一周前沿科技盘点〔112〕｜他们让太阳物理研究迈入日冕磁场常规测量时代；突破学界悬而未决难题！北京雁栖湖数学院构建一张“超网”

近日，北京大学地球与空间科学学院田晖团队及合作者基于“二维冕震”方法和升级版日冕多通道偏振仪的观测，在国际上初步实现了日冕磁场的常规测量，揭示了日冕磁场在约8个月时间内的演化规律，其研究有力填补了太阳磁场测量领域一处空白。

自然界中的任何现象背后，都包含着随机因子的相互作用。北京雁栖湖数学院科研团队融合数学、物理、化学等多个学科知识，利用数学语言织起一张“超网”，借助新模型更好地发现自然的内在运行规律。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第112期。

1《Science》丨他们让太阳物理研究迈入日冕磁场常规测量时代

在不同日期测得的日冕磁场分布图叠加在日冕极紫外图像上

磁场是太阳物理最重要的物理量，正是太阳磁场的演化导致了黑子11年周期、百万度高温的日冕以及猛烈的太阳爆发等重要现象。正因如此，测量太阳磁场一直是太阳物理学者最重要的使命之一。早在1908年，美国著名太阳物理学家海尔将刚发现不久的塞曼效应用于太阳黑子的磁场测量，从而开启了人类测量地球之外天体磁场的历程。今天，这一方法仍被人们所沿用。然而，对于太阳大气最外层的日冕，其磁场一直难以测量。这主要是因为日冕磁场很弱，并且日冕的高温导致谱线轮廓很宽，使本来就不明显的谱线分裂更难被测量出来。这也限制了我们深入理解太阳的三维磁场结构及其演化过程的研究。

近日，北京大学地球与空间科学学院田晖团队及合作者填补了太阳磁场测量方面的这一空白。他们基于“二维冕震”方法和升级版日冕多通道偏振仪（UCoMP）的观测，在国际上初步实现了日冕磁场的常规测量，揭示了日冕磁场在约8个月时间内的演化规律。这是继2020年该团队测得首幅全局性日冕磁图后的又一重要进展，使太阳大气磁场的常规测量从过去仅限于最底层的光球扩展到日心距最大约1.6个太阳半径的日冕中。日冕磁场常规测量的初步实现，将促进黑子周期、日冕加热、太阳爆发及空间天气预报、日球层磁场演化等重大课题的研究。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2993

2 突破学界悬而未决难题！北京雁栖湖数学院构建一张“超网”

自然界中的任何现象背后，都包含着随机因子的相互作用。这些因子并不是一一对应的线性关系，而是互相关联形成一张复杂的作用网络。“此前没有任何一个模型能够构建起高阶互作网，这是学术界悬而未决的难题。”北京雁栖湖数学院副院长邬荣领说。

以癌症研究为例，当前人们认为，癌症的产生是由5%的基因因素、29%的环境和生活方式因素，以及66%的随机错误共同作用导致的。但目前，学术界的研究主要围绕前两个因素展开，对于后者则无从下手。

“偶然中包含着必然。构建起一个复杂高阶互作网络模型，就能实现随机复杂系统的解析，解答其背后的必然。”邬荣领说，通过测序、图像等技术，人类将复杂的自然现象逐步转化为数据表达。在这些研究的基础上，该院科研团队融合数学、物理、化学等多个学科知识，利用数学语言织起一张“超网”，借助新模型更好地发现自然的内在运行规律。

该模型的运算结果，已经得到了实验数据验证，在3种不同细菌的联合培养实验中，模型成功模拟了细菌相互作用的繁殖趋势。这两天，邬荣领又收到了一个好消息。“我们合作的科研团队在一种疾病缺陷易感模型中发现，动物实验的结果与‘超网’预测的结果趋势吻合，目前正在进行样本的进一步分析。”他期待，这项研究能成为新模型的又一例证。

