新进展 | 南京大学，发力了！一年10篇Nature、Science！

Nautre

Science

接下来，小编对南京大学在以第一通讯单位的NS进行了概括总结，如下：

01

2023年1月11日《Nature》：在二维半导体接触中接近量子极限

硅基集成电路在过去60多年一直沿着摩尔定律的预测，朝着更小晶体管尺寸、更高集成度和更高能效的方向发展。然而，由于量子效应和界面效应的限制，硅基器件的微缩化已经接近极限。最新的国际器件与系统路线图（IRDS）预测，在2nm技术节点以下，以MoS2为代表的二维半导体将取代硅成为延续摩尔定律的新沟道材料。

金属-半导体欧姆接触是实现高性能晶体管的关键，特别是在先进工艺节点下。传统硅基器件利用离子注入对接触区域进行高浓度掺杂，通过接触与沟道界面的化学键实现欧姆接触，其接触电阻约为100Ω·μm。由于原子级厚度，二维半导体与高能离子注入工艺不兼容，需要发展全新的欧姆接触技术。与硅相比，二维半导体存在天然的范德华间隙，金属与半导体界面的波函数杂化耦合较弱，因此实现超低接触电阻具有很大的挑战，这也是长期以来限制二维半导体高性能晶体管器件的关键瓶颈之一。

2023年1月11日，南京大学王欣然教授、施毅教授带领国际合作团队在全球顶级科研期刊《Nature》上以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”为题发表研究成果，这是南京大学新年首篇《Nature》。该科研团队通过增强半金属与二维半导体界面的轨道杂化，将单层二维半导体MoS2的接触电阻降低至42Ω·μm，超越了以化学键结合的硅基晶体管接触电阻，并接近理论量子极限，该成果解决了二维半导体应用于高性能集成电路的关键瓶颈之一。

02

2023年1月19日《Science》：利用噪音工程突破光学超表面偏振复用极限

在科学和工程领域，噪声通常是不需要的，但却是不可避免的。2023年1月19日，南京大学王牧，彭茹雯及美国东北大学Liu Yongming共同通讯在Science 在线发表题为“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise”的研究论文，该研究通过将工程噪声引入到琼斯（Jones）矩阵元的精确求解中，打破了超表面极化复用能力的基本限制，这种限制源于琼斯矩阵的维数约束。

该研究的实验证明了多达11个独立的全息图像使用单一超表面照亮可见光与不同的偏振，这是极化多路复用的最高容量。结合位置复用方案，超表面可生成36个不同的图像，形成全息键盘图案。这一发现意味着高容量光学显示、信息加密和数据存储的新范式。

03

2023年2月2日《Science》：全球不同沿海气候区极端野火的天气尺度正反馈机制

野火直接危害人的生命和财产安全，燃烧排放的污染物会对下风向地区的空气质量、人体健康和生态系统产生负面影响，其所排放的具有辐射特性的气溶胶和温室气体在地球气候系统中扮演着重要角色。植被生态系统中野火的生消演变受多种因素的影响，除人类活动外，气象条件等自然因素起着更为重要的作用。气象条件不仅决定植被生产力和燃烧季节（燃料量与可燃性），也在火灾的蔓延和演变（即火行为）中扮演至关重要的角色。正因如此，当前学界通常将极端野火事件频率的增加与气候变化直接关联。然而，野火发生频率和强度存在多种时空尺度，在全球变暖的大趋势短期难以改变这一背景下，更为重要的是在当前可预报的时间窗内（如在1-2周的天气尺度上）认识影响野火发生、发展和消亡的复杂理化机制与关键控制过程，从而为人为主动应对与精准干预以实现防灾减灾提供科学支撑。

2023年2月2日，南京大学丁爱军教授与黄昕教授团队最新研究发现，作为全球重要自然灾害的野火不仅受气象条件影响，而且其所排放气溶胶的辐射效应也可改变气象要素，由此产生天气尺度的正反馈机制显著增强全球不同沿海地区的极端野火事件。近日，论文“Smoke-weather interaction affects extreme wildfires in diverse coastal regions”以Research Article形式发表于《Science》杂志，并被作为同期亮点成果。

04

2023年5月11《Nature》：南大团队推翻美国“室温超导”最新研究成果

超导是凝聚态物质中的电子发生配对和凝聚以后的宏观量子相干现象，具有零电阻和完全抗磁性等奇特性质。基于超导开发的装备和器件可以在电力、能源、医疗、大科学工程、通讯、国防等方面带来颠覆性的应用，因此世界上很多发达国家都把超导列为21世纪的战略高技术进行支持和研究。2023年3月7日，美国罗切斯特大学的Ranga Dias副教授团队在美国物理学会的三月大会上面报道说在一种掺氮的镥氢化物（nitrogen doped lutetium hydride）中发现近常压下的室温超导，即在约1万大气压下，超导转变温度达到294 开尔文（K），约等于21摄氏度。该结果于3月8日在《Nature》杂志在线发表出来，迅速引起了全球学术界，甚至是产业界的极大关注。该结果如果被证实，将是超导研究历史上革命性的进展，而且可能带来大规模的室温超导应用。

