一周前沿科技盘点平坦能带新技术有效增强自由电子与光子兼容性

　　光子和电子的波长存在巨大鸿沟，以至影响其相互作用强度。最近，科学家基于平坦能带原理开发出一种新技术，极大增强两者之间的兼容性；宇宙早期拥有巨大的速度弥散，会阻碍星系旋臂结构的形成，然而，科学家最近发现了一个距今114亿光年的多旋臂星系，深化了人们对宇宙早期星系演化的认知；受限于化石发现，从恐龙到鸟类的演化研究存在一些迷雾地带。近日科学家发现一种奇异的白垩纪鸟科新属种，并还原其独立演化细节基于国际科技创新中心网络服务平台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，为大家带来第二十七期。
　　1《Nature》平坦能带新技术可增强自由电子与光子兼容性
　　艺术描绘下的自由电子与光子晶体平坦能带的相互作用（陈磊）
　　电子与光子的相互作用是许多现代技术的关键部分，从激光到太阳能电池板再到LED上亦然。但尺度上的不兼容削弱了它们之间相互作用的强度。
　　近日，来自香港大学与麻省理工学院的联合研究团队揭示了光子平带可以克服这种不兼容。该作用过程涉及动量在电子与光子之间的匹配，传统的光自由电子相互作用依赖于单一横模的光，而基于平带的光子晶体调谐方式使其能够同时以相同的频率产生一系列横向模式。
　　研究团队在绝缘体上硅光子晶体板中设计了平带共振，通过调整其轨迹和速度来控制和增强相关的自由电子辐射。研究观察到平带增强的特征，并记录到约两个数量级的史密斯珀塞尔辐射增加。这种增强使自由电子辐射的极化成形和通过电子束测量的光子带的表征成为可能。
　　团队表示，该系统有望用于产生多种纠缠光子，用于创建基于量子的计算和通信系统。这一电子光子复合方案是令人兴奋的未来研究方向之一。
　　2《德国应用化学》锂离子动力电池正极材料研究取得进展
　　无钴超高镍正极材料在长周期循环过程中的两种不同失效机制
　　高镍三元氧化物因其高容量成为电动汽车锂离子电池正极材料中利用率最高的材料。为进一步降低成本和提高电化学容量，需要尽可能降低钴含量和提升镍含量。但是，随着镍含量的增加，材料表面化学稳定性和结构稳定性逐渐变差，从而导致其循环性能和热稳定性欠佳。因此，探索高镍正极材料结构失效机制成为业界热点。
　　为此，西安交大滑纬博课题组与国内外科研人员合作，通过调整烧结温度合成出一种具有不同阳离子无序度的无钴高镍正极材料，结合同步辐射衍射、X射线吸收谱、对分布函数分析等技术深入探究NA材料长程阳离子无序程度与容量衰减的关联性。研究表明，具有较低阳离子无序度的NA颗粒表面在快速充放电过程中体相仍保持着有序的层状相，但其表面易形成与体相晶格失配的无序层状相（疲劳相），使其失效过程趋于异相反应。这种核壳结构大大增加了锂离子在晶粒中的扩散壁垒，导致材料在循环过程中容量快速衰减。相比之下，具有较高阳离子无序度的NA正极材料在电化学反应过程中晶格畸变应变逐渐累积于整个颗粒中，失效过程更趋于均相反应，反而导致其容量衰减缓慢。
　　3《天体物理杂志快报》科学家发现宇宙迄今最早期的多旋臂漩涡星系
　　宇宙最早期的多旋臂漩涡星系
　　银河系以及知名的近邻星系，都存在巨大的旋臂结构。然而，之前对早期宇宙的观测表明，星系的形状很可能是不规则的。恒星在宇宙早期拥有巨大的速度弥散，而这样剧烈的运动则会阻碍旋臂形成。
　　然而，清华大学天文系利用爱因斯坦的引力透镜效应，结合詹姆斯韦伯高清的分辨率，发现了一个位于早期宇宙的多旋臂星系，它形成于大爆炸后仅20亿年左右，距今114亿光年，宇宙学红移为z3。06，这是目前唯一一个在红移高于3的宇宙发现的螺旋星系，也是目前人类发现的最早期的多旋臂星系。它处于一个极其致密的环境中，并且拥有巨量尘埃。这一星系的质量相当于百亿个太阳质量，并且每年新形成80个太阳质量的恒星。
