科大资讯 | 近期科研成果速览

目录

1、中国科大在“神威?太湖之光”上首次实现千万核心并行第一性原理计算模拟

2、中国科大研制一种可持续生物合成仿生多层级太阳能蒸汽发生器

3、中国科大找到量子磁力仪测量磁场矢量的最终理论精度极限

4、谁如何“顺”走了我的白金？

5、中国科大在实用化量子度量方案实现上取得重要进展

6、中国科大在硒硫化锑太阳能电池研究中取得重要突破

7、中国科大首次实验实现最优量子纠缠态检验

8、我校研制的火星磁强计随“天问一号”成功发射

9、中国科大在金刚石量子模拟研究领域取得新进展

10、“天问一号”火星磁强计成功开机

中国科大在“神威太湖之光”上首次实现千万核心并行第一性原理计算模拟

DGDFT的ALB基组，块状三对角Hamiltonian矩阵，流程图，神威主从核并行加速

近日，中国科学技术大学针对大尺度数万原子分子固体体系的第一性原理计算模拟，以低标度平面波高精度计算软件DGDFT为基础，在国产神威太湖之光超级计算机上实现了千万核超大规模并行计算，研究成果在线发表于《Science Bulletin》上。这项成果由合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院的杨金龙教授课题组，与计算机科学与技术学院安虹教授课题组联合攻关，在国家超级计算无锡中心和中国科学院软件研究所研究人员的紧密配合下完成。

研究团队在神威太湖之光上完成了超大规模高性能DFT计算模拟。计算结果表明，DGDFT方法可以在神威太湖之光超级计算机上并行扩展到8,519,680个计算处理核(131,072个核组)，用于研究含有数万碳原子(11520碳原子)的二维金属石墨烯体系的电子结构性质。

这次通过超算应用团队、软件移植和性能优化团队，与基础算法库开发团队以及国家超算中心硬件技术支持团队的紧密合作，把我校理论与计算化学的低标度理论算法与国产高性能并行计算软硬件的优势结合起来，充分发挥了国产神威太湖之光超级计算机的强大计算能力；开发了低标度、低通讯，低内存、低访存的并行计算方法；实现了具有平面波精度的千万核超大规模高性能并行计算。同时，模拟体系的大小（数万原子）比国际同等平面波精度的计算模拟软件提高了数百倍。这一成果说明，借助当代最先进的计算方法和世界顶级高性能计算平台，大体系、长时间的高精度第一性原理材料模拟已成为现实。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72309.htm

论文链接：

https://www.网址未加载/science/article/pii/S2095927320304230#!

中国科大研制一种可持续生物合成仿生多层级太阳能蒸汽发生器

可持续生物合成多层级太阳能蒸汽发生器制备过程。(A) 通过气溶胶辅助生物合成技术在木材基材上构造玻璃微珠/细菌纤维素隔热层。HSSG核心部件示意图，玻璃微珠/细菌纤维素复合层可以阻止向下的热流并允许水快速向上传输。同时顶部的碳纳米管/细菌纤维素层可有效吸收光并产生蒸汽。(B)利用碳纳米管（CNTs）的气溶胶通过气溶胶辅助的生物合成过程在隔热层上构造光吸收层。(C) 多层级太阳能蒸汽发生器结构示意图。(D)木质基底结构图，木质基底具有可以有效输送水的筛管结构。(E)玻璃微珠嵌入纤维素纳米纤维的网络中，形成了具有出色水传输能力的高效隔热层。(F) CNTs与纤维素纳米纤维缠结，形成具有光吸收能力的水蒸发层。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队开发了一种基于细菌纤维素纳米复合材料的高效且可持续的仿生多层级太阳能蒸汽发生器（HSSG）。该HSSG是通过一步气溶胶辅助生物合成过程制造的。经过设计的微生物合成过程成功地与纳米材料的气溶胶沉积技术相结合，并且直接高效地构建了复杂的仿生层级结构。该HSSG的分层结构包含三个具有不同功能的连续层，包括碳纳米管与细菌纤维素复合的光吸收层，玻璃微珠与细菌纤维素复合的隔热层以及用于支撑和输水的木质基材。在HSSG中，细菌纤维素水凝胶的三维纤维素纳米纤维网络显着降低了将液态水转化为蒸汽的能耗并加速水汽化。由于这种仿生结构设计和纳米网络降低了蒸发焓，HSSG可以实现2.9 kgm-2h-1的高蒸发速率和80％的太阳能转化效率。论文在线发表在Nano Letters上。

与其他太阳能净水技术相比，这种HSSG蒸汽发生器在蒸发率、能量转化效率、可持续性和成本方面具有很大的优势，有望发展成为未来水净化中的新的技术途径。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72333.htm

论文链接：

https://pubs.网址未加载/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c01088

https://acs.网址未加载/details/85424078/news

中国科大找到量子磁力仪测量磁场矢量的最终理论精度极限

量子磁力仪对磁场矢量三个分量同时测量的最终精度极限

我校郭光灿院士团队在量子精密测量研究中取得重要理论进展。该团队李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授在量子磁力仪同时测量磁场矢量三个分量的平行纠缠方案中，找到了平衡不同参数测量精度间的最小制衡方法，首次给出同时测量磁场矢量三分量的最终理论精度极限。该研究成果于7月8日在线发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

