世界一流科技期刊文章精選

腸道類器官修復的表型圖譜

Nature封面：從小鼠成年腸干細胞（分化與增殖細胞染色）培養而來的類器官。Nature雜志第7828期封面文章報道了一種基于類器官的篩選平臺，用于鑒定能促進腸道修復的化合物。這種類器官越來越多地被用于研究器官的發育和生理學特征，以及新藥的測試。研究人員Prisca Liberali和她的同事通過創建數十萬個類器官的表型指紋圖譜，得以繪制參與細胞命運和再生的基因相互作用。研究發現，腸道壁細胞的分化依賴于維甲酸信號傳導，并且抑制維甲酸的一種細胞受體可以促進腸道修復。

含碳硫化氫系統實現室溫超導

Nature封面：在更高的溫度上探尋超導材料。Nature雜志第7829期封面文章報道了室溫超導研究進展。超導體是指在某臨界溫度以下電阻為零的導體，隨著20世紀80年代高溫超導體的發現，在更高的溫度上尋找超導材料的研究逐漸發展。Ranga Dias及同事完成了一個長期尋求的里程碑：室溫超導材料。研究人員生成了一種光化學轉換含碳硫化氫系統，能夠在15 ℃左右表現出超導性。目前，要實現這一超導現象仍需要至少270GPa的高壓，但是研究團隊認為通過化學控制，可使該系統在更低的壓力下實現超導。

疫苗設計

Nature封面：基于包豪斯藝術家——保羅·克利（Paul Klee）的著名作品，對新冠肺炎病毒（SARS-CoV-2）疫苗研發之路的重新構象。Nature雜志第7830期特刊文章報道了疫苗研究的進展。為了研制出能遏制新冠肺炎（COVID-19）大流行的有效疫苗，研究人員以從未有過的速度完成了從病毒測序到臨床試驗的過程。該期雜志刊發的多篇論文闡釋了新冠病毒候選疫苗的設計策略和臨床試驗的結果。另有一篇綜述文章總結了疫苗研發進展，并指出迄今為止的跡象表明，一種安全有效的疫苗或能在數月內而不是數年內問世。

深度非洲群體基因組信息幫助揭示人類遷移和健康狀況

Nature封面：該研究中收集的遺傳數據子集被轉化為津巴布韋萬壽菊珠飾細工合作社的手工珠鏈。Nature雜志第7831期封面文章報道了對50個民族語言群體的426名個體的全基因組序列分析結果。研究發現了300多萬個新的基因變體，其中大部分來自新采樣組，而且還鑒定出了62個之前未報道過的與病毒免疫、DNA修復、代謝相關的基因。此外，他們在群體內部和群體之間觀察到了復雜的血統混合模式，并且發現證據表明，贊比亞可能是講班圖語群體向外擴張路線上的中間點。這些發現幫助增進了科學家對于人類在非洲大陸遷移的理解。

（本頁期刊封面圖來自Nature官網）

對科學的影響

Science封面：在大旋渦中投票。Science雜志第6514期封面文章報道了Weathering the storm（《渡過難關》）以及Speed and American elections（《速度與美國選舉》）兩篇關于美國大選的文章，研究了特朗普在科學領域的復雜“遺產”。唐納德·特朗普（Donald Trump）擔任總統期間的標志是對科學和證據的不屑一顧。如今，選民們正在決定誰將在一系列與科學有關的危機中占領白宮，這些危機包括新冠肺炎（COVID-19）疫情大流行、森林大火和氣候變化，以及圍繞移民和種族正義的激烈辯論。文章敘述了美國科學家們分析唐納德·特朗普總統在任45個月期間的表現。

野生黑猩猩衰老過程中的社會選擇性研究

Science封面：生活在烏干達Kibale國家公園的Kanyawara社區的一只25歲雄性黑猩猩，老朋友Lanjo。Science雜志第6515期封面文章報道了Rosati等人使用比較數據來評估社會心理學中一個著名理論。長期觀察表明，野生黑猩猩與人類一樣，在衰老過程中越來越優先考慮牢固的、相互之間的社會紐帶和積極的社會互動，揭示了社會老齡化的進化根源。雄性倭黑猩猩的社交行為會隨著年齡的增長發生變化，主要表現為真朋友（mutual friendship）的數量增加，更多地與較為重要的同伴（其他年長倭黑猩猩）社交，攻擊性下降和積極社交增加。

