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科学研究

稀土再建奇功：电场对自旋的高效相干操控

麦克斯韦方程统一了电与磁，今天的众多科技应用也都基于这套基本理论。但即便如此，一百多年后的今天，想在固体材料中实现电与磁的有效耦合仍然充满挑战。这主要是由于磁性质来源于材料的电子自旋运动，而电性质则源于材料的电子轨道运动，两种相对独立的运动模式导致大部分材料中难以观测到磁电耦合现象。对应地，磁场和电场的外部激励也往往只能够分别影响材料中电子自旋和电子轨道行为。

周礼楠教授在Science杂志发表表面等离激元光催化的重要研究

近年来，表面等离激元光催化作为一种新型光催化技术发展迅猛。相比于半导体光催化，等离激元光催化与传统化学工业工艺兼容性高，优势显著，人们利用单金属等离激元光催化材料已在多个气固相催化反应中实现了光驱动与光增强。然而由于等离激元活性材料种类有限，且表面活性普遍较低，极大限制了整体光催化性能。发展结合等离激元活性材料与催化活性材料的多组分复合光催化剂，提高光催化性能和拓展适用反应范围，是领域共识，但亟待提出有效的复合结构。周礼楠教授基于“光天线-反应器”概念，于等离激元光催化领域内首先设计报道了表面合金复合结构，实现了等离激元组分与催化组分的合理匹配与高效交流，实现了当前表面等离激元光催化的最高能量效率，18%。在此基础上，团队开创了适用于光催化体系的动力学表征方法，探究了热载流子催化反应机理，提出了热载流子不等价活化表面反应中间体的理论，兼具理论指导与实用意义，将表面等离激元光催化设计和工业应用向前推进一大步。相关工作发表于《科学》杂志，相关成果已申请并被授权美国专利一份，正由美国初创公司Syzygy Plasmonics进行商业转化尝试。论文链接：Quantifying hot carr

张雪教授团队在Nature Chemistry杂志发表单分子自旋态量子相干调控的重要研究

器件小型化的终极标度是制备原子尺寸的信息器件，目前公认的有效办法之一是使用单个分子或原子的自旋作为基本单元来存储信息。这就要求对自旋态进行精确的探测和调控以及对自旋–自旋间相互作用有深入的理解。扫描隧道显微镜–电子自旋共振（STM-ESR）技术是研究原子尺度单个自旋相干调控的理想手段之一，具有亚纳米级空间分辨率和亚微电子伏的能量分辨率，较传统STM和依赖于1010量级自旋数的系综ESR相比有独特的优势。目前，STM-ESR的研究对象大多局限于磁性金属原子（Science 2015, 350, 417; Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 227206; Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 1120），还未有在磁性有机分子上实现电子自旋共振的相关报道。与金属原子相比，磁性有机分子具有更丰富的种类多样性，而且可以通过改变有机配体来人为的调控分子的物化性质，因此实现有机分子的自旋电子共振检测对今后制备基于有机分子的量子信息器件尤为重要。张雪教授与韩国量子纳米科学中心的Taeyoung Choi教授、Andreas Heinrich教授等合作，首次实现了

郑风珊教授在Nature Nanotechnology杂志发表新型拓扑磁孤子---“磁浮子”的重要研究

1989年，理论预测磁斯格明子可存在于FeGe、MnSi等手性磁体中，并于2010年被实验证实，进而使拓扑磁性成为了磁学和自旋电子学的前沿和热点。磁浮子（bobber，图1a），一类新的拓扑磁孤子，是一种浮在样品表面且受拓扑保护的纳米磁结构，可形象类比于钓鱼用的“浮子”，于2015理论预测同样可存在于手性磁体中，但截至到申请人工作发表（2018年），尚未被实验证实。相比于磁斯格明子，磁浮子可以作为二进制信息单元；同时由于其拥有布洛赫点（图1a），也是研究布洛赫点的磁结构及其动力学的良好载体，故也是继磁斯格明子之后的又一研究热点。然而，相比于磁斯格明子，磁浮子稳定性不高，形核条件未知（理论未给出），极大地限制了实验上的研究。磁斯格明子是以管状结构贯穿于整个样品，且由于样品表面的存在，该管状结构沿着样品厚度方向呈非均匀分布。在某种对称性破缺的作用下，比如倾斜外加磁。捎跋旄霉茏唇峁沟奈榷ㄐ，以促进“浮”在表面的磁浮子形核。据此，郑风珊教授提出了通过倾斜样品以控制外加磁场的方向进而影响磁斯格明子的稳定性的思路，利用透射电子显微镜电子全息技术，在FeGe纳米片中，首次实现了磁浮子的形核和直观

汪志义副教授团队在Science Advances杂志发表可视化纳米酶的重要研究

近年来，纳米酶作为模仿天然酶样活性的人工酶，在癌症治疗中受到了极大的关注。然而，设计在肿瘤中精确发挥其活性而不对周围正常组织产生脱靶毒性的纳米酶仍然面临巨大的科学挑战。汪志义副教授团队报告了一种通过纳米酶Ag2S@Fe2C-DSPE-PEG-iRGD和肿瘤血管正常化相结合来破坏肿瘤的协同增强策略，这种策略基于肿瘤微环境的“解锁”。开发的这种纳米酶不仅具有优异的光热转换特性，而且可以在肿瘤微环境的刺激下有效产生活性氧。此外，该纳米酶还在近红二区的荧光成像和磁共振成像中显示出优异的成像性能，可以用于体内的可视化示踪。联合疗法对乳腺癌的治疗效果非常显著。这项研究通过多功能纳米酶和肿瘤血管正常化之间的协作为乳腺癌的强化联合治疗提供了一种治疗策略。相关工作发表于《科学进展》杂志。论文链接：Visualization nanozyme based on tumor microenvironment “unlocking” for intensive combination therapy of breast cancer

蒋尚达教授团队在多能级量子相位干涉研究方面取得进展

实用化的量子计算将是一项具有历史意义的技术。基于分子的多能级量子位（qudit）因其易于通过化学修饰，实现性质调控和规模化集成的特点而被寄予厚望。与量子比特（即二态量子位，qubit）的研究不同，多态量子位可以存储更多信息，更具有充当复杂量子逻辑门和算法载体的能力，但其更高维的态空间为相干操控带来了挑战。富勒烯（fullerenes）及其衍生物具有优良的量子相干性质，可通过其独特的分子结构提供可操纵的多态量子位所需要的能级分布。本研究团队利用C70分子，经由光激发和系间跨越（intersystem crossing）得到了自旋极化的电子自旋三线态。在此基础上，使用脉冲电子顺磁共振（pulsed electron paramagnetic resonance, pulsed EPR）技术，制备了基于电子自旋磁量子数的三能级叠加态，并通过量子态的断层扫描（tomography）测定了所制备叠加态的密度矩阵。进一步演示了在三态叠加中的两个独立相位因子发生的内禀干涉现象，并由此指出，多态量子位在实际条件下倾向于表现出非公度的相位演化行为。该项研究利用分子激发态首次实现了基于磁性分子电子自旋的多

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