信息國家研究中心、自動化系團隊在可編程腫瘤基因治療藥物研究中取得重要進展
10月22日，信息國家研究中心研究員謝震課題組在《自然·通訊》(Nature Communications)發表了題為「使用合成基因線路編程用於癌症免疫療法的溶瘤腺病毒」(Oncolytic adenovirus programmed by synthetic gene circuit for cancer immunotherapy)的研究論文。
▲可編程溶瘤病毒原理圖
該研究構建了模塊化的合成基因線路，在導入人體細胞後，感知整合細胞內的肝細胞癌特異啟動子和microRNA信號，通過邏輯運算判斷是否為肝癌細胞，調控溶瘤腺病毒在腫瘤細胞中選擇性複製，從而特異性殺傷腫瘤細胞，提高了溶瘤病毒靶向腫瘤的安全性。此外，研究人員將不同免疫效應因子基因克隆到腺病毒載體中，在裂解腫瘤細胞的同時，表達釋放免疫因子，提高殺傷性T細胞在腫瘤部位富集，增強抗腫瘤免疫反應。最後，研究人員通過仿真計算模型分析了影響溶瘤病毒與免疫效應因子聯用治療效果的關鍵因素，為提高溶瘤病毒聯合治療的有效性提供了思路和參考。
該研究得到了國家自然科學基金創新群體項目、北京信息科學與技術國家研究中心、北京合生基因科技有限公司的資助。謝震是論文的通訊作者，清華大學自動化系博士生黃慧雅、廖微曦、北京合生基因科技有限公司研究員劉乙齊是該文的共同第一作者。中國人民解放軍總醫院第五醫學中心肝臟腫瘤診療與研究中心主任陸蔭英，北京合生基因科技有限公司的曹玉冰、劉強、郭亞坤等參與了該項目研究。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12794-2
物理系在腔光力學系統中提出新的基態冷卻方法
近日，清華大學物理系劉永椿副教授、鄭盟錕副教授、尤力教授研究團隊提出將機械振子冷卻到量子基態的新方法，能夠用於實現宏觀大質量振動物體的基態冷卻，研究成果以《腔內壓縮光力冷卻》(Intracavity squeezed optomechanical cooling)為題發表在《雷射與光子學評論》(Laser & Photonics Review)上。
近半個世紀以來，雷射冷卻技術的發展對原子物理學產生了革命性的影響。近年來，對包含大量原子的宏觀機械振子的雷射冷卻研究成為了非常重要的前沿課題，這方面的研究在量子信息處理、量子精密測量和基礎量子理論檢驗方面都有重要的應用。
▲圖1.方案模型圖，利用腔內壓縮光力系統對機械振子進行基態冷卻
由於光與機械振子相互作用過程中存在量子反作用，傳統的邊帶冷卻方法受限於量子反作用極限，導致基態冷卻只能在邊帶可分辨條件下實現，即要求機械振動頻率大於光學腔的耗散速率。然而宏觀機械振子振動頻率通常較低，而且振子質量或尺寸越大其振動頻率越低，因此難於滿足邊帶可分辨條件，利用邊帶冷卻方法無法實現基態冷卻。
針對上述難題，研究團隊提出利用腔內壓縮的方法來實現振子的基態冷卻。利用具有腔內壓縮效應的光學腔，在腔內部產生壓縮態光場，利用量子幹涉效應，將所有通道的耗散引起的噪聲在腔內發生幹涉，從而消除量子反作用引起的加熱效應。通過壓縮泵浦光場與冷卻光場振幅和相位的匹配，由耗散導致的加熱效應安全被抑制，使得淨冷卻速率大大提高，且冷卻極限大幅降低，完全突破了量子反作用極限。
通過與邊帶冷卻方法(SB)和壓縮光碟機動冷卻方法(SD)進行比較，可看出研究團隊提出的腔內壓縮冷卻方法(IS)具有最低的冷卻極限，該冷卻極限完全不受光學腔耗散的影響，即使在邊帶遠不可分辨條件下, 仍然能夠實現基態冷卻。該研究為實現宏觀大質量機械振子的基態冷卻奠定了基礎。
▲圖2. 三種方法的冷卻極限與光學腔耗散的關係
文章第一作者為清華大學物理系博士後甘晶輝，通訊作者為劉永椿副教授，合作者還包括北京理工大學物理學院的路翠翠研究員。該研究工作得到了基金委、科技部項目的資助。
《雷射與光子學評論》是國際上光學領域頂尖期刊之一，該期刊為月刊，每期只發表5-8篇論文，年發文量不到100篇，影響因子為9.056。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/lpor.201900120
清華主導的CDEX暗物質實驗合作組取得世界領先成果