奇努克鮭魚遷移時機的遺傳基礎

Science封面：俄勒岡州河流中游弋的大馬哈魚。Science雜志第6516期封面文章報道了奇努克鮭魚遷移時機的遺傳基礎。長期以來，人們一直認為能夠區分生態型的生理和生殖差異是由于夏季居住所產生的環境效應。通過對加利福尼亞州克拉馬斯河的部落漁業捕撈的鮭魚進行基因組測序和分析表明，不同種群中的鮭魚生態型是由簡單的孟德爾多態性導致的，該多態性影響產卵移徙的季節性。遷徙時間是由一個包含兩個基因的單一基因組區域控制的，該區域的遺傳變異包括單核苷酸多態性（SNPs）和短重復，它們共同形成具有連鎖等位基因的獨特單倍群。因此，鮭魚返回時間和相關表型由遷移環境而非遺傳學影響決定。

原始小行星貝努（101955 Bennu）

Science封面：近地碳質小行星貝努（101955 Bennu）的彩色圖像。Science雜志第6517期特刊文章報道了對近地碳質小行星Bennu的測繪與研究。Bennu由OSIRIS-REx宇宙飛船觀測到。激光雷達衍生的形狀模型在灰度上與反照率重疊，在彩色上與富含碳物質的地圖和顯示近紫外線和近紅外光譜斜坡的偽彩色圖像重疊。新數據提供了Bennu的組成信息，限制了它的形成過程，并顯示了它的表面是如何演變的。該小行星上含有豐富的含碳物質，表面明亮的碳酸鹽脈暗示水蝕史，表面的顏色和反射率的變化也在進一步研究中。

（本頁期刊封面圖來自Science官網）

相對論電子束的高梯度級聯太赫茲加速

清華大學工程物理系黃文會教授等人在太赫茲加速領域取得新進展。相關成果發表于Nature Photonics。現階段，相關研究多集中在低能電子加速領域，相對論電子的太赫茲加速由于缺少超強太赫茲輻射源、高品質超短超快電子束，以及精密的同步控制技術，近年來一直發展緩慢。該研究完成了世界上首次相對論電子束的級聯太赫茲加速方案的原理性驗證實驗，實現了太赫茲波對相對論電子束的兩級級聯加速，將太赫茲加速領域的加速梯度和能量增益提高了一個量級。這一研究成果是太赫茲加速領域中的技術突破，驗證了太赫茲加速技術走向高能的技術可行性。

級聯太赫茲加速器概念圖（圖片來源于清華大學網站）

級聯太赫茲加速實驗結果（圖片來源于清華大學網站）

J方程和超臨界厄米特-楊振寧-米爾斯方程的變形

中國科學技術大學幾何與物理研究中心特任教授陳杲在復微分幾何領域取得進展。相關成果發表于Inventiones Mathematicae。論文發表后引發了國際數學界的積極關注。這項研究屬于復微分幾何研究范疇，該領域有兩個來自物理學的方程至關重要，一個是成為量子力學標準模型的厄米特-楊振寧-米爾斯方程，另一個是和相對論緊密相關的凱勒-愛因斯坦方程。該研究是在穩定的前提下，解出陳秀雄和唐納森獨立提出的J方程以及丘成桐等人提出的超臨界厄米特-楊振寧-米爾斯方程的變形，在厄米特-楊振寧-米爾斯方程和凱勒-愛因斯坦方程之間建立起了橋梁。

吸熱電荷分離態介導的三線態能量轉移新機制

中國科學院大連化學物理研究所光電材料動力學特區研究組研究員吳凱豐團隊，在無機/有機界面三線態能量轉移動力學研究方面取得新進展，提出并在實驗上論證了吸熱電荷分離態介導的三線態能量轉移新機制。相關成果發表于Nature Communications。該團隊設計合成了一系列不同殼層厚度的CdSe/ZnS核殼納米晶，通過ZnS層的厚度定量調控隧穿到納米晶表面的電子和空穴波函數，同時保持電荷與能量轉移驅動力不變。溫度依賴的速率測量和模型計算進一步驗證了吸熱空穴轉移介導的物理機制。此外，吸熱電荷轉移介導的TET對給受體距離的依賴性遠弱于協同的雙電子TET，因而有望實現超長距離的三線態敏化。

