ScienceNature综述汇总001期

　　《自然》2020年8月13日，第584卷7820期
　　宇宙早期寒冷动态盘状星系
　　作者：F. Rizzo, S. Vegetti, D. Powell, F. Fraternali, J. P. McKean, H. R. Stacey & S. D. M. White
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2572-6
　　摘要：
　　描述早期宇宙的极端天体物理过程和条件，预计会导致与今天观测到的星系动态不同的年轻星系。作者报告了宇宙14亿岁时，在一个红移z = 4.2的星系中，存在一个寒冷的动态旋转星盘，形成恒星几率很高。
　　星系SPT-S J041839-4751.9被位于z = 0.263的前景星系强烈的引力透镜化，这是一个典型的星尘爆发，具有全球恒星形成和尘埃性质，与目前的数值模拟和观测相符。
　　空间分辨率约为60秒差的干涉成像显示旋转与随机运动的比率为9.7±0.4，这比任何星系演化模型在这个时代所预测的至少要大四倍，但与本地宇宙中螺旋星系的比例相似。
　　作者推导出一个具有附近大型螺旋星系典型形状的旋转曲线，这表明至少有一些年轻的星系是动态地类似于在局域宇宙中观察到的那些星系，并且只有微弱的受极端物理过程的影响。
　　科学家制定出纠错的＂薛定谔猫＂
　　作者：A. Grimm, N. E. Frattini, S. Puri, S. O. Mundhada, S. Touzard, M. Mirrahimi, S. M. Girvin, S. Shankar & M. H. Devoret
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2587-z
　　摘要：
　　不同宏观经典态的量子叠加，即所谓的薛定谔猫态，是量子计量、量子通信和量子计算的一种资源。
　　作者通过实验证明了超导微波谐振腔中基于克尔非线性和单模压缩相互作用的薛定谔猫态产生和稳定方法。与单光子焦态编码相比，稳定的、错误保护的量子比特的横向弛豫时间增加了一个数量级。
　　作者在时间尺度上执行所有的单量子位门操作，其速度比最短相干时间快60倍以上，并在稳定状态下演示了受保护的量子位的单次读出。
　　研究结果显示了结合快速量子控制和对误差的鲁棒性，这是内在的稳定宏观状态，以及这些状态作为资源在量子信息处理的潜力。
　　多层菱形石墨中的电子相分离
　　作者：Yanmeng Shi, Shuigang Xu, Yaping Yang, Sergey Slizovskiy, Sergey V. Morozov, Seok-Kyun Son, Servet Ozdemir, Ciaran Mullan, Julien Barrier, Jun Yin, Alexey I. Berdyugin, Benjamin A. Piot, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Vladimir I. Fal’ko, Kostya S. Novoselov, A. K. Geim & Artem Mishchenko
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2568-2
　　摘要：
　　在石墨的两种稳定形式中，六角形和菱面形更为常见，并得到了广泛的研究。作者研究表明，在菱面体石墨中的电子态是缺口的，并且在低温下，电子输运主要由表面态决定。
　　由于其拓扑性质，菱形石墨的表面态具有足够高的质量来观察量子霍尔效应，其中菱形石墨在无气半金属相和具有巨大贝里曲率的间隙量子自旋霍尔相之间表现出相变。作者发现，通过施加垂直电场打破表面态的反对称性，也可以在表面态中打开一个能隙。
　　此外，在厚度小于4纳米的菱形石墨中，即使没有外部电场，也会出现一个间隙。这种自发的间隙打开显示出明显的滞后和电子相分离的其他特征，作者将其归因于强相关电子表面态的出现。
　　科学家研制出＂后石墨烯＂材料
　　作者：Jinhai Mao, Slaviša P. Milovanović, Miša Anđelković, Xinyuan Lai, Yang Cao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Lucian Covaci, Francois M. Peeters, Andre K. Geim, Yuhang Jiang & Eva Y. Andrei
