中国科大九月（上）科研进展

近日，中国科学技术大学大气科学先进计算实验室(LACAR)利用基于国产神威海洋之光超算自主研发的全球对流解析模式，开展了为期一个月的次季节尺度数值预报试验，成功预测了2020年日本及周边地区的大范围梅雨事件。进一步结合国际耦合模式比较计划，通过与全球变网格和传统低分辨率试验进行比较，深入探讨了西太平洋赤道降雨过程对中高纬度地区环流及降雨的影响。研究成果以“Global convection-permitting model improves subseasonal forecast of plum rain around Japan”为题，近日发表于国际知名期刊 《Environmental Research Letters》。

梅雨是东亚地区夏季经常出现的一种长时间大范围降雨现象，主要分布在长江中下游地区、朝鲜半岛以及日本九州岛等地所在的纬度带上。2020年，破纪录的“暴力梅”不仅给我国江淮地区带来了沉重的防汛压力和严重破坏，同时也使日本九州岛地区遭受了较为严重的梅雨灾害，严重影响了当地居民的生活和生产活动。此类降雨事件的次季节预报一直是学术研究和业务预报中的难点，难以满足居民和应急管理部门对中期天气预报精度的需求。

研究团队前期在国产神威海洋之光超算上构建了全球对流解析模式（iAMAS），并根据其硬件特征进行了算法优化，加速了计算速度和突破了海量数据读写瓶颈，使得全球对流解析尺度(3公里分辨率)的月度预报成为可能。本研究通过开展多组不同分辨率的月度预报试验，探讨了2020年夏季梅雨的可预报性。研究发现，当使用全球低分辨（60 公里）预报时，梅雨带出现显著北移偏差，区域加密至对流解析尺度也不能解决问题。进一步分析表明，在较粗分辨率下，西北太平洋副热带高压扩张，导致降雨带北移并减弱（图1）。

图1.(a)(b) 分别展示CMORPH和IMERG观测数据的月平均降水量（2020年6月10日至7月10日）。(c)、(d) 和 (e) 分别展示来自 U60KM、V4KM 和 U3KM 预报的月平均降水量。图中的蓝色实线表示 ERA5(a, b)、U60KM (c)、V4KM (d) 和 U3KM (e) 中的 500 hPa 高度上的 588位势什米线。（d）中橙色虚线椭圆曲线定义了 V4KM 网格中加密区域与过渡区之间的边界。(f)纬向平均（122°E 至 154°E）的月平均降水量的纬度分布。

更进一步的研究发现，全球对流解析模式能够有效捕捉到赤道地区的深对流, 并合理模拟出与观测数据接近的西太平洋赤道地区的降雨过程及其环流形势。这种合理的赤道降雨过程和环流场再现了副热带高压的强度和位置，进而影响到中纬度地区的环流，包括其下沉和上升位置，从而成功地预测了此次梅雨事件的强度和位置（图2）。

图 2.日本附近梅雨与热带降雨遥相关示意图

本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、安徽省自然科学基金以及中国科学技术大学双一流研究资金等项目的共同资助。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。赵纯教授和计算机科学学院安虹教授为共同通讯作者，博士研究生顾俊为第一作者。

论文信息：

Gu, Jun, Chun Zhao, Mingyue Xu, Jiawang Feng, Gudongze Li, Yongxuan Zhao, Xiaoyu Hao, Junshi Chen, and Hong An. 2024. “Global Convection-Permitting Model Improves Subseasonal Forecast of Plum Rain around Japan.” Environmental Research Letters 19 (10): 104021. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ad71e2.

论文链接：

Global convection-permitting model improves subseasonal forecast of plum rain around Japan - IOPscience

