沖浪電子打破歐姆定律；對人體直接消毒的紫外
目 錄
1. 沖浪的電子打破歐姆定律？
2. 科技力量助力全球戰(zhàn)疫
3. 這種紫外線可對人體直接消毒
4. 首次實驗觀測到貝特弦
5. 第一張彩色照片如何獲得了顏色？
6. 行人動力學模型為疫情應急處置出謀劃策
7. 硅-鍺合金，未來的光子芯片？
8. 細胞是否分裂，“上一輩”說了算
撰文 | 小葉、繼省、顧舒晨、于槐、太閣爾、Leo
1 沖浪的電子打破歐姆定律？
向左走，向右走？要判斷一個人走到十字路口時如何轉向可能很難。但如果是溪流分成兩岔，人們各自坐在船上順流而下，那么絕大多數人最終可能都會進入水流更強的那一支。
沖繩科學技術大學院大學（OIST）量子動力學單位的研究者就在觀察類似的現象[1, 2]，只不過尺度要小得多——他們觀察的是電子的行為如何被流體影響。
流體中的電子會有哪些獨特的行為？| 圖片來源：OIST
我們許多人初中時就學過歐姆定律：電流與電壓成正比，與電阻成反比。所以如果讓導線分叉，使得電阻在兩個電路之間平均分配，那么攜帶電流的電子各會有一半進入其中一條電路。不過OIST 的Denis Konstantinov教授表示：“如果電子處在液體而非固體環(huán)境中，歐姆定律就可能被打破。”
這一概念來源于“極化子（polaron）”。極化子是描述固體材料中電子與原子之間相互作用的一種準粒子，由朗道于1933年提出。在離子晶體或極性半導體中，導電電子會排斥負離子而吸引正離子，使這些離子偏離原來的平衡位置，而這反過來又會對電子本身產生屏蔽作用，降低電子的遷移率，增加電子的有效質量。不過在此之前，人們大多只是討論離子晶體中的極化子，對液體環(huán)境中極化子的行為討論的少之又少。
電子排斥負離子而吸引正離子，而這反過來會對電子產生屏蔽作用。|圖片來源：wikipedia
在這項研究中，研究者利用了超流液氦這種具有獨特性質的液體。在直到絕對零度的極端低溫條件下，它依然可以保持液體狀態(tài)，并且黏度為零。電子可以漂浮其上而不沉底，這就為研究者提供了一個二維電子系統(tǒng)。
他們構造了一個微米尺寸的微小結構，將三個蓄液池由T型結構連接，并浸沒在超流液氦中，對其施加電場。
連接三個蓄液池的T型結構。｜圖片來源：OIST
電子在液體中移動時，會形成表面張力波，或者說漣漪。在高電子密度下，電子會被束縛在波浪底部。這與傳統(tǒng)極化子有所不同，被稱為“漣漪極化子（ripplopolaron）”。
電子在液體中移動時，會被束縛在波浪底部，形成漣漪極化子。| 圖片來源：OIST
如果遵循歐姆定律，那么這些漣漪極化子應該在T型結構處分岔。而實際情況則是，在移動到T型結構時，由于液體流動，它們遵循動量守恒定律繼續(xù)直行，并沒有分岔。
如果是電子，它們會在T型結構處分岔，可是漣漪極化子繼續(xù)沿著直線向前流動，并沒有遵循歐姆定律。| 圖片來源：OIST
如果施加反向的電場，那么這些漣漪極化子仍然會沿著一個方向向前流動�？墒侨绻麖膫让媸┘与妶�，那么它們就會迎頭撞擊到凹槽壁上，波浪由此消失，留下自由的電子，這些自由的電子將仍然遵循歐姆定律。
這個實驗展現了電子的一種新奇行為，不過這只有在非常特殊的條件下才會出現：電子的密度必須足夠高，才會形成漣漪極化子；溫度必須非常低，以防止超流液氦飛濺。
流體中的電子對于構建量子比特可能非常有用。如果可以利用流體中的電子來構建量子比特，那么在未來，我們或許可以構建一個靈活、可移動的計算機架構。
[1] https://www.oist.jp/news-center/news/2020/3/30/surfing-waves-electrons-break-law-go-flow
[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.126803#fulltext
2 科技力量助力全球戰(zhàn)疫
如今新冠肺炎疫情正在全球蔓延，面對全球戰(zhàn)“疫”，科學技術亮出利器，為打敗病毒做貢獻。
