理，两个状态相同的电子不能占据同一轨道。大电场下，前6个填充电子的自旋相同，能谷两两配对，这说明体系中必然存在额外的三重简并自由度。团队经过理论计算，指出动量空间中的三重迷你能谷，随着电场强度的增加而逐渐加深且彼此分离，直至其中的电子波函数不发生交叠，从而形成了新的物理自由度。这一结果表明，双层石墨烯中的迷你能谷，可作为独立于自旋和能谷的量子自由度。更重要的是，利用其与自旋自由度之间的相互作用，能够电学调控自旋的填充顺序，实现总自旋为3的高自旋态的制备。这一三重简并的自由度，有望用于对SU(3)对称性的量子模拟。

中国科学院量子信息重点实验室博士生秦国铨为论文第一作者，物理学院郭国平教授、苏州高等研究院宋骧骧特任研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、江苏省的资助。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.036301

近日，中国科学技术大学大气科学先进计算实验室(LACAR)基于神威海洋之光超算平台开展了次季节尺度（30天）全球对流解析模拟试验。研究发现全球对流解析模拟可降低传统气候模式（数十公里空间分辨率）在印度半岛夏季风降水的低估偏差，提升南亚季风降水的次季节预报能力。进一步结合再分析和观测数据，揭示了南亚夏季风降水预报能力的提升与赤道印度洋雨带降水频率的改善存在密切联系。研究成果近日以“Excessive equatorial light rain causes modeling dry bias of Indian summer monsoon rainfall”为题，发表于国际知名期刊《npj Climate and Atmospheric Science》。

南亚夏季风是最重要的气候现象之一，其降水影响数个南亚国家的粮食和经济安全，同时也是亚洲水循环的重要过程。全球气候模式是研究和预测南亚夏季风的重要工具。基于第三次到第六次国际耦合模式比较计划(CMIP3-CMIP6)的相关研究指出全球气候模式数值模拟能力在不断发展，但是多数模式仍然存在一些系统偏差，如印度半岛夏季风降水的干偏差，全球范围的小雨频率高估偏差。其中印度半岛夏季风降水的干偏差限制了南亚地区汛期和极端降水预报能力，不利于防灾减灾和亚洲水循环研究。

图1.2020年6月11日至7月10日期间南亚夏季风平均降水。(a) GPCP观测数据；(b) CMORPH数据；（c）全球粗分辨率模式(U60km)相对于CMORPH的降水偏差；（d）变分辨率模式(V4km)与粗分辨率模式的差异，其中黑色实线内为加密至4公里的区域；（e）全球对流解析模式（U3km）与粗分辨率模式的差异；（f）赤道印度洋（EIO）雨带和印度北部雨带（NI）的平均降水，其中雨带地理区域对应a-e中的红色虚线区域。

传统全球气候模式的空间分辨率较低，约在几十到百公里尺度，不足以表征大气中小尺度过程及其相互作用。公里尺度的全球对流解析模式则是提升全球气候模式模拟准确性的关键发展方向。本研究则基于研究团队前期开展的全球对流解析尺度（3公里）次季节模拟试验，分析了全球对流解析模式对于南亚夏季风降水的模拟能力。研究发现全球对流解析模式可改进南亚夏季风环流系统模拟，同时相对于区域加密对流解析模式和全球粗分辨率模式显著改善了印度半岛夏季风降水的干偏差（图1）。

进一步的研究则发现，全球对流解析模式同时抑制了“小雨频率高估，大雨频率低估”的误差，改进了模拟降水的频率分布。传统粗分辨率模式中的小雨频率高估在赤道区域最为明显，所以赤道印度洋雨带的夏季风降水显著偏高。赤道印度洋雨带的过量小雨在高空释放过量潜热，引发哈德莱型异常环流，其下沉支进而抑制印度半岛季风雨带的降水（图2）。反之，全球对流解析模式则削弱了粗分辨率模式中赤道印度洋的过量小雨误差，并通过雨带竞争关系，改善了印度半岛夏季风降水的干偏差。该结果展示了对流解析尺度对于“局地对流-南亚季风”多尺度相互作用的模拟能力，及其在次季节预报领域的应用潜力。

图2.赤道印度洋过量小雨和印度北部季风降水干偏差的关联机制示意图。黑色实线区域分别代表赤道印度洋(EIO)和印度北部(NI)雨带。蓝色透明箭头代表输送水汽的索马里急流。红色透明箭头代表粗分辨率模式中赤道过量小雨激发的哈德莱型异常环流和抑制索马里急流的异常气流。顺时针环绕的红色箭头代表异常环流激发的异常反气旋。红色”+”号代表潜热(LH)加热。饼状图代表全球对流解析模式(上图)和全球粗分辨率模式(下图)中EIO区域的降水频率(PF, %)分布。

