目錄

1.有機-無機雜化鹵素鈣鈦礦構效關係研究取得進展

2.中國科大利用糾纏測量極小化測量對熱力學系統的反作用

3.中國科大在金黃色葡萄球菌胞內-胞外資訊傳遞機制研究方面取得突破

4.中國科大在矽基超高頻奈米機電諧振器上取得進展

5.中國科大在分散式量子精密測量方面取得重要進展

6.中國科大實現小龍蝦殼輔助重質生物油製備高效能超級電容器電極材料

有機-無機雜化鹵素鈣鈦礦構效關係研究取得進展

面內載流子遷移率（jm）、寬頻熒光發射（IBE/INE）對有機陽離子構象有序度的依賴關係。

有機-無機雜化鹵素鈣鈦礦材料在太陽能電池、發光二極體、場效應電晶體和光電探測器等多個領域展示廣泛的應用前景。其載流子遷移率是鈣鈦礦材料效能以及實現以鈣鈦礦為基的高效率器件的重要引數。國內外不少課題組透過設計合成新的鈣鈦礦結構來調控載流子遷移率取得了許多重要進展。不過，人們對“結構如何調控效能”，特別是鈣鈦礦中有機陽離子構象如何調控鈣鈦礦效能這一科學問題在分子水平上的理解甚少。

針對該問題，中國科學技術大學羅毅教授研究團隊葉樹集小組透過製備具有不同烷基鏈長的二維雜化鹵素鈣鈦礦，利用對稱性敏感的和頻振動光譜技術，結合光泵浦-太赫茲探測、電化學測試、熒光光譜以及X射線衍射等技術，研究有機陽離子構象、載流子遷移率、寬頻熒光發射以及無機骨架層間距之間的關聯性規律。研究發現，二維雜化鹵素鈣鈦礦的有機陽離子構象無序度越大，其寬頻熒光發射越強，面內載流子遷移率越小，而面外載流子遷移率則由有機陽離子構象與無機骨架層間距共同決定。該工作展現了和頻光譜在研究光轉換材料結構對稱性破缺方面的特異性，揭示了有機陽離子構象與鈣鈦礦載流子遷移率和寬頻發射等效能之間的構效關係。相關成果以“Conformational disorder of organic cations tunes the charge carrier mobility in two-dimensional organic-inorganic perovskites”為題發表在Nature Communications（Nat. Commun.2020,11, 5481）上。

中國科大利用糾纏測量極小化測量對熱力學系統的反作用

實驗結果。對不同初始量子態和演化過程，利用糾纏集體測量實現反作用力的減小。

我校郭光燦院士團隊在量子測量研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、項國勇研究組與德國、義大利以及瑞士的理論物理學者合作，在光子系統中首次實驗使用糾纏集體測量（entangled collective measurement）將量子位元熱力學系統中投影測量的反作用（back action）降至最小。相關研究成果於2020年11月16日發表在國際知名期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

對演化的相干量子系統上的一個可觀測量進行兩次投影測量時，第一次測量通常會改變第二次測量的統計資訊，這就是所謂的測量反作用。根源在於量子投影測量會完全破壞量子系統的量子疊加性。Martí Perarnau-Llobet博士的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017)]指出，在不違背量子熱力學的基本漲落理論的前提下，我們無法設計出一個測量方案完全避免反作用，但我們可以透過集體測量的方式來減少反作用的程度——假如我們有兩份相同複製的量子態，並且對這個整體做一個廣義量子測量，就可以提取量子態中部分初始疊加性的資訊。也就是說，透過集體測量，我們能減少投影測量所帶來的反作用。基於以上的理論結果，項國勇等人於2019年首次在實驗上利用量子集體測量成功觀測到測量反作用力的減小[Sci. Adv. 5, eaav4944 (2019)]。