10月15日，清華大學主導的中國暗物質實驗(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作組在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上在線發表題為《基於CDEX-1B實驗的亞-千兆電子伏特質量區域輕暗物質截面限制》(Constraints on Spin-Independent Nucleus Scattering with sub-GeV Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter from the CDEX-1B Experiment at the China JinPing Laboratory)的研究論文。論文基於暗物質粒子(弱相互作用重粒子，WIMPs)與靶核反應時的Migdal效應，利用CDEX-1B實驗系統運行四年獲得的實驗數據，對百兆電子伏特質量區域的輕暗物質給出了國際上暗物質直接探測的最好結果。
在以往的分析中，通常認為WIMPs粒子與靶核發生的反應是彈性散射，核外電子與靶核同步運動，反應過程中動量、動能守恆，在物理分析時僅考慮靶核的反衝能量。但實際上由於靶核與核外電子靠電磁力耦合，當靶核與WIMPs粒子發生碰撞獲得速度時，核外電子有一定概率無法跟上靶原子核的運動，從而發生電離或者激發。這種情況下，WIMPs粒子與靶核發生的反應屬於非彈性散射，暗物質粒子將會損失更大的動能。特別的，對於小於千兆電子伏特的輕暗物質來說，被電離出來的電子的能量將會遠大於靶核的動能。因此，通過Migdal效應考慮反衝電子與靶核的總能量，可以在相同的探測器閾值下針對更輕質量的暗物質給出更加靈敏的參數限制。
▲基於Migdal效應的自旋無關暗物質排除曲線，左圖是暗物質能譜分析的結果，右圖是年度調製效應的分析結果
合作組基於Migdal效應，利用CDEX-1B曝光量為737.1公斤天的實驗數據，給出了暗物質能譜分析的結果，在50-180兆電子伏特質量區間內達到國際最好;同時，利用CDEX-1B曝光量為1107.5公斤天、時間跨度4.2年的實驗數據，給出了暗物質年度調製效應的分析結果，在75兆電子伏特至3.0千兆電子伏特質量區間達到國際最好水平。相比CDEX合作組之前的實驗結果，暗物質直接探測的質量下限從3千兆電子伏特降低到了50兆電子伏特，大大擴展了實驗所能約束的暗物質參數空間。
工程物理系博士生劉仲智為本論文第一作者，工程物理系嶽騫研究員、馬豪副教授和博士後楊麗桃為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃「大科學裝置前沿研究」重點專項、國家傑出青年科學基金等項目經費資助，以及清華大學暗物質實驗平臺和自主科研計劃經費支持。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.161301
微納電子系任天令教授團隊合作在柔性聲學器件領域取得重要進展
近日，微納電子系任天令教授團隊在《美國化學學會·納米》(ACS Nano)上發表了題為「柔性二維碳化鈦薄膜用於熱聲器件」(Flexible Two-Dimensional Ti3C2 MXene Films as Thermo-Acoustic Device)的研究論文。該工作首次實現了二維MXene材料在聲源器件方面的應用，為進一步拓展新型二維(2D)過渡金屬碳化物和氮化物的研究提供新的思路。同時，此項成果對於柔性可穿戴聲源器件的發展具有重大意義。
MXene作為新型的二維(2D)過渡金屬碳化物和氮化物材料，具有較高的比表面積、優良的金屬導電性、豐富的表面官能團等，已經被廣泛應用於儲能器、傳感器等領域。傳統基於熱聲效應的聲源器件表明導電薄膜需要極低的熱熔和高的熱導。Ti3C2納米片作為MXene家族的代表，具有低單位面積熱容(HCPUA)和特殊二維層狀結構，是用於熱聲器件理想的導電薄膜。
任天令教授首次將MXene納米材料應用於聲學領域。由於MXene相比於石墨烯具有較大的界面層間距，在相同厚度有更低的等效HCPUA，從而表現出更加優異的性能。同時採用多孔氧化鋁(AAO)作為襯底降低了熱洩漏，進一步提升了熱聲轉換效率。表面官能團使MXene納米薄片表現出親水性，能夠分散在水溶液中，從而可以通過旋塗的方法實現MXene薄膜的大規模製備，有效降低了成本。此外，MXene納米片形成的導電網絡使薄膜在柔性聚醯亞胺(PI)襯底上具有好的穩定性，有望在新型柔性可穿戴聲源應用方面發揮重要的作用。封裝後的超薄MXene耳機實現了播放音樂的功能，在高頻下具有優異的音質，例如Opera 2的播放等。