相比于之前量子磁力仪集中研究测量单个磁场分量，该工作回答了磁场矢量三个分量同时测量的最终精度极限，并且发现了不同磁场分量精度制衡的底层物理是源自于量子探针态的不兼容性。该工作不仅解决了磁场矢量测量的最终精度极限问题，也提供了一套解决其他多参数量子精密测量问题的新方法。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72364.htm

论文链接：

https://journals.网址未加载/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.020501

谁如何“顺”走了我的白金？

动态迁移的CO吸附层引起Pt(111)台阶波动和台阶处表面Pt原子空穴的形成/湮灭；

(111)平台位上表层Pt原子空穴伴着横向高速迁移的CO吸附层扩散

最近，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学物理系的陈艳霞教授课题组与德国基尔大学实验与应用物理研究所的Olaf Magnuseen教授合作，使用原位高速扫描隧道显微镜（Video-STM）在毫秒时间尺度上研究了Pt(111)在CO饱和的硫酸中的表面动力学行为。首次直接在电化学环境中观察到Pt表面空穴及其动态行为，所得结果为揭示其形成机制及动力学提供了直接证据。成果发表在《Chemical Communication》上。

表面空穴在电极重构过程中的作用正受到越来越多的关注。这项工作的成果表明单个电极点缺陷（如空穴）的动力学是可以直接在合适的电化学体系中进行研究的。观察到的Pt表面空穴的出现和动态行为表明Pt能与吸附的CO发生复杂而出乎意料的相互作用。即使在非常温和的条件下（即对于在CO预氧化区间中特别稳定的Pt(111)电极表面），CO的存在也会引起Pt结构上的降解。这些信息对理解Pt基电催化剂的结构-活性和结构-稳定性之间的关系以及合理地设计合成高效、高稳定性的实用型Pt基催化剂提供了重要的依据。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72471.htm

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https://网址未加载/10.1039/D0CC04046K

中国科大在实用化量子度量方案实现上取得重要进展

上图：利用闭环学习控制进行量子度量探针态优化的流程。下图：实验中实现量子度量探针态优化的线路。

中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室在实用化量子度量方案的实现上取得重要进展。该室彭新华教授与理论合作者新加坡南洋理工大学Mile Gu教授提出并验证了一种实用化的量子度量探针态优化方案，为实现大尺度量子系统中最优探针态的制备提供了一种可扩展的方法。该研究成果近期在线发表在国际学术期刊《npj Quantum Information》上。

这项工作巧妙借助量子模拟器自身的演化以及纯度测量的策略，克服了极耗资源的量子系统经典模拟及控制目标评估这两个难题，节省了大量的实验资源。另外，这项工作所使用的闭环学习控制方法能够自动地包含实验中的各种扰动，且能自动搜寻最优的量子探针态。因此，这是一种可扩展的、实用化的量子度量探针态优化方法，对大尺度量子系统中的量子度量应用很有价值。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72483.htm

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https://网址未加载/10.1038/s41534-020-00292-z

中国科大在硒硫化锑太阳能电池研究中取得重要突破

近日，中国科学技术大学陈涛教授、朱长飞教授团队，与新南威尔士大学的Xiaojing Hao教授等合作，发展了水热沉积法制备硒硫化锑(Sb2(S,Se)3)半导体薄膜材料并将其应用到太阳能电池中，实现了光电转换效率10%的突破。该成果发表在Nature Energy上。

鉴于Sb2(S,Se)3具有良好的稳定性和丰富元素储量，光电转换效率的进一步提升有望推进应用。本文发展的水热沉积法在超临界的状态下水热沉积过可以生成致密、平整且横向元素分布均匀的光吸收薄膜，从而有利于载流子的传输，结合光吸收、阴阳离子比例的调控以及点缺陷的控制，最终实现了光电转换效率的突破。从材料制备的角度来看，本文发展的水热沉积法是一种简便、低成本的薄膜制备方法。

Nature Energy审稿人给予该工作高度的评价，认为这是一个里程碑的效率（“This paper presents a landmark efficiency value for Sb2(S,Se)3 solar cells breaking the 10% barrier”），为硒硫化锑太阳能电池的发展带来新的曙光（“This achievement sheds new light on the investigation and application of Sb2(S,Se)3 …”）。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72488.htm

论文链接：

https://www.网址未加载/articles/s41560-020-0652-3

中国科大首次实验实现最优量子纠缠态检验

最优量子纠缠态检验原理图示（以两比特为例）

我校郭光灿院士团队首次实验实现了最优效率的多光子纠缠态检验，该团队李传锋、陈耕、许小冶等人构造了一种新的纠缠态测量方法，可以快速检验出实际制备的多体纠缠态相对于目标纠缠态的保真度，测量精度达到海森堡极限，更重要的是该方法所需测试样本数不会随着纠缠态规模增大而增加。该研究成果7月17日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