先前的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017),Sci. Adv. 5, eaav4944 (2019)]所使用的集體測量均為可分離量子集體測量，一個自然的問題即可被提出：是否存在糾纏的集體測量超越我們已經實現的反作用減少程度。項國勇等人就兩位元情形下，對最最佳化的集體測量形式進行了深入的研究，他們發現在理論上存在一個最優的糾纏集體測量，能在兩位元系統中使反作用達到最小，並且在強相干演化的情形下，其反作用可被壓制為0。項國勇等人利用單光子的多個自由度結合光量子行走的實驗技術，設計並以高達0.985的保真度實現了該糾纏測量，成功地在實驗上把投影測量反作用降至最小。

審稿人對該工作給予了高度評價：“The experiment is well executed, as the results follow closely what one would expect from an ideal implementation. Overall, I find the article a highly interesting contribution to the topic of quantum back action and a great combination of new theory and flawless experimental implementation（該實驗執行得很好，實驗結果與理想實現的預期非常接近。總的來說，我發現這篇文章是對量子反作用這一主題的一個非常吸引人貢獻，是新理論和完美實驗實現的成功結合）”“this work represent a major advance in the field（這項工作是該領域的一項重大進展）”。該工作對集體測量以及量子熱力學的研究具有重要意義。

中國科大在金黃色葡萄球菌胞內-胞外資訊傳遞機制研究方面取得突破

HptA-HptS訊號轉導系統結合G6P訊號前後的結構變化

2020年11月16日，中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院陶餘勇教授、李旭副教授團隊在美國科學院院刊《PNAS》線上發表題為“Interface switch mediates signal transmission in a two-component system”的研究論文，綜合運用生物化學和結構生物學研究手段，揭示了胞外G6P訊號透過金黃色葡萄球菌HptRSA感測器複合物實現胞內-胞外訊號轉導的結構機制。

為了適應不斷變化的環境，細菌必須迅速地將細胞外資訊轉化為適當的細胞內部反應。雙組分系統（TCS）是原核細胞將環境刺激轉化為細胞反應的主要訊號轉導蛋白，它通常由膜包埋組氨酸激酶和胞質反應調節器組成。HptRSA是一種新近發現的TCS，由G6P相關感測器蛋白（HptA）、跨膜組氨酸激酶（HptS）和細胞質效應器（HptR）組成。HptRSA介導葡萄糖-6-磷酸（G6P）攝取，支援金黃色葡萄球菌在不同宿主細胞內的生長和增殖，但HptRSA感測器複合物感知G6P訊號並觸發下游反應的分子機制一直以來都還是個謎。

陶餘勇/李旭團隊透過分別解析無底物狀態和G6P結合狀態的HptA結構，發現G6P可以結合於兩個HptA蛋白間的縫隙中，並能引起兩個HptA蛋白相互靠攏。HptA蛋白與HptS蛋白細胞周質結構域（HptSp）的複合物結構顯示，HptA可以透過組成型介面以及另一個可切換介面與HptS進行不同形式的相互作用：不結合G6P的時候，HptA和HptSp遠離膜的一側結合，並導致兩個HptSp以相互平行的方式排列；當HptA結合了G6P以後，HptA與HptSp的結合位點切換至靠近膜的一側，引發HptSp旋轉，並使兩個HptSp的C末端相互靠近，進而引發胞外訊號向胞內轉導。在上述結構發現的基礎上，陶餘勇/李旭團隊結合對HptA和HptS突變體的生化和生長分析，提出了介面開關介導的G6P-HptRSA訊號轉導機制。上述研究結果為細菌的營養感應機制提供了重要線索，擴充套件了學界對TCS傳遞外部訊號的啟用模式的理解。

中國科大在矽基超高頻奈米機電諧振器上取得進展

器件單空穴電學輸運性質和力學效能表徵

我校郭光燦院士團隊郭國平教授研究組和瑞典烏普薩拉大學章貞教授研究組合作，設計製備了與CMOS產線工藝相容的懸浮單空穴矽電晶體器件，該器件同時也可作為超高頻奈米機電諧振器工作。這一複合器件在極低溫(~20 mK)高真空環境下，展現出單空穴隧穿行為，其力學諧振頻率達到3 GHz，是已報道的同類矽基器件中的最高值。同時，研究人員發現這一複合器件中，機械振動的電學讀出主要依賴壓阻效應，且與單空穴隧穿行為高度關聯。透過對比不同驅動功率下器件的響應，他們發現器件工作在單空穴隧穿狀態時，器件的壓阻係數提升了一個數量級。

