编者按：
汇聚中科院、工程院、医科院、农科院、985高校及新型研发机构等近200家科研院所、单位发布的研究成果，通过多源动态提取信息因子，按领域维度、期刊级别、创新载体、学者信息、时间梯度等多维度权重，经人工智能计算分析，国际科技创新中心网络服务平台开发了“科创热榜”的推荐榜单。
基于国际科技创新中心网络服务平台（www.ncsti.gov.cn）科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，我们为大家带来第十期。
炎热的夏季终于接近尾声，实现全球碳中和日益成为国际社会的共识与紧迫需求。本周的多项研究成果围绕双碳目标展开：中科院植物所发表了草地土壤碳固存综述文章，并拿出行动方案建议；中科院大气物理所开展了碳中和目标下的平均与极端气候变化预估研究，预测东亚气温变化的新格局；武汉大学在钙钛矿太阳能电池研究方面取得多项进展并发表研究综述文章。此外，我国科学家还在非厄米拓扑光子学、量子科学、类脑计算等研究领域取得了重要进展……
1.《Science》｜中科院植物所发表草地土壤碳固存综述文章
草地土壤有机碳形成、周转和稳定性维持与调控机制
地球上的草地储存了陆地生态系统有机碳总量的34%，其中约90%的碳储存在植物根系和土壤中。厘清草地土壤有机碳形成、周转和稳定性维持与调控机制，对于实现“双碳”目标具有重要意义。
中科院植物所白永飞研究员与合作者在《Science》发表研究综述，基于微生物在土壤有机碳形成和持久性中起关键作用这一新范式，提出了植物多样性通过影响地上和地下生物量分配、凋落物和根系分泌物碳输入，调控土壤微生物体内转化、体外修饰和微生物残体续埋过程，进而调控矿物结合态有机质和颗粒态有机质的形成、积累和持久性的概念框架。
综述还提出了未来草地生态系统保碳增汇基础研究与技术研发的重点领域和行动方案，需要采取行动包括：1）恢复各类退化草地；2）改进放牧地管理；3）合理配置草地的生态-生产功能；4）保护草地生物多样性；5）牧场和人工草地中种植豆科植物；6）改善草地施肥管理；7）避免草地转化为农田、林地和其它用地。
2.《先进能源材料》｜台启东课题组钙钛矿太阳能电池研究取得多项进展
从效率和稳定性两个方面对碳基无机钙钛矿太阳能电池进行系统归纳
近期，武汉大学台启东课题组在钙钛矿太阳能电池研究方面取得多项进展。
课题组提出一种高分散性的氧化镍纳米颗粒的新型合成方法，通过使用四烷基氢氧化铵作为沉淀碱，利用其不同烷基链长度实现对NiOx薄膜能级的调控，最终获得接近23%的光电转换效率。这是基于NiOx的倒置钙钛矿电池最高效率之一。
课题组还提出了一种氟化双界面策略，以克服低温碳基无机钙钛矿太阳能电池中普遍存在的体相缺陷和界面能级失配损害器件光伏性能的难题。双界面优化的器件实现了14.05%的效率，且表现出更好的湿、热和光照稳定性。以上两项研究成果均发表在《先进功能材料》。
此外，课题组应邀在《先进能源材料》发表综述文章，通过对碳基无机钙钛矿太阳能电池器件结构、工作原理、材料性质、制备工艺的系统归纳，介绍了一系列提高器件效率的策略，包括制备工艺优化、溶剂工程、组分工程、界面工程、电荷传输层优化等，同时阐述了碳基无机钙钛矿太阳能电池在湿、热和光照环境压力下的稳定性等问题。
3.《Physical Review Letters》｜非厄米拓扑光子学领域取得重要进展
设计增益损耗的分布，可以在二维体系内不同位置诱导出角
一个来自北大、北理工、港科大的联合研究团队提出了一种通过引入不同畴拓扑态之间耦合系数来构建体系有效哈密顿量的新方法，为研究新型增益-损耗畴壁拓扑光学体系提供了较为普适的研究方案。
在由紧束缚哈密顿量H_1D描述的一维AAH构型中，使用拟合的方法确定有效哈密顿量H_eff的相关参数，理论计算发现有效哈密顿量H_eff可以准确的描述相应拓扑态的模式分布与模式频率。
同时，研究团队将该方法推广至高维，通过在二维AAH构型中构造十字形的增益-损耗界面，还实现了由增益-损耗畴壁诱导的拓扑角态，并成功构建出有效哈密顿量分析相应现象，通过适当调整体系参数与体系内的增益损耗分布，可以在二维体系内的不同位置诱导出拓扑角态。
4.《Nature Physics》｜同种离子间无串扰的双重量子比特编码首次实现
实验方案示意图
离子阱系统是量子计算和量子网络最有希望的系统之一，对于离子量子计算和量子网络系统，拥有两种相互间无串扰的量子比特类型至关重要：一种比特类型用于计算和存储，称为“数据比特”；另一种比特类型用于测量、协同冷却、离子-光子纠缠等辅助操作，称为“辅助比特”。
此前的离子阱量子计算研究需要采用两种不同种类的离子分别担任这两种类型的量子比特，但实现不同种类离子之间的高保真度量子纠缠逻辑门极具挑战，且随着离子阵列规模的扩大，调控两种类型离子的分布及位置并实现协同冷却也愈发困难。
