自然（20220602出版）一周论文导读

　　编译冯维维
　　Nature，2June2022，Volume606Issue7912
　　《自然》2022年6月2日，第606卷，7912期
　　物理学Physics
　　ResolvingtheHIindampedLymansystemsthatpowerstarformation
　　解析阻尼莱曼系统中驱动恒星形成的物质
　　作者：RongmonBordoloi，JohnM。O’Meara，KerenSharon，JaneR。Rigby，JeffCooke，AhmedShaban，MateuszMatuszewski，LucaRizzi，GregDoppmann，D。ChristopherMartin，AnnaM。Moore，PatrickMorrisseyJamesD。Neill
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022046161
　　摘要：
　　致密原子气体（主要是氢）的储层包含约90红移为3的中性气体，并贡献了宇宙中总重子的2至3。科学家研究这些阻尼莱曼系统（名字源自它们吸收背景源内部和来自背景源的莱曼光子）已有几十年，但只能通过背景类星体光谱和射线暴中的吸收线来研究。这样的光束不会限制系统的物理范围。
　　作者报告了一个明亮的，红移2。7的引力透镜星系的积分场光谱，有两个前景阻尼莱曼系统。这些系统均值列密度是1020。46到1020。84平方厘米，总质量大于5。51081。4109倍太阳质量，表明它们包含下一代恒星形成的必要燃料，与红移大于2的质量相对较低的原始星系相一致。
　　Abstract：
　　Reservoirsofdenseatomicgas（primarilyhydrogen）containapproximately90percentoftheneutralgasataredshiftof3，andcontributetobetween2and3percentofthetotalbaryonsintheUniverse。These‘dampedLymansystems’socalledbecausetheyabsorbLymanphotonswithinandfrombackgroundsourceshavebeenstudiedfordecades，butonlythroughabsorptionlinespresentinthespectraofbackgroundquasarsandraybursts。Suchpencilbeamsdonotconstrainthephysicalextentofthesystems。Herewereportintegralfieldspectroscopyofabright，gravitationallylensedgalaxyataredshiftof2。7withtwoforegrounddampedLymansystems。Themeancolumndensitiesarebetween1020。46and1020。84centimetressquaredandthetotalmassesaregreaterthan5。51081。4109timesthemassoftheSun，showingthattheycontainthenecessaryfuelforthenextgenerationofstarformation，consistentwithrelativelymassive，lowluminosityprimevalgalaxiesatredshiftsgreaterthan2。
　　MagnetoopticaltrappingandsubDopplercoolingofapolyatomicmolecule
　　多原子分子的磁光俘获和亚多普勒冷却
　　作者：NathanielB。Vilas，ChristianHallas，LocAnderegg，PaigeRobichaud，AndrewWinnicki，DebayanMitraJohnM。Doyle
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022046205
　　摘要：
　　激光冷却和俘获，特别是磁光俘获方法，使科学取得了突破性进展，包括玻色爱因斯坦凝聚，中性原子的量子计算和高精度光学时钟。最近，双原子分子的磁光阱（MOTs）已经被证明，为量子模拟研究和探索标准模型之外的物理提供了途径。
　　与双原子分子相比，多原子分子具有不同的旋转和振动自由度，从而提供了多种转变的可能性。然而，这些分子的复杂性到目前为止阻碍了对多原子物种的MOT的实现。
　　作者证明了磁光阱多原子分子，一氢氧化钙（CaOH）。捕获后，分子在蓝失谐光学糖蜜中被激光冷却到110K的温度，低于多普勒冷却极限。
　　这里实现的温度和密度使CaOH成为各种量子科学应用的可行候选，包括量子模拟和使用光镊阵列计算。这项工作也表明，激光冷却和磁光阱的许多其他多原子物种将是可行的和实际的。
　　Abstract：
　　Lasercoolingandtrappingandmagnetoopticaltrappingmethodsinparticular，haveenabledgroundbreakingadvancesinscience，includingBoseEinsteincondensation，quantumcomputationwithneutralatomsandhighprecisionopticalclocks。Recently，magnetoopticaltraps（MOTs）ofdiatomicmoleculeshavebeendemonstrated，providingaccesstoresearchinquantumsimulationandsearchesforphysicsbeyondthestandardmodel。Comparedwithdiatomicmolecules，polyatomicmoleculeshavedistinctrotationalandvibrationaldegreesoffreedomthatpromiseavarietyoftransformationalpossibilities。However，thecomplexityofthesemoleculeshassofarprecludedtherealizationofMOTsforpolyatomicspecies。Herewedemonstratemagnetoopticaltrappingofapolyatomicmolecule，calciummonohydroxide（CaOH）。