中国科大在量子精密测量、生物膜、光催化剂等研究领域取得重要进展

近期科研速览目录：

• 中国科大在基于单光子源的量子精密测量方面取得重要进展

• 中国科大在生物膜形成机制解析方面取得进展
  

• 中国科大研制多元硫化物单晶纳米带光催化剂

带您一览近期我校取得的最新科研进展！

01

中国科大在基于单光子源的

量子精密测量方面取得重要进展

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与美国普林斯顿大学Marlan Scully、德国维尔兹堡大学Sven Hofling等合作，在同时具备高纯度、高不可分辨、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩，为基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。论文以“编辑推荐”形式近日发表于《物理评论快报》。美国物理学会Physics网站以“面向完美的单光子源”（Toward a Perfect Single-Photon Source）为题专门对该工作做了高亮报道。

单光子源是光量子信息技术中的关键器件，不仅可以应用于量子通信、量子计算（特别是玻色取样），同时也是量子精密测量的重要资源。量子精密测量中的一个重要方向是减少由于探测有限粒子而引起的统计涨落——散粒噪声。

量子信息科学的发展为精密测量技术提供了新的物理资源。2004年，潘建伟和同事在国际上首次实现多光子纠缠NOON态，演示了比单粒子高4倍灵敏度的非局域的德布罗意波长(Nature 429, 158)。此后，基于纠缠的量子精密测量快速发展，其中，中科大研究组先后演示了6、8、10、12、18倍灵敏度的德布罗意波长，并扩展到冷原子领域。

压缩态是压制散粒噪声的另一量子资源。量子技术的发展使得实验物理学家可以在海森堡不确定原理的限制下，调节一对共轭量（如位置和动量、时间和能量等）的相对大小，把所需测量的物理量不确定性压低。其中，有一类压缩态被称为强度压缩，可以把光子数抖动降低到散粒噪声以下；另一类压缩态被称为正交分量压缩，比如相位分量的噪声可以降低到小于经典相干态相位噪声。在实际应用中，从2011年引力波探测器LIGO开始使用注入压缩真空态来提供探测灵敏度，提高了50%的可探测事件数量。

1979年，Mandel从理论上预言，单个二能级系统的共振荧光中可观察到强度压缩。随后的理论分析指出，直接探测多光子源的强度压缩需要很高的荧光系统效率。但由于共振荧光的产生、提取和收集等过程中带来的光子数损失，直接观测强度压缩一直以来是个巨大的挑战。

中科大研究组长期致力于发展高品质的单光子源，首创了脉冲共振荧光方法，利用微腔耦合提高单光子提取效率。2019年，通过双色激发[Nature Phys. 15, 941]和极化腔方案[Nature Photon. 13, 770]成功解决单光子由于极化损耗而至少损失50%的科学难题。在此基础上，研究小组发展了高品质单光子源，通过对共振荧光的直接测量，证明了0.59 dB的强度压缩，在第一物镜处的压缩量达到3.29 dB。这是自从2000年实现量子点单光子源后，科学家通过20年的努力首次在该体系直接观测到强度压缩，为基于单光子源的无条件超越经典极限的精密测量奠定了科学基础，也为在极低光功率下定义发光强度坎德拉这一基本国际单位提供了一条新的途径。

该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院、教育部等单位的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601

美国物理学会报道：

https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.s127

欧盟计量研究项目“量子坎德拉”：

http://www.quantumcandela.org/project.html

02

中国科大在

生物膜形成机制解析方面取得进展

中国科学技术大学环境科学与工程系、应用化学系刘贤伟课题组，近期在微生物的生物膜形成机制解析方面取得进展，实现了单个微生物细胞界面粘附强度的成像分析。相关成果以“Plasmonic probing of the adhesion strength of single microbial cells”为题，于2020年10月15日在线发表于美国科学院院刊《Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America》杂志。

微生物生物膜是微生物聚集生长的一种重要形式，在水污染控制、污染物迁移与转化、膜污染和疾病传播中扮演着重要的角色。微生物在界面的初始粘附是形成生物膜最关键的步骤。因此，解析微生物在界面粘附的微观过程与机制是实现生物膜调控、研发水污染控制技术的重要前提。虽然已有技术可测定粘附强度，但往往通量较低、操作难度大，限制了这些技术的应用范围。

针对以上问题，刘贤伟课题组发展了基于表面等离子共振的单细胞粘附强度测定的方法，通过在单细胞尺度上高通量光学追踪微生物在不同界面的纳米尺度振动行为，定量分析了微生物与界面的作用势能，实现了粘附强度的快速测定。该技术不仅可用于解析生物膜的形成过程，也可以快速筛选生物填料和抗生物污染膜材料，对于研发新型水污染控制技术以及生物污染防治技术具有重要的意义。

中国科学技术大学环境科学与工程系博士研究生刘轶男是论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。

图1 单细菌粘附强度的表面等离子体成像分析方法

论文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/10/14/2010136117

03

中国科大研制

多元硫化物单晶纳米带光催化剂

设计新型半导体纳米材料以捕获太阳能并实现高效光化学转化是解决当前全球能源与环境危机的一种理想途径之一。铜基多元硫化物（Cu-Zn-In-S（CZIS）和Cu-Zn-Ga-S（CZGS））具有良好的可见光吸收性能，因而被作为一种重要的光催化剂材料。然而，其低的电导率和高的光生载流子复合速率阻碍了铜基四元硫化物在光催化领域的应用。目前，如何制备高效的铜基四元硫化物光催化剂仍然面临挑战。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队发展了一种胶体化学合成法，成功制备了四元硫化物单晶纳米带光催化剂，这种单晶纳米带表现出优异的光催化产氢性能。相关成果以“Single crystalline quaternary sulfide nanobelts for efficient solar-to-hydrogen conversion”为题于10月15日发表在《自然‧通讯》上（Nature Communications 2020, 11, 5194）。

纳米晶的形貌和表面晶面可以有效地增强和优化半导体材料的光催化性能，而且单晶结构的CZIS更有利于电荷分离进而增强光催化性能。研究人员基于第一性原理密度泛函理论（DFT）计算研究了表面晶面对纤锌矿CZIS纳米晶光催化反应的影响。计算结果表明，在光催化析氢反应（HER）中，纤锌矿CZIS的（0001）面具有最小的吉布斯自由能（图1）。根据Bell-Evans-Polanyi原理，（0001）面对于HER具有最低的能垒，这将有助于光催化制氢。基于此，研究人员设计了一种简单的胶体化学合成法，成功制备了只暴露（0001）晶面的单晶CZIS纳米带（图1）。同时，该方法也适用于CZGS纳米带的合成。所制备的纳米带光催化剂表现出优异的组成依赖性光催化性能，在不使用助催化剂的情况下，CZIS和CZGS的产氢速率分别达到3.35和3.75 mmol h-1 g-1（图2）。进一步研究表明，这种纳米带催化剂具有高的稳定性。

图1. DFT计算和CZIS纳米带的结构和形貌表征。

（a）晶体结构示意图。（b）(0001)、(1010)和（1011）晶面的光催化析氢反应吉布斯自由能。（c）XRD图。（d-e）TEM图。（f-g）AFM图和相应的高度统计图。

图2. CZIS和CZGS纳米带的光学和光催化性能。

（a-b）近紫外-可见光吸收光谱图。（c）不同Zn含量的CZIS纳米带的光催化产氢性能。（d）CZIS纳米带、纳米颗粒和纳米棒的光催化产氢性能。（e）不同Zn含量的CZGS纳米带的光催化产氢性能。（f）CZIS和CZGS纳米晶的循环稳定性。（g）CZIS纳米带光催化产氢示意图。

这项研究提出了一种多元硫化物纳米光催化剂设计的新策略，利用表面活性剂辅助成功制备暴露特定晶面的纳米带，为今后设计开发新型高效光催化剂提供了新途径。此外，该合成策略还有望拓展到其他多元硫族化合物纳米晶的合成并通过完善合成方法实现其形貌和表面的精细调控，预期在光电探测和光电催化等方面展现出独特的应用价值。

该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18679-z

来源：中科院量子信息与量子科技创新研究院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、环境科学与工程系、中国科学院城市污染物转化重点实验室、化学与材料科学学院、科研部

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