小南“秋收季”！速览科技领域新进展
第26届国际模式识别大会上，国际模式识别协会主席宣布，今年的国际模式识别领域最高奖——傅京孙奖授予中国科学院院士、中科院自动化研究所智能感知与计算中心主任谭铁牛研究员，以表彰他在模式识别领域所取得的杰出成就。这是该奖自1988年设立以来首次授予北美和欧洲地区以外的学者。
傅京孙奖由国际模式识别协会设立，以国际模式识别学科的开拓者、已故美籍华人科学家傅京孙教授的名字命名，每两年评审一次，每次奖励一人，旨在表彰学术成就卓著、为国际模式识别学科发展做出突出贡献的健在的学者，是一项终身成就奖，是国际模式识别领域的最高奖，也是人工智能领域的重要学术奖项。
模式识别旨在研究和实现人类的感知、识别和判断能力，是人工智能的基本研究内容。谭铁牛院士主要从事图像处理、计算机视觉和模式识别等人工智能领域的研究，是虹膜识别、步态识别等模式识别研究的开拓者和领军人物，其研究成果已被广泛应用于一些重要的国计民生领域。
谭铁牛现任南京大学党委书记，工学博士，中国科学院院士、英国皇家工程院外籍院士、发展中国家科学院(TWAS)院士、巴西科学院外籍院士。累计出版编著和专著10余部，在主要的国内外学术期刊和国际学术会议上发表论文600多篇，获得授权发明专利100多项。曾获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖各1项，2022年获国际模式识别领域最高奖—傅京孙奖。先后担任多个国内外学术刊物的主编或编委，包括《自动化学报》（主编）, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Pattern Recognition, Pattern Recognition Letters和Machine Intelligence Research（主编）。曾担任中国图像图形学学会、中国计算机学会、中国自动化学会和中国人工智能学会等多个国家一级学会的理事长或副理事长以及国际模式识别学会(IAPR)第一副主席、IEEE 生物识别理事会(IEEE Biometrics Council)主席等。
第四届“科学探索奖”获奖名单正式揭晓，南京大学大气科学学院丁爱军教授、电子科学与工程学院王欣然教授荣获本次奖项。
丁爱军教授曾先后获得国家杰出青年基金、国家优秀青年基金资助，主持首批国家重点研发计划“大气专项”项目、国家自然科学基金重大研究计划集成项目。主要从事空气污染气象学、大气化学与大气物理相互作用的观测与数值模拟研究。已在地学和环境领域国际主流期刊发表学术论文近200篇，其中包括Nature Geoscience等高影响期刊论文10余篇，相关成果被引用14000余次，H-Index为57。曾获国际理论物理中心ICTP奖（2015年度）。
王欣然教授主要研究下一代信息材料、器件与集成电路，尤其是在二维半导体领域取得突出成果，发表论文160余篇，总引用超过24000次。曾获中国青年五四奖章、中国青年科技奖、江苏省科学技术一等奖、国家自然科学二等奖、中国物理学会黄昆物理奖、科学探索奖等荣誉。现任国际学术期刊npj 2D Materials and Applications副主编，Nano Research、《中国科学：信息科学》《半导体学报》等期刊编委。
该团队提出了一种"两步法"组装策略：1）以三维 DNA折纸框架结构为可编程支架，通过在其内部精准排布纳米粒子，形成具有特定结构的纳米团簇；2）调整这些纳米团簇的结构和团簇间的绑定方式，最终形成多尺度有序的纳米粒子超晶格。
图1. 四面体DNA折纸框架封装多个金纳米粒子形成的纳米团簇
本工作提出的两步法组装策略填补了纳米粒子多级组装方法学上的空白，为制造更复杂的超晶格材料提供了可能。
图2. 三种不同类型金纳米粒子形成的三元异质超晶格结构
南京大学物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授课题组在二维体系声角动量操控方面取得重要进展，提出并构建了基于声超构材料的单声源声马达，以声波为唯一驱动源实现了对目标载荷的非接触式高速旋转操控。
声马达工作原理图
这种仅需单一声源驱动、适用于任意器件外形的声马达极大地简化了角动量器件的构造，丰富了声人工体系的角动量操控手段，在非接触式粒子操控、片上声通信等领域有重要的应用背景。