Aftertrapping，themoleculesarelasercooledinabluedetunedopticalmolassestoatemperatureof110K，whichisbelowtheDopplercoolinglimit。ThetemperaturesanddensitiesachievedheremakeCaOHaviablecandidateforawidevarietyofquantumscienceapplications，includingquantumsimulationandcomputationusingopticaltweezerarrays。Thisworkalsosuggeststhatlasercoolingandmagnetoopticaltrappingofmanyotherpolyatomicspecieswillbebothfeasibleandpractical。
　　Quantumcomputationaladvantagewithaprogrammablephotonicprocessor
　　量子计算优势与可编程光子处理器
　　作者：LarsS。Madsen，FabianLaudenbach，MohsenFalamarzi。Askarani，FabienRortais，TrevorVincent，JacobF。F。Bulmer，FilippoM。Miatto，LeonhardNeuhaus，LukasG。Helt，MatthewJ。Collins，AdrianaE。Lita，ThomasGerrits，SaeWooNam，VarunD。Vaidya，MatteoMenotti，IshDhand，ZacharyVernon，NicolsQuesadaJonathanLavoie
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless4158602204725x
　　摘要：
　　当量子计算机在定义明确的任务上运行着最知名的算法时，它的性能超过了最好的经典计算机，从而获得了计算优势。
　　在所有量子门之上提供可编程性的光子机器都没有展示出量子计算的优势：以前的机器在很大程度上局限于静态门序列。早期的光子演示也容易受到欺骗，在这种情况下，经典启发式产生的样本，没有直接模拟，比来自量子硬件的样本更接近理想分布。
　　作者报告了使用Borealis的量子计算优势，这是一种在所有实现的门上提供动态可编程的光子处理器。他们采用时间复用和光子数分辨的结构，对216个与三维连通性纠缠的压缩模进行了高斯玻色子采样。
　　平均而言，最好的算法和超级计算机使用精确的方法从编程分布中产生一个样本需要9000多年的时间，而Borealis只需要36微秒（1微秒等于百万分之一秒）。
　　这种运行时优势是早期光子机报告的5000万倍以上。该实验构成了一个非常大的GBS实验，记录了多达219个光子的事件，平均光子数为125个。这项工作是通向实用量子计算机道路上的一个关键里程碑，验证了光子学作为实现这一目标的平台的关键技术特征。
　　Abstract：
　　Aquantumcomputerattainscomputationaladvantagewhenoutperformingthebestclassicalcomputersrunningthebestknownalgorithmsonwelldefinedtasks。Nophotonicmachineofferingprogrammabilityoverallitsquantumgateshasdemonstratedquantumcomputationaladvantage：previousmachineswerelargelyrestrictedtostaticgatesequences。Earlierphotonicdemonstrationswerealsovulnerabletospoofing，inwhichclassicalheuristicsproducesamples，withoutdirectsimulation，lyingclosertotheidealdistributionthandosamplesfromthequantumhardware。
　　HerewereportquantumcomputationaladvantageusingBorealis，aphotonicprocessorofferingdynamicprogrammabilityonallgatesimplemented。WecarryoutGaussianbosonsampling4（GBS）on216squeezedmodesentangledwiththreedimensionalconnectivity，usingatimemultiplexedandphotonnumberresolvingarchitecture。Onaverage，itwouldtakemorethan9，000yearsforthebestavailablealgorithmsandsupercomputerstoproduce，usingexactmethods，asinglesamplefromtheprogrammeddistribution，whereasBorealisrequiresonly36s。Thisruntimeadvantageisover50milliontimesasextremeasthatreportedfromearlierphotonicmachines。OursconstitutesaverylargeGBSexperiment，registeringeventswithupto219photonsandameanphotonnumberof125。Thisworkisacriticalmilestoneonthepathtoapracticalquantumcomputer，validatingkeytechnologicalfeaturesofphotonicsasaplatformforthisgoal。
　　NonHermitianchiralphononicsthroughoptomechanicallyinducedsqueezing
　　光机械诱导压缩的非厄米手性声子
　　作者：JavierdelPino，JesseJ。SlimEwoldVerhagen
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022046090
　　摘要：
