一文速览！南大科技领域新动态

2024年4月科技快讯

01

大陆硅酸盐风化和粘土工厂增强促进古生代最早期大气和海洋的氧化

南京大学地球科学与工程学院魏广祎副教授团队发现，新元古代晚期到古生代早期海洋氧化程度的显著提高（即“新元古代氧化事件”）被认为可能与早期多细胞动物的出现和演化密切相关。然而近年来更多的地球化学指标和模型模拟的结果显示，晚新元古代到早古生代大气氧含量显著低于现代水平，海洋氧化还原呈现剧烈波动状态且总体氧化程度远低于现代海洋。因此可以说，新元古代晚期到古生代早期发生了低大气氧背景下的海洋氧化事件。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk2152

新元古代末期到寒武纪中期 (ca. 660-500 Ma) 海相沉积泥岩Li同位素和K/Al变化

02

在半导体非互易输运方面取得重要进展

南京大学电子科学与工程学院张荣院士、王学锋教授课题组与宋凤麒教授等多个课题组合作，在半导体非互易输运方面取得重要进展。他们在强自旋轨道耦合的钽酸钾KTaO₃(111)界面，通过紫外光激发的载流子转移过程显著地调控了界面二维电子气的非互易电荷输运行为；非互易输运系数获得了三个数量级的巨大提升，达到了10⁵ A^-1 T^-1。该工作不仅提供了一条利用光学手段调控非中心对称体系非互易输运的可行路径，而且为发展新型光控整流器件与自旋光电器件奠定了实验基础。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47231-6

 CZO/KTO界面光致非互易电荷输运的巨大增强

03

基于声学空间微分器实现高对比度超声成像

南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授和程营教授课题组在超声成像领域取得重要进展。他们成功研发了一种基于声学轨道角动量的声场空间微分器，能够高效提取不同类型物体的形状边缘信息，显著提升超声成像的对比度。超声成像技术以其独特的深层穿透、无电离辐射、无创和低成本等优势，在医学诊断、无损检测等多个领域发挥着不可或缺的作用。实验结果证明空间微分器可以提取生物模型中异物的形状和边缘信息，从而大幅提高图像对比度，在生物成像和医学诊断中具有重要的潜在应用。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47303-7

(a)声场测量实验装置。(b)-(e)声学空间微分器样品在成像系统中点扩展函数的模拟和实验结果。(f)-(i)声学空间微分器提取幅值型物体边缘信息的模拟和实验结果

04

II型外尔异质结中拓扑态的调控

南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士团队在波导阵列拓扑光场调控方面取得重要进展，他们利用亚波长光栅结构波导构建出人工外尔异质结构，并在一维波导阵列中实现了三维II型外尔异质结的拓扑界面态的调控以及界面处光的透反射调控。研究工作表明，除了拓扑相变之外，也可以通过带隙偏移来实现拓扑态的调控。值得注意的是，这种效应只会发生在外尔异质结构中，因为对于单一的外尔体系，其表面模式将始终存在，因为其能隙总会与环境介质（如空气）相匹配。这项工作开辟了研究高维拓扑现象的微纳光学新途径，拓宽了拓扑态的存在空间和调控灵活性，并将引起凝聚态、集成光子学和量子模拟等领域的广泛兴趣。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.143801

(a) 束缚态-体态相变的实验样品图、仿真与实验结果。(b) II型外尔异质结构的全反射与I型外尔异质结构的全透射的实验样品图、模拟及实验结果。

05

揭示超高温日冕加热新机制

南京大学天文与空间科学学院陈枫副教授、丁明德教授课题组揭示了一种新的太阳活动区超高温日冕的加热机制。不同于传统的主要位于低层日冕的磁编织加热机制，新机制的能量释放过程发生于活动区冕环上方的高层日冕。磁场能量在电流片区域通过一系列磁重联过程转化为日冕的动能与内能。在电流片内部，磁重联提供的加热率呈3分钟短时标的脉冲式演化，伴随着等离子团与磁通量绳的产生；然而，在整个电流片的空间尺度，持续的磁重联事件共同提供了长时标的、足够维持千万度日冕的加热率与加热能流。模型进一步指出，日冕中持续的磁重联源于活动区持续的磁流浮现过程，这完整描述了磁能由光球层传输至日冕最终通过磁重联释放的全过程。此模型很好地解释了太阳活动区的超高温日冕的起源及其能长时间稳定存在的原因。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41550-024-02244-5

