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图2 现代硫酸盐气溶胶以及煤燃烧产生的颗粒物中硫酸盐的同位素组成

研究结果为雾霾的物质来源和形成机制等提供了新的研究思路和证据，为大气颗粒物污染防治政策的制定提供了新的科学依据，也充分体现了硫同位素在解析现代及历史环境方面的重要作用。

沈延安为论文的第一和通讯作者。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408199121

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90044.htm

我校郭光灿院士团队易为教授研究组在超冷原子及开放体系相变的理论研究中取得重要进展，揭示了原子-腔混合系统中相互作用增强超辐射相变的新机制。相关成果以“Interaction-Enhanced Superradiance of a Rydberg-Atom Array”为题，于12月9日发表于国际学术期刊《物理评论快报》。

超辐射相变最早可追溯到半个世纪前人们对Dicke模型的研究。在Dicke模型中，彼此间无相互作用的原子与光场耦合，当耦合增强至阈值时，体系中出现正常态到超辐射态的连续相变——在超辐射态下，原子的激发态和光场均呈高占据状态。类似的现象同样存在于开放量子系统的稳态中，而近年来超冷原子气体量子调控和量子模拟方面的进展，极大地推动了对开放量子系统超辐射相变的探索。在近期的理论和实验中，研究者发现在量子气体-光腔的混合系统中，量子统计对超辐射相变有重要影响。然而，这些系统的原子间通常不存在相互作用或相互作用较弱。是否存在某种机制，令原子间相互作用显著影响开放系统的稳态超辐射相变，这在理论上是一个重要问题。

图1. (a) 稳态相图，由光子数刻画；(b) 不同腔耗散κ下的相边界。

该研究工作基于里德堡原子阵列与腔的耦合体系，发现了相互作用对超辐射相变的显著增强效应（图1）。以里德堡原子阵列耦合耗散腔的装置（图2a）为例，在一系列特定的相互作用强度下，即便任意小的原子-腔耦合也能带来超辐射的稳态，且这一行为不受腔耗散的影响。研究揭示，该现象的出现源于原子间相互作用引起的低能集体态的简并(图2c）。这一机制使得体系在相变临界点附近的行为，可以用涌现的量子Rabi模型进行刻画，为超辐射相变的理论图像和实验实现提供了新的视角。结合此前人们对弱相互作用玻色子和非相互作用费米气体中超辐射现象的理解，该工作完善了对量子多体开放系统中超辐射相变的认识，揭示了量子多体物理在非平衡相变中的作用。

图2. (a) 里德堡原子阵列耦合耗散腔示意图；(b) 将广义Dicke模型等效为Dicke态构成的量子Rabi模型；(c)基于实验参数的临界点计算以及低能集体原子态的简并。

中国科学院量子信息重点实验室易为教授为通讯作者，博士生韩奕文为论文第一作者，博士生李浩伟为第二作者。该研究受到国家基金委、科技部、安徽省理论物理基础学科研究中心等项目的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.243401

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90034.htm

我校郭光灿院士团队在拓扑量子计算领域取得重要进展。该团队李传锋、许金时、韩永建、孙凯等人与英国利兹大学Jiannis Pachos教授合作，利用自主搭建的光量子模拟器计算了基于马约拉纳零模拓扑结构的琼斯多项式。研究团队通过模拟马约拉纳零模的编织操作，计算了不同拓扑结构的扭结对应的琼斯多项式，所得的琼斯值可以实现对不同扭结结构的区分。该成果12月5日发表在《物理评论快报》上。

琼斯多项式是扭结的一个重要拓扑不变量，它可以被用来区分不同的扭结结构。同时，复杂拓扑结构的琼斯多项式计算是一个#P-hard问题，使用经典算法难以求解。不过，利用马约拉纳零模这一非阿贝尔任意子系统，可以通过构建相应的编织操作来计算扭结的琼斯多项式。不同于三维空间中交换两个全同的玻色子或费米子，系统整体波函数仅会多出一个整体相位；对于二维空间中具有特殊性质的“非阿贝尔任意子”，其交换后的整体波函数会经历一个幺正变换，因此，可以通过对非阿贝尔任意子的交换操作构造量子门，实现具有天然容错特性的拓扑量子计算。已有大量的实验工作研究了马约拉纳零模的物理特性，但由于实验材料及技术的要求极高，通过编织马约拉纳零模实现特定的拓扑量子算法，仍然极具挑战性。

