腸道類器官修復(fù)的表型圖譜

Nature封面：從小鼠成年腸干細(xì)胞（分化與增殖細(xì)胞染色）培養(yǎng)而來的類器官。Nature雜志第7828期封面文章報(bào)道了一種基于類器官的篩選平臺，用于鑒定能促進(jìn)腸道修復(fù)的化合物。這種類器官越來越多地被用于研究器官的發(fā)育和生理學(xué)特征，以及新藥的測試。研究人員Prisca Liberali和她的同事通過創(chuàng)建數(shù)十萬個(gè)類器官的表型指紋圖譜，得以繪制參與細(xì)胞命運(yùn)和再生的基因相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，腸道壁細(xì)胞的分化依賴于維甲酸信號傳導(dǎo)，并且抑制維甲酸的一種細(xì)胞受體可以促進(jìn)腸道修復(fù)。

含碳硫化氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)

Nature封面：在更高的溫度上探尋超導(dǎo)材料。Nature雜志第7829期封面文章報(bào)道了室溫超導(dǎo)研究進(jìn)展。超導(dǎo)體是指在某臨界溫度以下電阻為零的導(dǎo)體，隨著20世紀(jì)80年代高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，在更高的溫度上尋找超導(dǎo)材料的研究逐漸發(fā)展。Ranga Dias及同事完成了一個(gè)長期尋求的里程碑：室溫超導(dǎo)材料。研究人員生成了一種光化學(xué)轉(zhuǎn)換含碳硫化氫系統(tǒng)，能夠在15 ℃左右表現(xiàn)出超導(dǎo)性。目前，要實(shí)現(xiàn)這一超導(dǎo)現(xiàn)象仍需要至少270GPa的高壓，但是研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為通過化學(xué)控制，可使該系統(tǒng)在更低的壓力下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

疫苗設(shè)計(jì)

Nature封面：基于包豪斯藝術(shù)家——保羅·克利（Paul Klee）的著名作品，對新冠肺炎病毒（SARS-CoV-2）疫苗研發(fā)之路的重新構(gòu)象。Nature雜志第7830期特刊文章報(bào)道了疫苗研究的進(jìn)展。為了研制出能遏制新冠肺炎（COVID-19）大流行的有效疫苗，研究人員以從未有過的速度完成了從病毒測序到臨床試驗(yàn)的過程。該期雜志刊發(fā)的多篇論文闡釋了新冠病毒候選疫苗的設(shè)計(jì)策略和臨床試驗(yàn)的結(jié)果。另有一篇綜述文章總結(jié)了疫苗研發(fā)進(jìn)展，并指出迄今為止的跡象表明，一種安全有效的疫苗或能在數(shù)月內(nèi)而不是數(shù)年內(nèi)問世。

深度非洲群體基因組信息幫助揭示人類遷移和健康狀況

Nature封面：該研究中收集的遺傳數(shù)據(jù)子集被轉(zhuǎn)化為津巴布韋萬壽菊珠飾細(xì)工合作社的手工珠鏈。Nature雜志第7831期封面文章報(bào)道了對50個(gè)民族語言群體的426名個(gè)體的全基因組序列分析結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)了300多萬個(gè)新的基因變體，其中大部分來自新采樣組，而且還鑒定出了62個(gè)之前未報(bào)道過的與病毒免疫、DNA修復(fù)、代謝相關(guān)的基因。此外，他們在群體內(nèi)部和群體之間觀察到了復(fù)雜的血統(tǒng)混合模式，并且發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明，贊比亞可能是講班圖語群體向外擴(kuò)張路線上的中間點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)幫助增進(jìn)了科學(xué)家對于人類在非洲大陸遷移的理解。

