《自然》(20201001出版)一周論文導讀​

2020-10-04 科學網

翻譯 | 李言


nature, 1 October 2020, Volume 586 Issue 7827

《自然》2020年10月1日,第586卷,7827期

材料科學Material Science

Fractional antiferromagnetic skyrmion lattice induced by anisotropic couplings

各向異性偶合誘導的少數反鐵磁斯格明子

▲ 作者:Shang Gao, H. Diego Rosales, Flavia A. Gómez Albarracín, Vladimir Tsurkan, Guratinder Kaur, et al.

▲ 連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2716-8

▲ 摘要

磁性斯格明子是具有納米級繞組自旋紋理的拓撲孤子,在自旋電子學應用有廣闊前景。

到目前為止,在各種磁體中都觀察到了斯格明子,這些磁體表現出與相鄰自旋近似平行的排列,但理論上具有反平行的相鄰自旋的斯格明子也有可能存在。這種反鐵磁斯格明子可能比傳統的鐵磁斯格明子允許更靈活的控制。

在此,通過結合中子散射測量和蒙特卡洛模擬,我們表明MnSc2S4中分數反鐵磁斯格明子是穩定的。我們所觀察到的晶格由三個反鐵磁耦合的子晶格組成,每個子晶格都是一個三角形的斯格明子晶格,它被分割成具有初始瓜(半Skyrmion)特徵的兩部分。

我們的工作表明,理論上提出的反鐵磁斯格明子可以穩定在真實材料中,這是邁向實現自旋電子器件的重要一步。

▲ Abstract

Magnetic skyrmions are topological solitons with a nanoscale winding spin texture that hold promise for spintronics applications. Skyrmions have so far been observed in a variety of magnets that exhibit nearly parallel alignment for neighbouring spins, but theoretically skyrmions with anti-parallel neighbouring spins are also possible. Such antiferromagnetic skyrmions may allow more flexible control than conventional ferromagnetic skyrmions. Here, by combining neutron scattering measurements and Monte Carlo simulations, we show that a fractional antiferromagnetic skyrmion lattice is stabilized in MnSc2S4 through anisotropic couplings. The observed lattice is composed of three antiferromagnetically coupled sublattices, and each sublattice is a triangular skyrmion lattice that is fractionalized into two parts with an incipient meron (half-skyrmion) character. Our work demonstrates that the theoretically proposed antiferromagnetic skyrmions can be stabilized in real materials and represents an important step towards their implementation in spintronic devices.


物理學Physics


Graphene-based Josephson junction microwave bolometer

基於石墨烯的約瑟夫森結微波輻射熱計

▲ 作者:Gil-Ho Lee, Dmitri K. Efetov, Woochan Jung, Leonardo Ranzani, Evan D. Walsh, Thomas A. Ohki, et al.

▲ 連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2752-4

▲ 摘要

靈敏微波探測器在射電天文學、暗物質軸子搜索和超導量子信息科學中起著至關重要的作用。

為了利用石墨烯微小的電子比熱和導熱性,我們開發了一種嵌入在7.9千兆赫的微波諧振器中的超導-石墨烯-超導體約瑟夫森結測輻射熱計,其耦合效率超過99%。

依賴的約瑟夫遜合閘電流操作溫度、電荷密度、輸入功率和頻率的噪聲等效功率為7×10−19瓦特/平方根赫茲、對應一個32 GHz光子能量的解析度,達到在0.19 K時本徵熱波動的基本極限。

我們的研究結果表明,二維材料可以使測輻射熱計具有熱力學定律允許的最高靈敏度。

▲ Abstract

Sensitive microwave detectors are essential in radioastronomy, dark-matter axion searches and superconducting quantum information science. To utilize the minute electronic specific heat and thermal conductivity of graphene, we develop a superconductor–graphene–superconductor Josephson junction bolometer embedded in a microwave resonator with a resonance frequency of 7.9 gigahertz and over 99 per cent coupling efficiency. The dependence of the Josephson switching current on the operating temperature, charge density, input power and frequency shows a noise-equivalent power of 7×10−19 watts per square-root hertz, which corresponds to an energy resolution of a single 32-gigahertz photon, reaching the fundamental limit imposed by intrinsic thermal fluctuations at 0.19 kelvin. Our results establish that two-dimensional materials could enable the development of bolometers with the highest sensitivity allowed by the laws of thermodynamics.


Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics

測輻射熱計在電路量子電動力學的閾值下運行

▲ 作者:R. Kokkoniemi, J.-P. Girard, D. Hazra, A. Laitinen, J. Govenius, R. E. Lake, I. Sallinen, et al.

▲ 連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2753-3

▲ 摘要

儘管速度和噪音水平的熱傳感器有巨大進步,此前沒有測輻射熱計遇到電路量子電動力學的閾值——時間常數為數百納秒,同時能量解析度的10 h兆赫(h是普朗克常數)。

在此,我們通過實驗演示了一個測輻射熱計,它在這個閾值下工作,噪聲當量功率為30 zeptowatts每平方根赫茲,與目前報導的最低值相當,在熱時間常數縮短兩個數量級,為500納秒。

這兩個值在同一裝置上直接測量,給出了一個精確的估計30h千兆赫的量熱能量解析度。這些改進源於使用具有極低比熱的石墨烯單層作為活性材料。200納秒的最小觀測時間常數遠低於約100微秒的零相位化時間,從而使電路量子電動力學應用於測輻射熱計。

▲ Abstract

Despite great progress in the speed and noise levels of thermal sensors, no bolometer has previously met the threshold for circuit quantum electrodynamics, which lies at a time constant of a few hundred nanoseconds and a simultaneous energy resolution of the order of 10h gigahertz (where h is the Planck constant). Here we experimentally demonstrate a bolometer that operates at this threshold, with a noise-equivalent power of 30 zeptowatts per square-root hertz, comparable to the lowest value reported so far, at a thermal time constant two orders of magnitude shorter, at 500 nanoseconds. Both of these values are measured directly on the same device, giving an accurate estimation of 30h gigahertz for the calorimetric energy resolution. These improvements stem from the use of a graphene monolayer with extremely low specific heat as the active material. The minimum observed time constant of 200 nanoseconds is well below the dephasing times of roughly 100 microseconds reported for superconducting qubits and matches the timescales of currently used readout schemes, thus enabling circuit quantum electrodynamics applications for bolometers.


生物學Biology


Active particles induce large shape deformations in giant lipid vesicles

活性顆粒在巨大的脂質囊泡中引起較大形狀變形

▲ 作者:Hanumantha Rao Vutukuri, Masoud Hoore, Clara Abaurrea-Velasco, Lennard van Buren, et al.

▲ 連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2730-x

▲ 摘要

生物細胞產生複雜的結構,從內部塑造他們的膜,從而積極地感覺和回應外部刺激或探索他們的環境。

在此,我們提出了一個聯合實驗和模擬研究,證明了自我推進的顆粒封閉在巨大的單胞小泡可以誘導過多的非平衡形狀和主動膜波動。在實驗中,我們使用共焦顯微鏡探索膜對自光Janus微遊泳者施加的局部力的響應。

為了量化膜的動態變化,我們用動態三角曲面建模的薄膜殼進行了活躍布朗粒子的朗之萬動力學模擬。

最明顯的形狀變化是在低和中等的顆粒載荷下觀察到的,伴隨著繩狀突起和高度分枝的樹突結構的形成,而在高體積分數下觀察到全局變形的囊泡形狀。所得到的狀態圖預測了局部內力產生各種膜形狀的條件。

▲ Abstract

Biological cells generate intricate structures by sculpting their membrane from within to actively sense and respond to external stimuli or to explore their environment. Here we present a combined experimental and simulation study that demonstrates how self-propelled particles enclosed in giant unilamellar vesicles can induce a plethora of non-equilibrium shapes and active membrane fluctuations. Using confocal microscopy, in the experiments we explore the membrane response to local forces exerted by self-phoretic Janus microswimmers. To quantify dynamic membrane changes, we perform Langevin dynamics simulations of active Brownian particles enclosed in thin membrane shells modelled by dynamically triangulated surfaces. The most pronounced shape changes are observed at low and moderate particle loadings, with the formation of tether-like protrusions and highly branched, dendritic structures, whereas at high volume fractions globally deformed vesicle shapes are observed. The resulting state diagram predicts the conditions under which local internal forces generate various membrane shapes.


化學Chemistry


Concentric liquid reactors for chemical synthesis and separation

用於化學合成和分離的同軸液體反應器

▲ 作者:Olgierd Cybulski, Miroslaw Dygas, Barbara Mikulak-Klucznik, Marta Siek, Tomasz Klucznik, et al.

▲ 連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2768-9

▲ 摘要

近年來,人們對能夠支持多步驟化學過程而無需人工處理的系統越來越感興趣。這些系統要麼基於間歇反應器的收集,要麼基於流動化學設計,兩者都需要相當大的工程努力來建立和控制。

在此,我們發展了一個不平衡的系統,其中不同的反應區自組織,可以指示整個過程序列的進展。將不同密度的多種(通常約10種,有時超過20種)互不相溶或成對互不相溶的液體放入旋轉容器中,在該容器中,它們會受到一個表面張力主導的離心力。

結果,液體組織成同心層,其厚度低至150微米,理論上達到數十微米。這些層堅固耐用,而且可以通過加速或減速旋轉來內部混合,並且每一層都可以單獨處理,允許在旋轉過程中對整個層進行添加、採樣甚至提取。

▲ Abstract

Recent years have witnessed increased interest in systems that are capable of supporting multistep chemical processes without the need for manual handling of intermediates. These systems have been based either on collections of batch reactors or on flow-chemistry designs, both of which require considerable engineering effort to set up and control. Here we develop an out-of-equilibrium system in which different reaction zones self-organize into a geometry that can dictate the progress of an entire process sequence. Multiple (routinely around 10, and in some cases more than 20) immiscible or pairwise-immiscible liquids of different densities are placed into a rotating container, in which they experience a centrifugal force that dominates over surface tension. As a result, the liquids organize into concentric layers, with thicknesses as low as 150 micrometres and theoretically reaching tens of micrometres. The layers are robust, yet can be internally mixed by accelerating or decelerating the rotation, and each layer can be individually addressed, enabling the addition, sampling or even withdrawal of entire layers during rotation.


地理學Geography


Rate of mass loss from the Greenland Ice Sheet will exceed Holocene values this century

格陵蘭冰蓋質量損失速度將在本世紀超過全新世的數值

▲ 作者:Jason P. Briner, Joshua K. Cuzzone, Jessica A. Badgeley, Nicolás E. Young, Eric J. Steig, et al.

▲ 連結:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2742-6

▲ 摘要

格陵蘭冰蓋(GIS)正在大量消失。考慮到觀察記錄的短期性質,很難評估質量損失的歷史重要性的趨勢。

與溫室氣體濃度和全球溫度的記錄不同的是,在這些記錄中,觀測數據已經與古氣候數據集合併,在GIS質量變化率方面沒有類似的長記錄。

在此,我們通過將當前和未來GIS質量損失率置於過去12000年的自然變化背景下,揭示了本世紀GIS前所未有的質量損失。我們建立了一個高解析度的冰原模型,該模型包含了受冰核數據限制的氣候歷史集合。

模擬區域為西南綠地,其質量變化以地表質量平衡為主。結果與地理信息系統邊緣的歷史獨立年表一致。

工業化前最大的質量損失率(每個世紀高達6億噸)發生在全新世早期,與當代(公元2000年至2018年)每世紀約61000億噸的質量損失率相似。根據與低(RCP2.6)和高(RCP8.5)溫室氣體濃度軌跡相對應的典型濃度路徑(RCP),西南地理信息系統對未來質量損失的模擬預測,21世紀質量損失將在8800到359,000億噸之間。

GIS質量損失的速率超過了過去12000年的最高速率。由於西南地理信息系統的質量損失率與地理信息系統整體的質量損失率呈線性關係,因此我們的結果顯示,在本世紀地理信息系統的質量損失率將超過全新世的質量損失率。

▲ Abstract

The Greenland Ice Sheet (GIS) is losing mass at a high rate. Given the short-term nature of the observational record, it is difficult to assess the historical importance of this mass-loss trend. Unlike records of greenhouse gas concentrations and global temperature, in which observations have been merged with palaeoclimate datasets, there are no comparably long records for rates of GIS mass change. Here we reveal unprecedented mass loss from the GIS this century, by placing contemporary and future rates of GIS mass loss within the context of the natural variability over the past 12,000 years. We force a high-resolution ice-sheet model with an ensemble of climate histories constrained by ice-core data. Our simulation domain covers southwestern Greenland, the mass change of which is dominated by surface mass balance. The results agree favourably with an independent chronology of the history of the GIS margin. The largest pre-industrial rates of mass loss (up to 6,000 billion tonnes per century) occurred in the early Holocene, and were similar to the contemporary (AD 2000–2018) rate of around 6,100 billion tonnes per century. Simulations of future mass loss from southwestern GIS, based on Representative Concentration Pathway (RCP) scenarios corresponding to low (RCP2.6) and high (RCP8.5) greenhouse gas concentration trajectories, predict mass loss of between 8,800 and 35,900 billion tonnes over the twenty-first century. These rates of GIS mass loss exceed the maximum rates over the past 12,000 years. Because rates of mass loss from the southwestern GIS scale linearly with the GIS as a whole, our results indicate, with high confidence, that the rate of mass loss from the GIS will exceed Holocene rates this century.

相關焦點

  • 《自然》(20200924出版)一周論文導讀​
    nature, 24 September 2020, Volume 585 Issue 7826《自然利用實驗和模型,作者展示了多個電物理過程(包括莫特躍遷動力學)如何形成納米級三階電路元件。作者彙編了13112個碳積累的地理測量值,他們將野外測量數據與66個環境協變量層相結合,創建了一份全球1公裡解析度地圖,其中包含了自然再生森林頭30年的潛在地表碳積累速率。
  • ​《自然》(20201203出版)一周論文導讀
    )與所有的實驗結果一致。通過引入莫爾超晶格勢(通過使雙層石墨烯與頂部和/或底部氮化硼晶體對齊),我們觀察到石墨烯電阻在外部施加平面外位移場時顯著而強勁的磁滯行為。分析表明,該控制器優於Loon之前的算法,對平流層風的自然多樣性具有魯棒性。這些結果表明,強化學習是一種有效的解決現實世界中傳統方法和人工幹預都不夠的自主控制問題的方法,它提供了一些線索,以說明創建持續與真實動態環境交互的人工智慧代理可能需要什麼。
  • 《自然》(20200917出版)一周論文導讀​
    研究組報告觀察到有一個巨行星候選體每1.4天對白矮星WD 1856 + 534(TIC 267574918)凌星一次,他們觀察並模擬了行星候選體凌星所引起的白矮星周期性變暗。行星候選體的大小與木星大致相同,且質量不過是木星的幾倍。
  • 《自然》(20201008出版)一周論文導讀
    研究組報告了1.3毫米塵埃排放的觀測結果,其解析度為5個天文單位,顯示了年輕(小於50萬歲)原恆星IRS 63的塵埃盤中有四個環狀子結構。IRS 63是一個單獨的I類源,位於附近蛇夫座分子雲中,距離為144秒差距,是毫米波長下最亮的I類原恆星之一。與其他年輕盤相比,IRS 63的盤相對較大(大於50個天文單位)。
  • 《科學》(20201002出版)一周論文導讀​
    eabb8985▲ 摘要黑色α相甲醯亞胺碘化鉛(FAPbI3)帶隙幾乎是太陽能電池的理想材料,但相對於光失活性的黃色δ相來說,它是不穩定的。)有一個適用於太陽能電池的帶隙,但它必須用附加的陽離子來穩定。
  • 《自然》(20200806出版)一周論文導讀
    「航行者」閃電的空間範圍約為30公裡(半峰半寬度,HWHM),但由於相機對最亮的木星閃電發射光譜線(656.3納米氫原子Hα線)的反應較弱,不太可能探測到閃光的暗淡外緣。這些閃光的光能相當於地球上的「超級閃電」,即(0.02–1.6)×1010焦耳,解釋為木星大氣5巴水平附近產生的溼對流的示蹤劑。先前對閃電的觀測受相機靈敏度、距木星的距離和長時間曝光(約680毫秒到85秒)的限制,這意味著一些觀測結果可能是疊加的閃電。
  • 《自然》(20200910出版)一周論文導讀
    最近幾項發現——包括與麥哲倫星群相關的矮星系的發現、LMC高質量的測定、LMC中恆星附近高度電離氣體的探測以及宇宙學模擬預測——都支持在LMC(麥哲倫日冕)附近有一圈溫暖的(約500,000 k)電離氣體存在。
  • 《自然》(20200820出版)一周論文導讀
    到目前為止,還沒有證據表明存在冷密分子相(10到100 kelvin)。在此,我們報告從銀河系中心流出的分子氣體的觀測結果。這種冷物質與在核風中行進的氫原子云有關。分子氣體的形態和運動學(約一秒差距)表明,這些星雲正在與較暖的介質混合,並可能被破壞。
  • 《自然》(20200827出版)一周論文導讀
    研究組通過開發一種新型電壓可控電化學致動器來克服這一障礙,它可以在低電壓(200微伏)、低功率(10毫瓦)下工作,並且與矽加工完全兼容。為了展示其潛力,研究組開發了小於100微米的步行機器人原型的光刻製作和發布協議。過程的每一步都並行進行,可在每4英寸矽晶片上生產100多萬個機器人。
  • 《自然》(20201029出版)一周論文導讀
    在縫隙的末端,菲萊在巨石冰上留下了0.25米深的印記,提供了原位測量結果,確認原始冰的抗壓強度極低(小於12帕斯卡,比剛落下的小雪還軟),並可對冰內部的孔隙率(75±7%)進行關鍵評估。研究組的結果為彗星著陸器收集揮發性高的冰樣品提供了限制條件。
  • 《自然》(20200813出版)一周論文導讀
    編譯 | 馮維維nature, 13 August 2020, Volume 584 Issue 7820《自然》2020年8月13日,第584卷7820期作者利用這種關係揭示了第五次耦合模型相互比較項目(CMIP5)的觀測結果和全球地球系統模型中二氧化碳對海洋變暖模式的影響。研究表明,海洋變暖的歷史模式是由海洋熱量再分配形成的,而CMIP5模型對這一模式的模擬效果較差。