图1.理论框架。（a）编织操作与不同拓扑扭结的对应；（b）三条Kitaev链模型下马约拉纳零模的编织交换示意图。

图2.实现马约拉纳零模交换操作的实验装置图。

图3.不同编织操作的琼斯多项式实验结果。

基于光子空间模式的量子模拟器，研究组开展了一系列模拟非阿贝尔任意子拓扑特性的实验研究，先后模拟了单个Kitaev链马约拉纳零模的交换操作[Nat. Commun. 7, 13194 (2016)]、探测了两条Kitaev链模型下马约拉纳零模的非阿贝尔几何相位[Sci. Adv. 4, eaat6533 (2018)]以及进一步推广到高维情形——仲费米子零模，研究了其编织过程对局域噪声免疫、并且保持了量子互文资源守恒[PRX Quantum 2, 030323 (2021)]。在这些工作的基础上，研究组将之前基于单光子空间模式的编码方式扩展到双光子的空间模式，利用双光子的符合计数进行编码，有效提高了可编码量子态的数量。同时，通过引入基于Sagnac干涉仪的量子冷却装置，将之前工作中的耗散式演化成功转换为非耗散演化，提升了装置对光子资源的回收利用能力，有助于实现多步骤的量子演化操作。这些改进的实验技术极大地提升了自主研制光量子模拟器的能力，为实验模拟三条Kitaev链模型下马约拉纳零模的编织操作奠定了坚实的技术基础。实验中，量子态与编织交换过程的平均保真度均在97%以上。研究组通过组合三条Kitaev链模型下马约拉纳零模不同的编织操作，模拟了五种典型的拓扑扭结，通过将扭结对应的量子末态向初始量子态投影，得到了扭结对应的琼斯多项式的数值解，进一步将不同扭结进行区分。这对于拓扑扭结频繁出现的研究领域，如统计物理、化学分子合成以及DNA复制等均具有重要启示意义。

中国科学院量子信息重点实验室博士研究生李家坤为该论文的第一作者。该工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.230603

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90027.htm

我校郭光灿院士团队在片上光学模拟领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺等人在基于薄膜铌酸锂光芯片的频率合成维度研究中，提出将模拟的格点限制在一个腔模内的新方法并进行了实验验证，极大地降低了片上频率合成维度的频率要求。该成果12月5日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

以光为载体的频率合成维度是近年来兴起的一种模拟手段，用于研究不易直接接触或观测的物理系统，对验证理论乃至预测物理现象具有重要意义。在许多工作中，研究者用含电光调制器的光纤环腔实现频率合成维度，其中以间隔为自由光谱范围（FSR）的模式作为格点，用电光相位调制引入格点之间的相互作用，其调制频率通常为FSR的整数倍。同时，薄膜铌酸锂芯片有高电光系数的天然条件，以及高稳定性和强可扩展性的优势，非常适合作为频率合成维度的平台。然而，光芯片上的腔长短，FSR大，导致以前的方法所需的调制频率很高（10GHz或更高），对片上的调制效率以及配套的设备都提出非常高的要求。特别是存在长程耦合时，所需的频率将进一步翻倍，极大地阻碍了片上频率合成维度的发展。

在本工作中，研究组为了缓解这一困难，提出可以通过使用远小于一个腔模宽度的调制频率（MHz量级），去选出一系列限制在腔模之内的频率作为格点形成合成维度。在合理的近似下，研究组实验验证了这种方法与传统的实现方法得到的准动量空间的能带完全吻合。实验结果表明，在存在8倍和9倍于频率晶格常数的长程耦合时，该方法将实验的频率要求降低了5个数量级以上。

实验示意图及能带结果图。上方表示准动量空间能带测量实验示意图；插图表示模拟中链状结构的格点分布，所有的格点都被限制在一个共振峰内；下方左图表示包含长程耦合的管状结构示意图；右图表示实验测得的包含两种耦合长度的模型的能带图，其中r为两种耦合的长度比，ϕ表示光学规范势。