（地球和空间科学学院、科研部）

2016年，关于拓扑相变和拓扑相的理论研究工作被授予诺贝尔物理奖。因此，将数学中拓扑的概念引入至凝聚态物理系统中产生了各种新奇的物理现象。其中，拓扑纠缠是理解固体系统中拓扑序的关键。而在软物质凝聚态系统，特别是液晶体系中，拓扑纠缠则以具有三维拓扑结构的向错线缠绕胶体颗粒的形式存在。驱动非平衡态拓扑纠缠并实现其可重构自组装一直是凝聚态物理领域内的巨大挑战。针对此科学问题，中国科学技术大学物理系彭晨晖教授团队和香港科大张锐教授团队合作，利用液晶为研究体系，首先解析了具有不同拓扑结构的向错线和胶体颗粒形成胶体纠缠结构的机制，而后展示了拓扑结构的非平衡态相互转换可激发胶体纠缠结构的手性变化。该团队阐明了如何利用向错线的拓扑和几何特性实现胶体纠缠结构的集体手性转换的物理机制。这项工作为设计智能胶体复合材料开辟了新方向。9月4日，成果通过直投的方式以“Topology-driven collective dynamics of nematic colloidal entanglement”为题发表于美国科学院院刊PNAS 121, e2402395121(2024)。

研究团队在前期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)）。然而，在微观尺度，胶体颗粒周围的拓扑结构与向错线拓扑结构如何耦合形成胶体纠缠结构，且向错线拓扑结构的变化如何引起胶体纠缠结构的变化等问题一直悬而未决。

因此，研究团队通过在向列相液晶中引入两种不兼容的拓扑模式，制备了胶体纠缠结构。胶体纠缠的形成机制源于向错线拓扑结构与胶体拓扑结构的耦合。在没有外部刺激的情况下，非手性向列相液晶中可随机产生左手和右手两种不同手性的胶体纠缠结构。然而，向错线在光驱动至非平衡状态时，胶体纠缠结构的重构得以实现。具体来说，由于向错线中拓扑结构的转变，诱导胶体纠缠结构手性的可控转换。研究团队通过操纵位错线的拓扑模式和几何形状，还实现了胶体纠缠的合并和分裂等多种集体行为。手性转换表现为胶体自组装的集体旋转的“多米诺效应”，如图所示。此外，通过控制向错线网络的时空演化，还实现了一种复杂的胶体纠缠双螺旋结构。

通过深入理解拓扑纠缠的形成和重构机制，研究团队能够精确控制材料的微观结构，从而实现对其宏观性能的调控。拓扑学在软物质系统中的应用不仅为材料科学开辟了新的研究方向，而且为智能活性材料和自组装微型机器的设计和开发提供了新的思路。

图1. 胶体纠缠的集体手性变换

此工作实验部分由中国科大彭晨晖教授团队完成，理论模拟部分由香港科大张锐教授团队完成。彭晨晖教授和张锐教授为本文共同通讯作者，中国科大研究员蒋景华博士，孟菲斯大学Oluwafemi Akomolafe 和香港科大王馨玉博士为本文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和香港研究资助局的资助。

论文信息：

Topology-driven collective dynamics of nematic colloidal entanglement

https://doi.org/10.1073/pnas.2402395121

（物理系、科研部）

近日，中国科学技术大学曾杰教授研究团队研究发现氧化镍负载的铱单原子催化剂在阳极水氧化反应中的活性和铱单原子的第二壳层铱-氧-镍配位数呈火山型关系。相关成果以“Optimizing the Intermediates Adsorption by Manipulating the Second Coordination Shell of Ir Single Atoms for Efficient Water Oxidation”为题发表在《德国应用化学》上。

精准构建单原子催化剂金属中心原子的配位环境对阐明单原子催化剂结构和催化活性间的关系非常重要。然而，即使是具有相同组成和化学性质的单原子催化剂，关于局部配位环境影响的争论也相当复杂，需要更多地关注第二配位壳层的调节。对于氧化物载体，由于其结构的稳定性，精准调控负载在氧化物载体上单原子的第二壳层配位环境仍然面临挑战。

在本工作中，研究人员通过设计不同的键合策略，创制了三种具有不同铱原子第二壳层配位数的氧化镍负载的铱单原子催化剂，铱单原子第二壳层铱-氧-镍配位数分别为3，4，5。电化学测试表明，铱第二壳层配位数为4的Ir₁-NiO催化剂表现出最优异的活性，在过电势300毫伏时，可以达到0.4毫安每平方厘米的本征电流密度，分别是Ir₁/NiO催化剂和Ir₁@NiO催化剂的3.1和2.2倍，催化活性和铱-氧-镍配位数之间呈现火山型的关系。