南京大学物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授课题组在声人工结构研究方面取得重要进展，提出并构造了基于有源共振腔体的一维紧束缚非厄米声学系统，首次在实验上观测到了合成参数空间中由外尔点演化而成的声学外尔奇异环。
课题组通过在一维紧束缚模型中引入非厄米调制和虚拟的参数空间维度，构造了具有高效非厄米调制功能的有源共振腔单元，首次在实验上实现了一维非厄米声学系统中的外尔奇异环。基于所设计的有源共振腔体单元，课题组建立了具有非厄米效应的一维耦合腔体声子晶体系统（含如图所示），并通过对系统能带结构进行实验表征，验证了参数空间中由奇异点组成的合成外尔奇异环以及由一维边界态组成的合成费米弧。
图（a,b）一维非厄米紧束缚模型。（c）12组带有反馈电路的有源共振腔体单元（腔A和腔B）组成的一维非厄米声子晶体实验结构图。
南京大学物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授课题组在声角动量通信方面取得重要进展，提出了基于声学超构材料的多路径扭曲声波通信机制并构建了相应的声通信系统，实现了自由空间中无需后处理算法和空间扫场的实时、高容量角动量复用通信。
图（a）基于超构材料的多路径扭曲声波通信系统原理图。（b）自由空间中复合角动量信息一体化无源解调机制示意图。（c）超构单元声学响应。
课题组提出了一种利用多径扭曲声波实现高空间信息密度声通信的新机制，设计制备了一种具备高空间选择性的紧凑型人工解码器件，并系统展示了该技术在信道容量、空间信息密度和传输距离等方面的优异性能。通过对器件尺度、信号调制方式等进行合理设计，系统的有效通信距离、信道容量等性能仍有望进一步提升。这一新型角动量通信技术有望在水下通信和海洋探测等领域产生实际应用价值。
糖尿病显著增加认知障碍包括轻度认知损伤和痴呆的发生风险，严重威胁老年健康生存。然而，临床研究表明，控制血糖不能保护认知功能。因此，迫切需要进一步揭示糖尿病认知功能障碍的机制，寻找能够治疗糖尿病认知障碍的新策略。
南京大学医学院附属鼓楼医院毕艳教授课题组首先利用脂肪移植来研究脂肪组织在糖尿病认知功能损伤中的作用。结果发现，正常小鼠在移植糖尿病小鼠的脂肪组织后出现认知功能损伤，海马突触密度降低。进一步通过细胞实验发现，糖尿病脂肪组织分泌的脂肪因子可造成神经元突触损伤，而去除外泌体可显著减轻此效应。
发育性髋关节发育不良 (Developmental dysplasia of the hip, DDH) 是一种常见的髋部先天性畸形，其主要特征为髋臼发育不良。该疾病在新生儿中的发病率可达千分之0.56-3.8。早发现、早干预对DDH可取得良好的治疗效果。
南京大学医学院蒋青教授团队通过对 DDH 家系及散发 DDH 患者全外显子组筛查发现了Lrp1 突变位点，并在动物实验中发现Lrp1基因缺陷引起的Lrp1蛋白表达下调可导致髋臼软骨发育不良表型。该研究揭示了Lrp1基因在DDH疾病发生中的重要作用，并为DDH的早期诊断和治疗提供了潜在的干预的方案。
发育性髋关节发育不良患者LRP1基因杂合突变及其病因学分子机制模式图
丙交酯为从原料乳酸生产聚乳酸过程中的关键中间体，国内企业在乳酸制备丙交酯环节缺少具有自主知识产权的丙交酯连续化工业生产技术，成为制约我国聚乳酸产业发展的瓶颈。南京大学原创的"丙交酯连续化生产成套关键技术"已通过与河南金丹乳酸科技股份有限公司合作的实施"1万吨/年聚合级L-丙交酯生产项目"完成了科技成果转化，该项目基于南京大学自主开发的两项关键创新技术：张全兴院士团队开发的生物基高效复合催化剂和张志炳教授团队开发的传质强化反应-精细分离技术。此次20万吨聚合级乳酸及配套工程、15万吨聚乳酸工程重大项目开工仪式的举行，是对南京大学持续探索以基础研究为根，向创造技术、成果转化延伸拓展的"三位一体原创驱动式"科学研究新模式的生动阐释。
南京大学黎松林副教授、施毅教授团队在二维原子沟道晶体管的载流子散射机制方面取得重要进展。团队针对沟道厚度极端微缩条件建模，从玻尔兹曼输运方程出发，全面分析了沟道维度转变过程中，散射矩阵元、器件形状因子和二维极化函数等关键散射因素随沟道厚度的变化规律；厘清了沟道载流子与晶格声子、原子缺陷、界面库仑杂质、介质远程声子等因素的相互作用关系、散射几率与器件电学性能。
研究结果对深入理解原子厚度沟道晶体管中的库仑屏蔽和载流子散射机制，以及开发高性能后摩尔电子器件具有重要的参考价值。
二维沟道晶体管的界面库仑杂质散射机理
