注册
2021年中国科学技术大学已在Cell/Nature/Science发表10项研究成果

发布时间:2021-06-04

作者:

访问量:

自2021年以来(截至2021年6月3日),以中国科学技术大学作为通讯单位的研究团队在Cell 、Nature 及Science 发表了10项研究成果,在物理学、化学、生命科学等领域取得重大进展,一起来系统盘点这些研究成果:

研究成果如下

1.An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres

2021年1月7日,中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,在国际学术期刊《自然》(Nature)杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的论文。

研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发,并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。论文是对上述成果的一个系统性总结,证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。我国科研人员通过构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

报道链接:中国科大成功验证构建天地一体化量子通信网络的可行性


2. COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas

2021年2月3日,北京大学、中国科学技术大学、海军军医大学、首都医科大学等40多家单位联手合作,中国科学技术大学生科院瞿昆教授与张泽民、周鹏辉、蒋庆华、黄志伟、贝锦新、卞修武、刘新东、程涛、赵平森、王福生、苏冰、王红阳、张政、王晓群、陈捷凯、金荣华等共同通讯在Cell 在线发表题为“COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas”的研究论文。

该研究对来自196名COVID-19患者和对照的284个样品应用了单细胞RNA测序,并创建了一个拥有146万个细胞的全面免疫环境。SARS-CoV-2 RNAs存在于多种上皮和免疫细胞类型中,并伴随病毒阳性细胞内的转录组显著变化。S100A8 / A9的系统性上调主要由外周血中的巨核细胞和单核细胞引起,可能导致重症患者中频繁观察到的细胞因子风暴。该研究数据为了解COVID-19的发病机理和制定有效的治疗策略提供了丰富的资源。


3. Determining structural and chemical heterogeneities of surface species at the single-bond limit

中国科学技术大学单分子科学团队侯建国院士、王兵教授、谭世倞教授等发展了多种扫描探针显微成像联用技术,实现了对单分子在电、力、光等外场作用下不同内禀参量响应的精密测量,在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征,这一研究成果于2021年2月19日发表在《科学》(Science)杂志上(Science 2021, 371, 818–822)。

该团队在前期工作基础上,采用融合STM, AFM, TERS等扫描探针技术的策略,发展了STM-AFM-TERS联用技术,突破了单一显微成像技术的探测局限。利用这一高分辨的综合表征技术,以并五苯分子及其衍生物作为模型体系,结合电、力、光等不同相互作用实现了对电子态、化学键结构和振动态、化学反应等多维度内禀参量的精密测量。实验结果揭示了Ag(110)表面吸附的并五苯分子转化为不同衍生物的机理,其中纳腔等离激元激发是导致特定吸附构型下C―H键选择性断裂的原因。在技术上,通过集成高灵敏度的单光子计数器,把拉曼光谱的实空间成像速度提高了2个数量级,成功地实现了并五苯分子化学反应前后的动态跟踪与测量。

中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心博士生胥佳玉、祝翔是本论文的共同第一作者。

报道链接:国科大在单分子精密测量中取得重要进展


4. Quantum interference between spin-orbit split partial waves in the F + HD → HF + D reaction

中国科学技术大学王兴安教授课题组与中国科学院大连化学物理研究所孙志刚研究员和杨学明院士课题组合作,发现了基元化学反应中自旋轨道分波的量子干涉现象,揭示了电子自旋-轨道相互作用对化学反应动力学过程的影响。这一研究成果于2021年2月26日发表在《科学》(Science)杂志上。

为了解决长期以来,电子自旋轨道耦合是否能够以及如何影响化学反应的动力学过程这一问题,研究人员以实验和理论相结合对电子自旋和轨道角动量在氟原子与氢分子的反应F+HD->HF+D中的影响进行了研究。实验方面,通过将交叉分子束方法、时间切片离子速度成像技术与近阈值电离技术相结合,应用高分辨的实验测量获得了产物转动量子态分辨的微分散射截面,并在微分散射截面前向散射方向观测到了一个独特的马蹄铁形结构。理论方面,发展了考虑电子角动量效应的量子动力学理论模拟方法,对这个独特的马蹄铁形动力学结构进行了解释。理论表明这个动力学结构是由具有正负宇称的自旋轨道分裂的共振分波的量子干涉导致的。这一研究结果表明自旋-轨道相互作用能够有效地影响化学反应动力学过程。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心陈文韬博士是本论文的第一作者。

