科大资讯 | 近期科研成果速览

原标题：科大资讯 | 近期科研成果速览

1.有机-无机杂化卤素钙钛矿构效关系研究取得进展

2.中国科大利用纠缠测量极小化测量对热力学系统的反作用

3.中国科大在金黄色葡萄球菌胞内-胞外信息传递机制研究方面取得突破

4.中国科大在硅基超高频纳米机电谐振器上取得进展

5.中国科大在分布式量子精密测量方面取得重要进展

6.中国科大实现小龙虾壳辅助重质生物油制备高性能超级电容器电极材料

有机-无机杂化卤素钙钛矿构效关系研究取得进展

面内载流子迁移率（jm）、宽带荧光发射（IBE/INE）对有机阳离子构象有序度的依赖关系。

有机-无机杂化卤素钙钛矿材料在太阳能电池、发光二极管、场效应晶体管和光电探测器等多个领域展示广泛的应用前景。其载流子迁移率是钙钛矿材料性能以及实现以钙钛矿为基的高效率器件的重要参数。国内外不少课题组通过设计合成新的钙钛矿结构来调控载流子迁移率取得了许多重要进展。不过，人们对“结构如何调控性能”，特别是钙钛矿中有机阳离子构象如何调控钙钛矿性能这一科学问题在分子水平上的理解甚少。

针对该问题，中国科学技术大学罗毅教授研究团队叶树集小组通过制备具有不同烷基链长的二维杂化卤素钙钛矿，利用对称性敏感的和频振动光谱技术，结合光泵浦-太赫兹探测、电化学测试、荧光光谱以及X射线衍射等技术，研究有机阳离子构象、载流子迁移率、宽带荧光发射以及无机骨架层间距之间的关联性规律。研究发现，二维杂化卤素钙钛矿的有机阳离子构象无序度越大，其宽带荧光发射越强，面内载流子迁移率越小，而面外载流子迁移率则由有机阳离子构象与无机骨架层间距共同决定。该工作展现了和频光谱在研究光转换材料结构对称性破缺方面的特异性，揭示了有机阳离子构象与钙钛矿载流子迁移率和宽带发射等性能之间的构效关系。相关成果以“Conformational disorder of organic cations tunes the charge carrier mobility in two-dimensional organic-inorganic perovskites”为题发表在Nature Communications（Nat. Commun.2020,11, 5481）上。

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73323.htm

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19330-7

中国科大利用纠缠测量极小化测量对热力学系统的反作用

实验结果。对不同初始量子态和演化过程，利用纠缠集体测量实现反作用力的减小。

我校郭光灿院士团队在量子测量研究中取得重要进展，该团队李传锋、项国勇研究组与德国、意大利以及瑞士的理论物理学者合作，在光子系统中首次实验使用纠缠集体测量（entangled collective measurement）将量子比特热力学系统中投影测量的反作用（back action）降至最小。相关研究成果于2020年11月16日发表在国际知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

对演化的相干量子系统上的一个可观测量进行两次投影测量时，第一次测量通常会改变第二次测量的统计信息，这就是所谓的测量反作用。根源在于量子投影测量会完全破坏量子系统的量子叠加性。Martí Perarnau-Llobet博士的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017)]指出，在不违背量子热力学的基本涨落理论的前提下，我们无法设计出一个测量方案完全避免反作用，但我们可以通过集体测量的方式来减少反作用的程度——假如我们有两份相同拷贝的量子态，并且对这个整体做一个广义量子测量，就可以提取量子态中部分初始叠加性的信息。也就是说，通过集体测量，我们能减少投影测量所带来的反作用。基于以上的理论结果，项国勇等人于2019年首次在实验上利用量子集体测量成功观测到测量反作用力的减小[Sci. Adv. 5, eaav4944 (2019)]。