中國科研團隊在一月第一時間分離鑒定出病毒毒株并共享了病毒全基因組序列，同時緊急搭建“全球冠狀病毒組學數據共享與分析系統(tǒng)”、“2019新型冠狀病毒資源庫”兩個平臺并沿用至今[1]。3月底中國科技部牽頭，征集疫情防控先進技術成果和創(chuàng)新產品，建立了科技抗疫——先進技術成果信息共享服務平臺[2]。目前平臺上的科技項目和創(chuàng)新產品已經有540多項，內容涉及病毒檢測儀器、診療技術、智能服務、體溫檢測、疫情防控平臺、消殺消毒防護設備等。
目前，海外各大研究機構和企業(yè)也紛紛行動起來，除了緊鑼密鼓各施所能展開疫苗研發(fā)之外，歐洲核子研究所近期借助先進技術[3]，調動自家工程師和物理學專家，開始研制新型流線型呼吸機，利用3D打印技術制造防疫護具，以解當地醫(yī)療資源緊缺燃眉之急。歐洲航空局則計劃利用衛(wèi)星觀測數據[4]，分析新冠肺炎疫情給交通網絡、商業(yè)以及重工業(yè)等帶來的影響和變化。IBM聯(lián)合谷歌、微軟、亞馬遜、NASA、國家科學基金會等發(fā)揮超級計算機威力，在流行病學、生物信息學和分子建模等領域展開大量計算工作，期望縮短發(fā)現新分子研發(fā)疫苗的時間。還有其他各類國內以及跨國合作不勝枚舉[5]，科技是人類對抗疫情病毒的有力武器，需要全球科技界共同努力，早日攻破難關。
[1] http://nmdc.cn/#/coronavirus
[2] https://dyhj.chinatorch.org.cn/technicalAchievement/f/home/index
[3] https://against-covid-19.web.cern.ch/
[4] https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/COVID 19_how_can_satellites_help
[5] https://blogs.scientificamerican.com/observations/inside-the-global-race-to-fight-covid-19-using-the-worlds-fastest-supercomputers/
3 這種紫外線可對人體直接消毒
紫外線消毒殺菌是古老而又行之有效的方法，其原理是利用紫外光打斷DNA雙螺旋鏈，從而達到對細菌和病毒的滅活。根據波長的不同，紫外線可分為UVA（400-315nm）、UVB（315-280nm）、UVC（280-200nm）三種。對于殺菌消毒最有效的是UVC，且由于核酸最大吸收值在260nm附近，因此紫外線消毒器一般都使用254nm波長。但紫外線也會對人體產生副作用，波長240-320nm的紫外線常會誘發(fā)皮膚癌和白內障等[1]，因此無法使用于人體。此前，日本神戶大學整形外科學系團隊發(fā)現并證明了222nm與254nm波長的紫外線在消除人體皮膚細菌方面的能力相當[2]。近日神戶大學Nishigori教授團隊再次于《光化學與光生物學》雜志發(fā)表論文[3]，首次證明222 nm波長紫外線的直接和重復照射不會誘發(fā)皮膚癌或眼睛損傷。
研究人員使用了光敏感小鼠模型，將小鼠分別暴露于222nm殺菌燈或對照組UVB（280-315nm）中。結果顯示，對照組的小鼠均患上了皮膚癌，并出現了白內障和角膜損害；而暴露于222nm殺菌燈組中的小鼠則沒有類似的病變。研究人員認為這是由于不同波長的紫外線對皮膚的滲透程度不同造成的。目前在殺菌燈中使用的254nm UVC能滲透至皮膚最底層的基底細胞層，而222nm UVC只停留在皮膚最外層的角質層。
這一研究證明了222nm UVC不僅具有殺菌能力，且能安全直接用于皮膚，有望成為一種更為方便有效的滅菌產品，為醫(yī)院、廚房等人員密集場所的滅菌提供便利。
[1] Bowden GT. Prevention of non-melanoma skin cancer by targeting ultraviolet-B-light signalling. Nat Rev Cancer. 2004;4:23–35.
