8月27日，浙江大學在《Nature》連續(xù)發(fā)表三項最新研究成果。

浙江大學研制出全球首個電驅動鈣鈦礦激光器

8月27日，浙江大學光電科學與工程學院狄大衛(wèi)教授、趙保丹教授、鄒晨研究員為共同通訊作者在全球頂級期刊《Nature》發(fā)表題為 “Electrically driven lasing from a dual-cavity perovskite device”的研究論文。浙江大學為該研究唯一完成單位。團隊研制了世界上第一個電驅動鈣鈦礦激光器。

激光無處不在：從光纖通信到手術刀，從投影儀到人臉識別，激光器幾乎支撐了整個信息社會。長期以來，硅、砷化鎵等半導體是激光器的主要材料。但有一種新興材料——金屬鹵化物鈣鈦礦，憑借成本低、可溶液加工、可調控發(fā)光波長等優(yōu)勢，成為光電領域的“明星”。然而，鈣鈦礦激光器一直卡在一個關鍵瓶頸：只能用光泵浦（光激發(fā)），無法電驅動。這就像一輛車只能靠“推”啟動，不能靠發(fā)動機點火。

圖1：團隊合影（從左到右）：鄒晨、狄大衛(wèi)、趙保丹

在此，浙江大學狄大衛(wèi)教授、趙保丹教授和鄒晨研究員設計出一種雙微腔結構，成功實現(xiàn)了世界首個電驅動鈣鈦礦激光器。他們把一個高功率的鈣鈦礦微腔LED作為“驅動源”，垂直耦合到一個低閾值的單晶鈣鈦礦微腔中。前者輸出強定向光，后者接收后實現(xiàn)激光放大。憑借這種結構，團隊把激射閾值降到 92 A/cm2，比有機激光器低一個數(shù)量級。更讓人驚喜的是，這種器件在室溫、空氣環(huán)境下就能穩(wěn)定工作，壽命達到 1.8小時（超過6萬次脈沖），遠遠超過已有的電驅動有機激光器。同時，它還展示出 36.2 MHz 的調制帶寬，意味著未來有望直接應用于高速光通信和光計算

圖2： 集成雙腔 鈣鈦礦激光器的結構和基本光學特性。

微生物氧化鐵呼吸耦合硫化物氧化

8月27日 ， 維也納大學Alexander Loy教授、維也納大學Marc Mussmann教授、 浙江大學 環(huán)境與資源學院陳松燦研究員為共同通訊作者在全球頂級期刊《Nature》發(fā)表題為 “Microbial iron oxide respiration coupled to sulfide oxidation”的研究論文?？蒲袌F隊首次揭示了硫化物氧化耦合三價鐵礦還原的微生物及其代謝途徑。

純培養(yǎng)試驗表明部分微生物能夠以氧氣、硝酸鹽或四價錳礦等作為電子受體，將溶解態(tài)硫化物完全氧化為硫酸鹽，從而驅動環(huán)境中的硫氧化過程。然而，地球化學證據(jù)顯示，在缺乏這些常見電子受體的厭氧環(huán)境中，硫化物的完全氧化仍然普遍發(fā)生。盡管有假說認為三價鐵礦可能作為微生物電子受體來驅動這種“隱秘”硫氧化過程，但現(xiàn)有的地球化學模型普遍認為硫化物與鐵礦的作用屬于化學反應，主要生成單質硫等中間態(tài)硫化合物（intermediate sulfur species）。迄今尚無證據(jù)表明微生物能夠通過硫化物的完全氧化與鐵礦還原的耦合反應獲取能量，并實現(xiàn)化能自養(yǎng)生長。

為了探索具有硫鐵耦合代謝功能的微生物，團隊通過基因組大數(shù)據(jù)分析了異化硫氧化和異化鐵還原關鍵基因的分布，發(fā)現(xiàn)這兩條異化途徑在多個微生物門類中共存（圖1），暗示硫氧化耦合鐵還原代謝具有廣泛的物種分布。