“超网”模型还有望开辟中国式的人工智能道路。“人工智能的发展，离不开数学的参与。现在人工智能的底层数学理论统计方法还相当基础，如果能将‘超网’整合进入人工智能的底层框架，将大大提升其解释现实世界的能力。”邬荣领说。北京雁栖湖数学院院长、清华大学丘成桐数学中心主任丘成桐表示，这次发表的成果，可以与其他系统碰撞出更重要的影响，在人工智能或其他种种重要的应用上，有望发挥越来越大的威力。

3《Nature Communications》丨跨越7公里的非局域量子门！“超级量子算力”在合肥上演

跨越7公里的非局域量子门。a.量子节点分布地图和实验装置图; b.量子门隐形传送的逻辑线路图

在当今科技领域，“超级量子算力”无疑是一个令人兴奋的概念，它代表了一种全新的计算范式，不仅能极大地提升计算速度，还能解决传统计算机难以处理的问题。近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权、柳必恒等人结合纠缠光子对、光量子存储器、城域量子通信多项极具挑战性的技术要素，实现了对“超级量子算力”的首创性演示。他们基于多模式固态量子存储和量子门隐形传送协议，建立了两个量子节点之间的非局域量子门，这两个量子节点分别位于中国科学技术大学东校区和合肥市大蜀山东侧，直线距离为7公里。

其实验结果表明，固态量子存储器的纠缠存储时间达到80.3μs，相比前人工作提升近2倍，并且纠缠存储的时间模式数达1097个，使得非局域量子门的生成速率获得了线性的提升。基于非局域量子门，研究团队进一步操控，实现了量子算法的远程分布式执行。

该工作首次在城市距离上实现分布式光量子计算的演示，展示了基于量子存储和通信光缆构建分布式量子计算网络的可行性，为规模化量子计算的实现提供了新思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52912-3

4《Advanced Functional Materials》丨变色龙材料，超级变变变

受变色龙启发的HPC-P(AA-AM)复合材料的热致多色分离机制

响应型结构色材料能够对外界刺激做出反应，并能动态调控其结构色，被广泛应用于彩色涂层、显示器、可视化传感器、信息安全、军事伪装和智能可穿戴器件等领域，并成为近年来的研究热点。

近日，西安交通大学物理学院研究团队借鉴变色龙的色彩调控策略，通过将羟丙基纤维素(HPC)与聚(丙烯酸-丙烯酰胺)(P(AA-AM))水凝胶结合，成功制备了具有多色分离能力的胆淄相纤维素复合材料（CPCC）。由于复合体系中胆淄相HPC的螺距随温度升高而增大，且螺距变化范围受复合体系中水凝胶交联度的影响，因此可以通过改变水凝胶的交联度来调控HPC结构色对温度的响应行为，进而实现温度诱导下的多色分离。

进一步，他们将CPCC与导电碳油结合，利用导电碳油形成的碳层作为导电基底，通过施加电压在碳层中形成的电流产生的焦耳热对上层CPCC进行加热，进而实现结构色的动态调控；设计了一种可通过磁场进行多色分离的方法。

最后，研究团队将上述热-电-磁三种结构色调控策略进行集成，结合复合体系中水凝胶交联度的图案化分布设计，实现了结构色的多通道显示和调控。三种调控手段既可单独作用也可相互协同，从而在单一材料中获得了丰富的、多层次结构色显示效果。这种通过热-电-磁多重刺激实现多色分离的方法，在彩色显示、信息加密和防伪等领域有着独特的优势和广阔的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408792

5《Nature Communications》丨突破超表面光场操控技术，实现多通道动态调控

N层偏振相关超表面结合偏振控制器的级联架构示意图

功能动态可调的超表面在光学系统受到广泛关注，在激光雷达、裸眼3D显示、OAM（orbital angular momentum，角动量）光束复用/解复用、变焦超透镜等诸多场景中具有广泛的应用潜力。已有可调超表面的主要实现方式为使用电光、机械、相变等机制，从而在亚波长尺度重构超表面的结构。然而，逐像素的电光调制需要复杂的电极排布，规模难以扩展；机械、相变等机制可实现的功能和通道数受限。另外一种控制方式则是改变入射光的性质，而不重构超表面本身，包括角度、波长、OAM、偏振等。这种方式的可调自由度往往受限，因此可实现的功能和通道数依旧受限，如何进一步拓展可调超表面的功能通道数目仍是亟待解决的难题。