报道链接:中国科学家发现化学反应中自旋轨道分波的量子干涉现象


5. Sequential C–F bond functionalizations of trifluoroacetamides and acetates via spin-center shifts

中国科学技术大学汪义丰教授研究团队和合作者发展了一种三氟甲基逐级可控脱氟官能团化反应。该反应从廉价易得的三氟乙酸衍生物出发,通过spin-center shift的过程,选择性切断一个和两个碳-氟键,然后转化为结构多样的功能性双氟和单氟产物。2021年3月5日,国际学术期刊《科学》(Science)杂志以“First Release”形式在线发布了该项工作。

他们利用4-二甲氨基吡啶-硼自由基与三氟、二氟以及单氟乙酰基化合物反应性能的差异,设计和开发了三氟乙酰胺和三氟乙酸酯的逐级可控脱氟官能团化反应。三氟甲基的两个碳-氟键可以被连续可控切断,选择性产生双氟和单氟烷基自由基中间体,然后转化为结构多样的双氟和单氟产物。脱氟反应的进程可以通过反应条件的微调来精确控制。机理研究表明碳-氟键的断裂是经过spin-center shift (SCS)的过程来实现的,该方法以廉价易得的三氟乙酸或者三氟乙酸酐为起始原料,为制备功能性的单氟和双氟化合物提供了更为经济实用的途径。

中国科学技术大学化学系博士生余友杰和特任副研究员张凤莲博士是本论文的共同第一作者。

报道链接:中国科大在三氟甲基连续可控脱氟转化领域取得重要进展


6. Liver type 1 innate lymphoid cells develop locally via an interferon-γ-dependent loop

2021年3月26日,中国科学技术大学田志刚教授、彭慧教授、孙汭教授、法国马赛大学EricVivier 教授团队(四人共同通讯作者)在国际学术期刊《科学》(Science)发表题为“Liver type 1 innate lymphoid cells develop locally via an interferon-γ-dependent loop” 的学术论文。该研究发现成年肝脏造血前体细胞向1型天然淋巴细胞(肝脏ILC1,即肝脏定居NK细胞)的分化潜能及调控机制,揭示天然淋巴细胞的骨髓外发育新路径。中国科学技术大学白璐、唐玲、法国马赛大学Margaux Vienne、Yann Kerdiles为共同第一作者。中国科学技术大学为该论文的第一单位。

本研究发现成年肝脏存在胎肝来源的造血前体细胞,具有向肝脏驻留ILC1的发育潜能,该过程受肝脏ILC1自分泌的IFN-γ信号正向调控。揭示了固有淋巴细胞的髓外发育新路径,为阐释肝脏天然免疫优势状态形成原因提供重要理论依据。

报道链接:中国科大首次发现天然淋巴细胞的骨髓外发育新路径


7. Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling

中国科学技术大学潘建伟、陈帅等与北京大学刘雄军等合作,在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得了重要进展。研究团队在国际上首次利用超冷原子体系实现了三维自旋轨道耦合,并构造出有且仅有一对外尔点的理想外尔半金属能带结构。该研究成果于2021年4月16日以研究长文(Research Article)的形式发表在国际学术期刊《科学》(Science)杂志上 [Science 372, 271-276 (2021)]。由于该工作开启了超越传统凝聚态物理的外尔型拓扑物理的量子模拟,《科学》杂志在同期的视点栏目(Perspective)专门配发了题为“The Weyl side of ultracold matter”的评论文章。