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2567-3
　　摘要：
　　二维原子晶体可从根本上改变其性质，以响应外部影响，如基片取向或应变，形成具有新电子结构的材料。
　　作者提出了一种不涉及微调的创建平波段的替代方法。利用扫描隧道显微镜和光谱，结合数值模拟研究表明，单层石墨烯放置在一个自动平的底物可以被迫进行屈曲转变，从而产生周期性调制的伪磁场，进而产生具有扁平电子带的＂后石墨烯＂材料。
　　作者在使用静电掺杂将费米能级引入到这些平带中时，观察到态密度中类似伪玻土的损耗，这标志着相关态的出现。二维晶体的这种屈曲为创建其他超晶格系统提供了一种策略，特别是为探索平带特征的相互作用现象。
　　研究揭示环流变化导致的海洋变暖
　　作者：Ben Bronselaer & Laure Zanna
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2573-5
　　摘要：
　　人为造成的全球表面变暖与累积的碳排放成正比，这种关系部分是由海洋对热量和碳的吸收和储存决定的。作者建立了海洋对人为排放的热量和碳吸收之间的线性关系。
　　这种关系主要是由地球系统的内在参数决定的，即海洋碳缓冲能力、二氧化碳的辐射强迫和海洋碳存量。作者利用这种关系揭示了第五次耦合模型相互比较项目（CMIP5）的观测结果和全球地球系统模型中二氧化碳对海洋变暖模式的影响。
　　研究表明，海洋变暖的历史模式是由海洋热量再分配形成的，而CMIP5模型对这一模式的模拟效果较差。
　　然而，作者发现，预测的储热模式主要是由工业革命前的海洋环流（以及未解决的海洋过程中的微小变化）决定的——也就是说，是由海洋吸收大气多余热量而增加热量的模式决定的，而不是由环流变化导致的海洋变暖。
　　与热量再分配相比，气候模型在模拟前工业循环的海洋热量储存方面显示出了更多的技巧，这表明随着气候变暖，海洋的变暖模式可能变得更可预测。
　　热带雨林升温实验中的土壤碳损失
　　作者：Andrew T. Nottingham, Patrick Meir, Esther Velasquez & Benjamin L. Turner
　　链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2566-4
　　摘要：
　　热带土壤含有全球土壤中储存的1/3的碳，因此，预计本世纪热带地区变暖导致的土壤有机质不稳定可能会通过向大气释放额外的二氧化碳（CO2）而加速气候变化。
　　作者展示了对巴拿马巴罗科罗拉多岛的热带雨林低地土壤的原位实验升温，导致土壤CO2排放量的意外大幅增加。与环境温度下的土壤相比，整个土壤剖面连续两年变暖4℃，增加了55%的CO2排放。
　　额外的CO2来自于异养源而不是自养源，相当于每年每公顷土壤有机质分解损失8.2±4.2吨（一个标准误差）碳。在这段时间里，作者没有检测到呼吸速率的适应，没有热补偿或酶活性温度敏感性的变化，也没有微生物碳利用效率的变化。
　　研究结果表明，热带森林的土壤碳对气候变暖高度敏感，可能对气候变化产生实质性的积极反馈。
　　《科学》2020年8月14日，第369卷，6505期
　　临界应力温度依赖性几乎恒定的铁基超弹性合金
　　作者：Ji Xia, Yuki Noguchi, Xiao Xu, Takumi Odaira, Yuta Kimura, Makoto Nagasako, et al.
　　链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/855
　　摘要：
　　形状记忆合金由于在变形后能够恢复原状使其适用于大量特殊应用。当超过临界应力时，形状记忆合金出现超弹性行为，且随着温度的升高而增大。温度依赖性是限制形状记忆合金应用的一个共性特征。
　　研究组发现了可以优化临界应力的铁基超弹性合金体系。通过改变铬含量，该铁-锰-铝-铬-镍合金的超弹性行为与温度的关系可以从正相关变到负相关。这种现象包括临界应力与温度变化无关。
　　这种行为对于一系列在外层空间和其他涉及大温度波动的应用是非常理想的。
　　高Tc超导体洁净CuO2片保护的小费米口袋的观测
　　作者：So Kunisada, Shunsuke Isono, Yoshimitsu Kohama, Shiro Sakai, Cédric Bareille, Shunsuke Sakuragi, et al.