本工作在极大地缓解高频对片上合成维度带来的困难的同时，也保持了传统实现方法的拓展性，能够推广应用至更高维的模型中，在薄膜铌酸锂光芯片上实现高维和复杂的频率合成维度。审稿人高度评价该成果“opens a new avenue within the area of studying synthetic dimensions on photonic chips（为研究光芯片上的合成维度开辟了一条新途径）”。

中国科学院量子信息重点实验室博士生汪兆安、曾晓东、特任副研究员王轶韬为论文的共同第一作者。该工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和中国博士后基金的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.233805

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90026.htm

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授、张汇副研究员实验团队联合崔萍研究员理论团队，在过渡金属二硫化物（TMDs）研究领域取得了重要进展。他们提出了一种通用的自组装策略，成功合成了1T/1H超晶格，为多功能电子器件的开发提供了新的可能性。相关研究成果以“Self-assembly of 1T/1H superlattices in transition metal dichalcogenides”为题，于12月4日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

近年来，TMDs因其丰富的物理性质受到广泛关注。由TMDs构成的范德华异质结和超晶格不仅能够展现各组分的固有特性，还通过层间相互作用产生超越单一组分的电子结构和功能特性。然而，传统的TMD异质结和超晶格制备方法主要依赖于外延生长或二维材料的机械堆叠，这些逐层人工构建技术通常复杂且耗时，制备效率和样品质量受到限制。

研究团队提出了一种基于自组装的通用策略，成功实现了TMD超晶格的高效合成。该策略的核心在于通过调控T相和H相的形成能，使T相和H相能够自发组装成1T/1H超晶格。以NbSe2-xTex为例，通过调整Te与Se的化学计量比，显著降低了T相与H相之间的形成能差异，从而促进1T与1H层的交替自组装，最终形成稳定的1T/1H超晶格。进一步研究表明，这种1T/1H超晶格保留了1T和1H层各自的电子特性，为新型电子器件和光电子器件的开发提供了重要的材料基础。

此外，研究团队还验证了该策略的普适性。通过将NbSe2中的Nb原子替换为V或Ti原子，他们同样成功合成了1T/1H超晶格。这些发现为其他层状材料的高效制备开辟了新的途径。

图：（a）扫描透射电子显微镜图像，展示了1H层和1T层的交替堆叠结构。（b）不同掺杂浓度下2H、1T以及1T/1H超晶格的相对形成能。

我校合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生罗超杰、特任副研究员曹国花博士和物理学院博士生王碑林为论文共同第一作者。曾长淦教授、张汇副研究员与崔萍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、科技部、中国科学院以及安徽省的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54948-x

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90000.htm

中国科学技术大学陈彦教授团队在非接触心脏活动感知研究领域取得重大进展。研究团队首次发现并利用心脏机械活动谐波中的“拍频效应”这一重要物理现象，成功克服了远场条件下由呼吸运动引起的大数量级干扰。在无需任何模型训练的情况下，他们利用毫米波雷达技术实现了高精度的非接触人体心脏活动监测。这项研究成果标志着非接触心脏监测技术迈入新阶段，为心血管疾病的早期预防与长期监测提供了创新解决方案。相关研究成果以“Monitoring Long-term Cardiac Activity with Contactless Radio Frequency Signals”为题，于12月5日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年约有1790万人因此失去生命。在我国，随着人口老龄化的加剧，心血管疾病的发病率与致死率均居世界前列。研究表明，许多早发心血管疾病可以通过及时诊断和治疗来有效预防。因此，长期连续的心脏活动监测对疾病的早期发现至关重要。然而，现有心脏监测技术多为接触式测量，例如传统的心电图设备需要在体表贴附多个电极，可穿戴设备则常基于光电容积描记法（PPG）。这些方法由于舒适性不足、对使用环境敏感等原因，难以实现长期连续的心脏活动监测，从而可能错过心血管疾病诊断和治疗的最佳时期。

图一：非接触心脏活动监测系统

近年来，毫米波雷达技术被应用于心脏活动监测，展现出非接触、便捷和高精度的潜力。然而，技术发展仍面临“呼吸谱泄漏”这一重大挑战。由于呼吸幅度（厘米级）远大于心跳幅度（亚毫米级），呼吸谐波在心跳频段产生显著的频谱泄漏，导致信干噪比严重下降，限制了心脏活动监测的精度。

