科大资讯 近期科研成果速览（五月上）

　　原标题：科大资讯 近期科研成果速览（五月上）

　　1.超导研究团队在无限层镍基超导体的磁性研究中取得重要进展

　　2.中国科大研制性能比肩铂金的碱性膜氢-氧燃料电池阳极

　　3.中国科大在碳纳米管片段弯曲共轭结构方面取得新进展

　　4.背景噪声干涉成像揭示地幔转换带底部分离的大洋地壳

　　5.中国科大地震层析成像揭示俯冲带大型逆冲断层孔隙率与力学性质的变化

　　6.动物外骨骼“矛”和“盾”中优化的多层结构和力学、化学梯度

　　7.中国科大在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展

　　8.中国科大在非厄米奇异点拓扑性质的研究中取得重要进展

　　9.中国科大首次实验实现量子信息掩蔽

　　中科大超导研究团队在无限层镍基超导体的磁性研究中取得重要进展

　　(a) LaNiO3和LaNiO2的晶体结构。通过CaH2还原LaNiO3可以得到LaNiO2。（b）LaNiO2和LaNiO3中自旋-晶格弛豫率（1/T1）随温度的变化关系。（c）上半图：LaNiO2的奈特位移（Ks）随温度变化的关系。下半图：LaNiO2中1/T1T随温度变化的曲线。

　　我校合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理系陈仙辉研究团队的吴涛教授与南方科技大学梅佳伟、王善民等人合作在无限层镍基超导体的磁性研究中取得重要进展。该研究团队成功测量了无限层镍基超导体母体材料LaNiO2的本征磁化率并观察到类似于高温超导体的“赝能隙”行为，为研究高温超导体中的超导机理以及赝能隙的物理起源提供了新的实验证据。相关研究成果于5月10日以“Intrinsic Spin Susceptibility and Pseudogap-like Behavior in Infinite-Layer LaNiO2”为题在线发表于物理学知名杂志《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett.126,197001 (2021)]。

　　在铜氧化合物超导体中，磁性交换作用被认为是高温超导电性的一个关键要素，那么在无限层镍基超导体中是否也具有强的磁性交换作用呢？目前，由于无限层镍基超导体中的超导电性只在薄膜材料中被发现，这极大地限制了对其磁性质的实验研究，因此领域内对该材料的磁性还一直没有十分清楚的实验测量并存在大量的争论。为了回答这一问题，我校陈仙辉教授领衔的超导研究团队与南方科技大学梅佳伟和王善民课题组开展合作研究，在制备纯度较高的无限层镍基超导体母体LaNiO2多晶材料的基础上，利用核磁共振方法对该材料进行了低温磁性研究。通过测量139La原子核的超精细相互作用以及自旋-晶格弛豫率，成功获得了该体系本征的磁化性质。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1048/75060.htm

　　论文链接：

　　https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.197001

　　中国科大研制性能比肩铂金的碱性膜氢-氧燃料电池阳极

　　近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组利用三维泡沫铜骨架作为基底，通过阳极电氧化形成Cu(OH)2纳米线阵列状模版，依次经过水热和煅烧前驱体还原，得到一种新型的三元Ni-W-Cu合金。该方法简单易行，并可放大制备得到较大面积的Ni5.2WCu2.2合金AEMFC阳极。相关成果近日以“Ternary nickel–tungsten–copper alloy rivals platinum for catalyzing alkaline hydrogen oxidation”为题发表在《自然·通讯》杂志上（Nat. Commun. 2021, 12, 2686）。

　　研究发现，这种三元Ni5.2WCu2.2合金能在碱性介质中高效催化HOR进行，其交换电流密度j0是Pt/C的4.31倍。值得提出的是，这种三元合金结构具有高达0.3V（相对于可逆氢电极）的抗氧化电位并能在该过电势下能保持高活性长达20h，超过了之前报道的其它类型非贵金属HOR电催化剂。除此之外，该合金催化剂还表现出优越的抗CO毒化能力，在20,000ppm的CO/H2混合气氛中能维持较高活性。实验表征与理论计算结合表明：合金化后，Ni向W转移电子，其表面电子发生重排，Ni的d带中心向远离费米能级的方向偏移，使其拥有更强的OH结合能。同时，Ni5.2WCu2.2合金在费米能级处的PDOS最低，表明其具有最优的H结合能。Ni、W和Cu三种金属协同调控合金表面的电子结构，从而赋予该非贵金属Ni基三元合金HOR催化剂高活性和耐氧化性。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1048/75061.htm

　　论文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-22996-2

　　中国科大在碳纳米管片段弯曲共轭结构方面取得新进展

　　(a)全苯撑连体双环结构(SCPP[10]); (b)理论计算模型；(c)表面STM“8”字形结构；(d)吸收和荧光光谱；(e)在室温条件365nm紫外灯下的荧光发光图。