太阳活动区磁流浮现过程中温度、数密度、坡印廷能流与光球层磁场随时间的演化，清楚展示了磁场持续在光球层浮现并将能量传输至高层大气的过程。

06

增加催化剂表面中间体覆盖度实现强酸下高效电还原CO2制纯甲酸 

南京大学现代工程与应用科学学院钟苗副教授课题组在前期电还原二氧化碳稳定性研究（Nat. Commun. 2021）和分层电极结构构建（Angew. Chem. Int. Ed. 2023）的基础上，开发了具有强甲酸中间体*OCHO吸附和弱氢气中间体*H吸附的Cu6Sn5催化剂，在安培级电流密度（1.2A cm⁻²）和强酸性条件（pH1）下实现了91%的甲酸法拉第效率，单次碳转化效率达到77.4%，稳定性300小时以上。原位电化学傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）显示，在pH 1时，Cu₆Sn₅与Sn相比，*OCHO覆盖度提高了约2.8倍。将Cu₆Sn₅应用在含固态电解质的无阳离子膜电极中，实现了连续稳定的130小时纯甲酸溶液（0.36 M）制备，法拉第效率88%，能量效率达到37%。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45988-4

Cu₆Sn₅催化剂的制备与表征

07

在富锂正极中自建晶格氧稳定界面，实现高比能全固态电池

南京大学现代工程与应用科学学院郭少华教授、周豪慎教授团队采用了一种仅有固态电解质和富锂氧化物的复合正极系统来研究其兼容性，其中选择了具有高电子电导率的单晶Li₂RuO₃（LRO）作为富锂氧化物模型，以避免额外的导电碳界面。通过与两种经典固态电解质Li₆PS₅Cl和Li₃InCl₆（LIC）的比对，研究人员发现SSE/LRO的界面相容性，尤其是SSE与LRO的氧化晶格氧（O^(2-n)-，0<n<2）的相容性，是电化学性能的主导因素。此外，该研究还首次报道了通过In与O^(2-n)-的相互作用而自建的晶格氧稳定界面。这种合理的富锂正极/SSE界面设计为研究人员提供了对界面兼容性的新认识，以及提高ASSLB中晶格氧氧化还原可逆性和能量密度的新策略。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee00938j

LRO在两种经典SSE（LPSC和LIC）界面上的高活性氧化氧（O^(2-n)-）演化示意图

08

对称性破缺高效产生时空光涡旋

南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授、陆延青教授团队在时空光场调控方面取得重要进展，利用倾斜纳米光栅对称性破缺所引起的固有拓扑奇异性，在自由空间中实现了时空光学涡旋的高效产生。这项工作中，研究团队从理论上提出并实验证明了一种在倾斜纳米光栅组成的微尺度平台上产生时空光涡旋的简便方法。从科学的角度，该工作证明了这种相位奇点在C₂对称性和Z-镜面对称性同时破缺下，在动量-频率空间中具有拓扑鲁棒性，从而使得时空光涡旋成为操纵光波的新自由度。在技术方面，该工作提出了一种简单紧凑的方法来产生时空光涡旋，从而大大降低了系统的复杂性，显著提高了生成效率，并为时空波包操纵的集成系统铺平了道路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47475-2

时空光学涡旋的观察和表征

09

发现年轻血液中隐藏的抗衰老“密匙”

南京大学生命科学学院张辰宇教授、陈熹教授、王延博教授和医学院方雷教授的合作研究团队揭示了一个重大发现：年轻小鼠血液中的小细胞外囊泡（sEVs）具有显著延长寿命、恢复整体生理功能以及逆转与年龄相关的退行性变化的能力。在这项研究中，每周向20月龄的雄性小鼠注射年轻sEVs，可使小鼠的中位寿命延长至1031天，比C57BL/6J雄性小鼠通常840天的寿命延长了22.7%。另外，静脉注射年轻sEVs到老年小鼠中还可以缓解衰老表型，改善多个组织（海马、肌肉、心脏、睾丸、骨骼等）中与年龄相关的功能衰退。机制研究发现，年轻sEVs通过其包裹的miRNA刺激PGC-1α的表达，最终改善线粒体功能、缓解衰老组织中的线粒体缺陷。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43587-024-00612-4