[2] Narita K, Asano K, Morimoto Y, et al. Disinfection and healing effects of 222-nm UVC light on methicillin-resistant Staphylococcus aureus infection in mouse wounds. J Photochem Photobiol B. 2018; 178:10–18.
[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/ku-riw040720.php
4 實驗首次觀測到貝特弦
晶體中規(guī)則排列的原子會表現出復雜的相互作用，從而導致新的物態(tài)。在一些晶體中，磁相互作用是一維的，如果更進一步，相鄰的磁矩指向相反方向，那么就形成了一維的反鐵磁體。1931年，物理學家貝特（Hans Bethe）首次從理論上描述了這種現象，并且預言兩個以上的連續(xù)磁矩激發(fā)會形成所謂的貝特弦（Bethe string）。
當系統(tǒng)處于基態(tài)時，磁矩要么向上要么向下，與外部磁場反向的自旋（紅色箭頭）永遠不會連起來。而在激發(fā)態(tài)，更多的自旋會發(fā)生反轉，處在與外部磁場反平行的狀態(tài)，從而形成貝特弦（白色箭頭）。| 圖片來源：HZB
在通常的實驗條件下，貝特弦非常不穩(wěn)定，我們很難觀測到它們。不過就在最近，來自柏林亥姆霍茲研究中心（HZB）的物理學家第一次在實驗中確定了貝特弦的存在[1, 2]。他們使用
晶體作為一維反鐵磁體系統(tǒng)，在強磁場下，通過中子散射實驗研究了弦態(tài)在整個布里淵區(qū)的色散關系及磁場依賴性。結果發(fā)現，實驗觀測到的特征能量、散射強度、線寬等特性與根據貝特擬設（Bethe ansatz）所做的計算高度吻合。
[1] https://www.helmholtz-berlin.de/bin/news_seite?nid=21228;sprache=en;intern=1
[2] Bera, A., Wu, J., Yang, W., Bewley, R., Boehm, M., Xu, J., Bartkowiak, M., Prokhnenko, O., Klemke, B., Islam, A., Law, J., Wang, Z. and Lake, B., 2020. Dispersions of many-body Bethe strings. Nature Physics.
5 第一張彩色照片如何獲得了顏色？
1848年，法國科學家埃德蒙·貝克勒爾（Edmond Becquerel）[1]基于當時的氯化銀技術制造出第一批太陽光譜的彩色照片。但照片顏色的來源卻眾說紛紜，主要分為兩派：一派持色素起源假說，認為是感光層中的銀和氯元素曝光時發(fā)生化學反應形成了色素，另一派持干涉起源假說，認為是光的干涉作用于色彩層顆粒，形成了與色彩波長尺寸相應的微型結構。
太陽光譜的彩色照片。|圖片來源：Edmond Becquerel（1848），Musée Nicéphore Niépce, Chalon-sur-Sa ne.