　　近日，国际重要化学期刊《德国应用化学》以“A Highly Strained All-Phenylene Siamese-Twin Bismacrocycle”为题发表了中国科学技术大学杜平武教授课题组关于弯曲碳纳米管片段连体双环的最新研究成果（Angew. Chem. Int. Ed.,2021, DOI:10.1002/anie.202104669）。该工作首次构建了基于碳纳米管单层对苯撑片段的弯曲连体双环，研究了其独特的光物理性质，并利用富勒烯作为客体分子组装了超分子异质结。

　　该成果实现了首个完全由sp2杂化的全苯撑双纳米环的合成，这种连体双环以一个扭曲的苯为中心，展现了独特的光物理性质。此外，SCPP[10]作为一种新型的富碳化合物，可以用作超分子主体来捕获两个PCBM分子，形成基于双环的花生状1:2主客体复合物。该分子在光电材料和超分子材料等方面具有潜在的应用价值。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1048/75099.htm

　　论文链接：

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104669

　　背景噪声干涉成像揭示地幔转换带底部分离的大洋地壳

　　中国科学技术大学地球和空间科学学院姚华建教授课题组采用了一种不依赖天然地震的噪声干涉技术提取地幔间断面的上界面反射体波震相（P410P和P660P），用于研究地幔间断面的结构特征，并结合矿物物理模拟和波形正演来约束地幔间断面附近的矿物组成。

　　该研究结果显示俯冲大洋板片长期滞留在地幔转换带底部由于温度升高和粘滞度降低可能经历壳幔分离，分离的洋壳成分会在负浮力作用下滞留在地幔转换带底部（图3），滞留在地幔转换带的玄武岩洋壳成分可以很好地解释地震学上观测的散射信号(Wu et al., 2019)。而那些直接穿过地幔转换带的大洋板片由于快速穿过地幔转换带和更低的温度（更高的粘滞度）很难发生壳幔分离，这些俯冲板片在核幔边界上方被加热，更容易发生壳幔分离，而分离的洋壳成分会被堆积到核幔边界上方或被地幔柱带到浅部。因此洋壳成分的演化和循环过程与大洋板片的俯冲模式密切相关。本研究以独特的视角研究了俯冲大洋板片洋壳成分的演化和地幔转换带对地幔物质循环过程的影响。

　　相关成果近日发表在国际知名学术期刊《自然·通讯》上，第一作者为冯吉坤博士，通讯作者为姚华建教授和冯吉坤博士，合作者为中国科学技术大学王毅副教授、毛竹教授和法国Grenoble-Alpes University的Piero Poli博士。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74983.htm

　　论文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-21600-x

　　中国科大地震层析成像揭示俯冲带大型逆冲断层孔隙率与力学性质的变化

　　Cascadia俯冲带南段板块界面的震间耦合模型（a）以及沿着CC’剖面的地震波速比模型（b）和前人的电阻率模型（c）。

　　2021年5月7日，国际著名学术期刊《Nature Geoscience》在线发表了中国科学技术大学地球和空间科学学院、科技部蒙城地球物理国家野外科学观测站、中国科学院深地科学卓越创新中心张海江教授课题组与美国地质调查局的合作研究成果，论文题目为《Correlation of porosity variations and rheological transitions on the southern Cascadia megathrust》。该研究利用最新发展的先进地震层析成像技术，联合海洋和陆地的地震数据，确定了位于太平洋西北部的卡斯卡迪亚（Cascadia）俯冲带南段的大型逆冲断层从海洋延伸到北美陆地下方的三维高精度地震波速度结构，并结合岩石物理实验和断层力学模拟的结果分析了该逆冲断层的岩石孔隙率与力学性质的变化，从而为该地区的大地震灾害评估提供了重要的物理基础。论文第一作者为郭浩博士，现为美国威斯康辛大学麦迪逊分校博士后。郭浩博士、Jeff McGuire博士和张海江教授为论文共同通讯作者，中国科学技术大学为论文第一单位。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74974.htm

　　论文链接：

　　http://dx.doi.org/10.1038/s41561-021-00740-1

　　动物外骨骼“矛”和“盾”中优化的多层结构和力学、化学梯度

　　寄居蟹左螯中的宏观结构和层状力学梯度优化了结构的抗冲击性能。

　　近期，中国科学技术大学中科院材料力学行为与设计重点实验室骆天治教授团队与武汉大学王正直副教授、张作启教授合作，研究了具有防御功能的螳螂虾尾刺（矛）和寄居蟹左螯（盾）。综合利用多种实验手段揭示了从纳米尺度到厘米尺度的化学梯度、微观结构和力学性能之间的相关性，并通过有限元分析和3D打印技术确认了两种结构中的增韧机制和结构优化原理。相关成果分别以“Optimized Hierarchical Structure and Chemical Gradients Promote the Biomechanical Functions of the Spike of Mantis Shrimps”和“Multi-scale design of the chela of the hermit crabCoenobita brevimanus”为题，发表在近期的学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》和《Acta Biomaterialia》上。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74975.htm