　　在物理系统上施加手性会产生非常规的能量流和响应，例如在对称破缺磁场中电子的阿哈罗诺夫玻姆效应和拓扑量子霍尔相。最近，人们对将这一原理与破厄米特性相结合来探索新的拓扑相及其应用产生了极大的兴趣。
　　作者报告了具有独特对称性和动力学的声子态，这些声子态是在将时间反转对称性的受控破缺与非厄米动力学相结合时形成的。这两者都是通过时间调制辐射压力在小型纳米光力学网络中诱导的。
　　作者观察了机械谐振腔在合成维度下的手性能量流动和本征模的阿哈罗诺夫玻姆调谐。引入粒子非守恒的压缩相互作用，他们观察到环形网络中的非厄米阿哈罗诺夫玻姆效应，其中力学准粒子经历参数增益。
　　得到的复模谱显示了压缩、异常点、不稳定性和单向声子放大的通量调谐。这种丰富的现象学指出了探索新的非厄米拓扑玻色子相的方法，以及利用时空对称性破缺在传感和传输中的应用。
　　Abstract：
　　Imposingchiralityonaphysicalsystemengendersunconventionalenergyflowandresponses，suchastheAharonovBohmeffect1andthetopologicalquantumHallphaseforelectronsinasymmetrybreakingmagneticfield。Recently，greatinteresthasarisenincombiningthatprinciplewithbrokenHermiticitytoexplorenoveltopologicalphasesandapplications。HerewereportphononicstateswithuniquesymmetriesanddynamicsthatareformedwhencombiningthecontrolledbreakingoftimereversalsymmetrywithnonHermitiandynamics。Bothoftheseareinducedthroughtimemodulatedradiationpressureforcesinsmallnanooptomechanicalnetworks。WeobservechiralenergyflowamongmechanicalresonatorsinasyntheticdimensionandAharonovBohmtuningoftheireigenmodes。Introducingparticlenonconservingsqueezinginteractions，weobserveanonHermitianAharonovBohmeffectinringshapednetworksinwhichmechanicalquasiparticlesexperienceparametricgain。Theresultingcomplexmodespectraindicatefluxtuningofsqueezing，exceptionalpoints，instabilitiesandunidirectionalphononicamplification。ThisrichphenomenologypointsthewaytoexploringnewnonHermitiantopologicalbosonicphasesandapplicationsinsensingandtransportthatexploitspatiotemporalsymmetrybreaking。
　　化学chemistry
　　EpitaxialsinglecrystalhexagonalboronnitridemultilayersonNi（111）
　　Ni（111）表面外延单晶六方氮化硼多层膜
　　作者：KyungYeolMa，LeiningZhang，SunghwanJin，YanWang，SeongInYoon，HyuntaeHwang，JuseungOh，DaSolJeong，MeihuiWang，ShahanaChatterjee，GwangwooKim，ARangJang，JieunYang，SunminRyu，HuYoungJeong，RodneyS。Ruoff，ManishChhowalla，FengDingHyeonSukShin
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022047457
　　摘要：
　　大面积单晶单层二维材料，如石墨烯，六方氮化硼（hBN）和过渡金属二卤族化合物已经生长。hBN被认为是基于二维材料的场效应晶体管（fet）的理想介电介质，提供了扩展摩尔定律的潜力。虽然比单层厚的hBN更适合作为二维半导体衬底，但高度均匀的单晶多层hBN生长还没有得到证实。
　　作者报告了用化学气相沉积（CVD）方法外延生长晶圆级单晶三层hBN。发现在单晶Ni（111）上早期生长出均匀排列的hBN岛，最终形成单晶薄膜。透射电镜结果表明，硼在Ni中的溶解使单晶hBN薄膜与Ni基体之间在冷却过程中形成了Ni23B6中间层。hBN与Ni23B6、Ni23B6与Ni之间存在外延关系。
　　hBN膜在氢催化演化过程中起到了完整的保护层作用，表明hBN是连续的单晶。在MoS2fet中，转移到SiO2（300纳米）Si晶圆上的hBN作为介电层，减少了SiO2衬底上的电子掺杂。研究结果证明了大面积高质量的单晶多层hBN，这将为使其成为二维半导体普遍存在的衬底开辟新的途径。
　　Abstract：
　　Largeareasinglecrystalmonolayersoftwodimensional（2D）materialssuchasgraphene，hexagonalboronnitride（hBN）andtransitionmetaldichalcogenideshavebeengrown。hBNisconsideredtobethe‘ideal’dielectricfor2Dmaterialsbasedfieldeffecttransistors（FETs），offeringthepotentialforextendingMoore’slaw。AlthoughhBNthickerthanamonolayerismoredesirableassubstratefor2Dsemiconductors，highlyuniformandsinglecrystalmultilayerhBNgrowthhasyettobedemonstrated。HerewereporttheepitaxialgrowthofwaferscalesinglecrystaltrilayerhBNbyachemicalvapourdeposition（CVD）method。