震撼 | 2天，中国学者4篇Science及Nature，在材料学，量子力学及生命科学取得重大进展

iNature

就在这短短的2天，中国学者在Nature 及Science 发表了4项重要成果，iNature系统介绍这些成果：

全无机钙钛矿的功率转换效率（PCE）低于具有有机阳离子的材料。 这部分是因为这些材料具有更大的带隙。这些材料的立方晶相也表现出差的稳定性。2019年8月9日，上海交通大学环境科学与工程学院赵一新（上海交通大学为第一单位）联合多个机构团队在Science 在线发表题为“Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies >18%”的研究论文，该研究从HPbI3和CsI合成了CsPbI3的正交β相。 该材料表现出更高的稳定性和更有利的带隙，这使得PCE为15％。 用碘化胆碱钝化表面捕获状态将PCE提高至18％；

基于介电材料的静电电容器是电子设备和电力系统中广泛使用的关键部件，因为它们具有超高功率密度（超快速充电和放电速率），高耐压和良好可靠性的独特特征。然而，介电电容器的储能能力通常较低。2019年8月9日，清华大学林元华及南策文共同通讯在Science 在线发表题为“Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design”的研究论文，该研究在BiFeO3-BaTiO3-SrTiO3固溶体中引入了特定类型的纳米结构域结构，显著提高了能量密度。 实现了每立方厘米112焦耳的高能量密度，具有~80％的高能量效率。 这种方法应该适用于设计高性能电介质和其他受益于纳米级域结构操作的功能材料；

量子计算的成功依赖于纠缠大规模系统的能力。多方纠缠态对于量子信息科学中的众多应用至关重要。然而，在完全可控和可扩展的量子平台上生成和验证多方纠缠仍然是一个突出的挑战。2019年8月9日，浙江大学王浩华，中国科学院物理研究所范桁及郑东宁共同通讯在Science 在线发表题为“Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits”的研究论文，该研究在量子处理器上报告了18-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态和多组分原子薛定谔猫状态的确定性生成，其具有20个超导量子位。该研究在固态平台上的方法不仅应该激发对探索量子多体系统基本物理学的兴趣，而且还能够开发实际量子计量学和量子信息处理中的应用；

2019年8月7日，中科院生物化学与细胞生物学研究所景乃禾、中科院-马普学会计算生物学伙伴研究所韩敬东与中科院广州生物医药与健康研究院彭广敦共同通讯作在Nature在线发表题为“Molecular architecture of lineage allocation and tissue organization in early mouse embryo”的研究论文，该研究报告了从原肠胚前期到晚期原肠胚阶段发育过程中胚层中确定位置的细胞群的空间分辨转录组。这种时空转录组提供高分辨率的数字化原位基因表达谱，揭示了组织谱系的分子谱系，并定义了时间和空间中多能性状态的连续体。转录组进一步鉴定了驱动谱系规范和组织模式的分子决定簇网络，支持Hippo-Yap信号传导在胚层发育中的作用，并揭示内脏内胚层在早期小鼠胚胎中对内胚层的贡献（点击阅读）。

1.上海交通大学环境科学与工程学院赵一新等团队获得热力学稳定的β-CsPbI3基钙钛矿太阳能电池，效率> 18％

报告的无机钙钛矿太阳能电池（PSC）的最新功率对话效率（PCE）通常约为15％，远低于混合有机 - 无机金属卤化物PSC（高达24.2％） ，主要是因为全无机钙钛矿具有较大的带隙和较不利的光物理性质。

b-CsPbI3薄膜的光谱，结构和形态特征

碘化铯铅（CsPbI3）具有最有希望的带隙，适用于与硅结合的双层串联太阳能电池，但Cs +的小尺寸会产生不理想的容差因素，使得难以稳定CsPbI3钙钛矿相在环境条件下。理论计算预测CsPbI3的四方（β相）多晶型可以在较低温度下结晶，并且具有比立方α相更稳定的钙钛矿结构，但实验上它对于沉积和稳定具有挑战性。

裂缝填充界面工程处理对能级对准的影响

对于该研究，获得了高结晶度的β-CsPbI3薄膜，具有更广泛的光谱响应和增强的相稳定性。基于同步加速器的X射线散射揭示了高度取向的β-CsPbI3晶粒的存在，并且敏感的元素分析 - 包括电感耦合等离子体质谱法和飞行时间二次离子质谱法 - 证实了它们的全无机组成。

光伏和器件表征

另外，通过用碘化胆碱表面处理进一步减轻了钙钛矿层中裂缝和针孔的影响，这增加了电荷载流子寿命并改善了β-CsPbI3吸收层和载流子选择性接触之间的能级对准。由处理过的材料制成的钙钛矿太阳能电池具有高度可重复性和稳定的效率，在45±5℃的环境条件下达到18.4％。

参考信息：

https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591

2.清华大学林元华及南策文通过多态纳米域设计获得超高能量密度无铅介电薄膜

基于介电材料的静电电容器是电子设备和电力系统中广泛使用的关键部件，因为它们具有超高功率密度（超快速充电和放电速率），高耐压和良好可靠性的独特特征。然而，介电电容器的储能能力通常较低。因此，为提高其能量密度而进行的大量努力，寻求满足先进电子和电气系统对集成，紧凑和小型化的需求。

通过多态纳米域设计具有增强能量性能的新型RFE

具有超高功率密度的介电电容器是电气和电子系统中的基本能量存储部件。然而，长期存在的挑战是提高其能源密度。 在该研究中，报告了具有超高能量密度的电介质，其设计具有多态纳米域。 