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1021/acsami.1c02867

　　https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.012

　　中国科大在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展

　　我校郭光灿院士团队在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展。该团队郭国平、曹刚等人与本源量子计算有限公司合作，利用微波超导谐振腔实现了对半导体双量子点的激发能谱测量。相关研究成果以“Microwave-resonator-detected excited-state spectroscopy”为题，发表在4月28日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

　　郭国平教授研究组长期致力于半导体量子芯片的研究，此前于2021年2月在《Science Bulletin》上报道的工作展示了利用微波谐振腔实现半导体两量子比特长程耦合，并开发了新的谱学方法快速表征系统的耦合参数。在此研究基础上，此次利用微波谐振腔对量子比特能级谱和自旋态的高灵敏测量，为将来实现半导体量子比特的高保真读出提供了一种有效方法。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74973.htm

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　　https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044045

　　中国科大在非厄米奇异点拓扑性质的研究中取得重要进展

　　奇异点的能谱结构以及动力学环绕奇异点导致的本征态转换。蓝色和红色曲面分别对应非厄米哈密顿量的两个本征能量，两者在相交的奇异点附近呈现出独特的拓扑结构。能谱面上带箭头的曲线对应环绕奇异点的演化轨迹。图a和图b的环绕起点处在宇称时间对称相，呈现出非对称的本征态转换，即末态取决于环绕奇异点的方向，图c和图d的环绕起点处在宇称时间对称破缺相，呈现出对称的本征态转换，即末态不依赖于环绕奇异点的方向。

　　中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、荣星等人通过对金刚石量子比特的高精度量子操控，首次在量子体系中实现动力学环绕非厄米奇异点，并成功观测到基于奇异点的本征态转换。该研究成果以“Dynamically encircling an exceptional point in a real quantum system”为题，发表在近期的《物理评论快报》上。

　　研究组基于在量子系统中实现非厄米哈密顿量的普适方法，以金刚石氮-空位色心的核自旋为辅助比特，电子自旋为系统比特，通过量子调控的手段，实现了含时非厄米哈密顿量下的演化，并成功地观测到两种本征态转换。即当环绕的起始点处于宇称时间对称相时，量子系统的末态依赖于环绕奇异点的方向，和环绕初态无关（如图a, b所示），本征态转换呈现出非对称性。而当起始点处于宇称时间对称破缺相时，环绕末态和初态及环绕方向都无关（如图c, d所示），本征态转换呈现出对称性。研究组进一步的探索还发现，这类模式转换对于环绕路径上的随机噪声有很强的鲁棒性，这将在量子计算及量子信息处理领域有重要的应用潜力。

　　这项工作基于奇异点实现拓扑保护的本征态转换，为量子控制提供了全新的思路。而在量子系统实现含时非厄米哈密顿量，也为进一步研究非厄米系统的新奇物理，如环绕高阶的奇异点、探索非厄米拓扑不变量等奠定了基础。

　　详细阅读：

　　http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74962.htm

　　论文链接：

　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.170506

　　中国科大首次实验实现量子信息掩蔽

　　量子信息掩蔽的工作原理和实验实现。（a）逻辑线路图，（b）实验装置图。

　　我校郭光灿院士团队在光量子信息处理领域取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人与上饶师范学院李波、梁晓斌、南开大学陈景灵合作，实验实现了光量子信息的掩蔽，成功地将量子信息隐藏到非局域的量子纠缠态中。该成果2021年4月30日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

　　利用线性光学研究平台，李传锋、许金时研究组首次实验实现了量子信息掩蔽。研究组研究发现光学系统中的光子熔接门与掩蔽操作存在对应关系，通过构造光子熔接门，成功地实现了光子偏振态的量子信息掩蔽，把单光子携带的量子态隐藏到了两光子的量子纠缠态中。实验结果表明纠缠态与理论值相比较，保真度达到97.7%。研究组进一步基于量子信息掩蔽实现了三方量子秘密共享，并用来完成简单图像的安全传输。研究组还结合先前的实验工作[Science Advances 2, e1500672 (2016)]，利用量子信息掩蔽操作构造出无消相干子空间，展现了量子信息掩蔽在容错量子通信上的应用价值。

　　该成果展示了量子信息掩蔽作为一种全新的量子信息处理协议的可行性，对保密量子通信的理论研究和实际应用都具有重要意义。

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　　http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74943.htm

　　论文链接：

　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.170505

　　本期编辑：孙宗哲