UniformlyalignedhBNislandsarefoundtogrowonsinglecrystalNi（111）atearlystageandfinallytocoalesceintoasinglecrystalfilm。Crosssectionaltransmissionelectronmicroscopy（TEM）resultsshowthataNi23B6interlayerisformed（duringcooling）betweenthesinglecrystalhBNfilmandNisubstratebyborondissolutioninNi。ThereareepitaxialrelationshipsbetweenhBNandNi23B6andbetweenNi23B6andNi。WealsofindthatthehBNfilmactsasaprotectivelayerthatremainsintactduringcatalyticevolutionofhydrogen，suggestingcontinuoussinglecrystalhBN。ThishBNtransferredontotheSiO2（300nm）SiwaferactsasadielectriclayertoreduceelectrondopingfromtheSiO2substrateinMoS2FETs。OurresultsdemonstratehighqualitysinglecrystalmultilayeredhBNoverlargeareas，whichshouldopenupnewpathwaysformakingitaubiquitoussubstratefor2Dsemiconductors。
　　〔18F〕Difluorocarbeneforpositronemissiontomography
　　〔18F〕二氟苯用于正电子发射断层扫描
　　作者：JeroenB。I。Sap，ClaudioF。Meyer，JosephFord，NatanJ。W。Straathof，AlexanderB。Drr，MariahJ。Lelos，StephenJ。Paisey，TimA。Mollner，SandrineM。Hell，AndrsA。Trabanco，ChristopheGenicot，ChristopherW。amEnde，RobertS。Paton，MatthewTredwellVroniqueGouverneur
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022046692
　　摘要：
　　全身正电子发射断层扫描（PET）的出现极大地拓宽了这种强大的分子成像技术的研究和临床应用范围。这种可能性加快了氟18（18F）放射化学的进展，有许多方法可用于18F标记（杂）芳烃和烷烃。
　　然而，获得高摩尔活性的18F二氟甲基化分子大多是一个未解决的问题，尽管二氟甲基对药物的发现是不可或缺的。
　　作者报告了一种通用的解决方案，将卡本化学引入核成像领域，使用一种能够进行无数个18F二氟甲基化过程的〔18F〕二氟苯试剂。
　　与几十种已知的二氟苯试剂相比，这种18F试剂是精心设计的，易于获得，具有高摩尔活性和通用性。摩尔活性的问题是通过检测二氟苯前体电子变化的同位素稀释可能性的方法解决的。
　　通过多种〔18F〕二氟苯反应，包括OH、SH和NH插入，以及利用普遍官能团（如硫代苯酚、n异质芳烃和易于安装的芳基硼酸）的反应性的交叉偶联，证明了其通用性。通过标记高度复杂和功能化的生物相关分子和放射性示踪剂来说明其影响。
　　Abstract：
　　Theadventoftotalbodypositronemissiontomography（PET）hasvastlybroadenedtherangeofresearchandclinicalapplicationsofthispowerfulmolecularimagingtechnology1。Suchpossibilitieshaveacceleratedprogressinfluorine18（18F）radiochemistrywithnumerousmethodsavailableto18Flabel（hetero）arenesandalkanes2。However，accessto18Fdifluoromethylatedmoleculesinhighmolaractivityismostlyanunsolvedproblem，despitetheindispensabilityofthedifluoromethylgroupforpharmaceuticaldrugdiscovery3。Herewereportageneralsolutionbyintroducingcarbenechemistrytothefieldofnuclearimagingwitha〔18F〕difluorocarbenereagentcapableofamyriadof18Fdifluoromethylationprocesses。Incontrasttothetensofknowndifluorocarbenereagents，this18Freagentiscarefullydesignedforfacileaccessibility，highmolaractivityandversatility。Theissueofmolaractivityissolvedusinganassayexaminingthelikelihoodofisotopicdilutiononvariationoftheelectronicsofthedifluorocarbeneprecursor。Versatilityisdemonstratedwithmultiple〔18F〕difluorocarbenebasedreactionsincludingOH，SHandNHinsertions，andcrosscouplingsthatharnessthereactivityofubiquitousfunctionalgroupssuchas（thio）phenols，Nheteroarenesandarylboronicacidsthatareeasytoinstall。Theimpactisillustratedwiththelabellingofhighlycomplexandfunctionalizedbiologicallyrelevantmoleculesandradiotracers。