图1.铱单原子第二壳层配位数和活性的火山型关系

研究人员随后对此现象进行了电化学原位谱学和理论计算研究。原位拉曼光谱研究表明，铱单原子是Ir₁-NiO催化剂发生阳极水氧化反应的主要活性位点。理论计算结果表明，Ir₁-NiO的高活性归因于Ir₁-NiO减弱了对*OOH中间体的吸附，使得反应决速步的能垒最低。此外，Ir₁-NiO的dz2轨道能量和电子数更高，导致了Ir₁-NiO结合*OOH中间体的铱-氧键更弱，从而减弱了对*OOH的吸附，从而提高了阳极水氧化的活性。

以上研究通过调控键合策略实现了在氧化物载体表面精准调控单原子的第二壳层配位环境，深入理解了单原子催化剂第二壳层配位数和催化活性之间的火山型关系，为设计高效的水氧化催化剂提供了新思路。

图2.电化学原位谱学研究

此项工作得到国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目等项目的支持。曾杰教授和刘彦特任副研究员为通讯作者，特任副研究员魏杰和博士生唐桦为共同第一作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202410520

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

近日，我校微电子学院孙海定教授iGaN Lab课题组与武汉大学刘胜院士团队合作，在仿生光电神经感知器件的前沿研究中取得重要进展。研究团队成功开发以第三代半导体氮化镓（GaN）为核心材料的光电神经突触器件，实现具有化学调控的神经形态功能。该器件首次提出利用光电化学器件架构，结合传统半导体构筑新型半导体/电解质异质界面，并逼真模拟了生物体中的复杂视觉行为。该成果以“Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality”为题，近期发表在国际学术期刊《自然·通讯》上。

随着人工智能和大数据时代的迅猛发展，数据量和信息处理需求急剧增长，而光电感知技术作为现代信息传输和处理的核心手段，显得愈发关键。受生物视觉启发的光电神经突触器件，有望将光电感知、信息存储和信息处理功能集成到同一系统中，为多功能和集成化感知系统的开发提供全新途径。然而，现有的光电神经突触器件主要依赖于传统光电物理过程，无法有效模拟生物视觉系统中复杂的化学-光电全过程，较大程度限制了其功能性和应用场景。

近年来，光电化学器件因其将物理和化学过程相结合的独特工作优势，逐渐成为研究热点。该类器件不仅涵盖了经典半导体物理中的光生载流子的产生、提取和输运行为，还包括在半导体/电解质溶液界面上的电化学反应过程，为实现更复杂的光电功能提供了新的器件架构。在前期研究中，团队利用分子束外延技术所制备的高质量的GaN纳米线，在p-n异质结纳米线中首次实现光电流极性翻转现象(Nat. Electron. 4, 645–652 (2021))，并将其应用于光电逻辑门和水下加密光通信系统中(Adv. Mater. 35, 2300911(2023);Adv. Mater. 36, 2307779(2024))，相关研究成果被选为封面论文发表。

在光电化学器件原型基础上（如Advanced Materials封面所示如下），并针对现有光电神经突触器件所面临的挑战，团队提出基于GaN纳米线的光电化学神经形态器件架构。该架构首次将生物系统中的溶液介导的化学-电过程与固态器件中的光电过程相结合，显著提升了器件的功能性和生物兼容性（图1（a）和（b））。

图1. 生物视觉系统(a)和光电化学神经突触器件(b)对比，以及光电化学器件原型发表于先进材料封面（c）上

通过这种新型器件的构筑，团队实现了双模式的突触行为，并通过表面铂金属的化学修饰，利用新型半导体/电解质表界面结构，成功调控了器件的突触响应行为。同时，该器件还展现了类生物系统的化学调控突触特性。更为重要的是，该器件能够模拟人体内的氧化应激过程，并进一步重现氧化应激引发的视觉认知衰退现象，如图2a-2e所示。

图2. 光电神经形态器件的响应与功能展示。（a-b）负载铂金属前后的双模式突触响应。（c）生物体内氧化应激现象示意。（d）器件模拟的学习与记忆衰退行为。（e）器件模拟的视觉感知衰退行为

