导读
1.来自宇宙距离的大质量星系的一次快速射电暴；2.小颗粒的大作用——野火燃烧影响全球气候变化；3.薛定谔猫变胖了！中国突破20比特的超导量子计算技术;4.中国科学家实现四离子量子比特的全局纠缠逻辑门;5.气候变化和过度捕捞增加了海洋食肉动物的神经毒性；6.中国科学家研发超高能量密度的介电薄膜；7.撒哈拉以南非洲水资源真的在减少吗？8.中外科学家携手研发高效率无机钙钛矿太阳能电池……
1NATURE封面故事： 通过光学定义的边界控制活动物质中的组织和作用力
从鸟群到分子马达，活性物质系统是由能消耗周围能量，并将其转换成机械功的个体单元组成的。对这类系统的实验演示被广泛用于研究它们自发形成结构并产生流动的能力，但合成的系统通常缺少生物系统所具备的时空控制水平。美国加州理工学院Tyler Ross、Matt Thomson和同事证明，光可以用来指导经过改造的活性物质系统的行为，产生一系列可以动态操控的结构和性质。封面所示为组成这一系统的基础微管，与这些微管相连的是旁边的分子马达(橙色)。这些分子马达会在光照下形成二聚体，拉近微管之间的距离，让研究人员可以控制自发形成的结构。通过结合这些操作，作者创建了微管网络，其长度跨越几百微米，收缩速度比单个运动蛋白的速度快一个数量级。作者操纵这些收缩网络来产生和塑造持久的流体流动，揭示的边界介导控制的原理可以用于研究突现的细胞结构和作用力，并开发可编程的活性物质器件。
(编译自Controlling organization and forces in active matter through optically defined boundaries.Nature V.572,Issue 7768, P. 224-22908Aug.)
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2SCIENCE封面文章： 定位于宇宙距离的大质量星系的一次快速射电暴
快速射电暴(Fast Radio Burst，简称FRB)是来自遥远天文活动的短暂无线电发射。有些爆发是重复的，但大多数是单次爆发。非重复FRB观测的位置精度不足以将它们定位到单个宿主星系。澳大利亚平方公里阵列探路者(ASKAP)项目组首次精确定位了一次性爆发的快速射电暴FRB 180924，发现其位于一个红移为z=0.3214的大质量星系中，而且处在偏离宿主星系中心4kpc（约1.3万光年）的位置上，没有观察到爆发重复。射电暴及其宿主的性质与仅有的其他精确定位的FRB源的属性明显不同。沿着视线方向的融合电子柱密度与星系间介质的模型紧密匹配，表明一些FRB是宇宙网重子组分的清洁探针。(编译自A single fast radio burst localized to a massive galaxy at cosmological distance. Science Vol. 365, Issue 6453, pp. 565-570 09Aug.)
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3 炭黑层将野火产生的烟雾上升到平流层，形成持续不断的烟柱
8月初，加拿大干燥气候导致山火频发，加拿大西部的不列颠哥伦比亚省8月3日当天就有446场山火燃烧，图片来自于BC Wildfire Service。
燃烧的黑烟，被称作“黑碳”，是含碳有机物(树木、柴草、石油、塑料垃圾、动物粪便等)不完全燃烧的产物，这种细颗粒的动力学直径小于2.5微米，体积小重量轻，分散并悬浮在空气中，被称作黑碳气溶胶。8月,加拿大西北部发生大面积的野火向平流层注入了大量烟雾。美国科罗拉多大学和美国国家海洋和大气管理局的研究团队利用卫星观测和建模来描述烟雾的历史和化学特征。由于炭黑的太阳能加热，烟雾在2个月内上升到12至23公里的高度。随后，烟雾在平流层中停留了8个多月。有机碳的光化学损失导致烟的寿命比预期短40%，黑碳加热当地平流层大气达到7 K。研究表明：烟尘中黑碳气溶胶的吸收加热的抬升作用是真实的，可以将烟羽抬升到更高的平流层高度，由于平流层里大气稳定，以水平运动为主，因此可以在大气中存在较长的时间，从而产生更持久的气候影响。该研究为了解核战争爆发烟雾对全球气候的潜在影响提供了新的视角。
(编译自Black carbon lofts wildfire smoke high into the stratosphere to form a persistent plume.ScienceVol. 365, Issue 6453, pp. 587-59009 Aug.)