5月11日，南京大学闻海虎教授团队迅速投入工作，基于长期积累的技术手段和经验，创新性地利用高温高压合成手段，成功制备出来结构与罗切斯特大学报道一致的镥-氢-氮材料，并且利用本组具备的高压下电阻和磁化精密测量技术，证明了该材料即便在40万大气压下，温度低至2K也没有观察到超导现象。该重要结果于以题为“Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy”在《Nature》杂志以Regular Article的形式在线发表。

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2023年6月8日《Nature》：具有3D/3D双层钙钛矿异质结的全钙钛矿串联太阳能电池

目前，全钙钛矿叠层电池的效率主要受到两个方面的限制：开路电压和填充因子较低。窄带隙钙钛矿子电池在保持高短路电流密度的同时，很难实现高开路电压和高填充因子，这是限制全钙钛矿叠层电池效率的主要原因之一。此外，铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜表面存在较高的缺陷态密度，这种高缺陷态密度的界面层与电子传输层之间造成了严重的界面非辐射复合损失，限制了全钙钛矿叠层电池的光伏性能。为了克服这些问题，一种常见的策略是在钙钛矿薄膜上进行溶液法表面后处理，形成一层二维（2D）钙钛矿，从而构建2D/3D异质结构，以减少钙钛矿电池界面的复合损失。然而，通过溶液法表面后处理得到的2D钙钛矿存在均一性较差和导电性较低的问题，这不利于载流子的界面输运和抽取，从而限制了器件的光伏性能。

为了解决这个问题，谭海仁教授团队开发了一种新型的3D/3D双层钙钛矿异质结（PHJ）结构：利用真空蒸发和溶液加工混合法，在铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜上生长一层数十纳米厚的三维纯铅宽带隙钙钛矿薄膜（FL-WBG）。通过调控三维纯铅宽带隙钙钛矿的组分，使其与窄带隙钙钛矿形成Type-II型异质结结构，促进载流子（电子）从钙钛矿吸光层向电子传输层抽取，降低钙钛矿/电子传输层C60之间的界面复合损失，显著提升了电池的开路电压、填充因子和光电转换效率，最佳性能的窄带隙钙钛矿电池光电转换效率达到了23.8%，为目前报道的最高效率。在模拟单太阳光照下连续工作600小时后，封装的串联器件保持了90%以上的初始性能。相关成果以“All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite heterojunction”为题发表在《Nature》上。南京大学特任副研究员林仁兴、博士生王玉瑞和硕士卢倩文为论文共同第一作者。

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2023年6月9日《Science》：极亮伽马射线暴221009A窄喷流的万亿电子伏特余辉

伽马射线暴（简称伽玛暴）是来自天空中某一方向的伽玛射线突然增强的爆发现象。2022年10月9日发生了一个“千年一遇”的异常明亮的伽马暴 ，它正好位于“拉索”的视场范围内。“拉索”探测到了6万多个能量大于200GeV的高能伽马光子，对它们的分析表明这些高能光子来源于主暴之后的余辉辐射。“拉索”第一次探测到高能伽马射线余辉的起始阶段，揭示了余辉存在快速上升和缓慢上升两个阶段。尽管缓慢上升符合余辉模型的预期，但早期快速的上升现象前所未有，这或许由于中心引擎对余辉注入了大量能量所致。同时“拉索”发现主暴阶段没有高能辐射，其高灵敏度测量对主暴阶段高能辐射的强度给出了极强限制，对主暴的物理机制具有重要启示作用。

6月9日南京大学天文与空间科学学院王祥玉教授研究了“拉索”的观测还揭示了伽马暴喷流的结构。高能辐射在爆发之后不到10分钟的某个时刻，亮度突然快速减弱，这解释为辐射区扩展到了喷流的边缘所致。由于这个亮度转折发生时间极早，由此测出的喷流的张角也极小，仅为0.8度。这是迄今知道的最小张角的喷流，意味了它实际上是一个典型喷流最明亮的核心。正是由于观测者碰巧正对喷流最明亮的核心，自然地解释了为什么这个伽马暴是历史上最亮的，也解释了为什么这样的事件极其罕见。

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2023年6月14《Nature》：电子空穴关联系统中的激子拓扑序

分数量子霍尔效应是当代凝聚态物理的前沿研究热点之一，获得了1998年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应起源于电子的关联效应，导致了拓扑序的产生，表现出长程量子纠缠，演生规范场和分数激发，在未来拓扑量子计算方面具有潜在的应用价值。一个自然的问题就是：能否在相互作用玻色子系统中产生具有拓扑序的分数量子霍尔态？人们首先试图在冷原子系统中进行研究，但多年以来仍处于探索阶段。

