世界一流科技期刊文章精选

肠道类器官修复的表型图谱

Nature封面：从小鼠成年肠干细胞（分化与增殖细胞染色）培养而来的类器官。Nature杂志第7828期封面文章报道了一种基于类器官的筛选平台，用于鉴定能促进肠道修复的化合物。这种类器官越来越多地被用于研究器官的发育和生理学特征，以及新药的测试。研究人员Prisca Liberali和她的同事通过创建数十万个类器官的表型指纹图谱，得以绘制参与细胞命运和再生的基因相互作用。研究发现，肠道壁细胞的分化依赖于维甲酸信号传导，并且抑制维甲酸的一种细胞受体可以促进肠道修复。

含碳硫化氢系统实现室温超导

Nature封面：在更高的温度上探寻超导材料。Nature杂志第7829期封面文章报道了室温超导研究进展。超导体是指在某临界温度以下电阻为零的导体，随着20世纪80年代高温超导体的发现，在更高的温度上寻找超导材料的研究逐渐发展。Ranga Dias及同事完成了一个长期寻求的里程碑：室温超导材料。研究人员生成了一种光化学转换含碳硫化氢系统，能够在15 ℃左右表现出超导性。目前，要实现这一超导现象仍需要至少270GPa的高压，但是研究团队认为通过化学控制，可使该系统在更低的压力下实现超导。

疫苗设计

Nature封面：基于包豪斯艺术家——保罗·克利（Paul Klee）的著名作品，对新冠肺炎病毒（SARS-CoV-2）疫苗研发之路的重新构象。Nature杂志第7830期特刊文章报道了疫苗研究的进展。为了研制出能遏制新冠肺炎（COVID-19）大流行的有效疫苗，研究人员以从未有过的速度完成了从病毒测序到临床试验的过程。该期杂志刊发的多篇论文阐释了新冠病毒候选疫苗的设计策略和临床试验的结果。另有一篇综述文章总结了疫苗研发进展，并指出迄今为止的迹象表明，一种安全有效的疫苗或能在数月内而不是数年内问世。

深度非洲群体基因组信息帮助揭示人类迁移和健康状况

Nature封面：该研究中收集的遗传数据子集被转化为津巴布韦万寿菊珠饰细工合作社的手工珠链。Nature杂志第7831期封面文章报道了对50个民族语言群体的426名个体的全基因组序列分析结果。研究发现了300多万个新的基因变体，其中大部分来自新采样组，而且还鉴定出了62个之前未报道过的与病毒免疫、DNA修复、代谢相关的基因。此外，他们在群体内部和群体之间观察到了复杂的血统混合模式，并且发现证据表明，赞比亚可能是讲班图语群体向外扩张路线上的中间点。这些发现帮助增进了科学家对于人类在非洲大陆迁移的理解。

（本页期刊封面图来自Nature官网）

对科学的影响

Science封面：在大旋涡中投票。Science杂志第6514期封面文章报道了Weathering the storm（《渡过难关》）以及Speed and American elections（《速度与美国选举》）两篇关于美国大选的文章，研究了特朗普在科学领域的复杂“遗产”。唐纳德·特朗普（Donald Trump）担任总统期间的标志是对科学和证据的不屑一顾。如今，选民们正在决定谁将在一系列与科学有关的危机中占领白宫，这些危机包括新冠肺炎（COVID-19）疫情大流行、森林大火和气候变化，以及围绕移民和种族正义的激烈辩论。文章叙述了美国科学家们分析唐纳德·特朗普总统在任45个月期间的表现。

野生黑猩猩衰老过程中的社会选择性研究

Science封面：生活在乌干达Kibale国家公园的Kanyawara社区的一只25岁雄性黑猩猩，老朋友Lanjo。Science杂志第6515期封面文章报道了Rosati等人使用比较数据来评估社会心理学中一个著名理论。长期观察表明，野生黑猩猩与人类一样，在衰老过程中越来越优先考虑牢固的、相互之间的社会纽带和积极的社会互动，揭示了社会老龄化的进化根源。雄性倭黑猩猩的社交行为会随着年龄的增长发生变化，主要表现为真朋友（mutual friendship）的数量增加，更多地与较为重要的同伴（其他年长倭黑猩猩）社交，攻击性下降和积极社交增加。