該複合器件利用CMOS工藝製備，易於大規模整合。同時，該工作也為進一步利用奈米諧振器中的聲學模式，耦合矽基量子點中的載流子創造了條件。在極低溫環境下，該奈米諧振器的超高諧振頻率對應的熱聲子佔據數及零點漲落已超過量子極限。隨著測控技術的進一步發展，該成果也將為研究超高頻聲學模式的潛在量子行為，以及基於這一體系的新型雜化量子資訊器件的研發提供新的途徑。

這一成果近期以“A Suspended Silicon Single-Hole Transistor as an Extremely Scaled Gigahertz Nanoelectromechanical Beam Resonator”為題發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。

中國科大在分散式量子精密測量方面取得重要進展

分散式量子感測實驗裝置圖

中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陳宇翱、徐飛虎等利用多光子量子糾纏在國際上首次實現分散式量子相位估計的實驗驗證，這為將來構建基於量子網路的高精度量子感測奠定基礎。該成果於11月30日在國際學術知名期刊《自然·光子學》上線上發表。

分散式量子感測面對的一個重要問題是：如何選擇並製備能夠實現對多個參量最優的測量精度的量子糾纏態。研究表明，對於某類分散式的最大糾纏態，理論上能夠達到最優測量精度，即海森堡極限。

研究團隊設計了最優的測量方案，基於多光子量子糾纏，透過操縱六光子干涉儀，實驗演示了多個獨立的相移及其平均值測量。實驗結果顯示，利用分散式糾纏態進行測量，其精度可以超越經典感測器的理論極限。基於光子糾纏和相干性組合的方案，研究團隊進一步實驗演示了多個空間相移的線性組合測量（引數數量總個數達到21個），與僅利用粒子糾纏的方案對比，該組合式方案不僅能夠增加可測量引數數量，還能提高測量精度。

該項工作成功實現了多參量分散式量子感測的原理性實驗驗證，評估了不同糾纏結構情況下的測量精度，驗證了糾纏結構對測量精度的增強效果，擴充套件了資源利用率和可測量的參量數量，朝分散式量子感測的實際應用邁出了重要一步。《自然·光子學》雜誌的審稿人對該工作給予高度評價，稱讚這是一項“重要的里程碑工作”（constitutes a significant milestone）。

中國科大實現小龍蝦殼輔助重質生物油製備高效能超級電容器電極材料

小龍蝦殼輔助重質生物油製備高效能超級電容器電極材料示意圖

中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系朱錫鋒教授研究團隊提出“廢棄生物質製備高效能超級電容器電極材料”的新方法，採用農林廢棄物熱解獲得的重質生物油（HB）和廚餘垃圾中的小龍蝦殼，透過簡單的合成即可製備高效能超級電容器的電極材料。該研究成果近期以“Synthesis of 3D-interconnected hierarchical porous carbon from heavy fraction of bio-oil using crayfish shell as the biological template for high-performance supercapacitors”為論文標題發表在國際知名期刊《Carbon》上。

該項成果基於生物模板-鹼活化的方法，以小龍蝦殼為輔助材料，從重質生物油中成功合成了具有超高比表面積（3095 m2g-1）、高孔容（1.66 cm3g-1）和適宜氧原子含量（7.83 at.%）的分層多孔碳（HPCs）；同時還研究了活化溫度對分層多孔碳（HPCs）雜原子含量的影響，並對獲得高效能超級電容器電極材料的工藝條件進行了最佳化。所製備的分層多孔碳（HPCs）在組裝的超級電容器效能測試中表現出1.4V的寬工作電壓和20 W h kg-1的高能量密度，與現有電極材料的效能相比，具有明顯的優勢，可用於包括電動汽車在內的許多應用領域。

該項成果為從農林廢棄物和廚餘垃圾等廢棄生物質資源中獲取高附加值產品開闢了一條新途徑。