物理化學

BODIPY快速可逆反應控制研究

中國科學院化學研究所光化學重點實驗室研究員楊國強課題組與國內外科學家合作，提出了三芳基硼化合物特異熒光性質的發光機理，設計制備了一系列特殊超分子結構熒光探針，應用于對細胞和生物體內的溫度、酸堿性等微環境變化和多個活性物種的熒光檢測。相關論文發表于《自然—通訊》。通過對meso-位無取代的BODIPY2,6-位取代基的選擇性修飾，實現了在堿誘導下的BODIPY的快速可逆二聚反應，二聚產物由于共軛結構的改變使得BODIPY的強發光性質發生猝滅；當遇到可以與誘導劑堿發生反應的物種時，二聚體又可以快速解離，進而恢復BODIPY的強發光性質。據此，設計了甲醛的高效靈度探針。

化學合成反應（Nature Communications）

實現半導體三量子比特邏輯門

中國科學技術大學郭光燦院士領導的中國科學院量子信息重點實驗室在半導體量子比特擴展方面獲得進展：該實驗室半導體量子芯片研究組郭國平教授與肖明、李海歐和曹剛等人創新性地設計并制備了半導體六量子點芯片，并在實驗上實現了三量子比特的Toffoli門操控；相關成果發表于Physical Review Applied。設計了T型電極開口式六量子點結構，使得控制比特與目標比特有較強的耦合，同時兩個控制比特之間的耦合較小，滿足了實現兩個控制比特對目標比特受控非門的操控要求，利用優化設計的高頻脈沖量子測控電路，實現了基于半導體量子點體系的三電荷量子比特Toffoli邏輯門，為可擴展、可集成化半導體量子芯片的研制奠定了基礎。

基于憶耦器實現神經突觸可塑性和神經網絡模擬

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室孫陽研究組與同行科學家合作，提出了一種基于磁電耦合效應的非易失性電路元件——憶耦器（memtranstor）。這種器件由電荷和磁通的非線性關系來定義，其狀態值用電耦來表示，可以通過測量器件的磁電耦合電壓值來給出；研究論文發表于Advanced Materials。研究者在具有室溫大磁電耦合效應的Ni/PMN-PT/Ni憶耦器中，通過調節脈沖觸發電壓和脈沖次數，實現了電耦值的連續可逆變化，模擬了神經突觸權重增強和減弱行為。利用憶耦器模擬了神經突觸可塑性和學習功能，證明了基于憶耦器構建低功耗神經網絡的可行性。

二甲苯“綠色合成”研究

中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料研究中心副研究員李昌志、研究員王愛琴和張濤院士團隊在綠色對二甲苯（PX）合成路線中取得新進展，設計出一條以木質纖維素資源生物發酵產物（生物基異戊二烯）和甘油脫水產物（丙烯醛）為原料，利用碳化鎢催化分子內氫轉移串聯反應的合成路線；研究論文發表于《德國應用化學》。選擇具有特定結構的生物質平臺分子異戊二烯和丙烯醛為底物，在路易斯酸離子液體催化作用下，通過狄爾斯—阿爾德反應，構建具有對位取代基的六元環中間體——4-甲基-3-環己烯甲醛。該中間體在碳化鎢催化劑的作用下，通過連續氣相脫氫—加氫脫氧反應生成PX，兩步反應PX總收率高達90%。

用于搜尋標準模型以外新粒子的單自旋量子傳感器

中國科學技術大學杜江峰院士領導的中國科學院微觀磁共振重點實驗室提出并實現了用于搜尋類軸子的單電子自旋量子傳感器，將搜尋的力程拓展到亞微米尺度；該成果發表于《自然—通訊》。研究者將金剛石近表面NV色心的電子自旋用作傳感器來搜尋小于20微米范圍的電子與核子相互作用。制備了離金剛石表面10納米以內的NV色心作為探測器，開發了相應的電子學設備和量子控制方法。實驗表明新傳感器可以探索的力程范圍是0.1微米到23微米。這一新方法也可以推廣到其他自旋相關新相互作用的研究，從而為利用單自旋量子傳感器來研究超出標準模型的新物理提供了可能性。

電子—核子相互作用檢測方案（Nature Communications）

實驗裝置和量子傳感器示意圖（Nature Communications）

雙指針阿秒鐘研究進展

北京大學極端光學創新研究團隊劉運全教授和龔旗煌院士等進一步發展了阿秒鐘技術，采用同向旋轉的雙色（400納米+800納米）圓偏振激光開展實驗研究，實現了一種雙指針阿秒鐘測量技術；研究論文發表于《物理評論快報》。原子分子內的電子運動時間尺度在阿秒（10-18秒）量級，能夠追蹤和測量原子或分子中電子的運動一直是物理學家的重要目標之一。在圓偏振激光作用下，激光電場在一個光周期內旋轉360度，不同時刻電離的電子波包會在動量空間上被映射到不同的發射角。通過這種基于圓偏振激光的角度分辨streaking技術，對于800納米激光可以實現2.7飛秒/360度,即7.5阿秒/度的超高時間分辨能力，因此被稱為阿秒鐘。

可耐受超高溫憶阻器

南京大學物理學院繆峰教授課題組與國內外科學家合作，利用二維層狀硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）以及石墨烯構成三明治結構的范德華異質結，實現了基于全二維材料的、可耐受超高溫和強應力的高魯棒性憶阻器，研究論文發表于《自然—電子學》。憶阻器，是一種基于“記憶”外加電壓或電流歷史而動態改變其內部電阻狀態的電阻開關。由于擁有超小的尺寸、極快的擦寫速度、超高的擦寫壽命、多阻態開關特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業內視為可應用在未來存儲和類腦計算（神經形態計算）技術的重要候選者。研究展示了二維層狀材料異質結構在憶阻器領域中的應用前景。

量子自旋霍爾和拓撲激子物態研究進展

北京大學量子材料科學中心杜瑞瑞教授課題組研究發現在應變的（strained）InAs/GaInSb量子阱中，存在受時間反演對稱性保護的量子自旋霍爾態，并且相比于之前InAs/GaSb量子阱中的量子自旋霍爾態，其體態能隙最大可增加5倍，達到250K。研究論文發表于《物理評論快報》。量子自旋霍爾態是拓撲量子物態的一種，具有絕緣的二維體態和導電的一維螺旋（helical）邊緣態。量子自旋霍爾態也被認為是很有可能實現拓撲量子計算的物理平臺之一。在應變的InAs/GaInSb量子阱中，量子阱中的應力使其能帶發生改變，從而使得體態雜化能隙得以增大，直接導致邊緣態電子費米速度的增加，螺旋邊緣態中的相互作用效應變弱。