近日，清华大学电子工程系黄翊东团队冯雪研究小组在超表面的多通道可调光场操控方面取得研究进展。他们提出了一种利用N层偏振相关超表面结合偏振控制器的级联架构，将偏振相关超表面的可调通道数由2个提升至2^N个，并且原理上无内禀损耗和串扰，适用的功能包括动态波束偏转、动态可调阶次的涡旋光束产生、变焦超透镜等。实验上通过3层超表面结合液晶偏振延迟器的级联，实现了8通道可调阶次的涡旋光束产生以及8通道动态波束偏转，同时支持电调切换，验证了该架构的可行性。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52676-w

6《National Science Review》丨意想不到的测热“探针”，效果也是意外地好

NEMS谐振器中的激光热效应调谐机理

微纳器件中的热传导一直是性能革新的关键：许多器件性能都与热释过程密切相关。当器件迈入纳米尺度，声子的平均自由程超越器件厚度，热传导受到边界散射和晶体结构对称性等因素的影响，展现出与体材料不同的热输运特性，这带来了新的机遇也引入了诸多不确定性。更需瞩目的是，近年二维非层状材料的兴起，它们在减薄时会发生晶格重排、表面共价键破缺等现象，展现出许多独特的物化性质。在这巨大的应用潜力背后，尚存其热传导性质难以被可靠地实验测定的困难。主要是因为现有的光谱法等技术通常基于预设的理论模型来测定某一热参数，难以对热传导的不同过程进行实验解耦，在非层状材料等性质较难理论预测的新型纳米材料上这一影响尤为显著。

近日，电子科技大学王曾晖、夏娟、朱健凯等与中南大学周喻等合作，利用谐振式纳米机电系统（NEMS）作为测热“探针”，构筑双自由度范式探测二维非层状材料的热输运性质。该研究成果与光谱法相比，在测量的响应度（输出与输入信号之比）上有六个数量级的提升，灵敏度（从噪声背景中可测出的最小信号）则有数千倍的优势。这也是在无需预知热参数的前提下，首次同时对二维非层状材料的面内方向及其与衬底之间的热输运性质进行定量的实验测定。他们还基于非层状材料实现了具备在同类结构器件中最优响应度的辐射式测热计。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae248

7《Physical Review C》丨发现同位素钚-227，“证据链条”逐步完善

实验观测到的9个新核素钚-227的α衰变事件以及钚-227在核素图上的位置（红色五角星）；蓝色五角星标记的是近代物理所团队此前合成的部分新核素。

近日，中国科学院近代物理研究所与合作者发现了钚元素的一个新的同位素钚-227。钚-227是近代物理所合成的第39个新核素，也是中国科学家发现的首个钚同位素。它的合成为继续发现其他更轻的钚同位素、探讨中子幻数126壳效应的演化奠定了基础。

什么是幻数？当原子核的核子数等于某些特殊的数目时（2、8、20、28、50、82、126），原子核特别稳定，形状接近球形。这些数字即为幻数。而幻数的存在反映了原子核的壳层结构。126是中子特有的幻数。已有研究表明，随着原子序数的增大，中子幻数126的壳效应从82号铅元素到92号铀元素有连续减小的趋势。那么，该幻数的壳效应是否在更重的核区（质子数≥93）减弱？这一科学问题是壳效应演化研究的热点。

近年来，近代物理所新核素研究团队通过合成多个93号元素镎的新同位素，找到了中子幻数126壳效应在镎同位素中存在的证据。然而，关于该幻数是否在94号钚元素的同位素中存在，缺少实验证据。为了获取关键实验数据，该团队制定了合成未知核素钚-221至钚-227的研究计划。依托兰州重离子加速器，该团队利用充气反冲核谱仪SHANS，通过熔合蒸发反应观测到新核素钚-227。研究测量发现，该新核素的α衰变能约为8191 keV，半衰期约为0.78秒。其研究显示，钚-227的衰变能和半衰期满足已知钚同位素α衰变性质的系统规律。（专栏作者 李潇潇）

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevC.110.044302

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