科研动态 | 南科大近期科研成果一览
十月风凉，碧空如洗
微风送来了瓜果飘香
科研成绩也频传捷报
近期南科大高水平学术成果
源源不断
在多个方面取得重要进展
一起来看看吧
南科大近期科研成果速览
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在三维声学拓扑绝缘体中首次观测到多层级嵌套狄拉克锥
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在面向智能物联网的群智感知与群智标注领域取得多项进展
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利用人工智能为构建全球风速数据集提供新的解决方案
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揭示亚洲人为源挥发性有机化合物排放对城市化的响应模式
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在青藏高原地下水研究成果入选Nature研究亮点
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解读利率期限结构中的短期和长期风险
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在地下水人工回补领域取得新的研究成果
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在《自然》杂志发表研究评述文章
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揭示量子网络中多方非定域性的特征结构
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发现了一种具有室温本征面内铁电极化的新型二维材料Bi2TeO5
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构建全新的全球湖泊数据集并揭示了小湖的重要性
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一种具有可拉伸、低迟滞、强粘接的超弹胶粘剂
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在《科学》发表关于流星撞击火星研究的评述文章
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在激光超分辨率纳米制造领域取得系列进展
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在龙格-库塔（Runge-Kutta）方法的稳定性研究方面取得新进展
*以上排序按照新闻发布顺序排列
高振课题组在三维声学拓扑绝缘体中首次观测到多层级嵌套狄拉克锥
南方科技大学电子与电气工程系高振副教授课题组在三维声学拓扑绝缘体领域取得重要进展，相关成果以“三维声学拓扑绝缘体中的多层级嵌套狄拉克锥观测”（Observation of Dirac Hierarchy in Three-Dimensional Acoustic Topological Insulators）为题发表在国际物理学著名学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被遴选为当期编辑推荐 （Editors’ Suggestion）。
高振团队首次在三维声学拓扑绝缘体中实验观测到多维度、多层级嵌套狄拉克锥现象。团队首先将二维六角蜂窝声学晶体沿面外方向周期堆叠形成具有八重简并体态狄拉克锥的三维声学晶体。以此基本结构为出发点，逐渐破缺面外和面内特定的对称性，依次可得到四重简并狄拉克锥拓扑表面态、二重简并狄拉克锥拓扑棱态以及二重简并拓扑角态。借助3D打印技术，团队加工了各种对称性破缺诱导的一阶、二阶和三阶声学拓扑绝缘体，并通过声场测量揭示了多层级嵌套狄拉克锥。本研究不仅建立了一个探索狄拉克物理和高阶拓扑态的平台，而且为多维度声波鲁棒调控开辟了一条新的道路。
贡毅课题组在面向智能物联网的群智感知与群智标注领域取得多项进展
南方科技大学电子与电气工程系教授贡毅课题组在面向智能物联网的群智感知与群智标注研究领域取得系列进展。研究成果相继发表在无线通信领域期刊IEEE Transactions on Wireless Communications上。该研究通过设计新型群智感知策略和群智标注策略，为人工智能的模型训练提供海量数据及标签，以支持高能效高准确度的智能物联网应用。
为了进一步提升数据采集的能效，课题组依据不同数据采集任务的需求（如数据量和任务执行时刻）、群智感知设备的工作状态（如感知模块是否被占用）和通信条件（如信道状态），对数据的感知与传输速率进行联合控制。研究成果以“Joint Sensing and Communication-Rate Control for EnergyEfficient Mobile Crowd Sensing”为题发表。
课题组依据通信条件对设备进行分簇，并设计相应的原始数据分发方案，以实现高能效高准确度的数据标注。研究发现按照设备信噪比顺序进行划分可达到最佳的分簇效果，而最优的数据分发方案可以通过树搜索和动态规划方法得出。研究成果以“Energy Efficient Wireless Crowd Labelling: Joint AnnotatorClustering and Power Control”为题获得发表。