奇努克鲑鱼迁移时机的遗传基础

Science封面：俄勒冈州河流中游弋的大马哈鱼。Science杂志第6516期封面文章报道了奇努克鲑鱼迁移时机的遗传基础。长期以来，人们一直认为能够区分生态型的生理和生殖差异是由于夏季居住所产生的环境效应。通过对加利福尼亚州克拉马斯河的部落渔业捕捞的鲑鱼进行基因组测序和分析表明，不同种群中的鲑鱼生态型是由简单的孟德尔多态性导致的，该多态性影响产卵移徙的季节性。迁徙时间是由一个包含两个基因的单一基因组区域控制的，该区域的遗传变异包括单核苷酸多态性（SNPs）和短重复，它们共同形成具有连锁等位基因的独特单倍群。因此，鲑鱼返回时间和相关表型由迁移环境而非遗传学影响决定。

原始小行星贝努（101955 Bennu）

Science封面：近地碳质小行星贝努（101955 Bennu）的彩色图像。Science杂志第6517期特刊文章报道了对近地碳质小行星Bennu的测绘与研究。Bennu由OSIRIS-REx宇宙飞船观测到。激光雷达衍生的形状模型在灰度上与反照率重叠，在彩色上与富含碳物质的地图和显示近紫外线和近红外光谱斜坡的伪彩色图像重叠。新数据提供了Bennu的组成信息，限制了它的形成过程，并显示了它的表面是如何演变的。该小行星上含有丰富的含碳物质，表面明亮的碳酸盐脉暗示水蚀史，表面的颜色和反射率的变化也在进一步研究中。

（本页期刊封面图来自Science官网）

相对论电子束的高梯度级联太赫兹加速

清华大学工程物理系黄文会教授等人在太赫兹加速领域取得新进展。相关成果发表于Nature Photonics。现阶段，相关研究多集中在低能电子加速领域，相对论电子的太赫兹加速由于缺少超强太赫兹辐射源、高品质超短超快电子束，以及精密的同步控制技术，近年来一直发展缓慢。该研究完成了世界上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验，实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速，将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益提高了一个量级。这一研究成果是太赫兹加速领域中的技术突破，验证了太赫兹加速技术走向高能的技术可行性。

级联太赫兹加速器概念图（图片来源于清华大学网站）

级联太赫兹加速实验结果（图片来源于清华大学网站）

J方程和超临界厄米特-杨振宁-米尔斯方程的变形

中国科学技术大学几何与物理研究中心特任教授陈杲在复微分几何领域取得进展。相关成果发表于Inventiones Mathematicae。论文发表后引发了国际数学界的积极关注。这项研究属于复微分几何研究范畴，该领域有两个来自物理学的方程至关重要，一个是成为量子力学标准模型的厄米特-杨振宁-米尔斯方程，另一个是和相对论紧密相关的凯勒-爱因斯坦方程。该研究是在稳定的前提下，解出陈秀雄和唐纳森独立提出的J方程以及丘成桐等人提出的超临界厄米特-杨振宁-米尔斯方程的变形，在厄米特-杨振宁-米尔斯方程和凯勒-爱因斯坦方程之间建立起了桥梁。

吸热电荷分离态介导的三线态能量转移新机制

中国科学院大连化学物理研究所光电材料动力学特区研究组研究员吴凯丰团队，在无机/有机界面三线态能量转移动力学研究方面取得新进展，提出并在实验上论证了吸热电荷分离态介导的三线态能量转移新机制。相关成果发表于Nature Communications。该团队设计合成了一系列不同壳层厚度的CdSe/ZnS核壳纳米晶，通过ZnS层的厚度定量调控隧穿到纳米晶表面的电子和空穴波函数，同时保持电荷与能量转移驱动力不变。温度依赖的速率测量和模型计算进一步验证了吸热空穴转移介导的物理机制。此外，吸热电荷转移介导的TET对给受体距离的依赖性远弱于协同的双电子TET，因而有望实现超长距离的三线态敏化。

