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亮点文章《物理学报》2024年第18期

已有 468 次阅读 2024-10-22 15:09 |系统分类:论文交流

封面文章

基于无监督学习方法的细胞膜内单分子扩散运动分析：胆固醇对模型膜和活细胞膜流动性的不同影响

谭金鹏，张婉婷，徐成，卢雪梅，朱文圣，杨恺，元冰

物理学报, 2024, 73(18):188702

doi: 10.7498/aps.73.20240915

单分子运动追踪是研究软物质体系尤其是生命体系动力学过程和分子相互作用的重要方法，但如何理解生命体系中单分子运动行为的复杂性仍是一个巨大的挑战。针对这一问题，本工作提出了一种可对单分子轨迹进行高效识别和分类的、基于无监督学习的“两步归类法”：首先利用熵约束最小二乘法对扩散轨迹的受限程度进行区分，继而通过统计检验将非受限轨迹划分为亚扩散、正常扩散和超扩散等不同运动模式类型。利用该方法，本工作解析了DOPC模型细胞膜和活细胞膜内的单分子扩散运动特征，揭示了胆固醇成分对二者的差异影响。结果显示：模型膜和活细胞膜均包含多种不同的扩散模式；在DOPC模型膜体系中，胆固醇成分会阻碍膜内的分子扩散运动，且阻碍程度与胆固醇含量正相关；在活细胞体系中，分子运动速率显著低于模型膜体系，并且，胆固醇的去除会进一步减慢分子扩散速率。本研究有助于从单分子运动角度深入理解生物分子运动行为的复杂性及其对体系环境的依赖性。

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同行评价

对于活性软物质体系和生命体系，单分子（单粒子）运动追踪是研究其复杂非平衡动力学过程的重要技术手段。本工作结合“无监督学习”，发展了一种对单分子轨迹进行识别和分类的“两步归类方法”，进而将其应用于模型细胞膜和活细胞膜内的单脂质运动分析中，揭示了其不同的分子运动特征，以及胆固醇成分对两者的不同影响。工作内容很有趣，有创新性，对相关领域的研究很有启示，其发展的新方法具有实用性。

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专题：生物分子模拟中的机器学习

融合结构知识的蛋白质预训练模型进展

汤天一，熊翊名，张睿格，张建，李文飞，王骏，王炜

物理学报, 2024, 73(18):188701

doi: 10.7498/aps.73.20240811

自然语言和图像处理领域引发的人工智能革命给蛋白质计算领域带来了新的思路和研究范式。其中一个重大的进展是从海量蛋白质序列通过自监督学习得到预训练的蛋白质语言模型。这类预训练模型编码了蛋白质的序列、进化、结构乃至功能等多种信息，可方便地迁移至多种下游任务，并展现了强大的泛化能力。在此基础上，人们正进一步发展融合更多种类数据的多模态预训练模型。考虑到蛋白质结构是决定其功能的主要因素，融合了结构信息的蛋白质预训练模型可更好地支持下游多种任务，本文对这一方向的研究工作进行了介绍和总结。此外，还简介了融合先验知识的蛋白质预训练模型、RNA语言模型、蛋白质设计等方面的工作，讨论了这些领域目前的现状、困难及可能的解决方案。

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图1 蛋白质多模态基础(预训练)模型及其应用（只示意性列出若干下游任务）

同行评价

当前大语言模型及其应用在许多领域快速发展，是解决复杂问题的一种有效的途径。在蛋白质结构和功能研究领域，大语言模型得到迅速的发展和广泛的应用，出现了大量不同的蛋白质大语言模型，相关的网络模型和研究策略。该文对这些进行了比较全面和系统的综述，不仅能够让生物物理的研究者及时了解目前蛋白质大语言模型的研究和应用进展，同时为物理学其他方面的研究者提供了研究复杂问题的新视野和新范式。

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电解液浓度对光电极表面气泡演化及传质特性的影响

王孟莎，徐强，聂腾飞，罗欣怡，郭烈锦

物理学报, 2024, 73(18):188201

doi: 10.7498/aps.73.20240533

在光电化学分解水反应中，气泡会覆盖光电极表面的反应区域，从而影响反应阻抗和气液传质。本文搭建了激光照射系统，并将其与电化学工作站、高速显微成像系统耦合。在不同电解液浓度下(Na₂SO₄，0.1—2.0 mol/L)，研究了TiO₂析气光电极表面单个氧气泡的演化行为及其传质特性。随着电解液浓度从0.1 mol/L升高到2.0 mol/L，溶液电阻与气泡附加电阻降低，气泡稳定生长阶段的过电势从0.113 V下降到–0.089 V。气泡在成核、生长和脱离阶段会引起过电势的波动，这与液相中溶解气浓度的变化引起的阻抗变化相吻合。通过分析析气效率与气泡覆盖率的关联，发现电解液浓度提高会导致气泡覆盖率和析气效率同步下降。通过计算舍伍德无量纲数，发现总对流传质系数随着电解液浓度的增大而增大；单相自然对流在气体产物传递过程中占据主导地位，其传质系数比气泡诱导对流传质系数大一个数量级。