先前的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017),Sci. Adv. 5, eaav4944 (2019)]所使用的集体测量均为可分离量子集体测量，一个自然的问题即可被提出：是否存在纠缠的集体测量超越我们已经实现的反作用减少程度。项国勇等人就两比特情形下，对最优化的集体测量形式进行了深入的研究，他们发现在理论上存在一个最优的纠缠集体测量，能在两比特系统中使反作用达到最小，并且在强相干演化的情形下，其反作用可被压制为0。项国勇等人利用单光子的多个自由度结合光量子行走的实验技术，设计并以高达0.985的保真度实现了该纠缠测量，成功地在实验上把投影测量反作用降至最小。

审稿人对该工作给予了高度评价：“The experiment is well executed, as the results follow closely what one would expect from an ideal implementation. Overall, I find the article a highly interesting contribution to the topic of quantum back action and a great combination of new theory and flawless experimental implementation（该实验执行得很好，实验结果与理想实现的预期非常接近。总的来说，我发现这篇文章是对量子反作用这一主题的一个非常吸引人贡献，是新理论和完美实验实现的成功结合）”“this work represent a major advance in the field（这项工作是该领域的一项重大进展）”。该工作对集体测量以及量子热力学的研究具有重要意义。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73374.htm

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.210401

中国科大在金黄色葡萄球菌胞内-胞外信息传递机制研究方面取得突破

HptA-HptS信号转导系统结合G6P信号前后的结构变化

2020年11月16日，中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心、生命科学学院陶余勇教授、李旭副教授团队在美国科学院院刊《PNAS》在线发表题为“Interface switch mediates signal transmission in a two-component system”的研究论文，综合运用生物化学和结构生物学研究手段，揭示了胞外G6P信号通过金黄色葡萄球菌HptRSA传感器复合物实现胞内-胞外信号转导的结构机制。

为了适应不断变化的环境，细菌必须迅速地将细胞外信息转化为适当的细胞内部反应。双组分系统（TCS）是原核细胞将环境刺激转化为细胞反应的主要信号转导蛋白，它通常由膜包埋组氨酸激酶和胞质反应调节器组成。HptRSA是一种新近发现的TCS，由G6P相关传感器蛋白（HptA）、跨膜组氨酸激酶（HptS）和细胞质效应器（HptR）组成。HptRSA介导葡萄糖-6-磷酸（G6P）摄取，支持金黄色葡萄球菌在不同宿主细胞内的生长和增殖，但HptRSA传感器复合物感知G6P信号并触发下游反应的分子机制一直以来都还是个谜。

陶余勇/李旭团队通过分别解析无底物状态和G6P结合状态的HptA结构，发现G6P可以结合于两个HptA蛋白间的缝隙中，并能引起两个HptA蛋白相互靠拢。HptA蛋白与HptS蛋白细胞周质结构域（HptSp）的复合物结构显示，HptA可以通过组成型界面以及另一个可切换界面与HptS进行不同形式的相互作用：不结合G6P的时候，HptA和HptSp远离膜的一侧结合，并导致两个HptSp以相互平行的方式排列；当HptA结合了G6P以后，HptA与HptSp的结合位点切换至靠近膜的一侧，引发HptSp旋转，并使两个HptSp的C末端相互靠近，进而引发胞外信号向胞内转导。在上述结构发现的基础上，陶余勇/李旭团队结合对HptA和HptS突变体的生化和生长分析，提出了界面开关介导的G6P-HptRSA信号转导机制。上述研究结果为细菌的营养感应机制提供了重要线索，扩展了学界对TCS传递外部信号的激活模式的理解。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73373.htm

论文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/11/13/1912080117

中国科大在硅基超高频纳米机电谐振器上取得进展

器件单空穴电学输运性质和力学性能表征

我校郭光灿院士团队郭国平教授研究组和瑞典乌普萨拉大学章贞教授研究组合作，设计制备了与CMOS产线工艺兼容的悬浮单空穴硅晶体管器件，该器件同时也可作为超高频纳米机电谐振器工作。这一复合器件在极低温(~20 mK)高真空环境下，展现出单空穴隧穿行为，其力学谐振频率达到3 GHz，是已报道的同类硅基器件中的最高值。同时，研究人员发现这一复合器件中，机械振动的电学读出主要依赖压阻效应，且与单空穴隧穿行为高度关联。通过对比不同驱动功率下器件的响应，他们发现器件工作在单空穴隧穿状态时，器件的压阻系数提升了一个数量级。