圖3.微生物基因組大數(shù)據(jù)和熱力學分析預測了三條硫氧化耦合三價鐵礦還原的微生物代謝途徑

結合代謝產物檢測、穩(wěn)定同位素探針、納米二次離子質譜（NanoSIMS）等技術手段，研究以Desulfurivibrio alkaliphilus為模式菌株，證實其可利用三價鐵礦作為電子受體，將無定型硫化鐵（FeS）或溶解態(tài)硫化物完全氧化為硫酸鹽，并從中獲得能量進行自養(yǎng)生長（圖2）。

圖4.Desulfurivibrio alkaliphilus利用硫化物和三價鐵礦進行自養(yǎng)生長

生理試驗表明，D. alkaliphilus能夠驅動硫化物氧化過程，競爭性地氧化環(huán)境濃度的溶解態(tài)硫化物（~50μM），并將其大部分完全轉化為硫酸鹽。轉錄組學分析揭示，D. alkaliphilus通過逆向異化硫酸鹽還原途徑（reversed dissimilatory sulfate reduction pathway）實現(xiàn)硫化物氧化，并通過多血紅素細胞色素（multiheme cytochromes）將硫氧化釋放的電子傳遞到胞外電子受體鐵礦（圖3）。宏基因組分析進一步表明，具有硫化物氧化耦合鐵還原潛力的D. alkaliphilus近緣物種廣泛存在于海洋沉積物、海底熱泉、土壤、淡水濕地等生態(tài)系統(tǒng)，暗示微生物驅動的硫鐵耦合循環(huán)具有廣泛的環(huán)境分布。

圖5.Desulfurivibrio alkaliphilus耦合硫化物氧化與三價鐵礦還原過程的分子機制

研究首次揭示了一種全新的微生物能量代謝途徑，突破了傳統(tǒng)上認為硫化物與三價鐵礦僅發(fā)生化學反應的觀點。該途徑繞過了傳統(tǒng)的化學氧化與單質硫歧化過程，直接驅動硫化物向硫酸鹽的厭氧轉化，完善了硫-鐵耦合生物地球化學模型。

中國學者在百比特超導芯片上實現(xiàn)新型拓撲邊緣態(tài)

8月27日 ， 清華大學交叉信息研究院鄧東靈副教授、浙江大學物理學院王浩華教授、浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心郭秋江研究員為共同通訊作者在全球頂級期刊《Nature》發(fā)表題為 “ Topological prethermal strong zero modes on superconducting processor s ”的研究論文。 清華大學交叉信息研究院2023級博士生蔣颸，浙江大學2021級博士生金非童、朱旭浩為論文共同第一作者。

該研究針對的是凝聚態(tài)物理中的一種新奇物態(tài)——對稱性保護的拓撲邊緣態(tài)（ symmetry-protected topological edge states ）。它通常出現(xiàn)于系統(tǒng)的邊界，受到特定對稱性的保護，能夠有效地抵抗?jié)M足對稱性的噪聲，這使它在量子信息方面具備潛在的應用價值。然而困難在于，拓撲邊緣態(tài)非常脆弱，通常僅存在于絕對零度的理想環(huán)境，在真實的“熱”環(huán)境中，要成為量子世界“皮實耐造”的成員，它們必須挺過“命運”的難關——熱化。

圖6：“天目2號”超導量子芯片

聯(lián)合科研團隊在“天目2號” 百比特超導量子芯片上實現(xiàn)了一種新型“熱”拓撲邊緣態(tài)，為保護脆弱的量子信息提供了新路徑。

對稱性保護的拓撲邊緣態(tài)是凝聚態(tài)物理中的一種新奇物態(tài)，在學術界廣受關注。它能有效抵抗?jié)M足特定對稱性噪聲的干擾，被認為可用于提升量子計算的可靠性。但拓撲邊緣態(tài)對溫度非常敏感，通常僅存在于絕對零度的理想環(huán)境。此次實現(xiàn)的新型“熱”拓撲邊緣態(tài)表明，在非無序、存在熱激發(fā)的有限溫量子體系中，“預熱化”機制能有效抵御熱激發(fā)擾動，形成更加穩(wěn)健、長壽命的拓撲邊緣態(tài)。

圖7.使用超導量子芯片實現(xiàn)有限溫度拓撲邊緣態(tài)的主要實驗結果圖

編輯、審核：大可

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