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(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)模型為疫情應(yīng)急處置出謀劃策
7. 硅-鍺合金，未來的光子芯片？
8. 細(xì)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(gè)人走到十字路口時(shí)如何轉(zhuǎn)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(shù)人最終可能都會(huì)進(jìn)入水流更強(qiáng)的那一支。
沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）量子動(dòng)力學(xué)單位的研究者就在觀察類似的現(xiàn)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(huì)有哪些獨(dú)特的行為？| 圖片來源：OIST
我們許多人初中時(shí)就學(xué)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(dǎo)線分叉，使得電阻在兩個(gè)電路之間平均分配，那么攜帶電流的電子各會(huì)有一半進(jìn)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(zhǔn)粒子，由朗道于1933年提出。在離子晶體或極性半導(dǎo)體中，導(dǎo)電電子會(huì)排斥負(fù)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(huì)對電子本身產(chǎn)生屏蔽作用，降低電子的遷移率，增加電子的有效質(zhì)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(fù)離子而吸引正離子，而這反過來會(huì)對電子產(chǎn)生屏蔽作用。|圖片來源：wikipedia
在這項(xiàng)研究中，研究者利用了超流液氦這種具有獨(dú)特性質(zhì)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(gè)二維電子系統(tǒng)。
他們構(gòu)造了一個(gè)微米尺寸的微小結(jié)構(gòu)，將三個(gè)蓄液池由T型結(jié)構(gòu)連接，并浸沒在超流液氦中，對其施加電場。
連接三個(gè)蓄液池的T型結(jié)構(gòu)。｜圖片來源：OIST
電子在液體中移動(dòng)時(shí)，會(huì)形成表面張力波，或者說漣漪。在高電子密度下，電子會(huì)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(dòng)時(shí)，會(huì)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(yīng)該在T型結(jié)構(gòu)處分岔。而實(shí)際情況則是，在移動(dòng)到T型結(jié)構(gòu)時(shí)，由于液體流動(dòng)，它們遵循動(dòng)量守恒定律繼續(xù)直行，并沒有分岔。
如果是電子，它們會(huì)在T型結(jié)構(gòu)處分岔，可是漣漪極化子繼續(xù)沿著直線向前流動(dòng)，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(huì)沿著一個(gè)方向向前流動(dòng)�？墒侨绻麖膫�(cè)面施加電場，那么它們就會(huì)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(gè)實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)：電子的密度必須足夠高，才會(huì)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(gòu)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(gòu)建量子比特，那么在未來，我們或許可以構(gòu)建一個(gè)靈活、可移動(dòng)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。
[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(xué)技術(shù)亮出利器，為打敗病毒做貢獻(xiàn)。
中國科研團(tuán)隊(duì)在一月第一時(shí)間分離鑒定出病毒毒株并共享了病毒全基因組序列，同時(shí)緊急搭建“全球冠狀病毒組學(xué)數(shù)據(jù)共享與分析系統(tǒng)”、“2019新型冠狀病毒資源庫”兩個(gè)平臺(tái)并沿用至今[1]。3月底中國科技部牽頭，征集疫情防控先進(jìn)技術(shù)成果和創(chuàng)新產(chǎn)品，建立了科技抗疫——先進(jìn)技術(shù)成果信息共享服務(wù)平臺(tái)[2]。目前平臺(tái)上的科技項(xiàng)目和創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)有540多項(xiàng)，內(nèi)容涉及病毒檢測儀器、診療技術(shù)、智能服務(wù)、體溫檢測、疫情防控平臺(tái)、消殺消毒防護(hù)設(shè)備等。
目前，海外各大研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也紛紛行動(dòng)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(jìn)技術(shù)[3]，調(diào)動(dòng)自家工程師和物理學(xué)專家，開始研制新型流線型呼吸機(jī)，利用3D打印技術(shù)制造防疫護(hù)具，以解當(dāng)?shù)蒯t(yī)療資源緊缺燃眉之急。歐洲航空局則計(jì)劃利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)[4]，分析新冠肺炎疫情給交通網(wǎng)絡(luò)、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(xué)基金會(huì)等發(fā)揮超級計(jì)算機(jī)威力，在流行病學(xué)、生物信息學(xué)和分子建模等領(lǐng)域展開大量計(jì)算工作，期望縮短發(fā)現(xiàn)新分子研發(fā)疫苗的時(shí)間。還有其他各類國內(nèi)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(guān)。