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4多组分原子薛定谔猫态的产生可达20个量子比特，里德堡原子阵列中薛定谔猫态的产生与操控
超导量子计算因其可扩展性强、易于操控等方面的优势，成为目前最有前景的量子计算方案之一。在超导量子计算实用化研究的道路上，持续高品质地扩展量子比特规模是当前研究的核心目标和主要技术挑战。浙江大学王浩华课题组、中科院物理研究所范桁、郑东宁课题组所组成的超导量子计算团队，与中科院自动化所、北京计算科学研究中心合作，在超导多量子比特纠缠态的制备方面取得重要进展。研究人员经过近两年时间的器件设计与制备、实验测控运行及数据处理，成功将全局量子纠缠的量子比特数目推进到20个，特别是实现了18个量子比特GHZ态制备，其保真度超过GHZ多体真纠缠的判据阈值，并首次展示了20量子比特5组分薛定谔猫态。这一成果将固态系统GHZ态纠缠量子比特数世界纪录从10个推进到18个，薛定谔猫态比特数推进到20个。同期《科学》上背靠背发表了哈佛大学Mikhail Lukin组20量子比特薛定谔猫态的工作，他们利用里德堡原子制备了薛定谔猫态并证明其GHZ态的纠缠数目可以达到20量子比特。研究人员进一步展示了利用GHZ态将纠缠分布到阵列中较远位置的纠缠操作，为量子信息处理和量子计量奠定了重要基础。
(编译自Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits &Generation and manipulation of Schrödinger cat states in Rydberg atom arrays. Science Vol. 365, Issue 6453, pp. 574-577 &pp. 570-574 09 Aug. )
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5任意离子量子位上的全局纠缠逻辑门
清华大学交叉信息研究院金奇奂研究组最近成功在离子阱系统中实验演示了超过两比特的全局纠缠逻辑门。金奇奂组在实验系统中对一种基于离子阱系统的全局纠缠门实现方案进行了演示与性能测试。离子阱系统作为实现大规模通用量子计算最具潜力的系统之一，具有最长的量子比特相干时间，能够执行高保真度的量子态测量与量子门操作。通过在单个势阱中囚禁多个离子，量子比特数可以扩展至数十至上百个，而基于此的小规模可编程量子计算机也在近日实现。离子阱量子计算系统利用激光驱动下量子比特与离子链联合振动模式的耦合实现比特间的纠缠，具有天然的全连接特性(即任意两个量子比特间都存在可控的相互作用)。因此任意比特间的量子纠缠仅需要单发操作(single shot)即可实现。这种全连接优势也使得全局纠缠门的实验实现成为可能。本研究所提出方案的关键在于优化与调制激光脉冲的强度和相位，以均匀地驱动所有量子比特间的相互作用。研究人员的方法实现了作为通用量子计算的可扩展的全局纠缠逻辑门，激发了未来可扩展的量子信息处理全局方法的研究。
(编译自Global entangling gates on arbitrary ion qubits.Nature Letter 24 July )
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6气候变化和过度捕捞增加了海洋食肉动物的神经毒性
鱼类是人类接触甲基汞(MeHg)的主要来源，而甲基汞是一种强效的神经毒性物质。为了研究海水升温和过度捕捞对鱼体内甲基汞含量的影响，美国哈佛大学的Amina Schartup、Elsie Sunderland和同事分析了大西洋西北部缅因湾超过30年的生态系统、沉积物和海水中甲基汞含量的数据。分析显示，从上世纪70年代到本世纪前，大西洋鳕鱼组织中的甲基汞含量升高了23%。作者把这种变化归因于由于过度捕捞造成的食性转变——过度捕捞让鳕鱼对大型鲱鱼和龙虾这类猎物的依赖度上升，而这些鱼类比鳕鱼在70年代的捕食对象甲基汞含量更高。作者发现，海水温度从1969年的低点逐渐上升，可能导致了大西洋蓝鳍金枪鱼体内甲基汞含量升高了约56%。虽然自上世纪90年代末以来，海水中的毒素浓度已经有所下降，但该研究表明，海洋暖化以及过度捕捞导致的食性转变可能会使部分人类可食用鱼类体内的甲基汞（MeHg）含量增加。
(编译自Climate change and overfishing increase neurotoxicant in marine predators.Nature Letter07 Aug.)
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7 通过多态纳米结构设计的超高能密度无铅介质薄膜
具有超高的功率密度的介质电容器是电气和电子系统中的基本储能元器件。但其能量密度较低，阻碍了介质电容器的大规模应用和电子工业的发展。清华大学的南策文院士和林元华教授等研究人员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。在相场模拟的指导下，他们构思并合成了无铅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。他们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。这种方法有望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。(编译自Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design. Science Vol. 365, Issue 6453, pp. 578-582 09Aug. )
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8撒哈拉以南非洲地下水对气候变化弹性的观测控制
撒哈拉以南非洲的地下水支持生计和减轻贫困，维持重要的生态系统，并对陆地水和能源预算有着至关重要的影响。由于缺乏严格的观测限制，对该干旱地区水资源减少的基于模型的预测是否合理仍有待观察。
英国伦敦大学Mark O. Cuthbert和同事对撒哈拉以南非洲几十年地下水水文图的分析表明，干旱程度决定了地下水的主要补给过程，当地水文地质则会影响降水—补给关系的类型和敏感性。在一些湿润地区，年降水量的变化范围很广，补给量的变化幅度最小可达5%。极端的年补给通常与强降雨和洪水事件有关，而这些事件本身往往是由大规模的气候控制造成的。
研究结果挑战了有关撒哈拉以南非洲地区水资源减少的“高度确定性”共识。这些降水—补给关系揭示了许多地区地下水对气候变化的潜在弹性，这对于可靠预测气候变化影响和适应战略至关重要。
(编译自Observed controls on resilience of groundwater to climate variability in sub-Saharan Africa.Nature V.572,Issue 7768, P. 230-23408Aug.)