针对不同人工智能模型训练任务对数据量和采集时间的差异性需求，课题组也对数据分割与传输方案进行了研究，以支持高能效高准确度的模型训练。研究成果以“Data Partition and Rate Control for Learning and EnergyEfficient Edge Intelligence”为题获得发表。
曾振中、刘江团队利用人工智能为构建全球风速数据集提供新的解决方案
南方科技大学环境科学与工程学院副教授曾振中团队联合计算机科学与工程系教授刘江团队在Science Bulletin上发表题为“An artificial intelligence reconstruction of global gridded surface winds”的研究论文。该研究为重构历史气候数据，尤其是风速数据提供了新的解决方案。
研究团队探究了人工智能算法——部分卷积神经网络（the partial convolutional neural network ，简称PCNN）在风速数据重构方面的表现。本研究证实了该算法修复数据大量缺失（85-88%）的风速数据集上的可行性。随后团队利用该算法，基于全球站点数据集（HadISD）和34个CMIP6气候模式数据，开发了一套全球栅格化的风速数据产品——GGWS-PCNN。随后团队利用该算法，基于全球站点数据集（HadISD）和34个CMIP6气候模式数据，开发了一套全球栅格化的风速数据产品——GGWS-PCNN。该数据集提供了1973年1月至2020年12月的月平均风速，分辨率为1.25°×2.5°（纬度×经度）。数据集和相关代码可于曾振中教授课题组网站上下载
（https://www.zhenzhongzeng.com/resources/ ）。
朱雷课题组揭示亚洲人为源挥发性有机化合物排放对城市化的响应模式
南方科技大学环境科学与工程学院助理教授朱雷课题组在地学领域著名期刊Geophysical Research Letters（GRL）发表题为“利用TROPOMI和VIIRS卫星数据研究亚洲NMVOC对城市化的响应”（Response of Anthropogenic Volatile Organic Compound Emissions to Urbanization in Asia Probed with TROPOMI and VIIRS Satellite Observations）的最新研究成果。
这项研究工作确认了TROPOMI HCHO柱浓度为亚洲人为NMVOC排放的可靠示踪物。探索了人为NMVOC排放（用HCHO柱浓度表示）与亚洲主要国家城市化（用NTL和人口密度表示）的关系（0.64 ≤ r ≤ 0.99），发现目前亚洲人为NMVOC排放与城市化之间存在线性响应，未出现明显的拐点。
匡星星团队在青藏高原地下水研究成果入选Nature研究亮点
南方科技大学环境科学与工程学院副教授匡星星团队以“固态水融化主导青藏高原地下水储量的增加”（ Solid Water Melt Dominates the Increase of Total Groundwater Storage in the Tibetan Plateau）为题在地球科学领域Nature Index期刊Geophysical Research Letters发表最新研究成果。目前Nature将该成果遴选为Research Highlights，并以“The ‘Asian water tower’ is brimming — with glacial melt water”为题进行报道。该研究结合了实地测量，遥感观测，全球模型和再分析等多源数据，研究了青藏高原地下水如何响应气候变化，揭示了在全球变暖背景下冰冻圈退化对青藏高原地下水系统的重要影响。
该研究首次厘清了青藏高原地下水储量受气候变化影响长期变化的主导因素，并提出预测未来地下水资源变化不可忽略冰冻圈的影响，研究结论可类比推广至全球高寒山区，对于预测未来气候变化情景下水资源演变趋势和适应气候变化的水资源管理有着重要的意义。
周皓与合作者撰文解读利率期限结构中的短期和长期风险
南方科技大学商学院讲席教授周皓联合美国联邦储备委员会Grishchenko博士与约翰·霍普金斯大学凯瑞商学院教授宋兆刚撰写的论文《利率的期限结构——短期和长期风险》（Term Structure of Interest Rates with Short-Run and Long-Run Risks）被The Journal of Finance and Data Science （JFDS） 接收。
本文通过将隐含的利率方差和实际的利率方差相减构建出利率方差风险溢价（Interest rate variance risk premium），并发现其对不同期限（一年到十年期）的美国国债短期（小于六个月）收益有很强的预测效果。本文发现的预测效应在多个方面都十分稳健。作者继续将实证发现放在基于消费的理论框架里进行定量分析。本文的模型和实证结果为市场参与者以及货币政策制定者关于不同波动率风险对债券风险溢价的动态驱动效应提供了新的分析思路。
郑焰在地下水人工回补领域取得新的研究成果