BFBSTO薄膜的相结构和畴结构

在相场模拟的指导下，研究人员构思并合成了无铅BiFeO3-BaTiO3-SrTiO3固溶体薄膜，实现了嵌入立方体基质中的菱形和四方纳米域的共存。 研究人员在保持高极化的同时获得最小化的滞后，并且实现了每立方厘米112焦耳的高能量密度，具有~80％的高能量效率。这种方法应该适用于设计高性能电介质和其他受益于纳米级域结构操作的功能材料。

BFBSTO薄膜的击穿强度，可靠性和稳定性评估

总而言之，该研究开发的用于提高整体介电能量存储性能的多晶型纳米域设计，应适用于其他材料系统和其他器件类型，如块状陶瓷，多层陶瓷电容器和纳米复合材料。 它也可用于其他功能，例如热电和电热。更一般地说，该策略应该适用于任何可以使用纳米级域操作来开发具有特定应用的材料的系统。

参考信息：

https://science.sciencemag.org/content/365/6453/578

3.浙江大学王浩华，中国科学院物理研究所范桁及郑东宁生成多组分原子薛定谔猫状态，最多20个量子比特

纠缠多个粒子的能力是量子理论基础测试的核心，是量子信息处理的关键先决条件。存在各种多方纠缠态，其中Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态（即双组分原子-薛定谔猫状态）特别吸引人。这些状态在基于量子的技术中发挥着关键作用，包括开放目的地量子隐形传态，级联纠错码，量子模拟和高精度光谱。原则上，可以确定性地缠绕在量子处理器上的粒子数量，是其处理量子信息的能力的基准。然而，难以扩大该数量，因为传统的逐步门控方法需要长的控制序列，这增加了对扰动噪声的暴露。

超导量子处理器和基准表征

在一系列实验中已经实现了适用于量子信息处理的几个物理平台上的多方纠缠。这些实验中的一些涉及仅对子系统的局部检测。多方纠缠 - 特别是具有全局纠缠的GHZ状态 - 将通过所有系统方的同步检测更好地表征，并且通过14个被捕获的离子，12个光子，18个光子量子比特利用三个度数实现。六个光子和12个超导量子位的自由度。在不同的物理平台上，GHZ状态保真度ℱ> 0.5证实了真正的多方纠缠的存在。

GHZ声称最高可达18个量子比特

在这里，研究人员开发了一种20比特的超导量子处理器，具有全对连接和可编程量子位耦合。研究人员使用这个处理器来设计一个单轴扭曲哈密顿量，并将量子比特系统引导到压缩自旋状态，然后引导到一个超压区域，其中多组分原子薛定谔猫状态，包括GHZ状态，依次出现。五组分猫状态的非经典性由实验获得的自旋Wigner函数中的负值表示。 

在D /2p≈-450 MHz的动力学过程中产生的多组分原子薛定谔猫状态为20个量子比特

GHZ状态的特征在于其密度矩阵中只有两个对角线和两个非对角线元素，在此基础上研究人员测量了18个量子比特的状态保真度ℱ= 0.525±0.005，这证实了真正的18个部分纠缠 。研究人员注意到最近证明了创建具有固定频率超导量子位的18-qubit GHZ状态和具有里德伯原子的20-qubit GHZ态的独立实验。

该研究在固态平台上的方法不仅应该激发对探索量子多体系统基本物理学的兴趣，而且还能够开发实际量子计量学和量子信息处理中的应用。总而言之，在这样的量子系统上证明可控制的生成和纠缠检测对于大规模量子处理器的开发是有希望的。

参考信息：

https://science.sciencemag.org/content/365/6453/574

4.景乃禾/彭广敦/韩敬东获得小鼠胚胎早期时空转录图谱

在小鼠胚胎的植入后发育期间，早期外胚层中的内细胞团的后代从幼稚状态转变为多能状态。同时，形成胚层并指定细胞谱系，从而建立胚胎发生的蓝图。命运映射和谱系分析研究表明，胚胎层不同区域的细胞在原肠胚形成期间获得位置特异性细胞命运。在基本身体计划形成之前，细胞命运的区域化 - 其机制有助于理解胚胎编程和基于干细胞的翻译研究 - 在脊椎动物胚胎中是保守的。然而，尚未进行植入后胚胎的谱系分离和组织结构的全基因组分子注释。

Geo-seq分析植入后小鼠胚胎的时空转录组

早期胚胎中胚层祖细胞的谱系历史和分歧可以通过时间（发育）和空间（位置）维度中的基因表达谱来注释。单细胞RNA测序（RNA-seq）分析有可能重建胚胎细胞的发育轨迹，但由于缺乏空间和时间分辨率而让人感到模糊不清。为了实现外胚层转录组的空间读数，已经通过使用Geo-seq方案在条纹中段晚期胚胎中进行的低输入RNA-seq对外胚层细胞群中的转录组进行了全基因组分析。

发育调节因子

在这里，研究人员报告了从原肠胚前期到晚期原肠胚阶段发育过程中胚层中确定位置的细胞群的空间分辨转录组。这种时空转录组提供高分辨率的数字化原位基因表达谱，揭示了组织谱系的分子谱系，并定义了时间和空间中多能性状态的连续体。转录组进一步鉴定了驱动谱系规范和组织模式的分子决定簇网络，支持Hippo-Yap信号传导在胚层发育中的作用，并揭示内脏内胚层在早期小鼠胚胎中对内胚层的贡献。

植入后胚胎信号活动区域化与多能性状态转变与细胞命运的关系

总的来说，时空转录组开辟了探索谱系分化和组织模式在时间和空间上的分子活动的途径，揭示了推动谱系发育的主要调节机制，并且能够以前所未有的细节描绘胚层衍生物的分子结构和发育轨迹。 该数据集将成为指导未来努力阐明谱系分化和植入后胚胎形态发生的分子机制的宝贵资源，并将提高多能干细胞定向分化的效率。

参考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1469-8

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