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9 三层石墨烯莫尔超晶格中可调谐超导性的特征
三层石墨烯(ABC-TLG)/hBN异质结为三角形Hubbard模型的系统研究提供了理想的平台：理论计算表明，该异质结系统的三角形超晶格中表现出一个近乎平整的独立的微带，通过垂直电场的变化，可以调整微带的带宽。相比之下，魔角扭曲双层石墨烯则表现出两个平坦的微带，并且总在单粒子带结构中相交。
有鉴于此，加州大学伯克利分校王枫、南京大学张远波、斯坦福大学David Goldhaber-Gordon等团队报道了在1/4填充Mott状态，三层石墨烯（ABC-TLG）/hBN异质结中超导结构的调控变化特征。(1)在相对于1/4填充莫特态进行电子和空穴掺杂时，研究人员观察到两个明显的超导圆顶。(2)作者还发现，通过控制垂直电场，ABC-TLG / hBN异质结构中的超导、绝缘和金属态之间很容易发生转变。研究表明，ABC-TLG/hBN异质结构为探索可调谐三角形Hubbard模型中丰富的相关行为提供了有吸引力的模型系统。
(编译自Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice.Nature V.572,Issue 7768, P. 215-21908Aug.)
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10小鼠早期胚胎谱系分配和组织模式的分子结构研究
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者发表研究论文，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。
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。
(编译自Molecular architecture of lineage allocation and tissue organization in early mouse embryo.Nature Letter07 Aug.)
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11 中石器时代的采集者居住在埃塞俄比亚冰川覆盖的贝尔山脉的高海拔地区
对高山环境中早期人类定居的研究提供了对人类生理、遗传和文化适应潜力的见解。尽管最近报道了晚更新世甚至中更新世时期人类在青藏高原的出现，但对于高海拔地区早期人类持续定居的性质和背景知之甚少。
德国科隆大学Georg Miehe等人合作发现了中石器时代的采集者居住在埃塞俄比亚冰川覆盖贝尔山脉高海拔地区的证据，这是人类史前高海拔居住点的最早证据。位于非洲最大的高山生态系统中，人类对芬查.哈贝拉岩洞的重复占领可追溯到4.7万至3.1万年前。寒冷和冰川环境中可用资源包括对作为主要食物来源地方性啮齿动物的开发，这在促进晚更新世狩猎采集者占领该地点方面发挥了关键作用。
(编译自Middle Stone Age foragers resided in high elevations of the glaciated Bale Mountains, Ethiopia. Science Vol. 365, Issue 6453, pp. 583-587 09 Aug. )
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12热力学稳定的β-CsPbI3基钙钛矿太阳能电池效率逾18%
尽管β-CsPbI3具有有利于在串联太阳能电池中应用的带隙，但实验上沉积和稳定β-CsPbI3仍然是一个挑战。上海交通大学赵一新团队和洛桑联邦理工学院Grätzel团队、冲绳理工大学戚亚冰团队进一步提出了裂纹界面工程方法。不同于之前仅能对钙钛矿上表面进行钝化修饰的常规界面工程，裂纹填充界面工程在对β-CsPbI3上表面进行处理的同时，还可利用初始β-CsPbI3薄膜中存在的孔洞、缺陷等进行填充，通过这些微通道使碘化胆碱均匀分布于β-CsPbI3上下表层和内部，可以实现钙钛矿全方位的修饰改性。这些全方位分布的碘化胆碱不但全面钝化了β-CsPbI3层缺陷，而且优化了β-CsPbI3与电荷传输层之间的能级匹配，从而大幅度改善了器件的光伏性能。
最终，基于缺陷修复和能级优化后的β-CsPbI3全无机钙钛矿电池获得了>18%光电转换效率，经中国计量院第三方认证的最高效率18.3%，是当前无机钙钛矿太阳能电池的最高值。这些研究成果对无机钙钛矿太阳能电池和其他钙钛矿材料光电应用具有重要指导意义。
(编译自Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies >18%. ScienceVol. 365, Issue 6453, pp. 591-595 09 Aug. )
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微语：
生活不能等别人来安排，要自已去争取和奋斗；而不论其结果是喜是悲，但可以慰藉的是，你总不枉在这世界上活了一场。
——路遥《平凡的世界》
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策划：李泽红、贺彦平
编译：邓莉、刘畅
图片：来源于网络
编辑：刘虹佳