南京大学张勇教授、肖敏教授、祝世宁院士领衔的科研团队发展了一种新型非互易飞秒激光极化纳米铁电畴技术，并在铌酸锂晶体中成功演示了激光3D打印纳米铁电畴，相关工作以"Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains"为题发表在2022年9月15日的Nature上。这一工作是该团队在发展激光擦除铁电畴工艺并制备出首个铌酸锂三维非线性光子晶体之后的又一重大突破。
该研究将飞秒激光极化技术与铌酸锂铁电畴工程有机结合，突破了传统技术的壁垒，首次在三维空间实现了纳米铁电畴可控制备。飞秒激光极化技术可以进一步应用于其他铁电晶体，包括钽酸锂和磷酸钛钾晶体等，并促进高性能三维光、声、电集成器件的发展。
飞秒激光3D打印纳米铁电畴
南京大学缪峰教授合作团队通过"原子乐高"的方式，搭建了基于转角石墨烯莫尔超晶格体系的SU(4)同位旋-扩展哈伯德模型量子模拟器，首次观测到钉扎在莫尔超晶格上的一种特殊的电子晶体态：广义同位旋维格纳晶体（Generalized isospin Wigner crystal）。相关研究成果以"Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator"（同位旋扩展哈伯德模型模拟器中的可调量子临界性）为题于2022年9月14日在线发表在国际顶级期刊Nature上。
该“原子乐高”量子模拟器成功模拟了从高对称SU(4)强关联电子系统中具有临界中间相的量子相变到低对称SU(2)电子系统中弱一阶量子相变的原位演化，不仅让模拟实现和深入理解具有可调内禀自由度的强关联电子系统成为可能，也为未来开发可高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器迈出重要一步。
手性堆叠0.75°转角双层-双层石墨烯
南京大学化学化工学院潘毅教授、王毅教授和郑佑轩教授团队以笼手性碳硼烷并茚酮结构作为电子受体，通过调整电子给体基团咔唑与苯环的连接位点，设计合成了2个蓝色笼手性碳硼烷发光材料Cb1和Cb2，拆分得到了两对对映体(R/S)-Cb1和(R/S)-Cb2，并对它们在圆偏振发光（CPL）和聚集诱导电化学发光（AIECL）方面的性质应用进行了研究。
该工作将碳硼烷笼手性电子受体这一全新的手性源应用于手性发光分子的设计，合成的Cb1和Cb2表现出较高的g因子，证明了碳硼烷笼手性在手性分子设计合成中的潜力。而通过调整供电子基团与苯环的连接位点，使结构类似的Cb1和Cb2显示出了在不同领域的应用价值。
南京大学物理学院马余强院士团队在之前研究纳米载体-生物界面作用的理论模拟方法基础上[Nat. Commun. 10, 4520 (2019); J. Am. Chem. Soc. 141, 18910 (2019);J. Am. Chem. Soc. 142, 4800 (2020)]，进一步发展了统计物理相关的多尺度方法，从微观相互作用角度很好地解释了蛋白质的宏观相分离行为，并揭示了ATP对蛋白质相分离影响的物理机制。
在这项工作中，作者基于第一性原理精确计算了蛋白质残基间及其与ATP间的作用方式和强度，并发展了可区分特异性和非特异性相互作用的平均场理论及粗粒化分子动力学模拟，从而建立了一种从微观相互作用、介观动力学到宏观相行为的跨尺度研究方法。运用该方法，作者揭示了纯FUS蛋白体系的相分离机制，进一步研究发现ATP对FUS蛋白相分离的影响。该工作给出了一种研究生物相分离的新思路，对理解生命复杂系统的物理规律有着重要意义。
FUS蛋白的相分离机制
快速射电暴是一种来自宇宙深处的射电爆发现象，国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（FAST）对快速射电暴FRB 20201124A进行了54天的观测，发现了1863次爆发。详细分析发现它的法拉第旋转量（Faraday rotation measure，简称RM）存在显著变化，并伴有法拉第转化和退偏振现象。
南京大学王发印教授领导的团队首先发现FRB 20201124A周围环境贡献的RM会改变符号，表明周围的磁场改变了方向，该现象与银河系内Be/脉冲星双星PSR B1259-63/LS 2883相似。据此，他们提出FRB 20201124A产生于磁星（磁场特别强的中子星）和Be星组成的双星系统，解释了FRB 20201124A独特的观测特征。这项工作提出的RM演化的新模型为解释快速射电暴的起源提供了重要线索。