应国际水文地质学家协会期刊Hydrogeology Journal庆祝国际地下水年International Year of Groundwater专辑邀请，由南方科技大学环境科学与工程学院教授郑焰牵头撰写的论文《21世纪地下水人工回补的水质挑战：含水层人工调控技术体系的风险管控法规》（The 21st century water quality challenges for managed aquifer recharge: towards a risk‑based regulatory approach）正式发表。
论文指出，全球约350,000种市售化学品以及包括冠状病毒在内的新污染物严重威胁了人体健康和生态安全，是21世纪地下水人工回补全球应用的重大挑战。因此，基于多种含水层人工调控技术的回补工程在补充水量的同时，需针对各类新旧水污染物，制定补径排全过程风险管控的法规和因地制宜的技术导则。本文强调需推进含水层分区、分层管理，划定污染物地下衰减、监控区域的法规制度，充分发挥含水层自净能力，以实现水资源包括再生水的高效循环和可持续利用。本文提出的水质风险管理框架具有里程碑意义，为全球地下水人工回补工程中亟需的多种含水层人工调控技术体系的发展指明了方向。
王鹏课题组受邀在《自然》杂志发表研究评述文章
应《自然》（Nature）期刊之邀，南方科技大学医学院讲席教授王鹏于2022年9月29日以“Machine assembly of carbohydrates with more than 1,000 sugar units（机器自组装超过1000个糖单体的碳水化合物）”为题在线发表在Nature新闻与观点（News & Views）专栏。该专栏近10年来共计发表约20余篇来自中国大陆学者（团队）的评述论文，此次亦为南方科技大学首次在该专栏发表文章。
王鹏在评论文章里对比分析了传统的糖合成和之前文献报道机器自动合成方法，对叶新山团队报道的液相糖的自动化合成技术发表了重要评述，充分肯定了叶新山团队基于糖基供体“预活化”的一锅连续寡糖合成策略设计和研制的糖自动合成仪的优点，这种技术能够促进糖生物学和药物化学，甚至在材料科学等领域的快速发展。该文章进一步提出此合成仪是否能够结合化学和酶合成方法来制备结构明确的糖蛋白的问题。抗体-药物结合物（antibody-drugconjugate，ADC）在靶向杀死肿瘤细胞方面有着巨大的前景，结合生物医药领域的热门领域，如果在ADC中将结构明确的糖类化合物附着在抗体上是很有意义的。总之，多糖合成始终是一个重大的挑战，此自动化合成糖的技术填补了国内外在液相糖合成仪研制方面的空白，在合成领域具有重要的里程碑式意义。
范靖云课题组发文揭示量子网络中多方非定域性的特征结构
南方科技大学物理系和量子科学与工程研究院教授范靖云课题组与中国科学技术大学的研究人员合作在量子非定域性的研究中取得重要进展，揭示了量子网络中多方非定域性的特征结构，并完成了初步的实验验证。相关成果以“Test of Genuine Multipartite Nonlocality”为题发表在学术期刊《物理评论快报》上。
研究人员首次提出了解析理论，构造出量子网络中真正全局性的多方非定域性检验的判据，即广义贝尔不等式。研究人员通过对于四光子、三光子Greenberger-Horne-Zeiling(GHZ)态和广义GHZ态的实验研究，观测到了对于该不等式的破坏，因此确立了四方非定域关联、三方非定域关联和两方非定域关联的明确区分，即高阶非定域关联不可能由任意低阶关联函数构建。这一工作进一步拓展了量子非定域性研究和量子膨胀理论，为发展新型量子信息处理任务奠定了重要基础。中国科学技术大学的另外两个研究组在同期开展的实验研究中也获得了类似的结果。
林君浩课题组与联合团队共同发现了一种具有室温本征面内铁电极化的新型二维材料Bi2TeO5
南方科技大学物理系副教授林君浩团队在新型二维铁电材料铁电畴结构的调控方面取得重要研究进展，团队发现了一种具有室温本征面内铁电极化的新型二维材料Bi2TeO5，并观测到由插层铁电畴壁诱导的铁电畴大小、形状调控机制及由此产生的铁电相到反铁电相的转变。相关成果以“Continuously tunable ferroelectric domain width down to the single-atomic limit in bismuth tellurite（碲酸铋化合物中宽度无极可调至单原子极限的铁电畴）”为题发表在学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。
本研究工作发现了Bi2TeO5室温面内铁电性，丰富了本征二维铁电材料体系，同时揭示了插层缺陷作为新的调控单元对二维Bi2TeO5薄膜铁电畴大小及方向的调控，及由此产生的低维铁电-反铁电相变，为二维铁电材料铁电畴结构及相结构的调控提供了新思路，并为其在未来纳米器件领域的应用提供了新方向。
冯炼团队构建全新的全球湖泊数据集并揭示了小湖的重要性
南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼团队在Nature Communications发表题为“Mapping global lake dynamics reveals the emerging roles of small lakes”的论文。该研究构建了全新的全球湖泊数据集GLAKES（全球湖泊水体范围），探讨过去近40年全球湖泊面积长时序时空动态变化，并揭示了小湖的重要贡献。