[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(dá)到對細(xì)菌和病毒的滅活。根據(jù)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(huì)對人體產(chǎn)生副作用，波長240-320nm的紫外線常會(huì)誘發(fā)皮膚癌和白內(nèi)障等[1]，因此無法使用于人體。此前，日本神戶大學(xué)整形外科學(xué)系團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并證明了222nm與254nm波長的紫外線在消除人體皮膚細(xì)菌方面的能力相當(dāng)[2]。近日神戶大學(xué)Nishigori教授團(tuán)隊(duì)再次于《光化學(xué)與光生物學(xué)》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(fù)照射不會(huì)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?qū)φ战MUVB（280-315nm）中。結(jié)果顯示，對照組的小鼠均患上了皮膚癌，并出現(xiàn)了白內(nèi)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(rèn)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(xì)胞層，而222nm UVC只停留在皮膚最外層的角質(zhì)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)首次觀測到貝特弦
晶體中規(guī)則排列的原子會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的相互作用，從而導(dǎo)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(jìn)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(xué)家貝特（Hans Bethe）首次從理論上描述了這種現(xiàn)象，并且預(yù)言兩個(gè)以上的連續(xù)磁矩激發(fā)會(huì)形成所謂的貝特弦（Bethe string）。
當(dāng)系統(tǒng)處于基態(tài)時(shí)，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(yuǎn)不會(huì)連起來。而在激發(fā)態(tài)，更多的自旋會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，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(shí)驗(yàn)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(xué)家第一次在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場下，通過中子散射實(shí)驗(yàn)研究了弦態(tài)在整個(gè)布里淵區(qū)的色散關(guān)系及磁場依賴性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)觀測到的特征能量、散射強(qiáng)度、線寬等特性與根據(jù)貝特?cái)M設(shè)（Bethe ansatz）所做的計(jì)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(xué)家埃德蒙·貝克勒爾（Edmond Becquerel）[1]基于當(dāng)時(shí)的氯化銀技術(shù)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(rèn)為是感光層中的銀和氯元素曝光時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了色素，另一派持干涉起源假說，認(rèn)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(yīng)的微型結(jié)構(gòu)。
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(hù)研究中心、SOLEIL同步加速器和固體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文[2, 3]，通過化學(xué)分析和形態(tài)研究并借助電子顯微鏡等進(jìn)行觀測，檢驗(yàn)了上述兩種假說，結(jié)果既沒有發(fā)現(xiàn)色素假說認(rèn)為應(yīng)有的色彩化學(xué)成分變化，也沒有發(fā)現(xiàn)支持干涉假說的規(guī)則性微結(jié)構(gòu)。
當(dāng)檢驗(yàn)色彩面時(shí)，科學(xué)家在氯化銀晶�；w中發(fā)現(xiàn)了金屬銀納米顆粒，這些納米顆粒的尺寸分布和位置根據(jù)不同顏色而各異。電子振蕩能量的證據(jù)進(jìn)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(jù)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(gòu)型中的納米顆粒會(huì)吸收各種顏色的可見光，除了最初改變其微觀結(jié)構(gòu)的那種光，這也就是我們看到的色彩。
納米顆粒與顏色有關(guān)的這種特性與固體物理中的表面等離激元有關(guān)，表面等離激元是在光場激發(fā)下金屬納米結(jié)構(gòu)中的自由電子和光子互相作用產(chǎn)生的共諧振蕩，具有選擇性光散射和吸收等特點(diǎn)。就這樣，二十世紀(jì)納米光子學(xué)解開了舊世紀(jì)謎題。
[1] 注：法國科學(xué)家埃德蒙·貝克勒爾也是天然放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)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(dòng)力學(xué)模型為疫情應(yīng)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(fù)雜的轉(zhuǎn)運(yùn)、登記、檢測流程也會(huì)提高感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)。西佛羅里達(dá)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授 Ashok Srinivasan 等人就建立了適用于狹窄空間的行人動(dòng)力學(xué)（Pedestrian Dynamics）模型——“冷靜”模型（Constrained Linear Movement Model，CALM）。這一模型可以預(yù)測模擬人群的運(yùn)動(dòng)行為，并分析人群運(yùn)動(dòng)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，為相關(guān)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(jì)算機(jī)的輔助，該模型[1, 2]的運(yùn)算速度提升了60倍。