（本頁期刊封面圖來自Nature官網(wǎng)）

對科學(xué)的影響

Science封面：在大旋渦中投票。Science雜志第6514期封面文章報(bào)道了Weathering the storm（《渡過難關(guān)》）以及Speed and American elections（《速度與美國選舉》）兩篇關(guān)于美國大選的文章，研究了特朗普在科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜“遺產(chǎn)”。唐納德·特朗普（Donald Trump）擔(dān)任總統(tǒng)期間的標(biāo)志是對科學(xué)和證據(jù)的不屑一顧。如今，選民們正在決定誰將在一系列與科學(xué)有關(guān)的危機(jī)中占領(lǐng)白宮，這些危機(jī)包括新冠肺炎（COVID-19）疫情大流行、森林大火和氣候變化，以及圍繞移民和種族正義的激烈辯論。文章敘述了美國科學(xué)家們分析唐納德·特朗普總統(tǒng)在任45個(gè)月期間的表現(xiàn)。

野生黑猩猩衰老過程中的社會選擇性研究

Science封面：生活在烏干達(dá)Kibale國家公園的Kanyawara社區(qū)的一只25歲雄性黑猩猩，老朋友Lanjo。Science雜志第6515期封面文章報(bào)道了Rosati等人使用比較數(shù)據(jù)來評估社會心理學(xué)中一個(gè)著名理論。長期觀察表明，野生黑猩猩與人類一樣，在衰老過程中越來越優(yōu)先考慮牢固的、相互之間的社會紐帶和積極的社會互動，揭示了社會老齡化的進(jìn)化根源。雄性倭黑猩猩的社交行為會隨著年齡的增長發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為真朋友（mutual friendship）的數(shù)量增加，更多地與較為重要的同伴（其他年長倭黑猩猩）社交，攻擊性下降和積極社交增加。

奇努克鮭魚遷移時(shí)機(jī)的遺傳基礎(chǔ)

Science封面：俄勒岡州河流中游弋的大馬哈魚。Science雜志第6516期封面文章報(bào)道了奇努克鮭魚遷移時(shí)機(jī)的遺傳基礎(chǔ)。長期以來，人們一直認(rèn)為能夠區(qū)分生態(tài)型的生理和生殖差異是由于夏季居住所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)。通過對加利福尼亞州克拉馬斯河的部落漁業(yè)捕撈的鮭魚進(jìn)行基因組測序和分析表明，不同種群中的鮭魚生態(tài)型是由簡單的孟德爾多態(tài)性導(dǎo)致的，該多態(tài)性影響產(chǎn)卵移徙的季節(jié)性。遷徙時(shí)間是由一個(gè)包含兩個(gè)基因的單一基因組區(qū)域控制的，該區(qū)域的遺傳變異包括單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和短重復(fù)，它們共同形成具有連鎖等位基因的獨(dú)特單倍群。因此，鮭魚返回時(shí)間和相關(guān)表型由遷移環(huán)境而非遺傳學(xué)影響決定。

原始小行星貝努（101955 Bennu）

Science封面：近地碳質(zhì)小行星貝努（101955 Bennu）的彩色圖像。Science雜志第6517期特刊文章報(bào)道了對近地碳質(zhì)小行星Bennu的測繪與研究。Bennu由OSIRIS-REx宇宙飛船觀測到。激光雷達(dá)衍生的形狀模型在灰度上與反照率重疊，在彩色上與富含碳物質(zhì)的地圖和顯示近紫外線和近紅外光譜斜坡的偽彩色圖像重疊。新數(shù)據(jù)提供了Bennu的組成信息，限制了它的形成過程，并顯示了它的表面是如何演變的。該小行星上含有豐富的含碳物質(zhì)，表面明亮的碳酸鹽脈暗示水蝕史，表面的顏色和反射率的變化也在進(jìn)一步研究中。