研究首次追溯了近40年3个时间段（1984-1999,2000-2009, 2010-2019）的全球湖泊面积变化过程，并探究了气候变化以及人类活动的影响。从全球尺度上看，研究明确了由人类控制的水库调蓄（56%）而非由气候变化导致的冰川冻土融化是造成全球湖泊面积扩张的主要因素。研究进一步揭示了在全球以及区域尺度上，小湖（面积<0.1 km2）在湖泊面积以及碳排放的长期变化中的重要贡献。
杨灿辉、洪伟团队合作报道了一种具有可拉伸、低迟滞、强粘接的超弹胶粘剂
南方科技大学力学与航空航天工程系深圳市软体力学与智造重点实验室助理教授杨灿辉、教授洪伟团队合作，报道了一种具有异质结构网络的超弹性胶粘剂。研究成果以“可拉伸、低迟滞、强粘接的异质网络超弹胶”（Stretchable Heterogeneous Polymer Networks of High Adhesion and Low Hysteresis）为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。
该文章报道了一种通过解耦聚合物网络中的超弹性和粘附性来设计合成可拉伸的超弹胶(HEA)。实验所得到的HEA在100%应变下具有低迟滞4%，粘接能高达270Jm−2，优异的光学透明度，热稳定性，以及抗循环疲劳、松弛和蠕变的长期稳定性。另外，该工作进一步展示了基于HEA特有性质而实现的两个应用：离子传感器和叠层薄层压板方面的折叠屏。研究人员所提出的HEA原理简单而通用，其设计和合成为广泛的工程应用提供了丰富的可能性。
杨英杰、陈晓非在 Science发表关于流星撞击火星研究的评述文章
南方科技大学地球与空间科学系杨英杰教授和陈晓非院士应邀在国际学术顶级期刊Science发表题为“A seismic meteor strike on Mars“的评述文章，深入评论了流星撞击火星事件以及利用撞击产生的地震波来研究火星地壳结构的研究，并对火星地震学的研究前景进行了展望。
依托于洞察号探测器记录到的火星表面地震波数据和火星轨道探测器拍摄的火星表面彩色图片， Posiolova 等人和 Kim等人分别报道了一次较大的流星体撞击事件并首次观测到了流星体撞击激发的火星面波信号。这一发现为火星壳幔结构的探测研究指明了新的方向，本评述文章针对在同期《科学》杂志发表的这两篇报道进行了详细介绍。该评述文章还对如何提取火星面波信号进行火星内部结构研究的方法进行了展望。
徐少林课题组在激光超分辨率纳米制造领域取得系列进展
南方科技大学机械与能源工程系助理教授徐少林团队围绕“激光超分辨率纳米制造”主题，在Nature Communications, Advanced Optical Materials, Laser & Photonics Reviews, Nano Letters, ACS Applied Materials & Interfaces等激光微纳米制造领域高水平期刊上发表系列论文，内容涉及激光亚波长图案化纳米制造、激光诱导周期性纳米光栅制造、线形脉冲激光跨大尺度微纳复合制造、耐久性纳米锥的激光掺杂增强等离子体刻蚀制造等。
1、研究人员利用准二元相位掩模对光束进行偏振过滤，结合偏振与相位优化，得到了具有亚波长图案化波前的超快激光脉冲，使用快速扫描形成脉冲分离进行周期性改性/烧蚀，在大气环境下实现了晶圆级表面图形化微纳结构的均匀高效制造。2、研究人员基于对超快激光激发表面等离激元波干涉现象的研究，首次系统解释了激光诱导纳米光栅结构空间分布紊乱的成因，并提出了相应的调控策略，即利用表面等离激元波干涉所引起的自对准现象，实现了长程有序亚波长光栅结构的高效大面积制备。3、研究人员创造性地提出了一种单步无掩膜线形脉冲激光光刻技术，通过调制线形脉冲光源的分离烧蚀，可高效制备线宽从50 nm至数微米连续可调的金属网格线。4、研究人员巧妙地设计了一种微框架结构，对表面纳米锥阵列进行保护，使得制备的纳米锥增透表面同时具备了高抗磨损性能。
数学系本科生魏元哲等在龙格-库塔（Runge-Kutta）方法的稳定性研究方面取得新进展
南方科技大学数学系2019级本科生魏元哲与其学术导师吴开亮副教授、阿拉巴马大学助理教授孙铮，合作在龙格-库塔（Runge-Kutta）方法的稳定性研究方面取得重要成果。该研究成果以题为“On Energy Laws and Stability of Runge-Kutta Methods for Linear Seminegative Problems”在计算数学领域著名期刊SIAM Journal on Numerical Analysis正式发表。魏元哲证明了论文中具有挑战性的定理5.1（解析构造并证明了一族复杂正定矩阵的Cholesky分解），从而推导出任意阶对角Padé逼近的离散能量恒等式。
该论文聚焦于一般的线性半负定系统，从新的角度研究了龙格-库塔方法给出的数值解的能量演化规律。受到分部积分技巧和连续系统能量耗散规律的启发，该论文建立了推导一般的显式或隐式的龙格-库塔方法离散能量恒等式的理论框架，由此给出了龙格-库塔方法的强稳定性和弱稳定性的判定准则。论文中还详细阐述了对角Padé逼近对应的一类龙格-库塔方法，基于超几何级数技术和若干巧妙的组合恒等式，建立了任意阶此类方法的一般能量恒等式。此离散能量恒等式与连续问题的能量恒等式的一种开展形式具有类似的结构，揭示了连续和离散能量演化规律之间的内在联系。
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编辑：杨奂彦
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