Srinivasan等人建立的“冷靜”模型把人的運(yùn)動(dòng)行為分解為三條規(guī)則：1. 遠(yuǎn)離那些距離太近的人；2. 靠近那些距離很遠(yuǎn)的人；3. 跟周圍人的移動(dòng)方向保持一致。通過對環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合上述三條規(guī)則，研究者就可以對人群的運(yùn)動(dòng)行為做出模擬預(yù)測。以旅客離機(jī)為例，這一模型就很好地模擬出了旅客下飛機(jī)時(shí)的動(dòng)力學(xué)過程。如下圖所示：
旅客離機(jī)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(duì)、走到機(jī)艙門下飛機(jī)的全過程（綠色圓點(diǎn)表示旅客，藍(lán)色圓點(diǎn)、邊框則表示飛機(jī)的座椅、機(jī)艙結(jié)構(gòu)）。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(jī)過程相比，登機(jī)時(shí)的安檢排隊(duì)等環(huán)節(jié)就會(huì)加大了旅客的感染風(fēng)險(xiǎn)。
Srinivasan也表示，盡管已經(jīng)對模擬環(huán)境做了仔細(xì)的分析、建模，但該模型并不能包含現(xiàn)實(shí)世界所有的影響因素。一個(gè)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(shù)日新月異，但當(dāng)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(dǎo)線內(nèi)傳輸時(shí)的發(fā)熱就變成了極為棘手的問題，會(huì)制約芯片進(jìn)一步的小型化。不過光子芯片可以很好的解決這個(gè)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(zhì)量和電荷，在材料中傳輸時(shí)不會(huì)遇到阻礙，也就不會(huì)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(gè)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(zhì)很差，無法用于構(gòu)筑光子芯片。而砷化鎵和磷化銦這樣的發(fā)光半導(dǎo)體材料價(jià)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(dāng)前光子芯片研究的關(guān)鍵。
一種思路是通過將其他材料摻入硅，從而改變其半導(dǎo)體性質(zhì)。例如，理論預(yù)測，相比起純硅，六方晶型的硅-鍺合金的電子能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很大的改變，從而可以發(fā)光。但這種特殊結(jié)構(gòu)的硅-鍺合金很難合成。
近日，《自然》雜志報(bào)道了荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員在這一問題上的最新進(jìn)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(diào)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(zhì)的硅-鍺合金。這種核殼結(jié)構(gòu)的硅-鍺合金非常純凈，發(fā)光效率非常高，已經(jīng)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(yīng)用價(jià)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(yù)測，隨著材料的進(jìn)一步優(yōu)化，他們將在2020年制備出首個(gè)硅基激光器，這將是光子芯片發(fā)展中的一個(gè)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(gè)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(xì)胞是否分裂，“上一輩”說了算
細(xì)胞何時(shí)決定分裂？每個(gè)生物學(xué)研究者都思考過這個(gè)問題。細(xì)胞經(jīng)過一個(gè)完整的細(xì)胞周期（包含G1，S，G2，M四個(gè)時(shí)期）后一分為二，那么子細(xì)胞是否會(huì)繼續(xù)分裂呢？流行至今近40年的經(jīng)典理論認(rèn)為，子細(xì)胞從母細(xì)胞分裂出來后會(huì)進(jìn)入G1期，而G1期存在感知外界情況的“關(guān)卡”，即檢查點(diǎn)；一旦檢查點(diǎn)的“工作人員”（例如Rb蛋白，Cyclin D蛋白）評估細(xì)胞外信號(hào)后認(rèn)為滿足條件，比如生長刺激因子充足，細(xì)胞便會(huì)一鼓作氣完成分裂，否則原地待命。癌細(xì)胞的瘋狂分裂正是因?yàn)闄z查點(diǎn)失效，“剎車”失靈。
然而，美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的Sabrina Spencer團(tuán)隊(duì)最近在《科學(xué)》雜志發(fā)文[1-3]，對上述理論提出了挑戰(zhàn)。他們發(fā)現(xiàn)，子細(xì)胞的分裂命運(yùn)早在母細(xì)胞分裂過程中就已成定局。只要在母細(xì)胞分裂過程中用藥物阻斷細(xì)胞外的生長刺激因子，不論是在過程中的何時(shí)阻斷、持續(xù)多久，子細(xì)胞的分裂比例都會(huì)明顯降低；而且，對母細(xì)胞的干擾越久，子代細(xì)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(xì)胞似乎傳承了上一代細(xì)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(xiàn)得益于獨(dú)特的蛋白熒光標(biāo)記和單細(xì)胞實(shí)時(shí)成像技術(shù)，使得經(jīng)典問題有了新的答案。同時(shí)，對細(xì)胞分裂命運(yùn)的進(jìn)一步了解還有助于開發(fā)新的癌癥治療策略。