本研究得到了中国科学院战略先导科技专项、安徽省自然科学基金、中国科学技术大学双一流研究基金、崂山实验室科技专项以及国家重点基础设施项目“地球系统数值模拟设施”(EarthLab)等项目的共同资助。同时中国科学技术大学高性能计算中心、青岛超算中心提供了高性能计算支持。地球和空间科学学院赵纯教授和计算机科学学院安虹教授为共同通讯作者，博士研究生李顾东泽为第一作者。

论文信息：

Li, G., Zhao, C., Gu, J. et al. Excessive equatorial light rain causes modeling dry bias of Indian summer monsoon rainfall. npj Clim Atmos Sci 8, 23 (2025).https://doi.org/10.1038/s41612-025-00916-1

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41612-025-00916-1

精准追踪催化反应过程中活性中心结构随时间的动态演化，对于解析催化剂活性增强机制至关重要。然而，常规原位X射线谱学技术通常在分钟到秒量级时间尺度内探测催化剂的稳态结构变化，难以有效捕捉具有高度动态和快速演化特性的非平衡态结构信息，严重制约了对催化机理的深入理解。为此，亟需发展具备高时间分辨能力的原位X射线谱学技术，以实现对非平衡态过程的实时、高精度追踪。此外，随着时间分辨率的提升，实验所产生的海量且复杂的谱学数据使得传统依赖人工解读的方式变得愈发困难。因此，开发基于数据驱动的先进机器学习算法，实现海量数据的高效处理、精准挖掘与深度分析，显得尤为迫切。

近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室与核科学技术学院姚涛教授团队，在捕捉电催化剂非平衡态结构的时间分辨同步辐射X射线谱学研究中取得了新进展。团队采用能量色散X射线吸收谱（ED-XAFS）技术，实现了毫秒级（60 ms）时间分辨全谱“单次采集”，极大地提升了数据采集的效率与精度。结合无监督机器学习算法，从数万张谱图中快速识别并筛选出催化剂重构过程中涉及的关键主成分相。通过对这些主成分随时间的动态变化进行定量解析，精确捕捉到非平衡态中间体的特征结构信息及其动态形成规律（图1）。相关研究成果以“Time-resolved spectroscopy uncovers deprotonation-induced reconstruction in oxygen-evolution NiFe-based (oxy)hydroxides”为题，发表于国际学术期刊《自然•通讯》。

团队与上海光源动力学线站（BL 05U）合作，利用色散弯晶与位敏探测器，成功实现了无机械运动干扰的高精度、高稳定性毫秒级时间分辨全谱采集。针对该技术特点，研究团队自主研制了适用于电催化体系的原位装置，深入研究了镍铁氢氧化物（NiFe LDH）在电催化析氧反应（OER）中的复杂动力学过程。结合机器学习算法的深度解析，首次在毫秒时间尺度捕捉到NiFe LDH在脱质子过程中关键中间体的特征结构信息。结果表明，Fe的引入显著加速了NiFe LDH的脱质子过程，尤其是优先移除共边[NiO6]和[FeO6]八面体之间桥接羟基（Ni2+-OH-Fe3+）上的质子。这一行为触发了高价Ni3+δ活性物种的生成，从而显著提升了OER活性。此研究不仅展示了ED-XAFS技术在捕捉非平衡态结构研究中的巨大潜力，也凸显了数据驱动方法在复杂体系解析中的重要作用。

论文的通讯作者是姚涛教授、姜政教授和曹林林特任副研究员，博士研究生吴丹为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的资助，并获得了合肥、上海及北京光源的机时支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56070-y （DOI: 10.1038/s41467-025-56070-y）

图.毫秒时间分辨ED-XAFS结合机器学习捕捉催化剂非平衡态结构

近日，中国科学技术大学熊宇杰教授和刘东教授在光催化甲烷转化领域取得新进展，相关研究成果以“Direct Photocatalytic Oxidation of Methane to Formic Acid with High Selectivity via a Concerted Proton–Electron Transfer Process”为题发表在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

光驱动甲烷直接转化为甲酸是将甲烷转化为高附加值化学品并促进可持续发展的一种前景广阔的方法。然而，由于甲烷到甲酸涉及复杂的中间体，这一过程仍然具有挑战性。在此，他们设计了一种以铂（Pt）活性位点修饰的三氧化钨（WO3）基光催化剂，通过质子耦合电子转移过程促进氧活化，产生更多的活性氧物种，实现高效的甲烷到甲酸的转变。通过比较Pt单原子（SAs）和纯的WO3，他们发现负载Pt纳米颗粒（NPs）表现出更高的甲烷转化速率、甲酸产物的选择性。Pt纳米粒子可以促进氧气吸附和活化，通过可以促进光生载流子分离，从而实现O2解离；另外通过提高溶液中的质子浓度，提供足够的质子，从而降低羟基自由基（·OH）形成势垒，最终通过质子耦合电子转移过程促进·OH形成。在这个反应体制中，我们设计的PtNPs-WO3催化剂，可以实现 17.7 mmol g−1的HCOOH 产率，其HCOOH产物的选择性为 84%，并表现出优异的催化剂稳定性。这项研究为甲烷转化催化剂设计和反应机理提供了新的思路。