图（a）磁星和Be星组成的双星系统。（b）Be星风盘的磁场和密度分布。
在2020年，Nature杂志报道了简单的Kagome机械网络中存在一种特殊的对偶映射[Nature, 577, 636 (2020)]。2021年，马余强院士合作团队发现软物质胶体体系可以用来自组装形成另一种负泊松比的可形变对偶结构[Phys. Rev. Lett. 127, 018001 (2021)]，该结构在自对偶点(self-dual point)还会出现临界倾斜的狄拉克锥。然而，该隐对称的起源一直是一个未解之谜。
近期，南京大学物理学院马余强院士合作团队对该问题的研究取得了重要突破，成功破解了可形变结构中隐对称的起源之谜，发现该隐对称来自可形变力学网络中铰链结构特殊的"部分中心对称性"（partial central inversion symmetry）。该隐对称性可以导致类似化学中"同分异构体"的"动力学异构体"（dynamic isomerism）出现。该效应可以用来实现一种无耗损、无反射的新型本征波导结构。
图（a-c）铰链对偶变换。（d-g）多铰链串联形成的"动力学异构体"构型。（l）利用"动力学异构体"实现新型的无耗损和无反射的本征波导结构。(h-j)一维周期性铰链的对偶变换和振动谱。
（一）一种由电子、空穴自由度编码的新型纠缠态
南京大学物理学院陈伟教授和邢定钰院士课题组在固态准粒子纠缠态的制备和探测方案研究中取得重要进展，提出利用电子、空穴自由度作为物理比特，从而克服了传统方案对难以实现的分束器的依赖，大大简化了固态电子纠缠态的测量方案。
课题组创新性地提出，利用电子、空穴自由度或南部旋量（Nambu spinor）来编码纠缠态，成功摆脱了对旋量分束器的依赖，大大简化了纠缠态的测量方案。该工作提出了具体物理装置，并对纠缠态制备手段、量子门操控方案、具体物理参数和测量步骤都进行了详细的计算和讨论。理论预言了该新型纠缠态的物理信号可以在很大参数区间内违背贝尔不等式。该工作为固态准粒子量子纠缠的研究开辟了一条新途径。
图（a）装置图。（b）南部旋量在布洛赫球上的表示，北极和南极分别对应于电子态和空穴态。（c）超导体和门电压引起南部旋量的有效旋转。
（二）一种由镜面-时间反演联合对称支配的新型非厄米相变
南京大学物理学院陈伟教授和邢定钰院士课题组在非厄米相变的研究中取得重要进展，发现了非互易格点中的实能谱由量子化条件所保证，以及该系统中由内秉镜面-时间反演（MT）联合对称导致的新型非厄米相变。课题组基于正常粒子和狄拉克粒子模型对该问题进行了较为深入的研究，得到了若干有趣的物理结果。
图（a）非互易Harper-Hofstadter模型和（b）非互易蜂窝格子模型。（c,d）对应（a,b）模型中的复数能谱以及Onsager-Lifshitz量子化轨道示意图。（e）带电粒子在磁场中的准经典轨道。（f）内秉MT对称性的准经典图像理解。
南京大学天文与空间科学学院陈燕梅教授等从MaNGA巡天样本中发现了两个具有双气体盘且两气体盘均与恒星成分旋转方向不一致的星系，首次为低红移星系的多次气体吸积事件提供了直接的观测证据。这类系统为理解外部过程对星系演化的影响提供了重要的观测线索。上图显示了一个双气体盘星系示例：第一行从左到右分别为SDSS的多色图像(panel a)，恒星(b)和气体(c)的速度场（红色代表远离地球运动，蓝色代表朝着地球运动，黄白色代表运动速度为零），Hα发射线的等值宽度(d)，第二行分别是两个旋转气体盘的速度场模型(e & f)，气体速度场的最佳拟合结果(g)，以及速度场残余(h≡c-g)。与恒星成分旋转方向不同的两个气体盘的存在，表明该星系经历了多次外部气体吸积过程。同时，在两个气体盘的交界面上发现了恒星形成活动的增强（d中的阴影区），这一发现为恒星形成活动提供了一种新的触发机制。
吴培亨院士领导的南京大学超导电子学研究所张蜡宝教授课题组研制出压缩感知读出的阵列超导单光子探测器，实现了面阵探测器的单通道高保真读出，对推动阵列超导单光子探测器及其实际应用将发挥重要作用。
阵列探测器压缩感知读出方案示意图
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来源：科技处
编辑：邱子涵
审校：宗和
责编：佘静 李烨婧
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