这一器件架构不仅突破了传统光电神经突触器件的局限性，借助其独特的溶液工作环境，还能够与生物系统兼容并实现一体化集成，有望在仿生视觉、神经形态生物传感、光控脑机接口和神经假肢修复等领域开辟新的应用前景，为未来光电子与生物电子的交叉与集成应用提供新的发展方向。

此项研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科大双一流建设经费、中央高校基本科研基金等专项经费的资助，也得到中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心和中国科大理化实验中心的支持。我校孙海定教授为论文通讯作者，博士生刘鑫、已毕业汪丹浩博士和博士生陈炜为论文的共同第一作者。澳大利亚国立大学傅岚教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi教授参与了项目的联合攻关，刘胜院士为本项目的顺利展开提供了重要设备支撑并全程指导。

NatureCommunications论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51194-z

Nature Electronics论文链接：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00640-7

Advanced Materials论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300911

Advanced Materials论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202307779

（微电子学院、科研部）

由中国科学技术大学潘建伟、窦贤康、张强和薛向辉教授等人组成的交叉研究团队，通过发展大功率低噪声光梳，结合时间频率传递等量子精密测量技术，在国际上首次实现百公里级的开放大气双光梳光谱测量。该技术可应用于监测大尺度范围的地球大气温室气体（GHG）和污染气体，还可以扩展到卫星和地面之间的大气双光梳光谱测量，用于全球尺度的温室气体监测和精确校准。相关结果于9月12日在线发表于国际学术期刊《自然·光子学》上。

大气光谱学是研究大气化学和物理性质的关键技术，通过探究光与大气中分子和颗粒的相互作用来研究大气问题，广泛应用于全球气候变化、碳预算评估和空气污染研究等领域。目前大气光谱遥感所使用的光栅光谱仪、外差光谱幅度计和傅里叶变换光谱仪（FTS）等技术能够以不同的时间和空间分辨率提供地球大气成分的光谱学数据。然而，这些技术存在诸多限制，如无法在夜间进行测量、无法同时测量多种组分等。

近年来，开放大气双光梳光谱技术（Dual-Comb Spectroscopy）被证明是进行准确、连续、多气体测量的理想技术。双光梳光谱技术具有高采集速度、溯源至原子钟级别的绝对频率精度和可以同时测量多个组分等优点，在油田监测、城市车辆排放、畜牧排放测量和温室气体监测等领域有广泛应用。该技术不受湍流散斑和背景噪声的影响，在原理上能够在不校准的情况下测量更长的距离，因此被认为是用于大气遥感的理想精密光谱工具。然而，当前国际上所能实现的最远的测量距离不超过20公里，只能针对工厂、牧场等小范围区域实现监测，而无法应用于更大的区域，如大型城市、雨林等。

在本工作中，研究团队开发了一种新的双基站开放大气双光梳光谱测量方案。相比于传统单基站方案，该方案无需在测量远端放置反射器，光只需要经过待测路径一次即可完成测量，从而极大地减小了链路损耗，因此更适用于远距离、大尺度的测量。利用该方案，研究团队在乌鲁木齐成功测量得到113公里水平开放大气中水汽和二氧化碳的强度谱和相位谱，该距离比国际上最远的测量距离高了约一个数量级。该工作创新性地融合了潘建伟、张强等前期发展的高精度自由空间时间频率传递技术[Nature 610, 661 (2022)]，频率准确度达到了10kHz，并通过自主研发的高精度反演算法，实现的二氧化碳反演精度在36分钟内小于0.6ppm。

该工作使得双光梳光谱能够测量的大气距离从十几公里提升至一百多公里，扩大了该技术的应用范围。同时，系统可容忍最大损耗为83dB，与中高轨星地链路损耗相当，为实现未来的星地大气双梳光谱测量奠定了坚实基础。

该工作是量子信息科学与地球科学深度交叉融合所取得的重要成果，预示着基于光频梳的量子精密测量技术将在地球科学、深空探测、环境科学和油气行业等领域得到广泛应用。

中国科学技术大学博士生韩金剑、钟伟和副研究员赵若灿是本论文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、国家发展改革委、安徽省、上海市和山东省相关项目的支持。

图1：百公里开放大气双光梳光谱测量示意图

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01525-9

（科研部、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院）