对此，研究团队通过系统性分析，发现了两个重要的物理现象，从而成功破解这一难题。首先，研究团队观察到呼吸谐波比心跳谐波衰减更快，尤其在高频段，呼吸干扰的影响显著减弱。其次，研究团队发现心跳谐波中存在“拍频效应”，即高阶心跳谐波叠加会产生与心跳周期一致的拍频特征，其频率等于相邻谐波频率之差。

基于这两大发现，研究团队创新性地将心跳特征提取频段从基频转移到高阶谐波频段（约10倍频），从而有效消除了呼吸谐波的干扰，显著提升了监测精度。在包括6222名参与者的大规模医院场景和长达21个夜晚的日常生活场景中，系统取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位误差，充分验证了其医学应用价值。

这一研究突破为毫米波雷达在心脏活动监测领域的应用奠定了重要基础，在使用过程中，被测者不需要佩戴电极也不需要去除衣物，以无感的方式完成长期持续的心脏活动监测，展现出广阔的临床应用前景。

图二：监测系统的应用场景和部分结果展示

中国科学技术大学网络空间安全学院博士后张宾宾为文章的第一作者；陈彦教授为文章的通讯作者；中国科学技术大学附属第一医院马礼坤教授、中国科学技术大学孙启彬研究员、胡洋副教授、张东恒副研究员、李亚东、卢智、陈金波、王浩宇、周放、濮玉等为文章的共同作者；学校赋权企业合肥中科知奇信息科技有限公司为文章合作单位。相关工作得到了国家自然科学基金委、科技部、安徽省和中国科学技术大学的经费资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55061-9

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/89979.htm

中国科学技术大学曾杰教授、姚涛教授、王占东教授、李洪良副教授团队合作，在氨动力发动机研究领域取得重要进展。他们提出并验证了甲烷介导的氨动力发动机构想，相关成果以“A Scenario for a Carbon-Neutral Ammonia-Fueled Engine Mediated by Catalytic NH3 Cracking and CO2 Hydrogenation”为题发表在国际著名学术期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202420292）上。

氨动力发动机在实现碳中和方面展现了巨大的潜力。然而，氨气作为发动机燃料的应用面临着如火焰传播速度低、自燃温度高、点火能量高以及燃烧极限窄等挑战。另外，在氨动力发动机应用中，有害污染物氮氧化物的排放问题也尤为严重。如何解决氨气作为燃料本身燃烧特性差、以及有害尾气排放问题极其重要。

不同于以往直接燃烧氨气，研究团队提出了一种创新的氨气动力发动机构想，选择甲烷作为媒介，将甲烷燃烧（CH4+ 2O2→ CO2+2H2O）与尾气原位处理相结合（图1），间接实现了氨气的燃烧（4NH3+ 3O2= 2N2+ 6H2O），既保留了氨气的零碳排放，又避免了氨气燃烧的本身缺陷。为实现这一过程，研究团队设计了“空间解耦”和“空间耦合”两条路径。第一种“空间解耦”路径将尾气处理分为两步：首先负载型钌团簇催化剂催化氨气裂解产生氮气和氢气（2NH3= N2+ 3H2），氨气的转化率达到~100%；裂解产生的氢气与尾气中的二氧化碳反应，在负载型镍基催化剂作用下，生成甲烷（CO2+ 4H2= CH4+ 2H2O），二氧化碳的转化率达到97.4%，甲烷的选择性接近~100%。第二种“空间耦合”路径为将氨和尾气中的二氧化碳直接一起反应，生成氮气、甲烷和水（3CO2+ 8NH3= 3CH4+ 4N2+ 6H2O），氨和二氧化碳的转化率分别达到80.1%和49.3%。这两种方式均实现了氨气与氧气的非接触性反应，从而避免了氮气的过度氧化生成氮氧化物。采用该设计，可以将传统的甲烷燃料发动机改造成氨气动力发动机。基于这一设计理念，其他成熟的汽油或柴油驱动的发动机也可以通过将二氧化碳甲烷化替换为二氧化碳加氢制汽油或柴油反应，改造为氨动力发动机。

图1.研究团队提出的甲烷介导的氨动力发动机概念图

中国科学技术大学特任副研究员任杰为论文第一作者。中国科学技术大学曾杰教授、姚涛教授、王占东教授和李洪良副教授为该论文的共同通讯作者。本工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院等项目经费的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202420292

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/89926.htm

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