摻雜Mott絕緣體的電子結構演變研究進展

中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室周興江研究組，與極端條件物理重點實驗室靳常青研究組的博士趙建發，以及凝聚態理論與材料計算重點實驗室的向濤院士合作，對新型銅氧化物母體Ca3Cu2O4Cl2的電子結構及其摻雜演變進行研究。相關成果發表于Nature Communications。長期以來，研究者一直希望能從角分辨光電子能譜實驗中獲得銅氧化物母體在微量摻雜情況下的完整電子結構演變信息，由于缺乏合適的銅氧化物母體材料和精細的載流子調控手段，相關的角分辨光電子能譜研究一直難以開展。該研究利用高分辨角分辨光電子能譜技術，提供了摻雜Mott絕緣體電子結構演變的關鍵信息。

利用GeV重離子曝光制備亞5nm納米線

湖南大學段輝高教授課題組與中國科學院近代物理研究所杜廣華研究員課題組合作，利用蘭州重離子加速器高能微束裝置提供的2.15 GeV氪離子作為曝光源，在光刻負膠HSQ（氫硅倍半環氧乙烷）中獲得了特征尺寸小于5nm的超長徑比納米線結構。相關成果發表于Nano Letters。納米光刻是芯片制造和微納加工中的一項關鍵技術。通過離子在光刻膠中的徑向能量沉積分布模擬計算，研究人員發現離子徑跡中心納米尺度內的致密能量沉積達數千戈瑞。此外，對比曝光實驗證明，該方法得到的納米結構極限尺寸與離子徑向能量沉積和材料類型直接相關，這為利用重離子精確制備微納光刻結構提供了理論基礎。

利用氪離子束曝光制備的HSQ納米線結構（圖片來源于中國科學院近代物理研究所網站）

氪離子徑跡中心能量沉積模擬計算及其在探測器中的顯微觀測（圖片來源于中國科學院近代物理研究所網站）

擴展且不可熱化多體臨界相存在性研究

北京大學量子材料科學中心劉雄軍等人和南方科技大學量子科學與工程研究院俞大鵬院士合作，理論預言了具有擴展但不可熱化特征的多體臨界相的存在。相關成果發表于Physical Review Letters。該研究首次準確證明多體臨界相的存在，通過有限尺寸標度分析，發現加上相互作用后，在熱力學極限下得到3個基本量子相，即除了多體遍歷相和多體局域相之外，存在多體臨界相。作者們進一步研究了多體臨界相的重要基本性質。包括：多體臨界相的能級統計既不服從遍歷相滿足的Wigner-Dyson分布也不服從多體局域相滿足的泊松分布，而是服從臨界分布。

利用“香蕉球”效應實現太赫茲高頻信號傳遞

中國科學院上海技術物理研究所副研究員王林與研究員陳效雙、陸衛研究團隊，聯合東華大學、意大利拉奎拉大學，通過精確操控第二類狄拉克費米子態誘導布洛赫自旋電子單向散射，實現高頻信號傳遞。相關成果發表于Nature Communications。微電子芯片類似于一個“足球場”，如果把電子比喻成足球，信息交換主要依賴于電子點對點的快速傳輸、存儲與處理，但電子受到阻礙會產生功耗、熱耗散等。研究人員通過自旋極化角分辨光電子能譜（spin-ARPES）實驗給出電子在自旋（s）、能量（E）、動量（k）3個維度詳細信息，在NiTe2材料表面觀察到自旋態電子的分布，并進一步探索了新應用。

求解組合優化問題新方法

中國科學院理論物理研究所研究員張潘與哈佛大學博士后劉金國、中國科學院物理研究所王磊研究員合作，提出一種基于張量網絡的嚴格求解組合優化問題最優解和零點熵的方法。相關成果發表于Physical Review Letters。組合優化問題在科學和工程領域應用廣泛。很多組合優化問題，如旅行商問題、圖染色問題等都是NP難問題。為此，物理學家發明了各種各樣嚴格和近似的方法尋找系統的基態。論文將張量網絡收縮中的加乘運算替換為定義在極大-加法半環上的“熱帶”代數（Tropical Algebra），稱為熱帶張量網絡（Tropical Tensor Network）。通過收縮熱帶張量網絡，可計算自旋玻璃模型的基態能量和熵，從而直接研究零溫下的統計物理問題。