掺杂Mott绝缘体的电子结构演变研究进展

中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室周兴江研究组，与极端条件物理重点实验室靳常青研究组的博士赵建发，以及凝聚态理论与材料计算重点实验室的向涛院士合作，对新型铜氧化物母体Ca3Cu2O4Cl2的电子结构及其掺杂演变进行研究。相关成果发表于Nature Communications。长期以来，研究者一直希望能从角分辨光电子能谱实验中获得铜氧化物母体在微量掺杂情况下的完整电子结构演变信息，由于缺乏合适的铜氧化物母体材料和精细的载流子调控手段，相关的角分辨光电子能谱研究一直难以开展。该研究利用高分辨角分辨光电子能谱技术，提供了掺杂Mott绝缘体电子结构演变的关键信息。

利用GeV重离子曝光制备亚5nm纳米线

湖南大学段辉高教授课题组与中国科学院近代物理研究所杜广华研究员课题组合作，利用兰州重离子加速器高能微束装置提供的2.15 GeV氪离子作为曝光源，在光刻负胶HSQ（氢硅倍半环氧乙烷）中获得了特征尺寸小于5nm的超长径比纳米线结构。相关成果发表于Nano Letters。纳米光刻是芯片制造和微纳加工中的一项关键技术。通过离子在光刻胶中的径向能量沉积分布模拟计算，研究人员发现离子径迹中心纳米尺度内的致密能量沉积达数千戈瑞。此外，对比曝光实验证明，该方法得到的纳米结构极限尺寸与离子径向能量沉积和材料类型直接相关，这为利用重离子精确制备微纳光刻结构提供了理论基础。

利用氪离子束曝光制备的HSQ纳米线结构（图片来源于中国科学院近代物理研究所网站）

氪离子径迹中心能量沉积模拟计算及其在探测器中的显微观测（图片来源于中国科学院近代物理研究所网站）

扩展且不可热化多体临界相存在性研究

北京大学量子材料科学中心刘雄军等人和南方科技大学量子科学与工程研究院俞大鹏院士合作，理论预言了具有扩展但不可热化特征的多体临界相的存在。相关成果发表于Physical Review Letters。该研究首次准确证明多体临界相的存在，通过有限尺寸标度分析，发现加上相互作用后，在热力学极限下得到3个基本量子相，即除了多体遍历相和多体局域相之外，存在多体临界相。作者们进一步研究了多体临界相的重要基本性质。包括：多体临界相的能级统计既不服从遍历相满足的Wigner-Dyson分布也不服从多体局域相满足的泊松分布，而是服从临界分布。

利用“香蕉球”效应实现太赫兹高频信号传递

中国科学院上海技术物理研究所副研究员王林与研究员陈效双、陆卫研究团队，联合东华大学、意大利拉奎拉大学，通过精确操控第二类狄拉克费米子态诱导布洛赫自旋电子单向散射，实现高频信号传递。相关成果发表于Nature Communications。微电子芯片类似于一个“足球场”，如果把电子比喻成足球，信息交换主要依赖于电子点对点的快速传输、存储与处理，但电子受到阻碍会产生功耗、热耗散等。研究人员通过自旋极化角分辨光电子能谱（spin-ARPES）实验给出电子在自旋（s）、能量（E）、动量（k）3个维度详细信息，在NiTe2材料表面观察到自旋态电子的分布，并进一步探索了新应用。

求解组合优化问题新方法

中国科学院理论物理研究所研究员张潘与哈佛大学博士后刘金国、中国科学院物理研究所王磊研究员合作，提出一种基于张量网络的严格求解组合优化问题最优解和零点熵的方法。相关成果发表于Physical Review Letters。组合优化问题在科学和工程领域应用广泛。很多组合优化问题，如旅行商问题、图染色问题等都是NP难问题。为此，物理学家发明了各种各样严格和近似的方法寻找系统的基态。论文将张量网络收缩中的加乘运算替换为定义在极大-加法半环上的“热带”代数（Tropical Algebra），称为热带张量网络（Tropical Tensor Network）。通过收缩热带张量网络，可计算自旋玻璃模型的基态能量和熵，从而直接研究零温下的统计物理问题。