中国科大博士生翟广耀、杨思远以及陈艺虹为论文第一作者，中国科大熊宇杰教授和刘东教授为论文的通讯作者。此项研究得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国科学院等项目的支持。也得到了合肥同步辐射光源、中国科大理化科学实验中心、微纳研究与制造中心以及苏州高研院理化实验平台的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.4c12758

近日，我校陈伊翔教授研究组在俯冲带火山岩成因方面取得新进展。他们通过对全球典型的岛弧火山岩及弧前蛇纹岩的镁、硼同位素组成分析，揭示了岛弧火山岩由蛇纹岩为主的混杂岩熔融形成这一新机制，极大地深化了对俯冲带物质循环过程和机制的认识，相关成果发表于《National Science Review》上。

板块俯冲带是连接地球表生圈层与深部圈层的关键纽带，在地球圈层物质循环中起着至关重要的作用。大洋俯冲带中广泛出现弧火山岩，目前关于它的形成过程和机制存在巨大争议。传统观点认为，弧火山岩是俯冲大洋板片释放熔流体交代地幔而后地幔熔融形成。然而，这种模型很难解释这些岩石的Sr-Nd等同位素组成的协同变化特征。基于此，前人提出了以沉积物为主的混杂岩熔融模型。由于沉积物及其衍生熔流体的固有地球化学组成，这种组分加入很难解释岛弧火山岩的重Mg同位素组成等地球化学特征。

为了深入研究制约弧火山岩的形成过程与机制这一重要问题，我校地球和空间科学学院郑永飞院士团队陈伊翔教授研究组选取全球典型的岛弧—南桑威奇岛弧（位于南大西洋，南美洲与南极洲之间）的火山岩样品，创造性地利用Mg-B同位素进行联合示踪，充分发挥Mg、B同位素的各自示踪优势，揭示了以蛇纹岩为主的混杂岩熔融形成岛弧火山岩这一新机制。

南桑威奇岛弧是一个极为简单的岛弧系统，它非常年轻、构造简单，远离大陆，是研究岛弧地幔源区特征和火山岩成因的理想对象。陈伊翔教授研究组对该火山岩及弧前蛇纹岩的研究发现，它们均具有极高的δ26Mg值和δ11B值。考虑到地幔和板片来源熔流体的Mg、B含量及同位素组成，岛弧火山岩的这种特征不能用传统的板片交代模型解释。

基于前期对俯冲带蛇纹岩的研究积累(Chenet al., 2016-EPSL, 2020-GCA; Chen, 2024-SCES; Xiong et al., 2023-JGR; Zhao et al., 2023-GCA; Dai et al., 2024-GCA)，该研究提出蛇纹岩为主的混杂岩底辟上升而后在浅部地幔楔中熔融可以很好地解释该岛弧火山岩的重Mg-B同位素组成特征（图1）。这一模型要求底辟体以富重Mg同位素组成的蛇纹岩为主体，并含有少量沉积物或蚀变洋壳组分（图2）。模拟计算表明，该模型不仅可以吻合SSI岩浆的微量元素及Sr-Nd同位素特征，还可以同时解释其系统偏重的Mg-B同位素组成（图1）。

图1、弧岩浆成因的Mg-B同位素组成的两端元混合模拟。（a-b）传统模型：亏损地幔与蛇纹岩衍生流体或板片地壳（沉积物+蚀变洋壳）衍生流体的混合；（c-d）新模型—蛇纹岩为主的混杂岩模型：亏损地幔与蛇纹岩为主的混杂岩+俯冲板片来源物质的混合。

图2、蛇纹岩混杂岩底辟熔融形成岛弧火山岩示意图

该研究表明，联合利用Mg-B同位素不仅可以有效识别岛弧地幔源区中的再循环组分，而且为理解俯冲物质再循环机制提供了新认识。尽管对于岛弧岩浆岩Mg-B同位素的联合研究仍然极其缺乏，已有数据表明在其它岛弧体系，如小安的列斯和马里亚纳岛弧，其火山岩也具有重Mg-B同位素组成。这表明蛇纹岩为主的混杂岩底辟熔融在全球弧火山岩形成中可能具有更广泛的意义，这需要未来更多的工作进行验证。此外，如果这种过程在全球弧火山岩形成中起了重要作用，我们对俯冲带挥发份循环和壳幔相互作用需要进行重新审视。

这项成果近期发表在《National Science Review》上。第一作者为中国科大博士生乔新月、熊家伟（现为崂山实验室博士后），通讯作者为中国科大陈伊翔教授，合作者包括中国科大黄方教授、赵子福教授，英国爱丁堡大学JanC.M. De Hoog研究员和卡迪夫大学Julian Pearce教授。该研究受到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae363