一键速览！中国科大近期科学研究新成果

目录

一、中国科大在非晶固体振动特性的研究中取得新进展

二、中国科大实验演示不等价相互无偏测量信息提取能力不同

三、中国科大在高频声表面波器件领域取得重要突破

四、中国科大在生成对抗网络的模式崩溃机理研究取得重要突破

五、中国科大在净化含99TcO4-核废水中取得重要进展

六、中国科大在钙钛矿太阳电池的空气环境制备方面取得进展

一.中国科大在非晶固体振动特性的研究中取得新进展

与结构有序的晶体不同，非晶固体中原子的空间排列混乱无序，导致非晶固体的本征振动模式与晶体中的声子有显著差异。德拜模型成功描述了晶体在低温下的热力学性质，该模型指出，晶体的低频声子态密度D(ω)与频率满足标度律：D(ω)∼ωd-1，其中d为空间维度，并由此可以获得晶体比热c与温度T的正确关系：c∼Td。作为非晶固体的代表，玻璃的低温比热不满足上述关系，这暗示着玻璃的低频本征振动态密度并不简单遵循德拜标度律。玻璃的结构无序导致低频区出现大量非声子的本征振动模式，这些模式的态密度满足怎样的标度关系是理解玻璃反常低温热属性的关键，也是近年来研究和争论的热点。

近日，中国科大物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心的徐宁教授研究组与中国科大物理学院的童华教授及安徽大学物理与光电工程学院的王利近教授合作，给出了非晶固体低频本征振动态密度的新图像，相关成果以“Low-frequency vibrational density of states of ordinary and ultra-stable glasses”为题2024年2月16日在线发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。

图1.二维不稳定（左上图）和稳定（左下图）非晶固体的最低频本征振动模式及相对应的本征振动模式态密度（右图）。其中Ds(ω)、Du(ω)和D(ω)分别为稳定固体、不稳定固体以及它们加权平均的态密度。

该研究创新性地将非晶固体依照对边界形变的稳定性分为稳定和不稳定两类，发现这两类非晶固体在低频非声子本征振动模式的态密度上展现出两种指数截然不同但鲁棒的标度律，如图1所示。不稳定非晶固体的标度指数与空间维度无关，均约为3.3，该指数与2017年徐宁教授及合作者发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters, 2017, 119: 215502）的文章所预言的指数吻合，从而给出了该指数的物理解释。稳定非晶固体的标度指数则展现出了对空间维度的依赖，约为d+3.5，该指数形成的物理机制目前尚不清楚，但是其鲁棒性为理论研究提出了新的问题，也可以用来检验相关理论。以往的研究发现，非晶固体低频本征振动态密度的标度指数对一些参数有依赖性，而该研究表明，这种参数依赖是稳定和不稳定非晶固体加权平均的结果，从而解决了关于非晶固体低频本征振动态密度标度指数的争议，给出了统一的物理图像，深化了对非晶固体低频振动特性的理解。

玻璃研究历史上存在著名的Kauzmann佯谬，形成玻璃的过冷液体的熵随温度的降低有很快的下降，如果这种趋势一直延续，在未达到零温之前过冷液体的熵就会低于晶体的熵。这种趋势显然是不合理的，因为这将最终违反热力学第三定律。为了解决这一矛盾，理论预言存在一个Kauzmann温度，在这个温度，过冷液体将形成与晶体熵一致的理想玻璃。该研究进一步揭示了超稳定玻璃在接近理想玻璃状态时低频本征振动特性的演化，发现非声子模式的数目随着温度的降低而下降，并有可能在某温度处完全消失。基于该趋势，理想玻璃的低频本征振动将可能由类声子模式主导，虽然结构无序，但却和晶体有相似的本征振动行为，从而给出了理想玻璃可能的物理特性，同时也为设计具有类晶体性质的非晶材料提供了新思路。

物理学院的博士生胥鼎和张世允分别是该工作的第一作者和共同第一作者，王利近教授和徐宁教授是共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委和安徽省的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45671-8

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/86379.htm

二.中国科大实验演示不等价相互无偏测量信息提取能力不同

我校郭光灿院士团队在量子测量的基础研究中取得重要实验进展。该团队李传锋、项国勇、侯志博研究组与复旦大学朱黄俊教授合作，首次实验演示一组不等价的相互无偏量子测量具有不同信息提取能力。该研究成果于2024年2月21日在线发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。

基于相互无偏基的量子测量，又称为相互无偏测量或互补测量，在基础研究和量子信息处理中发挥着至关重要的作用。如果两组相互无偏基不能通过酉变换相互转换，则称他们不等价。这种不等价性长期作为一个有趣的理论问题被研究人员关注，然而这种不等价性是否具有实际意义缺知之甚少。

项国勇研究组采用近年来着力发展的高精度多拷贝光量子精密测量平台[Nat. Commun. 9,1(2018); PRL 124,060502(2020); PRL 125,020501(2020); PRL 126,070503(2021); PRL 128,020502(2022)]，在实验上验证了四维空间中不等价的相互无偏基测量基在三拷贝量子态实际测量问题中具有不同信息提取能力。实验中采用相互无偏基测量基进行量子态信息提取，用保真度来衡量信息提取能力，因此保真度和互相无偏测量基的其内禀性质相关。随着相互无偏基选取的不同，实验得到的最大保真度与最小保真度相差约4%，与理论预测的平均偏差仅为0.16%，这清楚地展示出不等价的相互无偏基具备不同信息提取能力。这项研究标志着不等价相互无偏基的研究从理论跨入实际，在量子态估计、纠缠检测和量子通信等诸多量子信息处理任务具有潜在应用价值。

图1.区分不等价相互无偏基的基本思想

图2.不等价相互无偏测量得到的三拷贝量子态估计保真度

中科院量子信息重点实验室博士生鄢雯哲和复旦大学博士生李蕴婷为论文共同第一作者，通讯作者为我校项国勇教授，侯志博教授和复旦大学朱黄俊教授。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.080202

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/86382.htm

三.中国科大在高频声表面波器件领域取得重要突破

自1965年叉指换能器（Interdigital Transducer, IDT）和声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）技术被发明以来，声表面波（SAW）谐振器就被广泛应用于2 GHz以下的中、低频无线通信，并形成了每年超过百亿美元的滤波器和传感器产业。随着无线通信发展进入5G和6G，标准所定义的新频段都在3 GHz以上，带宽都在500 MHz以上，这就使得传统的SAW技术在高频（> 3 GHz）、高品质因数（Q值）、高机电耦合系数（k2）等三个方面遇到了前所未有的发展瓶颈，其主要的限制在于：传统SAW技术60年来一直使用单一的压电系数来实现电能与机械能的相互转换。

为此，中国科学技术大学微电子学院左成杰教授研究团队在世界上首次提出、并实现了一种新型的耦合剪切模态声表面波器件（Coupled Shear SAW，简称X-SAW），利用两个不同方向的剪切压电系数（e16与e34）相互耦合，在5 GHz高频实现了高达34%的机电耦合系数（k2），以及高达650的品质因数（Q值）。相关成果以“Coupled Shear SAW Resonator with High Electromechanical Coupling Coefficient of 34% using X-cut LiNbO3-on-SiC Substrate”为题于2月23日发表在电子器件领域知名期刊IEEE Electron Device Letters上，审稿人评价这是一项“非凡的（Remarkable）”成果。

图1.耦合剪切模态声表面波（X-SAW）谐振器设计、制备及性能测试：(a)X-SAW谐振器结构示意图；(b)X-SAW谐振器SEM图；(c-d)X-SAW谐振器测试曲线及其Q值

研究人员在X-cutLiNbO3-on-SiC衬底上设计并制备了一种高频、高机电耦合系数（k2）、高品质因数（Q值）的耦合剪切模态声表面波（X-SAW）谐振器。通过选择合适的欧拉角（α）和设计铌酸锂薄膜厚度（hLN）与叉指电极波长（λ）的比值，使得水平和厚度方向的电场同时激励两个剪切压电系数（e16与e34），并使它们共同作用到一个机械振动模态中，从而获得了机电耦合系数前所未有的大幅提升。

文中实现的一个X-SAW谐振器工作在5GHz，机电耦合系数高达34%，对应的谐振器优值（FoM =k2·Q）达到221（图1）。与近10年报道中4 GHz以上的SAW谐振器比较，工作在5GHz和6GHz的两个X-SAW谐振器FoM值均为世界最高（图2）。更重要的是，本工作成功发现了在同一个振动模态中可以耦合两个或多个不同剪切压电系数的可能性，并通过理论分析制定了实现这种耦合剪切模态的设计准则，为声学器件领域开辟了一条全新的研究路径，将在大带宽滤波器、宽带可调振荡器、高灵敏度传感器等诸多领域打开新的自由度，并对相关产业带来深远的影响。

图2.近10年报道中4 GHz以上最具代表性的声表面波（SAW）谐振器FoM值

中国科学技术大学微电子学院左成杰教授为论文通讯作者，微电子学院博士生戴忠斌为论文第一作者。此项研究工作得到了国家自然科学基金的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院、中国科学院无线光电通信重点实验室和集成电路科学与技术安徽省重点实验室的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1109/led.2024.3368426

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/86388.htm

四.中国科大在生成对抗网络的模式崩溃机理研究取得重要突破

中国科学技术大学九韶团队研究了模式崩溃发生的根本机理，基于数学理论分析提出了一种新方法定量检测和解决生成对抗网络（GANs）中的模式崩溃问题。该成果以“DynGAN: Solving Mode Collapse in GANs with Dynamic Clustering”为题发表在国际知名学术期刊IEEE Transactionson Pattern Analysis and Machine Intelligence。

图1：什么是模式崩溃现象。

（注：图截取自文献：Goodfellow, Ian. "NIPS 2016 tutorial: Generative adversarial networks." arXiv preprint arXiv:1701.00160 (2016).）

生成对抗网络（GAN）是广泛使用的生成模型，通过学习真实样本的分布用于合成复杂逼真的数据。然而，模式崩溃（mode collapse）是生成对抗网络面临的一个重要挑战，即生成样本的多样性明显低于真实样本的多样性，这对进一步应用造成了困扰。由于生成对抗网络及其训练过程的复杂性，涉及多种可能的因素和环节，一直无法明确究竟是何种机理导致模式崩溃的发生。

图2：模式崩溃发生的根本机理。

经过深入研究，研究团队发现了生成对抗网络产生模式崩溃的根本机理。理论分析表明，当真实数据存在多个模式时，生成器损失函数关于其参数是非凸的。具体地，导致生成分布仅覆盖真实分布的部分模式的参数，是生成器损失函数的局部极小点。

图3：解决模式崩溃的新方法。

为了解决模式崩溃问题，我们提出了一个统一的框架，称为动态生成对抗网络（Dynamic GAN,DynGAN）。该方法通过对可观察的判别器输出设置相应阈值，检测出生成器无法生成的样本（崩溃样本），根据这些崩溃样本划分训练集，然后在这些划分上训练动态条件的生成模型。

图4：DynGAN在合成数据集上的表现。

图5：DynGAN在现实世界数据集上的效果。

研究结果理论确保了所提新方法DynGAN的渐进式模式覆盖。合成数据集和现实世界数据集的实验表明，DynGAN在克服模式崩溃方面超过了现有GAN及其变体。该研究工作不仅推进了生成对抗网络的理论研究，也为完善生成模型的模式覆盖提供了重要的实现手段。

中国科学技术大学罗翌新博士、杨周旺教授分别是该工作的第一作者和通讯作者。本项研究获得了国家自然科学基金委重大研究计划、科技部国家重点研究计划“数学和应用研究”重点专项、中国科学院战略性先导科技专项、安徽省重大科技攻关专项等基金项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1109/TPAMI.2024.3367532

Yixin Luo,Zhouwang Yang*. DynGAN: Solving Mode Collapse in GANs with Dynamic Clustering.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,p1-12, 20 February 2024.

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/86389.htm

五.中国科大在净化含99TcO4-核废水中取得重要进展

近日，中国科学技术大学核科学技术学院陈志副教授团队成功合成了一种具有双功能的阳离子型有机聚合物材料，并将其应用于高效净化含锝核废水。这项研究成果以“Synthesis and performance of guanidinium-based cationic organic polymer for the efficient removal of TcO4-/ReO4-”为题发表在国际知名期刊《危险材料杂志》（Journal of Hazardous Materials，466（2024）133602）上。

在发展核能的过程中，不可避免会产生大量的含锝(99Tc)废水。放射性核素99Tc是一种长寿命裂变产物，半衰期长达2.13×105年，具有长期潜在放射性危害。水溶液中99Tc通常以稳定的TcO4-的形式存在。TcO4-具有高溶解性、迁移能力强、易泄露的特性，可能进入地下水，对人类健康和周边环境构成严重威胁，因此需要高效去除TcO4-。

阳离子型有机聚合物（COP，Cationic Organic Polymer）是一类新兴的带有正电荷的聚合物材料，近年来被广泛用于TcO4-/ReO4-的去除。COP由强共价键构成，在苛刻环境下具有高化学稳定性、热稳定性和一定的耐辐照性能等突出优点。然而，传统的COP制备条件通常严苛，即要求高温、无水、无氧或长制备时间，这限制了其在大规模应用中的可行性。因此，如何调控COP的结构，选择合适基体单元，并实现大规模制备具有活性高、稳定性高、选择性优越、循环性能好的COP材料，成为推动这一研究领域进一步发展的关键科学问题。

胍基阳离子型有机聚合物材料的合成和去除TcO4-示意图

针对上述问题，研究团队选择含活性基团胍基基体作为节点单元和含有吸电子体N元素的吡啶基体作为连接单元，通过Schiff碱反应成功制备出高性能的聚合物材料(GBCOP)。经过系统的实验表征，研究团队发现GBCOP呈多孔层状结构，有利于TcO4-/ReO4的高效去除。这种材料具有胍基和吡啶基两种官能团，不仅拥有丰富的活性位点而且表现出优越的稳定性。利用非放射性的ReO4-模拟实验，研究团队发现GBCOP对水溶液中的ReO4-具有快速的去除动力学(1 min, 99%)和高达537 mg/g的去除容量。在1000倍NO3-阴离子共存的情况下，GBCOP对ReO4-的去除率为74%，表明其具有良好的选择性。在较宽的pH(3.0 ~ 10.0)范围内，GBCOP对ReO4-具有高的去除效率，且在强酸、强碱条件下仍有较好的稳定性。此外，GBCOP可重复使用4次，且可以去除模拟Hanford废水中81%的ReO4-。最后，结合DFT计算揭示了GBCOP去除ReO4-的机理是通道内Cl-离子被替换成ReO4-。这种双功能GBCOP材料具有高的选择性和稳定性，且制备过程更为简单，成本更低。该研究成果为核废水中TcO4-的处理提供了一种新的有效的解决方案，具有重要的应用价值。

核科学技术学院辐射防护课题组硕士研究生唐辉平是该项工作的第一作者，陈志副教授为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133602

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/86400.htm

六.中国科大在钙钛矿太阳电池的空气环境制备方面取得进展

日前，中国科学技术大学徐集贤团队揭示了空气环境中制备钙钛矿的退化机理和“全过程稳定剂”设计原则，实现了常规空气环境中（25-30℃，相对湿度30-50%）一步法制备高效p-i-n反式钙钛矿电池的突破。2月26日，相关成果以“Inhibition of halide oxidation and deprotonation of organic cations with dimethylammonium formate for air-processed p-i-n perovskite solar cells”为题发表在发表在学术期刊《Nature Energy》上（DOI:10.1038/s41560-024-01471-4）。

近年来，金属卤化物钙钛矿太阳电池的能量转换效率进展迅速，其稳态认证效率已经超过26.1%（此前由中国科大徐集贤团队率先创造）。然而，目前这些高效器件需要在惰性气氛内制备（例如氮气手套箱），直接转移到空气中制备的器件效率和稳定性都大幅退化，这限制了其大规模生产和实际应用。团队的实验发现，钙钛矿薄膜的空气制备经历了“全过程”退化，包括前驱体溶液在水氧环境和加热条件下的快速变质退化，主要机制为卤素氧化和有机阳离子的去质子化;空气中结晶过程水合作用诱导的破坏性相变以及缺陷的大量增殖，尤其是在钙钛矿/电子传输界面额外产生的大量p型缺陷对于的载流子输运十分不利，这使得在空气环境中制造高效稳定的p-i-n器件相对n-i-p器件更具挑战性。

针对以上问题，中国科大徐集贤教授团队合成了一种离子液体型的“全过程”稳定剂——甲酸二甲基胺（DMAFo）。DMAFo的还原作用以及它与钙钛矿前体的配位键和氢键（图1.a-d）抑制了有机阳离子的去质子化和卤素离子的氧化，使钙钛矿溶液能够在空气环境和加热条件下长期储存。此外，这种保护作用可以延续至空气中的钙钛矿结晶过程，提高钙钛矿薄膜的结晶度（图1.e-m），降低局部孪晶产生和晶粒间表面电势无序度（图2. a-h），抑制缺陷诱导的非辐射复合（图2.i-k）。重要的是，综合缺陷表征与器件仿真模拟同时指出(图2. l-p)：体相缺陷、而非表面缺陷的增殖是空气中制备的钙钛矿性能退化的主要原因。该发现证明了仅进行常规的表面钝化对于空气环境制备钙钛矿是不足的。基于以上进步，团队在空气环境中制造的1.53-eV p-i-n器件获得了25.4%的实验室最高效率和24.7%的稳态认证效率（图2q），接近氮气中制备的同种器件最好水平。同时，研究团队也确认了该技术在宽带隙钙钛矿材料中的普适性，对叠层器件的空气环境制备也具有良好推动意义。

图1. (a, b)钙钛矿前驱体溶液的核磁谱图；(c, d)前驱体溶液的空气稳定性；(e, f)原位GIWAXS研究结晶过程；(g, h)GIWAXS剖面图；(i, j)钙钛矿薄膜最终结晶的GIWAXS图；(k)钙钛矿薄膜结晶GIWAXS强度积分曲线，(l)角度积分图，(m)径向积分图。

图2. (a-c)钙钛矿薄膜AFM表面形貌图；(d-f)KPFM表面电势分布图；(g)KPFM图中电势分布统计；(h) AFM形貌图与KPFM电势分布图中的空间相关性；(i)钙钛矿薄膜PLQY，(j)瞬态荧光寿命，(k)载流子体相寿命和表面复合速度SRV分析。(l-n)器件的深能级缺陷谱分析；(o, p)理论模拟分析来自体相、表面、串阻的效率损失比重；(q)空气环境中制备p-i-n反式钙钛矿电池瞬态和稳态认证效率。

中国科学技术大学化学与材料科学学院研究生孟红光、毛凯天、蔡逢春，以及微尺度物质科学国家研究中心博士后张凯为论文共同第一作者。中国科学技术大学徐集贤教授为通讯作者，合作者包括美国科罗拉多大学Michael McGehee教授、中国科大武晓君教授和中国科学院宁波材料所肖传晓研究员。本项目得到国家自然科学基金、国家科技部、安徽省产业创新项目等基金支持，同时致谢上海光源、国家同步辐射实验室、新基石基金会科学探索奖的相关支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-024-01471-4

新闻链接：

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/86381.htm

来源：中国科大新闻网

扫描二维码关注

中国科大本科招生各官方平台

了解更多最新信息

微信公众号

微信视频号

新浪微博

哔哩哔哩

抖音视频

快手视频

推荐阅读