然而就在最近，來自法國文物保護研究中心、SOLEIL同步加速器和固體物理學實驗室的聯(lián)合團隊發(fā)表論文[2, 3]，通過化學分析和形態(tài)研究并借助電子顯微鏡等進行觀測，檢驗了上述兩種假說，結果既沒有發(fā)現色素假說認為應有的色彩化學成分變化，也沒有發(fā)現支持干涉假說的規(guī)則性微結構。
當檢驗色彩面時，科學家在氯化銀晶�；w中發(fā)現了金屬銀納米顆粒，這些納米顆粒的尺寸分布和位置根據不同顏色而各異。電子振蕩能量的證據進一步表明，銀納米顆粒分散體因感光層曝光而發(fā)生了改變，研究人員由此提出第三種假說：根據光的顏色和能量的不同，納米顆粒在曝光后發(fā)生重組，一些凝聚起來，一些四散分裂。新構型中的納米顆粒會吸收各種顏色的可見光，除了最初改變其微觀結構的那種光，這也就是我們看到的色彩。
納米顆粒與顏色有關的這種特性與固體物理中的表面等離激元有關，表面等離激元是在光場激發(fā)下金屬納米結構中的自由電子和光子互相作用產生的共諧振蕩，具有選擇性光散射和吸收等特點。就這樣，二十世紀納米光子學解開了舊世紀謎題。
[1] 注：法國科學家埃德蒙·貝克勒爾也是天然放射性現象的發(fā)現者亨利·貝克勒爾的父親。
[2] http://www.cnrs.fr/en/mystery-solved-we-finally-understand-origin-colours-first-colour-photographs
[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202001241
6 行人動力學模型為疫情應急處置出謀劃策
隨著部分國家和地區(qū)新冠疫情日益加重，許多身處海外的人士開始考慮回國。但漫長的歸國旅途，復雜的轉運、登記、檢測流程也會提高感染病毒的風險。西佛羅里達大學計算機科學系教授 Ashok Srinivasan 等人就建立了適用于狹窄空間的行人動力學（Pedestrian Dynamics）模型——“冷靜”模型（Constrained Linear Movement Model，CALM）。這一模型可以預測模擬人群的運動行為，并分析人群運動過程中的風險，為相關的政策制定提供參考建議。與先前類似的模型相比，通過代碼優(yōu)化和超級計算機的輔助，該模型[1, 2]的運算速度提升了60倍。
Srinivasan等人建立的“冷靜”模型把人的運動行為分解為三條規(guī)則：1. 遠離那些距離太近的人；2. 靠近那些距離很遠的人；3. 跟周圍人的移動方向保持一致。通過對環(huán)境的數據采集，并結合上述三條規(guī)則，研究者就可以對人群的運動行為做出模擬預測。以旅客離機為例，這一模型就很好地模擬出了旅客下飛機時的動力學過程。如下圖所示：
旅客離機過程模擬。| 圖片來源[1]
上圖描述了旅客離開座位，在過道上排隊、走到機艙門下飛機的全過程（綠色圓點表示旅客，藍色圓點、邊框則表示飛機的座椅、機艙結構）。這樣的仿真模擬有助于暴露出在不同場景中防疫策略存在的問題。例如，與快速的離機過程相比，登機時的安檢排隊等環(huán)節(jié)就會加大了旅客的感染風險。
Srinivasan也表示，盡管已經對模擬環(huán)境做了仔細的分析、建模，但該模型并不能包含現實世界所有的影響因素。一個被模型忽略的極端特例就能造成疾病的大范圍傳播。
[1] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0229690
[2] https://www.tacc.utexas.edu/-/how-at-risk-are-you-of-getting-a-virus-on-an-airplane-
7 硅-鍺合金，未來的光子芯片？