李传锋研究组构造了一组最优的测量基，使得目标态可以确定性的通过这些测量。然后随机选取这些测量基对实际制备的纠缠态进行测试。该工作实现了最优效率的纠缠态检验，更重要的是该方法所需要的测试样本数并不随着纠缠态规模增大而增加。

利用最优量子纠缠态检验方法，研究组对两光子和四光子纠缠态分别进行了检验。其中对于四光子的纠缠态，实验中利用了9个测量装置和大约2500次测量即精确表征了实际态的失真度。作为比较，量子态层析方法要达到相同的测量精度，需要使用81个测量装置和45000次测量。最优量子纠缠态检验方法对大规模量子通信和量子计算网络具有重要意义。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72490.htm

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https://journals.网址未加载/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506

我校研制的火星磁强计随“天问一号”成功发射

火星磁强计实物图

7月23日12时41分，我国首个火星探测器“天问一号”在海南文昌卫星发射中心搭载长征五号遥四运载火箭发射升空，并成功进入预定轨道。此次发射任务的圆满成功开启了我国首次火星探测任务之旅，迈出了我国行星探测第一步。我校作为我国深空探测中首个承担单机级科学载荷任务的高校，独立研制的火星环绕器有效载荷火星磁强计随“天问一号”成功发射。

中国科学技术大学于2016年1月正式启动火星探测火星磁强计的研制任务，承担研制任务的是地球和空间科学学院的空间有效载荷研制平台。该平台同时隶属于中国科学院近地空间环境重点实验室和中科院比较行星学卓越创新中心，由汪毓明教授从2012年起开始牵头组建，主要研制两类空间有效载荷：一是空间低能粒子探测器，二是空间磁场探测器。本次火星磁强计载荷研制的主要负责人为张铁龙教授，参与的骨干有郝新军、李毅人、潘宗浩、刘凯、陈满明和李新等人。

在火星探测任务中，空间有效载荷研制平台还与核探测与核电子学国家重点实验室（中国科学技术大学部）安琪教授团队的曹喆和封常青合作参与了火星离子与中性粒子分析仪的研制任务。火星离子与中性粒子分析仪的承担单位为中国科学院国家空间中心，中国科学技术大学主要负责了其中飞行时间测量FPGA的研制。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72506.htm

中国科大在金刚石量子模拟研究领域取得新进展

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人与理论合作者北京大学刘雄军等合作，在金刚石氮-空位（NV）色心体系的量子模拟实验研究方面取得新进展。他们利用量子淬火动力学在实验上模拟了凝聚态体系中尚未观测到的三维手性拓扑绝缘体，并第一次对体内和表面的拓扑物理进行了全面的实验研究。该研究成果发表在近期的《物理评论快报》上。

实验中使用的金刚石固态单自旋体系因其在室温下就易于初始化、操控和读出，是当前发展较为成熟的量子调控实验体系，在实现固态量子计算、量子模拟和量子精密测量等研究中具有很好的应用前景。中国科学院微观磁共振重点实验室一直致力于该体系的量子相干控制和应用研究，仅在量子模拟方向上就发表了多篇高水平研究论文。近年来，该团队深入发展金刚石色心样品制备等底层关键技术，已掌握高纯金刚石样品的制备工艺，自主制备的NV色心在相干时间T2*与荧光计数关键物理性能上达到国际先进水平。正是得益于自制样品的优越性能，以及该团队在固态自旋量子态精确操控上的领先技术，才使得本次量子模拟实验研究得以完成。未来通过进一步发展与提升金刚石单自旋样品的性能、调控技术和单次读出探测技术等，有望推进金刚石单自旋体系在量子信息领域产生更广泛的应用。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72535.htm

论文链接：

https://journals.网址未加载/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.020504

“天问一号”火星磁强计成功开机

火星磁强计正样产品

7月23日，我校研制的火星磁强计随“天问一号”火星探测器成功发射。7月24日晚22时24分，火星磁强计开机测试。通过对加电测试后下传的科学数据、工程参数和遥测数据进行了判读，火星磁强计工作正常，各项数据符合预期。

我国首次火星探测任务于2016年1月正式立项，所研制的火星探测器由着陆巡视器和环绕器组成。我校张铁龙教授率领的研制团队通过载荷竞争优选，争取到火星探测器环绕器有效载荷单机—火星磁强计的研制任务，使得中国科大成为我国深空探测中首个承担单机级科学载荷任务的高校。学校高度重视火星磁强计研制任务，依托我校国军标质量管理体系，结合航天型号任务要求，在工程管理、质量控制、条件建设等方面给予了全力保障。校领导多次视察中科院近地空间环境重点实验室，听取载荷产品研制进展，并在“天问一号”发射当日第一时间向工程研制建设的全体参研参试人员表示热烈祝贺和诚挚慰问。

“天问一号”预计将于2021年2月抵达火星，届时火星磁强计将肩负起高精度探测近火空间磁场环境的任务，与其他载荷配合以期在太阳风与火星感应磁层的相互作用、火星古地质地磁演化和火星大气逃逸等方面取得重大突破。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/72534.htm

来源：中国科大新闻网

本期编辑：孙宗哲