▲MXene的表徵及器件的聲學測試圖: a) Ti3C2納米片的SEM圖;b) AAO襯底上聲譜輸出圖;c)穩定性測試圖;d-e) 封裝後的MXene耳機照片;f-g) 商用耳機與MXene耳機的聲譜響應和音頻信號圖
近年來，任天令團隊致力於二維材料的基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究突破傳統器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已取得了多項創新成果，如柔性石墨烯收發聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調的石墨烯發光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調石墨烯應力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲器等相關成果曾多次發表於《自然電子》(Nature Electronics)、《自然通訊》(Nature Communications)、《先進材料》(Advanced Materials)、《納米快報》(Nano Letters)、《美國化學學會納米》(ACS Nano)和國際電子器件會議(IEDM)等。
微納電子系博士生苟廣洋、青島大學未來研究院金明亮教授等是文章共同第一作者，微電子所任天令教授、楊軼副教授、田禾助理教授和韓國科學技術院(KAIST)的安致元(Chi Won Ahn)教授為論文通訊作者，該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b03889
電子系李越發文報導通過波導結構降低等離子體內電磁波的傳播損耗
10月11日，清華大學電子工程系李越副教授在《科學·進展》(Science Advances)發表了標題為《面向近零介電常數和表面等離子體基元的基於結構色散的損耗降低方法》(Structural dispersion–based reduction of loss in epsilon-near-zero and surface plasmon polariton waves)的研究論文，針對與等離子體材料內電磁波的傳播損耗問題，提出基于波導結構的降低方法，增加等離子體材料內電磁波的傳播距離，為低損耗等離子體相關技術提供可行方案。
等離子體學(Plasmonics)在過去的十年裡內發展迅速，是一類在光學頻段以亞波長的尺度操縱和調控電磁場的學科，呈現獨特的光與物質相互作用，在光學頻段實現亞波長或深亞波長器件與電路。但是，等離子體內電磁波的傳播嚴重受限於等離子體材料(如金、銀等金屬)的內在損耗，限制了等離子體材料在光學系統和器件中的實際應用。當前的研究主要集中在材料領域，尋找各種具有低損耗特性的等離子材料，例如銦錫氧化物、碳化矽等，仍然無法滿足實現需要。
▲圖1. 等離子體材料內電磁波傳播損耗降低方法：(A)波導加載結構，(B)損耗調控機理
本工作從另外一個角度研究降低電磁波在等離子體材料中的傳播損耗，即採用外加電磁結構增加電磁波的傳播距離。在本論文中，利用波導的結構色散特性調控等離子體本身的材料色散特性，將等離子體的有效工作頻段從高損耗區間移動至低損耗區間，實現了體內電磁波傳播損耗的減少。本論文研究了兩種典型的等離子體材料傳播例子，一是電磁波在均勻近零介電常數(Epsilon-near-zero, ENZ)材料中的傳播;二是表面等離子體基元(Surface Plasmon Polariton, SPP)的傳播。從兩個例子中，均觀察到通過增加波導結構，電磁波在等離子體材料內的傳播距離有明顯提升，有效地控制了傳播損耗。本工作提供了一種基於結構的等離子體損耗調控技術，在未來低損耗等離子體器件與系統的研究有潛在應用價值。
▲圖2. 基於結構色散特性，增加電磁波在等離子內的傳播距離
本論文的相關工作均在清華大學完成，清華大學電子工程係為論文的第一單位。李越副教授為文章的第一作者，美國賓夕法尼亞大學電氣與系統工程系納德·恩赫塔(Nader Engheta)教授為本文通信作者，其他作者包括西班牙納瓦雷公立大學的伊涅格·裡博洛(Inigo Liberal)博士。本研究得到國家自然科學基金(61771280)資助。
論文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaav3764