该复合器件利用CMOS工艺制备，易于大规模集成。同时，该工作也为进一步利用纳米谐振器中的声学模式，耦合硅基量子点中的载流子创造了条件。在极低温环境下，该纳米谐振器的超高谐振频率对应的热声子占据数及零点涨落已超过量子极限。随着测控技术的进一步发展，该成果也将为研究超高频声学模式的潜在量子行为，以及基于这一体系的新型杂化量子信息器件的研发提供新的途径。

这一成果近期以“A Suspended Silicon Single-Hole Transistor as an Extremely Scaled Gigahertz Nanoelectromechanical Beam Resonator”为题发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73411.htm

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202005625

中国科大在分布式量子精密测量方面取得重要进展

分布式量子传感实验装置图

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等利用多光子量子纠缠在国际上首次实现分布式量子相位估计的实验验证，这为将来构建基于量子网络的高精度量子传感奠定基础。该成果于11月30日在国际学术知名期刊《自然·光子学》上在线发表。

分布式量子传感面对的一个重要问题是：如何选择并制备能够实现对多个参量最优的测量精度的量子纠缠态。研究表明，对于某类分布式的最大纠缠态，理论上能够达到最优测量精度，即海森堡极限。

研究团队设计了最优的测量方案，基于多光子量子纠缠，通过操纵六光子干涉仪，实验演示了多个独立的相移及其平均值测量。实验结果显示，利用分布式纠缠态进行测量，其精度可以超越经典传感器的理论极限。基于光子纠缠和相干性组合的方案，研究团队进一步实验演示了多个空间相移的线性组合测量（参数数量总个数达到21个），与仅利用粒子纠缠的方案对比，该组合式方案不仅能够增加可测量参数数量，还能提高测量精度。

该项工作成功实现了多参量分布式量子传感的原理性实验验证，评估了不同纠缠结构情况下的测量精度，验证了纠缠结构对测量精度的增强效果，扩展了资源利用率和可测量的参量数量，朝分布式量子传感的实际应用迈出了重要一步。《自然·光子学》杂志的审稿人对该工作给予高度评价，称赞这是一项“重要的里程碑工作”（constitutes a significant milestone）。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73482.htm

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-020-00718-2

中国科大实现小龙虾壳辅助重质生物油制备高性能超级电容器电极材料

小龙虾壳辅助重质生物油制备高性能超级电容器电极材料示意图

中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系朱锡锋教授研究团队提出“废弃生物质制备高性能超级电容器电极材料”的新方法，采用农林废弃物热解获得的重质生物油（HB）和厨余垃圾中的小龙虾壳，通过简单的合成即可制备高性能超级电容器的电极材料。该研究成果近期以“Synthesis of 3D-interconnected hierarchical porous carbon from heavy fraction of bio-oil using crayfish shell as the biological template for high-performance supercapacitors”为论文标题发表在国际知名期刊《Carbon》上。

该项成果基于生物模板-碱活化的方法，以小龙虾壳为辅助材料，从重质生物油中成功合成了具有超高比表面积（3095 m2g-1）、高孔容（1.66 cm3g-1）和适宜氧原子含量（7.83 at.%）的分层多孔碳（HPCs）；同时还研究了活化温度对分层多孔碳（HPCs）杂原子含量的影响，并对获得高性能超级电容器电极材料的工艺条件进行了优化。所制备的分层多孔碳（HPCs）在组装的超级电容器性能测试中表现出1.4V的宽工作电压和20 W h kg-1的高能量密度，与现有电极材料的性能相比，具有明显的优势，可用于包括电动汽车在内的许多应用领域。

该项成果为从农林废弃物和厨余垃圾等废弃生物质资源中获取高附加值产品开辟了一条新途径。