　　链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/833
　　摘要：
　　在具有高临界转变温度（Tc）的铜酸盐超导体中，有研究预测轻空穴掺杂到反铁磁Mott绝缘体母体化合物中会导致小费米口袋的形成。然而，这些口袋并未被观测到。
　　研究组分析了五层Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2的电子结构，其具有极低无序内氧化铜（CuO2）平面，并通过角分辨光电子能谱和量子振荡测量在布里渊区（π/2，π/2）中心观测到小费米口袋。d波超导能隙沿口袋打开，揭示了在同一CuO2片中超导电性与反铁磁有序性的共存。
　　这些数据进一步表明，超导电性的发生不需要来自（π，0）附近与其他竞争性激发共享的反波峰区域的贡献。
　　积极修复加快了人类改造热带森林的碳恢复
　　作者：Christopher D. Philipson, Mark E. J. Cutler, Philip G. Brodrick, Gregory P. Asner, Doreen S. Boyd, Pedro Moura Costa, et al.
　　链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/838
　　摘要：
　　一半以上的热带森林由于人类活动而退化，迫使其转变为农业人工林，并面临着大量生物多样性和碳损失的风险。修复森林可加速地面碳储量（ACD）的恢复，但该策略受到成本和效果不确定性的制约。
　　研究组对自然再生和积极修复被砍伐的热带森林之间的ACD恢复率进行了长期比较。积极修复将十年ACD从每年每公顷2.9吨增至4.4吨，恢复率提高了50%以上。令人振奋的效果，再加上全球修复成本的模式价值，当前碳价已不足以支付修复成本。
　　然而，履行2016年巴黎气候协议所需的碳价（每吨二氧化碳当量40至80美元）将为热带森林修复提供一定的经济依据。
　　电催化还原协同质子-电子转移的分子介质
　　作者：Matthew J. Chalkley, Pablo Garrido-Barros, Jonas C. Peters
　　链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/850
　　摘要：
　　通过还原协同质子-电子转移（CPET）来激活不饱和底物的电催化方法必须克服竞争性的、通常在动力学上占主导地位的析氢。
　　研究组介绍了一种通过整合布朗斯台德酸和一种氧化还原介质的合成来设计电化学触发还原CPET的分子介质。二茂钴阳离子氧化还原介质的阴极还原大大削弱了与环戊二烯基环相连的布朗斯台德酸性苯胺的均裂氮-氢键强度。
　　该结果表明电化学生成的分子介质可通过速率控制CPET将模型底物苯乙酮转化为相应的中性α-自由基。
　　通过混合氧化法发散合成复杂二萜类化合物
　　作者：Xiao Zhang, Emma King-Smith, Liao-Bin Dong, Li-Cheng Yang, Jeffrey D. Rudolf, Ben Shen, et al.
　　链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/799
　　摘要：
　　多环二萜有许多重要的生物学活性，但由于其结构复杂性，从头合成这些分子极具挑战性。由于缺乏用于支架修饰的化学工具，半合成途径也受到限制。
　　研究组报道了一类化学酶平台，可通过一种混合氧化方法，策略性结合化学和酶促氧化方法来获得高度氧化的二萜类化合物。这种方法可以选择性氧化亲本碳环上先前无法接近的位点，并使非生物骨架重排为其他基础结构。
　　研究组以异甜菊醇为原料，经过10步或更少的步骤，合成了九种具有丰富氧合模式和骨架多样性的天然产物。
　　20万年前南非边境洞穴的火和草床建筑
　　作者：Lyn Wadley, Irene Esteban, Paloma de la Peña, Marine Wojcieszak, Dominic Stratford, Sandra Lennox, et al.
　　链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6505/863
　　摘要：
　　由于保存不善，早期植物的使用在考古记录中很少提及。
　　研究组报告了至少20万年前居住在边境洞穴中的人们使用草床来创造舒适的睡觉和工作环境。
　　一捆捆属于阔叶黍亚科的草被放在洞穴后面的灰烬层上，这些灰是为了环境驱虫而燃烧的植物残留。这表明在考古学有迹可循的约10万年前，人们已经有了更复杂的行为。