  • 《自然》(20200730出版)一周論文導讀
    編譯 | 李言Nature, 30 July 2020,Volume 583 Issue 7818《自然》2020年7月30日,第583卷,7818期然而,其金屬豐度([Fe/H] =−2.7)大大低於經驗金屬豐度下限。因此,鳳凰星流代表了迄今為止發現的最缺乏金屬的球狀星團的碎片,它的前身與當前宇宙中的球狀星團不同。它的存在意味著金屬豐度底部以下的球狀星團可能曾經存在,但在銀河演化中被摧毀了。
  • 《科學》(20200904出版)一周論文導讀
    -電子和氘核-質子質量比)可能存在不一致。這些量還會影響氘化分子氫離子(HD +)電子基態的預測振動光譜。研究組使用無都卜勒雙光子雷射光譜儀測量了該光譜的v = 0→9泛音躍遷(v,振動量子數)的頻率,不確定度為萬億分之2.9。通過利用高精度的從頭計算,研究組將測量轉換為嚴格約束質子-電子和氘核-質子質量比,與最近潘寧阱的測量值相符。這使得質子-電子質量比的精確度達到萬億分之21。
  • 《科學》(20200807出版)一周論文導讀
    這種材料表現出半導體性質(帶隙約1.94 eV),高強度(約66 GPa)和極佳的環境穩定性。密度泛函理論計算預測了一個這樣的單層二維層狀材料家族,包括半導體、金屬和磁性半金屬。)、鎘(Cd)、鉛(Pb)和錳(Mn)的多元金屬有機框架74中繪製了金屬氧化物棒晶體中的金屬序列。
  • 《科學》(20200814出版)一周論文導讀
    ▲ 連結:https://science.sciencemag.org/content/369/6505/833▲ 摘要在具有高臨界轉變溫度(Tc)研究組分析了五層Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2的電子結構,其具有極低無序內氧化銅(CuO2)平面,並通過角分辨光電子能譜和量子振蕩測量在布裡淵區(π/2,π/2)中心觀測到小費米口袋。d波超導能隙沿口袋打開,揭示了在同一CuO2片中超導電性與反鐵磁有序性的共存。
  • 《科學》(20201127出版)一周論文導讀
    ),它攜帶非零拓撲電荷,可能出現在非厄米特系統中。研究組通過理論和聲學實驗證明了一個「例外連結」(EX),它不僅是一個高階EP,還是多個例外弧的尖點奇點。由於參數空間被EAs分割,該系統具有混合拓撲不變量(HTI),HTI由不同複雜平面上循環路徑積累的與貝裡相位相關的不同繞組數組成。通過測量波動函數的臨界行為,可對HTI進行實驗表徵。
  • Nature 一周論文導讀
    (導讀 阿金)治療自閉譜系障礙症的主要挑戰在於病情的異質性。 (導讀 郭懌暄)miRNA中8-氧鳥嘌呤(o8G)修飾的作用尚不明確。> (導讀 阿金)人類GABAB受體可介導抑制性神經傳遞,並與癲癇、疼痛和成癮有關。
  • 《科學》(20201218出版)一周論文導讀
    )觀測中子星合併,可用於研究比原子核密度更大的物質的行為,並測量由哈勃常數量化的宇宙膨脹率。研究組達到了創紀錄的電流驅動速度,每秒超過4300米(在相對論極限的10%以內),還觀察到與洛倫茲收縮相關的相對論運動的關鍵特徵,這導致了速度飽和。
  • 《科學》(20200925出版)一周論文導讀
    實現這個目標的第一步是研究使用來自X射線自由電子雷射器的強脈衝來激發X射線拉曼散射(SXRS)。早期SXRS實驗依賴於脈衝在密集諧振介質中傳播時的信號放大。相比之下,研究組的方法揭示了來自主要輻射源的光子直接與單個原子相互作用的基本過程。他們介紹了一種實驗方案,可檢測到散射中性原子而非散射光子。
  • 《科學》(20200918出版)一周論文導讀
    這使得量子位元的非均勻去相時間增加了4個數量級(>為22毫秒),而它的哈恩回波相干時間接近64毫秒。這一結果表明,在廣泛選擇的量子架構中可以實現實質性的一致性改進,僅需很少的關鍵平臺獨立組件。造成能量損失的相互作用一般包括化學鍵的形成(化學吸附)和非鍵的相互作用(物理吸附)。在這項研究中,我們的實驗揭示了一個定量的能量景觀和一個分子與原型系統表面平衡的微觀途徑:CO吸附在Au(111)上。雖然最小能態是物理控制的,但氣體相分子的初始捕獲,加上高能分子束,會進入亞穩化學吸附狀態。