联合研究团队设计了巧妙的光路,通过将光晶格“旋转”45°,并将相位锁定,准确构造出理论方案中三维结构的拉曼势,合成三维自旋轨道耦合,同时通过调节实验参量合成了有且仅有两个外尔点的能带结构。在探测方面,研究团队借鉴了北大组和香港科技大学G.-B. Jo组合作提出的虚拟断层成像法[Nat. Phys. 15, 911 (2019)],并应用到当前的三维光晶格体系。利用体系的对称性,通过调节拉曼失谐等效得到z方向不同动量平面上的自旋纹理,再重构出三维动量空间的自旋纹理,找到外尔点;随后利用量子淬火动力学提取出该平面能带的拓扑特征,进而确定外尔点的位置。两种方法互相佐证,印证了理想外尔半金属能带的实现。

在该研究工作的基础上,研究团队将进一步开展外尔半金属中更奇特的现象和物理过程的探索。本工作的技术方案也可以推广到费米子体系,开展强关联拓扑物理的研究。该成果有望极大推动量子模拟领域的发展。

报道链接:外尔物理量子模拟取得重要进展:中国科大在超冷原子体系实现理想外尔半金属态


8. Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor

中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称量子创新研究院)潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队,成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关研究成果于2021年5月7日在线发表在国际学术期刊《科学》(Science)杂志上。

近期,该团队在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上,成功构建了国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上,观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象,实验研究了二维平面上量子信息传播速度,同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪,实现了可编程的双粒子量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。此外,基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用,将是后续发展的重要方向。

报道链接:中国科大成功研制62比特可编程超导量子计算处理器


9. Detection of Ultra-high Energy Photons up to 1.4 PeV from 12 Gamma-ray Sources

日前,中国科学技术大学近代物理系,天文学系以及核探测与核电子学国家重点实验室参与的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)实验在银河系中发现了12个能把宇宙线加速到1千万亿电子伏特(10^15 eV, PeV)以上的加速源,从而为宇宙线起源这一问题的解决带来了突破性的进展。2021年5月27日,成果以“Detection of Ultra-high Energy Photons up to 1.4 PeV from 12 Gamma-ray Sources”为题发表于国际学术期刊《自然》(Nature)。

LHAASO阵列由于其对超高能伽马射线前所未有的灵敏度,成为研究寻找PeV宇宙线加速源(PeVatron)问题的理想工具。尽管还没有完全完成建设,但一半LHAASO阵列在11个月的观测后已经在银盘上观测到了12个在一百万亿电子伏特以上具有7倍标准偏差以上置信度的超高能伽马射线源(见下图)。如此高能量的伽马射线只可能由PeV能量以上宇宙线质子或电子与星际介质相互作用而产生。这位PeVatron在银河系中的大量存在提供了直接的证据。同时,这也是人类首次在超高能伽马射线能段探测到如此多的天体,打开了超高能伽马射线天文学的新窗口。

我校物理学院近代物理系与核探测与核电子学国家重点实验室李澄、唐泽波、江琨团队在LHAASO实验中负责WCDA和KM2A阵列缪子探测器核心部件——大尺寸光敏探头的研制,安琪、赵雷、曹喆团队负责WCDA阵列的大尺寸光敏探头读出电子学系统的设计、制造和安装,天文学系的杨睿智参与了数据分析工作,主持了多波段数据的收集和对观测数据的理论解释工作,并且是论文的通讯作者之一。

报道链接:LHAASO观测揭示银河系中超高能宇宙线起源


10. Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子存储和量子中继领域取得重大进展。该团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储器和外置纠缠光源,首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠,演示了多模式量子中继。该成果6月2日23点在线发表在国际学术期刊《自然》(Nature)上。

李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究,近十年不断提升固态量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求,包括使存储保真度达99.9%、模式数达100个、光存储寿命达1小时等。

该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向,为实用化高速量子网络的构建打下基础。

中科院量子信息重点实验室的博士后刘肖和博士研究生胡军为该论文的共同第一作者。

报道链接:中国科大首次演示多模式量子中继并实现两个固态存储器的量子纠缠