（本頁期刊封面圖來自Science官網(wǎng)）

相對論電子束的高梯度級聯(lián)太赫茲加速

清華大學(xué)工程物理系黃文會教授等人在太赫茲加速領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Photonics。現(xiàn)階段，相關(guān)研究多集中在低能電子加速領(lǐng)域，相對論電子的太赫茲加速由于缺少超強(qiáng)太赫茲輻射源、高品質(zhì)超短超快電子束，以及精密的同步控制技術(shù)，近年來一直發(fā)展緩慢。該研究完成了世界上首次相對論電子束的級聯(lián)太赫茲加速方案的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波對相對論電子束的兩級級聯(lián)加速，將太赫茲加速領(lǐng)域的加速梯度和能量增益提高了一個(gè)量級。這一研究成果是太赫茲加速領(lǐng)域中的技術(shù)突破，驗(yàn)證了太赫茲加速技術(shù)走向高能的技術(shù)可行性。

級聯(lián)太赫茲加速器概念圖（圖片來源于清華大學(xué)網(wǎng)站）

級聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖片來源于清華大學(xué)網(wǎng)站）

J方程和超臨界厄米特-楊振寧-米爾斯方程的變形

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)幾何與物理研究中心特任教授陳杲在復(fù)微分幾何領(lǐng)域取得進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于Inventiones Mathematicae。論文發(fā)表后引發(fā)了國際數(shù)學(xué)界的積極關(guān)注。這項(xiàng)研究屬于復(fù)微分幾何研究范疇，該領(lǐng)域有兩個(gè)來自物理學(xué)的方程至關(guān)重要，一個(gè)是成為量子力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的厄米特-楊振寧-米爾斯方程，另一個(gè)是和相對論緊密相關(guān)的凱勒-愛因斯坦方程。該研究是在穩(wěn)定的前提下，解出陳秀雄和唐納森獨(dú)立提出的J方程以及丘成桐等人提出的超臨界厄米特-楊振寧-米爾斯方程的變形，在厄米特-楊振寧-米爾斯方程和凱勒-愛因斯坦方程之間建立起了橋梁。

吸熱電荷分離態(tài)介導(dǎo)的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移新機(jī)制

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所光電材料動力學(xué)特區(qū)研究組研究員吳凱豐團(tuán)隊(duì)，在無機(jī)/有機(jī)界面三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移動力學(xué)研究方面取得新進(jìn)展，提出并在實(shí)驗(yàn)上論證了吸熱電荷分離態(tài)介導(dǎo)的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移新機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一系列不同殼層厚度的CdSe/ZnS核殼納米晶，通過ZnS層的厚度定量調(diào)控隧穿到納米晶表面的電子和空穴波函數(shù)，同時(shí)保持電荷與能量轉(zhuǎn)移驅(qū)動力不變。溫度依賴的速率測量和模型計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證了吸熱空穴轉(zhuǎn)移介導(dǎo)的物理機(jī)制。此外，吸熱電荷轉(zhuǎn)移介導(dǎo)的TET對給受體距離的依賴性遠(yuǎn)弱于協(xié)同的雙電子TET，因而有望實(shí)現(xiàn)超長距離的三線態(tài)敏化。

摻雜Mott絕緣體的電子結(jié)構(gòu)演變研究進(jìn)展

中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組，與極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室靳常青研究組的博士趙建發(fā)，以及凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的向濤院士合作，對新型銅氧化物母體Ca3Cu2O4Cl2的電子結(jié)構(gòu)及其摻雜演變進(jìn)行研究。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications。長期以來，研究者一直希望能從角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)中獲得銅氧化物母體在微量摻雜情況下的完整電子結(jié)構(gòu)演變信息，由于缺乏合適的銅氧化物母體材料和精細(xì)的載流子調(diào)控手段，相關(guān)的角分辨光電子能譜研究一直難以開展。該研究利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)，提供了摻雜Mott絕緣體電子結(jié)構(gòu)演變的關(guān)鍵信息。