南京大学物理学院王锐副教授、杜灵杰教授、王伯根教授与美国麻省大学大学艾姆赫斯特分校Tigran Sedrakyan副教授、北京大学杜瑞瑞教授联合合作团队在电子-空穴关联系统中激子拓扑序的研究方面取得了重大进展。该工作在理论上提出了关联激子由于阻挫效应导致强量子涨落所产生的玻色子拓扑序的新机制；实验上在电子-空穴浓度不平衡的InAs/GaSb量子阱中观察到了通过激子形成的时间反演对称破缺的新型拓扑态。该合作团队以实验与理论相结合，首次揭示了激子系统中的玻色子拓扑序。该研究成果以 “Excitonic topological order in imbalanced electron-hole bilayers” 为题于2023年6月14日在线发表在顶级期刊《Nature》上。

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2023年9月6日《Nature》二维范德华超导异质结的晶圆级生长方法及其机理

二维范德华异质结（2D vdWH）不依赖于化学键、不受限于晶格匹配度，可以灵活地将多种材料堆叠组装在一起，被认为是探索新颖物理现象、实现多功能器件的最具潜力材料组合方式，因而受到广泛关注。其中，二维超导材料范德华异质结（vdWSH）的可控制备是构建二维超导约瑟夫森结、探索马约拉纳费米子以及实现超导量子元件应用的重要前提。然而，二维超导材料对环境十分敏感，目前很难将晶圆级的二维超导材料完整地堆叠成vdWH，因此极大地限制了此类量子器件的应用和发展。

针对这一问题，南京大学高力波教授课题组提出了一种新的“由高到低”的生长策略，即以制备较高温度稳定性的二维材料为底层材料，在其上稳定温度稍低的二维材料，从而实现逐层堆叠生长vdWH。遵循“由高到低”的生长策略，制备的vdWSH薄膜的相邻层之间并未发生化学反应，二维超导材料可以被完整地集成到异质结中且保持其超导性能不变。此外，得益于本方法的优越性，研究团队实现异质结薄膜的直接图案化生长，并且对生长基体不存在依赖性。他们通过扫描透射电子显微镜（STEM）的剖面观测，发现这一系列堆垛生长的vdWSH具有清晰的范德华界面以及完整的原子结构。该工作以“Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures”为题，于9月6日发表在《Nature》期刊。

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2023年9月27日《Naure》：示地球早期大陆地壳起源

大陆地壳的形成塑造了地球的表面形态，影响了地球的内部成分和结构，造就了人类赖以生存的宜居地球和矿产资源。一般认为，现代大陆地壳的形成与板块俯冲引起的岛弧岩浆作用密切相关，然而，早期大陆地壳是否形成于类似俯冲的构造环境，还是其他特殊的构造体制，是地球科学领域悬而未决的难题。现代岛弧岩浆的特征是相对较高的氧逸度和水含量，但由于构成早期大陆地壳的太古宙岩石普遍遭受了后期变质作用的改造，其岩浆氧逸度和水含量缺乏可靠的制约手段。

2023年9月27日，南京大学地球科学与工程学院葛荣峰教授、朱文斌教授、王孝磊教授与澳大利亚科廷大学Simon Wilde教授合作，创建了锆石氧逸度-湿度计，并据此方法系统厘定了太古宙（25 – 40亿年前）花岗质岩石的岩浆氧逸度和水含量，发现其类似于现代岛弧岩浆，指示太古宙俯冲作用的存在。该成果对揭示早期大陆的起源、板块构造的启动、关键金属矿产资源的形成具有重要意义，以“Earth’s early continental crust formed from wet and oxidizing arc magmas”为题，国庆前夕在线发表于《Nature》期刊。

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2023年12月18日《Nature》：光生物制造

作为当下中美大国竞争的焦点领域，生物制造是变革工业可持续发展最有希望的绿色技术之一。然而，生物制造的“芯片”——酶，面临催化功能相对有限、我国的自主率低等问题。如何创制新酶元件、解决当前合成面临的问题，是化学研究的科技前沿热点。

2023年12月18日，南京大学化学化工学院黄小强特聘研究员与梁勇教授、中国科学技术大学/中国科学院强磁场科学中心田长麟教授合作，开发了焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖酶和光催化协同的双催化新体系，该体系是自然界中全新的、现有化学方法难以实现的全新分子生化体系，不仅极大地扩展了酶的催化功能、为绿色生物制造提供了丰富元件，还为化学领域的手性精准控制难题提供了新策略，有望引领光生物制造新方向。该成果以“A light-driven enzymatic enantioselective radical acylation”为题发表于《Nature》期刊。