为了克服上述困难，清华大学段路明研究组在实验上利用同种离子的两对超精细结构能级分别编码了这两种类型的量子比特（S-qubit和F-qubit），利用411nm和3432nm的双色窄线宽激光实现了两种量子比特之间保真度99.5%的微秒量级相干转换，并演示了对其中一种量子比特进行初态制备、测量、单比特逻辑门、激光冷却等操作时，另一种量子比特的串扰错误率小于0.06%，低于容错量子计算约1%的错误率阈值。
该技术解决了未来大规模离子量子计算和量子网络的一个关键难点。
5.《Cell Reports》｜小鼠听觉皮层亚细胞结构的三维电镜重构算法
（上左）听觉条件恐惧学习的对照组和实验组。
（上右）轴突小结与树突棘替换或增加的示意图。
（中左）不同突触连接模式的电镜图像及三维重构结果。1-N型突触由单个轴突小结与多个树突棘形成，N-1型突触由多个轴突小结与单个树突棘形成。
（中右）不同突触连接模式示意图。绿色：树突；蓝色：轴突。
（下左）密集重构揭示绝大多数1-N型突触中的树突棘来自不同树突主干。
（下右）无新增突触的静态网络和包含新增突触的可塑性动态网络。
哺乳类动物大脑中的突触连接模式，包括单位点突触连接和多位点突触链接。由于突触间隙宽度仅有几十纳米，低于一般光学显微镜的衍射极限，观察突触结构的精细变化非常困难。与此同时，突触三维结构的光学数据获取和分析高度依赖于人工，更是极大限制了突触结构的重建数量和分析规模。
来自中科院和上海科技大学的联合研究小组以经典的听觉条件恐惧学习为范式设置了实验组和对照组，基于大规模序列电子显微镜成像技术和深度学习识别模型，实现了电镜图像中多种亚细胞三维结构的自动提取，重构了小鼠听觉皮层135,000个线粒体和160,000个突触。大规模对比分析表明，尽管恐惧学习训练没有改变突触的空间密度与空间分布，却特异性地增加了1-N型突触的比例，其中绝大多数为多树突1-N型突触，此种突触在神经元网络中能够起到信号广播的作用。
为了进一步分析多树突1-N型突触的信息编码能力，研究组建立了基于香农信息熵来计算突触信息存储容量的组合数学模型。在无新增突触的静态网络中，引入此类突触只是略微增加了信息存储容量，而在包含新增突触的动态可塑性网络中，此类突触将信息存储容量显著提高了50%。
该项研究在亚细胞水平揭示了学习记忆对大脑皮层突触、线粒体的组织结构和连接模式的影响，为类脑计算仿生模型的精确建模提供了结构基础和启发依据。
6.《理论与应用气候学》｜碳中和时期东亚气温变化将呈现新格局
SSP1-1.9可持续发展路径下的碳中和时期（2050-2060年）及SSP2-4.5和SSP5-8.5排放情景下相同时期，CMIP6多模式预估的温度日较差（昼夜温差）相对于1995-2014年历史基准期的变化。黑点表示通过了95%信度检验
实现全球碳中和已成为国际社会的共识，随之也带来了关注面向碳中和的气候变化预估研究新需求。
中科院大气物理所张井勇团队及合作者系统开展了碳中和目标下的平均与极端气候变化预估研究。研究表明在可持续发展路径下的碳中和时期（2050-2060年）东亚气温变化将呈现新格局。
在可持续发展路径下，相对于1995-2014年历史基准时期，东亚地区的日平均、日最高和日最低温度在2050-2060年增温幅度均大体表现为从西南向东北不断增加的特征，最大增温出现在中国华北与东北。对比而言，在中等与高排放路径下的同一时期，三个温度变量的增幅则为从南到北不断增加。同时，气温日较差或昼夜温差在可持续发展路径下的碳中和时期也表现为显著不同的空间变化特征。
7.《Nature Communications》｜可用于器官芯片中原位检测的胶体晶体微结构制备成功
激光直写的胶体晶体微结构
光子晶体水凝胶材料具备独特的将环境参数改变转化为颜色变化的性质，被视为制造新型微传感器件的优越材料。但现有的制造技术无法有效的加工出微小的、材料和结构可任意设计的光子晶体凝胶，显著地限制了这类新颖材料的潜在应用。
为了解决这个问题，东南大学顾忠泽教授团队发展出了“可牺牲支架介导的双光子光刻”技术。针对激光直写加工过程中对有序排布的纳米粒子的扰乱问题，提出以二硫键交联的水凝胶网络锁定已组装有序的二氧化硅粒子形成胶体晶体薄膜，将用于二次聚合的前驱液渗入到该薄膜内，然后进行膜内的激光直写。加工结束后，将二硫交联网络降解，最终获得激光直写的胶体晶体微结构。
利用这种方法，团队实现了自由度极高的光子晶体凝胶的微制造，这为进一步构建更加复杂的光子晶体凝胶微传感器系统打下了基础。
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发表于 2024-4-25 09:16:14