　　这一观测进一步表明，大旋臂可能是由于致密环境和星系间的并合触发。在宇宙早期，复杂系统中引入的更多引力扰动，有望加速旋臂结构的形成。该星系直径约为5。8万光年，接近我们银河系直径的一半。
　　4《ScienceAdvance》费米尺度双缝干涉实验取得重要进展
　　0介子的双缝干涉示意图及其衰变角二阶余弦调制系数的测量结果
　　近半个世纪以来，实验学家们相继以光子、电子、原子、分子和生物大分子作为干涉实体，实现了单粒子的双缝干涉思想实验。那么，高能核物理实验中常见的不稳定粒子是否也能够作为实体产生双缝干涉现象呢？中科大STAR组主导的联合研究团队利用甚高能原子核对撞中相干光致产生的不稳定粒子0（寿命约为1费米光速）作为干涉实体实现了费米尺度的双缝干涉实验，也是目前尺度最小的双缝干涉实验。
　　在金核金核碰撞中，两个对撞核都可以作为0介子散射的靶核，从而形成干涉。该过程产生的0介子是完全线性极化的，其衰变产物趋向于沿着极化方向运动，从而导致衰变角的二阶余弦调制随着0介子横动量大小呈现周期变化，这是双缝干涉现象在极化空间的首次体现。有意思的是，在这些对撞中两个缝之间的典型距离约为20费米，远大于0介子衰变之前所能到达的距离，这表明来自两个缝的0介子波函数在相遇重叠之前就已经衰变，0介子的双缝干涉实际上是由其衰变产物的协同合作而产生。这些衰变的对超时空地协同完成干涉，是诠释量子纠缠现象的一个绝佳范本。
　　5《Optica》上海光机所将莫比乌斯环结构引入光纤激光器研究
　　该研究入选Optica封面图片
　　将莫比乌斯环结构引入光学腔，会观察到有别于寻常光学腔的相位和偏振特性。文献中有莫比乌斯环光学微腔的报道，但微腔结构制备需要高精度的工艺，而利用光纤搭建莫比乌斯环形腔甚至激光器十分便捷。将保偏光纤两端偏振轴扭转后熔接在一起，就可以形成莫比乌斯环环形腔。其中，180和90扭转即为两种类莫比乌斯环的情况。在实际光纤熔接时，很难区分0和180熔接，因而0和180扭转下的输出特性差异是个值得研究的问题。90扭转的情况曾被用来解决光纤陀螺仪中的温度敏感问题，目前尚未有此类光纤激光器的研究。
　　为此，中科院上海光机所研究人员建立了基于琼斯矩阵的理论模型，求解了任意扭转角度的保偏光纤环形腔的本征偏振态和纵模。理论分析表明光纤轴的扭转会导致本征偏振态杂化，同时带来几何相关的相移，并进一步引起纵模的频移。研究人员对两种莫比乌斯环（180和90扭转）的情况进行了详细分析，其中光纤偏振轴的90扭转会带来独特的偏振和纵模特性。研究人员实验上搭建了90扭转的莫比乌斯环光纤激光器，对激光输出进行了偏振与纵模拍频谱测量，验证了理论预测。
　　6《NatureEcologyEvolution》白垩纪鸟类演化研究取得新进展
　　朱氏克拉通鸷复原图（赵闯绘制）
　　中生代记录了鸟类如何从恐龙演化出来，并演化出独有的体型特征。这一演化阶段鸟类谱系的多样性主要以鸟胸类为主，鸟胸类已经演化出大量与现生鸟类相似的形态特征，与始祖鸟在形态上差异巨大。演化位置介于二者之间的基干鸟类则为填补这一鸿沟提供了重要信息。但是长期以来受限于化石发现，限制了对基干鸟类早期分异的研究。
　　中科院古脊椎所李志恒、王敏研究团队发现属于热河生物群基干鸟类巾帼鸟科的新属种，研究人员将其命名为朱氏克拉通鸷。克拉通鸷与兽脚类恐龙在头骨形态上相差无几，表明克拉通鸷并未演化出头骨可动性，即上颌独立于脑颅和下颌发生运动。与之相对，克拉通鸷的头后骨骼却已经具有大量鸟类的进步特征，例如骨化的胸骨，加长的前肢等，说明了头骨和身体的模块化演化，头骨特别是颞区和腭区在演化上比较保守。
　　克拉通鸷最为特殊的是具有异常长的肩胛骨和第一蹠骨。肩胛骨在克拉通鸷中的独立加长有可能是适应飞行的一种尝试。克拉通鸷的第一蹠骨的相对长度远超过其他鸟类和多数恐龙。而在恐龙鸟类演化中，第一蹠骨显示出缩短的趋势，第一蹠骨在克拉通鸷中的加长是独立演化的结果。