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同行评价

本文聚焦可再生能源利用中太阳能光电化学分解水研究领域，关注分解水过程中反应产物气体形成的气泡在电解液浓度变化下对固液界面和气液传质的影响，通过搭建先进的激光照射系统，实现气泡演化过程的精准实时追踪，进而揭示了电解液浓度影响气泡演变和反应过程多相传质的规律，为高效光电化学分解水体系的构建提供有效指导。

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二维光子晶体中的双波段半狄拉克锥与零折射率材料

纪雨萱，张明楷，李妍

物理学报, 2024, 73(18):181101

doi: 10.7498/aps.73.20240800

设计了一种由椭圆介电柱子组成的正方晶格光子晶体结构。通过调节椭圆柱子的大小和放置角度，在布里渊区中心同时实现两个不同频率的双重偶然简并，并获得两个不同波段的半狄拉克锥。更有趣的是，这两个半狄拉克锥沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向表现出的线性和非线性色散关系正好相反，k ·p 微扰理论也进一步证实了这种奇异的色散关系。数值计算结果表明在两个半狄拉克点频率附近，本文所设计的正方晶格光子晶体在线性色散所在方向上等效为阻抗匹配的双零折射率材料，而在非线性色散所在方向上只能等效为单零折射率材料，即沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向的等效零折射率展现出差异性。而两个不同波段的半狄拉克锥所对应的这种等效零折射率的各向异性截然相反，因此可利用“Y”型光子晶体板将两种不同频率的电磁波成功分离。

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同行评价

本文设计了一种由椭圆介电柱子组成的正方晶格光子晶体结构，通过调节椭圆柱子的大小和放置角度来进行调制，椭圆柱子长轴和短轴两个方向表现出的线性和非线性色散关系正好相反，因此，沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向的等效零折射率也展现出差异性。利用这种特性，作者设计了一种“Y”型光子晶体板将两种不同频率的电磁波成功分离开来，本文工作十分有趣且有意义。

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星载电子器件温控的系统多尺度分析

李心泽，唐桂华，汪子涵，冯建朝，张晓峰

物理学报, 2024, 73(18):184401

doi: 10.7498/aps.73.20240685

为提高星载电子器件热分析的模拟分辨率和精度以及被动热控装置的控温效果，本文建立系统多尺度模型获得不同尺度下卫星内部电子器件的温度场和热流信息。结果表明：系统多尺度模型在系统级尺度模拟精度与实际模型相对误差小于9%，并且可消耗较少的计算资源获得器件级尺度芯片微小结构的热信息。系统级模型可从宏观尺度评估星载被动热控材料的控温隔热性能，采用复合相变隔热材料可将载荷舱室温度波动幅值降至2.43 K，相比平台舱室温度波动幅值降低约69.43%，通过复合相变隔热材料隔热后的温度波动信号呈现向高频域部分转移的特征。基于多元回归分析选定需要进行重点隔热控温的舱室后，采用器件级简化模型得到不同热控装置布局下的温度场信息形成训练数据集，采用神经网络遗传算法在器件尺度预测被动热控装置的最佳安装位置，并得到减小器件最大温度波动的热控布局方案，最大温度波动降低2.74K。

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同行评价

本文建立了系统多尺度模型来获取不同尺度下的卫星内部电子器件的温度场和热流信息，提高星载电子设备热分析的分辨率，提出了复合相变材料方案来降低温度波动，采用神经网络优化方法来减小器件温度波动。研究内容详实，研究方案清晰，撰写流畅。

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钨杂质辐射对托卡马克等离子体大破裂快速热猝灭阶段热能损失过程的影响

张启凡，乐文成，张羽昊，葛忠昕，邝志强，萧声扬，王璐

物理学报, 2024, 73(18):185201

doi: 10.7498/aps.73.20240730

基于 PLT，EAST，WEST，ASDEX-Upgrade，JET等托卡马克装置开展的研究表明重杂质易产生聚芯现象，这会导致等离子体约束性能降低甚至引发等离子体大破裂事件。大破裂期间等离子体热能损失主要发生在快速热猝灭(thermal quench，TQ)阶段，但目前对于这一阶段的时间尺度定标关系并没有较为全面的物理解释。国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)将采用全钨壁材料，而钨作为高Z杂质，其较强的辐射能力将会对TQ过程的热能损失产生影响。为研究钨杂质对快速TQ时间尺度的影响，本工作通过同时考虑随机磁场导致的热扩散以及钨杂质辐射引起的热损失机制，建立了托卡马克等离子体电子温度演化的一维模型，并在典型类ITER参数下对该阶段的电子温度演化进行数值计算和分析。主要结论为：1)快速TQ时间尺度的量级由热扩散水平决定，但钨杂质辐射可以定量上影响TQ时间尺度和TQ后期电子温度，钨浓度越高TQ时间尺度越短、后期电子温度越低，且数值与解析结果分析都表明该时间尺度与钨杂质浓度近似呈线性关系；2)快速TQ阶段前期，通过钨杂质辐射损失的能量远小于通过随机磁场引起热扩散损失的能量，但在TQ后期，钨杂质辐射功率量级可以接近甚至超过热扩散功率，这也是导致TQ后期电子温度随钨浓度增大而降低的原因。因此，钨杂质辐射在TQ后期对热能损失的贡献不可忽略。