注射年轻 sEVs对老年小鼠寿命和全身生理机能的长期影响。每周向老年雄性小鼠（20 个月）静脉注射一次 200 μl PBS 或年轻 sEVs（来源于2个月小鼠），并监测它们的存活时间或全身生理状况。年轻雄性小鼠（2 个月）同时注射 PBS 作为对照组。a、各组的 Kaplan-Meier 生存曲线。b、各组小鼠治疗 7 个月后的外观图像。c、治疗 4 个月后各组的平均虚弱指数评分。d-e、各组的精子计数和活力检测。f-g、与各组雄性小鼠交配的雌性小鼠子宫内可见蓝色带状植入点（胚胎）的数量。h、各组雄性小鼠所生后代的数量。i、各组小鼠氧气消耗量、二氧化碳释放量、产热量和运动频度。j -l、各组小鼠心脏尺寸和心功能指数的超声图。m-o、各组股骨近端小梁微结构的显微 CT 分析。p-r、基于 MRI 的各组海马体和皮层形态计量分析。

10

报道面向移动无线光通信的硅基光学相控阵

南京大学现代工程与应用科学学院江伟教授硅光课题组报道了具有快速光束切换功能的硅基光学相控阵，为室内光通信网络中的多个用户和移动用户的动态连接问题提出了解决方案，实验证实了硅光相控阵的优势，有望推动其进一步走向实用。该课题组构建了基于硅光相控阵的快速切换能力的无线光传输架构，可以为室内的不同用户提供高速的数据传输服务。并提出了面向移动用户的定位、光束跟随方案，支持面向移动用户的动态通信。该研究展现了硅光相控阵用于室内光通信，尤其是针对移动用户和多用户网络通信的可行性与优势，有望为光相控阵芯片的应用发展带来新的突破。

论文链接：

https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-49-8-1961&id=548768

使用光学相控阵支持面向多个移动用户的无线光通信，实现用户间快速切换的示意图。下方为实验接收到的12Gbps信号眼图。

11

基于非厄米物理视角提出谷电子学新方案

南京大学物理学院陈伟教授和邢定钰院士课题组在介观电子系统的非厄米物理效应研究中取得有趣进展，提出了能谷依赖的非厄米趋肤效应（valley-resolved non-Hermitian skin effect）并将其用于构筑具有高极化率和高鲁棒性的能谷过滤器（valley filter）。不同于以往诸多能谷过滤器的理论方案，该工作创新性地基于非厄米物理视角并有效利用了趋肤效应的内秉拓扑属性，实现了电学可调、近100%谷极化率、以及对杂质和缺陷具有高容忍度的能谷过滤，大大降低了实验实现的难度。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.156301

谷分辨微分电导与极化率随着杂质强度（a,b）和边缘缺陷数目（c,d）的变化

12

实现“片上材料合成实验室”

南京大学物理学院梁世军副教授、缪峰教授团队首次提出了“片上材料合成实验室”的概念。利用热驱动原理，控制器件上电极释放的活性金属原子在沟道材料中的扩散，在器件上原位合成了可变化学计量比的多种材料。这些合成的材料展现出超导电性、可与p型半导体形成超低的接触电阻，以及可比拟传统贵金属催化剂的优异电催化性能。该工作中提出的材料合成新范式具有普适性，为未来材料的高通量制备提供了一条全新的技术路径。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01888-y

器件上相变工程的概念。（a）热驱动作用下相变工程的原理示意图；（b）相变前后器件沟道区域的原子结构变化；（c）相变前后PdSe₂场效应器件的光学显微图像，其中区域I为本征PdSe₂晶格相，具有明显光学衬度差异的区域II和III则为Pd-Se的其他晶格相；（d）区域I，II，III中样品的拉曼光谱。

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来源：科技处 新闻中心

编辑：马思源 步欣洁

审校：宗   和

责编：王   俊 李烨婧