一周前沿科技盘点FAST发现宇宙最大原子气体结构科学家解锁石墨嵌锂阶结构微观本质与演变

　　中国天眼FAST自投入使用后＂捷报频传＂，近日，我国科学家借助其对中性氢21cm谱线辐射高灵敏度的观测优势，发现了一个宇宙中最大的原子气体结构，而该结构的合理存在亦对现有理论提出挑战；科学家借助冷冻电镜技术，破解石墨嵌锂形成阶结构的特征及其演变机制，进而可通过缺陷工程改善石墨嵌锂动力学，锂离子电池快充技术有望提升；石墨烯是一种带来变革的新材料，科学家将其作为散射介质引入有源微球腔激光传感系统，从而实现了多组分气体的高灵敏度实时检测……基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第十六期。
　　1、《Nature》 FAST发现宇宙中最大原子气体结构
　　FAST探测到的在致密星系群＂斯蒂芬五重星系＂周围天区中的原子气体分布（用红色光晕显示；光晕越薄表示气体柱密度越低），嵌入图是韦布最近发布的红外波段彩图：蓝光和白光代表在近红外波段的恒星辐射，橙色光和红光代表在中红外波段的气体和尘埃辐射
　　近日，中科院国家天文台徐聪领导的国际团队，利用中国天眼FAST的极端暗弱天体探测能力，对著名致密星系群＂斯蒂芬五重星系＂及周围天区的氢原子气体进行了成像观测，发现了1个尺度大约为2百万光年的巨大原子气体系统，比我们所在的银河系大20倍。这是迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体系统。
　　这些气体结构的形成很可能与 ＂斯蒂芬五重星系＂早期形成时，星系间相互作用的历史有关。在星系碰撞合并的过程中，抛射出来的氢原子气体由于质量最轻，能够挣脱星系团引力势阱的束缚，弥漫到星系团各个区域。按现有理论推测，它已经存在了大约十亿年。然而现有理论却很难解释为何在如此漫长的时间里，这些稀薄的原子气体仍没有被宇宙空间中的紫外背景辐射电离，这也预示着宇宙中可能存在更多这样大尺度的低密度原子气体结构。
　　2、《Carbon Energy》 解锁石墨嵌锂阶结构微观本质与演变
　　不同石墨嵌锂结构模型示意图
　　冷冻电镜技术不仅将生物化学带入一个新纪元，在材料领域亦有重要应用。其低温工作的特性有助于保存和稳定主客体之间的相互作用，对敏感材料形成保护，便于科学家对敏感材料和界面展开精细结构研究。
　　近日，中科院物理所王雪锋、王兆翔团队利用冷冻透射电子显微镜和其它表征技术以及理论计算与模拟，在纳米尺度上揭示了锂离子嵌入石墨后形成阶结构的特征及其演变机制。
　　在商用锂离子电池中，石墨是关键负极材料，锂离子嵌入石墨会形成一系列阶结构。阶的微观结构决定着石墨嵌入化合物的物理化学性质。然而其微观图像及形成和转变动力学此前并不清晰。该团队提出的石墨嵌锂局域畴结构模型，联结了锂化石墨中的长程有序结构和局域结构，提出通过缺陷工程改善石墨嵌锂动力学，并有望应用于快充电池。
　　3、《先进材料》 钙钛矿薄膜制备及发光器件研究
　　不同钙钛矿薄膜表面光子取出的示意图（a）。不同反溶剂制备的钙钛矿LED的光取出效率（b）以及器件效率（c）
　　钙钛矿LED具有发光波长可调、发光半峰宽窄、易于制备等优点，钙钛矿LED的器件效率目前主要受限于光取出效率。因此，增加器件的光取出效率是一个非常重要的研究方向。
　　中科大肖正国课题组与南京工业大学王建浦、王娜娜课题组提出了一种可以在钙钛矿薄膜表面自发形成纹理结构的方法，通过增加薄膜表面光子散射提高钙钛矿LED的光取出效率。