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图5 τ_90-20对钨杂质浓度的依赖关系

同行评价

本文研究了钨杂质对等离子体大破裂热猝灭阶段能量损失的影响。通过建立电子温度的一维演化模型，研究了钨杂质辐射对TQ阶段时间尺度及能量损失的影响。该工作对理解破裂缓解的物理机制具有一定的意义，这是优化破裂缓解手段的前提。

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温亚飞，庄园园，王志强，高士回

物理学报, 2024, 73(18):180301

doi: 10.7498/aps.73.20240799

大规模广域量子网络的构建需要在量子节点之间进行纠缠交换及量子中继等过程，基于自发拉曼散射过程在冷原子中制备空间复用、时间复用以及多模式复用的光与原子纠缠界面为实现量子中继提供有效技术途径，其中读出效率的高低具有至关重要的作用。通过设计可扩展型脉冲光制备技术及能级的合理选择，本文构建了具有高效率的六路时间复用的光与原子纠缠源。实现纠缠源纠缠产生概率5.83倍的增强，同时读出效率约38%，对应Bell参数约为2.35。本研究成果为长距离量子通信及广域大规模量子网络构建提供有效资源及技术支撑。

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图4 测量Bell参数S ^(m)与存储时间τ变化关系

同行评价

该文主要是通过设计可扩展型脉冲光制备技术及能级的合理选择构建具有高效率的六路时间复用的光与原子纠缠源，实现纠缠源纠缠产生几率 5.83 倍的增强，同时读出效率~38%，对应 Bell 参数约为 2.35。在论文中创新的使用三个声光调制器来产生6束写脉冲，设计思路巧妙，在实际中可以大大减少AOM的使用数量，对时空倍增这类复杂实验系统来讲具有重要意义。

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基于单颗粒微米核壳晶体的微区上转换发射光谱构筑微纳光子学条形码

高伟，张正宇，张景蕾，丁鹏，韩庆艳，张成云，严学文，董军

物理学报, 2024, 73(18):184202

doi: 10.7498/aps.73.20241015

基于外延生长技术构建不同结构特性的核壳结构已成为调控稀土掺杂微纳晶体材料发光特性的有效技术手段之一。为此，本文基于多次外延生长并引入NaYF₄中间隔离层，构建了具有壳层独立发光特性NaYF₄:50%Yb³⁺/2%Tm³⁺@NaYF₄@NaYF₄:20%Yb³⁺/2%Er³⁺@NaYF₄@NaYF₄:2%Er³⁺多层微米核壳晶体。在980 nm激光激发下，借助共聚焦显微光谱测试系统，通过改变单颗粒微米晶体的激发位置，研究了单颗粒核壳微米晶体不同微区内的发光和能量传递特性。实验结果表明：在相邻发光层之间引入NaYF₄惰性壳，不仅可实现单颗粒微米晶体区域内发光的调控，且可有效抑制了各壳层离子间的相互作用，实现了各壳层的多彩独立发射。同时，基于单颗粒核壳微米晶体不同区域内多彩发射特性，构建具有信息可调的微纳光子学条形码。由此可见，本文所构建具有区域化可调发射的微米核壳结构，可在不同的激发条件下实现其发光的多彩可调，其丰富光谱指纹信息为单颗粒微米材料在光学防伪领域中的应用提供了新的途径。

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同行评价

作者通过构建不同的核壳结构，研究了单颗粒核壳微米晶体不同微区内的发光和能量传递特性。并利用单颗粒核壳微米晶，构建微纳光子学条形码，具有潜在的应用性。

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旋翼无人机载差分光学吸收二维探测系统的研究及应用

叶凡，李素文，牟福生，王松，王志多，汤玉洁，雒静

物理学报, 2024, 73(18):180701

doi: 10.7498/aps.73.20240909

针对机载探测系统的小型化、多角度、多高度、快速同时获取大气多污染物的技术需求，研制了一套融合多传感实现不同高度和不同方位角的轻量化、低成本的小型差分光学吸收二维机载观测系统，并将其搭建于旋翼无人机平台上应用于大气环境污染物的观测。本文详细介绍了研制的旋翼无人机平台和机载差分光学吸收系统构成，开展了系统稳定性研究，机载设备偏航角、翻滚角以及俯仰角的角度偏差均值分别为0.07°，–0.13°，–0.12°，满足监测稳定性要求。将机载系统与商用地基差分光学吸收系统进行比对观测实验，比对结果显示二者监测数据相关系数均大于0.92。最后利用该机载系统开展外场飞行实验，机载差分系统分别飞行距离水平面至30，60，90 m高度进行观测，观测时仰角设置为0°，方位角从0°到360°每隔30°进行一次测量，获得了不同方位角以及不同高度下的NO₂，SO₂，HCHO浓度分布信息。研究结果表明该研发系统满足大气多污染物同时快速多角度多高度的探测技术需求。

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