利用GeV重離子曝光制備亞5nm納米線

湖南大學(xué)段輝高教授課題組與中國科學(xué)院近代物理研究所杜廣華研究員課題組合作，利用蘭州重離子加速器高能微束裝置提供的2.15 GeV氪離子作為曝光源，在光刻負(fù)膠HSQ（氫硅倍半環(huán)氧乙烷）中獲得了特征尺寸小于5nm的超長徑比納米線結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表于Nano Letters。納米光刻是芯片制造和微納加工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過離子在光刻膠中的徑向能量沉積分布模擬計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)離子徑跡中心納米尺度內(nèi)的致密能量沉積達(dá)數(shù)千戈瑞。此外，對比曝光實(shí)驗(yàn)證明，該方法得到的納米結(jié)構(gòu)極限尺寸與離子徑向能量沉積和材料類型直接相關(guān)，這為利用重離子精確制備微納光刻結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。

利用氪離子束曝光制備的HSQ納米線結(jié)構(gòu)（圖片來源于中國科學(xué)院近代物理研究所網(wǎng)站）

氪離子徑跡中心能量沉積模擬計(jì)算及其在探測器中的顯微觀測（圖片來源于中國科學(xué)院近代物理研究所網(wǎng)站）

擴(kuò)展且不可熱化多體臨界相存在性研究

北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心劉雄軍等人和南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院俞大鵬院士合作，理論預(yù)言了具有擴(kuò)展但不可熱化特征的多體臨界相的存在。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。該研究首次準(zhǔn)確證明多體臨界相的存在，通過有限尺寸標(biāo)度分析，發(fā)現(xiàn)加上相互作用后，在熱力學(xué)極限下得到3個(gè)基本量子相，即除了多體遍歷相和多體局域相之外，存在多體臨界相。作者們進(jìn)一步研究了多體臨界相的重要基本性質(zhì)。包括：多體臨界相的能級統(tǒng)計(jì)既不服從遍歷相滿足的Wigner-Dyson分布也不服從多體局域相滿足的泊松分布，而是服從臨界分布。

利用“香蕉球”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)太赫茲高頻信號傳遞

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所副研究員王林與研究員陳效雙、陸衛(wèi)研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合東華大學(xué)、意大利拉奎拉大學(xué)，通過精確操控第二類狄拉克費(fèi)米子態(tài)誘導(dǎo)布洛赫自旋電子單向散射，實(shí)現(xiàn)高頻信號傳遞。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications。微電子芯片類似于一個(gè)“足球場”，如果把電子比喻成足球，信息交換主要依賴于電子點(diǎn)對點(diǎn)的快速傳輸、存儲與處理，但電子受到阻礙會產(chǎn)生功耗、熱耗散等。研究人員通過自旋極化角分辨光電子能譜（spin-ARPES）實(shí)驗(yàn)給出電子在自旋（s）、能量（E）、動量（k）3個(gè)維度詳細(xì)信息，在NiTe2材料表面觀察到自旋態(tài)電子的分布，并進(jìn)一步探索了新應(yīng)用。

求解組合優(yōu)化問題新方法

中國科學(xué)院理論物理研究所研究員張潘與哈佛大學(xué)博士后劉金國、中國科學(xué)院物理研究所王磊研究員合作，提出一種基于張量網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格求解組合優(yōu)化問題最優(yōu)解和零點(diǎn)熵的方法。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。組合優(yōu)化問題在科學(xué)和工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。很多組合優(yōu)化問題，如旅行商問題、圖染色問題等都是NP難問題。為此，物理學(xué)家發(fā)明了各種各樣嚴(yán)格和近似的方法尋找系統(tǒng)的基態(tài)。論文將張量網(wǎng)絡(luò)收縮中的加乘運(yùn)算替換為定義在極大-加法半環(huán)上的“熱帶”代數(shù)（Tropical Algebra），稱為熱帶張量網(wǎng)絡(luò)（Tropical Tensor Network）。通過收縮熱帶張量網(wǎng)絡(luò)，可計(jì)算自旋玻璃模型的基態(tài)能量和熵，從而直接研究零溫下的統(tǒng)計(jì)物理問題。