微電子技術日新月異，但當芯片中元件的尺寸越來越小、密度越來越大，芯片中的電子在導線內傳輸時的發(fā)熱就變成了極為棘手的問題，會制約芯片進一步的小型化。不過光子芯片可以很好的解決這個問題。
在光子芯片中，用于傳輸信息的基元不是電子而是光子。光子沒有質量和電荷，在材料中傳輸時不會遇到阻礙，也就不會發(fā)熱，從而能夠顯著降低能量損耗。此外，光子芯片的傳輸速率比電子芯片快1000倍。
但光子芯片一直停留在概念階段，一個核心挑戰(zhàn)是如何找到合適的發(fā)光材料。目前芯片的主要材料是硅，但它發(fā)光性質很差，無法用于構筑光子芯片。而砷化鎵和磷化銦這樣的發(fā)光半導體材料價格昂貴，且難以集成到目前的硅基芯片中。因此，制備高效的硅基發(fā)光材料就成為了當前光子芯片研究的關鍵。
一種思路是通過將其他材料摻入硅，從而改變其半導體性質。例如，理論預測，相比起純硅，六方晶型的硅-鍺合金的電子能帶結構會發(fā)生很大的改變，從而可以發(fā)光。但這種特殊結構的硅-鍺合金很難合成。
近日，《自然》雜志報道了荷蘭埃因霍溫科技大學的研究人員在這一問題上的最新進展[1, 2]。研究人員用直徑約為35 nm的六方砷化鎵納米棒作為模板，在其上利用氣相外延沉積法生長了一層同樣為六方晶型的硅-鍺合金。通過調節(jié)生長過程中所使用的氫化鍺（GeH4）和氫化硅（Si2H6）兩種氣相原材料的比例，還可以制備不同原子比和不同發(fā)光性質的硅-鍺合金。這種核殼結構的硅-鍺合金非常純凈，發(fā)光效率非常高，已經能夠匹敵砷化鎵和磷化銦的發(fā)光性能，因而在光子芯片中有極大的應用價值。
在六面體模板上生長硅-鍺納米線。（a）示意圖，（b）掃描電鏡照片。|圖片來源:[1]
研究人員預測，隨著材料的進一步優(yōu)化，他們將在2020年制備出首個硅基激光器，這將是光子芯片發(fā)展中的一個里程碑。但如何將六邊形的硅-鍺集成到四方形的單晶硅器件中，則是研究人員面臨的又一個重大挑戰(zhàn)。
[1] Fadaly et al. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys, Nature, 2020, 580, 205–209
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/euot-erp040620.php
8 細胞是否分裂，“上一輩”說了算
細胞何時決定分裂？每個生物學研究者都思考過這個問題。細胞經過一個完整的細胞周期（包含G1，S，G2，M四個時期）后一分為二，那么子細胞是否會繼續(xù)分裂呢？流行至今近40年的經典理論認為，子細胞從母細胞分裂出來后會進入G1期，而G1期存在感知外界情況的“關卡”，即檢查點；一旦檢查點的“工作人員”（例如Rb蛋白，Cyclin D蛋白）評估細胞外信號后認為滿足條件，比如生長刺激因子充足，細胞便會一鼓作氣完成分裂，否則原地待命。癌細胞的瘋狂分裂正是因為檢查點失效，“剎車”失靈。
然而，美國科羅拉多大學博爾德分校的Sabrina Spencer團隊最近在《科學》雜志發(fā)文[1-3]，對上述理論提出了挑戰(zhàn)。他們發(fā)現，子細胞的分裂命運早在母細胞分裂過程中就已成定局。只要在母細胞分裂過程中用藥物阻斷細胞外的生長刺激因子，不論是在過程中的何時阻斷、持續(xù)多久，子細胞的分裂比例都會明顯降低；而且，對母細胞的干擾越久，子代細胞分裂比例越低。上一代鬧過“饑荒”，下一代便“節(jié)衣縮食”——子細胞似乎傳承了上一代細胞的記憶，卻完全無視自身所處環(huán)境里營養(yǎng)是否充足。
這一新發(fā)現得益于獨特的蛋白熒光標記和單細胞實時成像技術，使得經典問題有了新的答案。同時，對細胞分裂命運的進一步了解還有助于開發(fā)新的癌癥治療策略。