　　在薄膜制备过程中，研究组通过控制反溶剂在薄膜表面的停留时间，从而控制钙钛矿的结晶过程，得到有纹理结构的表面。这种具有微纳结构的钙钛矿薄膜类似于晶硅太阳能电池中的绒面形貌，对于平均厚度为1.5 μm的薄膜，其表面粗糙度可以实现15.3 nm到241 nm的连续可控，雾度也相应地从6%增加到90%以上。得益于薄膜表面的光子散射的增加，具有纹理结构的钙钛矿LED的光取出效率，从平面钙钛矿LED的11.7%增加到26.5%，对应的钙钛矿LED的器件效率也从10%显著提高到20.5%。
　　4、《先进材料》 超敏光纤传感新器件研究新进展
　　文章物理概念、工作机理和器件样机
　　二维材料石墨烯因其优异的光学、电学、力学特性，在诸多应用领域带来革命性的改变。最近，在超敏光学检测领域，为突破传统微腔模式劈裂探测技术局限性，电子科技大学饶云江课题组将石墨烯材料引入有源微球腔激光传感系统，实现了多组分气体的高灵敏度实时检测。
　　课题组首先设计并实现了有源微腔新结构，通过内生激光有效增强了微腔频谱分辨率，从而实现更高的稳定性和灵敏度；此外，课题组使用石墨烯材料作为散射介质，通过常用980nm的光泵浦激发，在超模微腔中产生多个激光模式，实现了由石墨烯后向散射引起的激光模式劈裂。这些激光劈裂模经由通光电外差技术，输出高精度的拍频信号。当气体吸附到石墨烯上时，费米能级的改变调制微腔介电常数，进而导致劈裂差频的位移，其灵敏度达到数十kHz/ppb，且具有模式异化的特性，最终用于无标签的光生化传感。
　　这一新器件小巧价廉易操作，可为化学分析、环境监测等应用提供新的超灵敏探测方案。
　　5、《Nature Communications》 高增益的微波单光子三极管
　　极高增益和开关比的微波单光子三极管
　　单光子三极管是一种能够通过单个栅极光子控制输入光信号开关和放大的光量子器件，常应用于光量子网络和全光计算领域。
　　近日，清华大学段路明研究组首次在实验中利用超导量子电路实现了微波单光子三极管，并实现了高达53.4dB的增益和超过20dB的开关比，相比之前的器件提高几个量级。
　　研究组采用一个超导量子比特和微波谐振腔的耦合系统作为三极管的栅极，在栅极入射的单光子可以改变超导量子比特的状态，进而改变与之耦合的另一个微波谐振腔的共振频率，从而能够对在源极入射的微波光子完成开关操作。在实验中，研究人员用微弱的相干态微波信号模拟单光子态用作栅极的控制信号，他们发现单个光子的确能够有效的控制三极管的开启和关断，实现对源极微波信号的开关操作。由于源极微波光子数可以很高，这也相当于实现了对栅极单光子信号的有效放大。研究人员发现，该三极管可以在一个很大的源极信号强度范围内正常工作，这相当于实现了一个增益极高的单光子放大过程。
　　6、《eLife》 小檗属植物雄蕊弹走昆虫的奥秘
　　蜜蜂采食小檗科植物的花蜜，被触碰的雄蕊迅速弹起（箭头标出）
　　为了更好地开枝散叶，繁殖后代，植物进化出一些独特的运动本领。某些植物的雌蕊，在被传粉者触碰后短暂几秒钟内会闭合，待传粉者离开后再重新打开，另一些植物则更为＂极端＂——雄蕊被触碰后会迅速弹走采蜜的昆虫，这种行为的＂动机＂何在？
　　华中师范大学黄双全课题组以小檗科小檗属等4种植物为研究对象，在室内、野外两种环境中，分别放置了正常植物的花和经酒精处理后雄蕊失去运动反应的花。
　　研究发现，食蚜蝇等昆虫在雄蕊失去运动反应的花中采食时间更长、采食量更大，是在正常雄蕊运动的花中采食时间的3.6倍、采食量的2倍。而在正常小檗属等植物的花中，快速弹动的雄蕊惊吓了访花昆虫，使其中断采食，快速离开。这减少了花粉运输所需的花蜜，同时减少了花粉损耗，将花供给的食物成本降到最低。