二维材料的层间电子耦合通过堆垛工程实现了可调和紧急特性。然而，它也导致了二维半导体中电子结构的显著演化和激子效应的衰减，例如，当单分子层堆叠成范德华结构时，过渡金属二卤素中的激子光致发光和光学非线性的快速退化。
2023年1月4日，中国科学技术大学任希锋，新加坡国立大学仇成伟，Guo Qiangbing，Stephen J. Pennycook及Andrew T. S. Wee共同通道在Nature 在线发表题为“Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal”的研究论文，该研究报道了一种van der Waals晶体，氧化二氯铌(NbOCl2)，具有消失的层间电子耦合和单分子层样激子行为，以及可伸缩的二次谐波产生强度，比单分子WS2高3个数量级。
值得注意的是，强二阶非线性使相关参数光子对的产生，通过自发参数下转换(SPDC)过程，薄片薄约46纳米。据研究人员所知，这是第一个在二维层状材料中明确证明的SPDC源，也是迄今为止报道过的最薄的SPDC源。总之，该研究工作为开发基于范德华材料的超紧凑片上SPDC源以及经典和量子光学技术中的高性能光子调制器开辟了道路。
另外，2023年1月4日，浙江大学徐建明及谷保静共同通讯在Nature 在线发表题为“Cost-effective mitigation of nitrogen pollution from global croplands”的研究论文，该研究综合了全球1521个现场观测数据，并确定了11项关键措施，这些措施可以将农田向空气和水中的氮损失减少30-70%，同时将作物产量和氮利用效率(NUE)分别提高10-30%和10-80%。总体而言，在考虑的基准年2015年，全球农田采用这一揽子措施将使作物氮产量增加17±3tg (1012 g)(增加20%)，氮肥使用量减少22±4tg(减少21%)，对环境的氮污染减少26±5tg(减少32%)。这些变化可为全球粮食供应、人类健康、生态系统和气候带来4776±1230亿美元的社会效益，而净缓解成本仅为190±50亿美元，其中150±40亿美元的化肥节省抵消了总缓解成本的44%。为了在未来减轻农田氮污染，可以实施氮信用系统(NCS)等创新政策，以选择、激励并在必要时补贴这些措施的采用。
2023年1月4日，香港大学Yang Yi及麻省理工学院Charles Roques-Carmes共同通讯在Nature 在线发表题为“Photonic flatband resonances for free-electron radiation”的研究论文，该研究从理论上揭示了光子平带可以克服这种不匹配，从而显著地促进它们的相互作用。该研究在绝缘体上硅光子晶体板中设计了平带共振，通过调整其轨迹和速度来控制和增强相关的自由电子辐射。该研究观察到平带增强的特征，从传统的衍射使史密斯-珀塞尔辐射记录了二个数量级的增加。这种增强使自由电子辐射的极化成形和通过电子束测量的光子带的表征成为可能。总之，该研究结果支持使用平板带作为强光-电子相互作用的试验台，特别是与高效和紧凑的自由电子光源和加速器相关。
2023年1月4日，密歇根大学米泽田团队在Nature 在线发表题为“Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting”的研究论文，该研究开发了一种策略，使用纯水、聚光太阳能和氮化铟镓光催化剂，实现了9.2%的高效率。这一策略的成功源于在最佳反应温度(约70摄氏度)下操作，促进氢-氧正向进化和抑制氢-氧反向重组的协同效应，这可以通过收集太阳光中先前浪费的红外光直接实现。此外，这种依赖温度的策略也导致了从广泛使用的自来水和海水中获得约7%的太阳能制氢(STH)效率，在自然太阳能容量为257瓦的大规模光催化水分解系统中获得6.2%的STH效率。总之，该研究提供了一种利用自然太阳光和水高效生产氢燃料的实用方法，克服了太阳能制氢的效率瓶颈。
2023年1月4日，哈佛大学Zhang Yun团队在Nature 在线发表题为“Pathogenic bacteria modulate pheromone response to promote mating”的研究论文，该研究发现在雌雄同体的秀丽隐杆线虫中，暴露于细菌病原体(铜绿假单胞菌)通过诱导化学感受器STR-44的表达来调节对信息素的感觉反应以促进交配。在标准条件下，雌雄隐杆线虫避免使用蛔虫苷信息素的混合物，以促进扩散。该研究发现，暴露于致病性假单胞菌能够使AWA感觉神经元的信息素反应(介导吸引趋化)抑制回避。病原体暴露诱导了AWA神经元中str-44 的表达，这一过程由转录因子zip-5 调控，该过程也显示了病原体诱导的AWA表达增加。STR-44作为一种信息素受体，其在AWA神经元中的功能是病原体诱导的AWA信息素反应和抑制信息素回避所必需的。此外，该研究还发现，主要通过自体受精繁殖的两性秀丽隐杆线虫在病原体暴露后会增加与雄性的交配率，而这种增加需要AWA神经元中的STR-44。因此，该研究结果揭示了病原体诱导的社会行为可塑性的因果机制，这可以促进遗传多样性和促进宿主动物的适应。
2023年1月4日，德州农工大学Zhang Yi Ge团队在Nature 在线发表题为“Neogene burial of organic carbon in the global ocean”的研究论文，该研究报告了一种“自下而上”的方法，用于计算有机碳掩埋率，这是独立于质量平衡计算的。该研究利用全球分布的81个地点的数据建立了新近纪(大约23-3 Ma)有机碳埋藏的历史。该研究结果显示有机碳埋藏的时空变异性比先前估计的更大。从全球来看，中新世早期和上新世埋藏率较高，中新世中期埋藏率最低，后一时期有机质-碳酸盐埋藏率最低。这与早期将中新世中期碳酸盐13C富集值解释为大量有机碳埋藏的研究(即蒙特雷假说)形成了鲜明对比。中新世中暖期有机碳埋藏的抑制可能与细菌对有机质的温度依赖性降解有关，表明有机碳循环对过去的全球变暖起到了正反馈作用。
2023年1月4日，哈佛大学Richard I. Gregory团队（Li Jiazhi及Wang Longfei为共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Structural basis of regulated m7G tRNA modification by METTL1–WDR4”的研究论文，该研究通过对人类METTL1 - WDR4的结构、生化和细胞研究表明，WDR4可作为METTL1和tRNA T臂的支架。在tRNA结合后，METTL1的αC区转变为一个螺旋，该螺旋与α6螺旋一起固定tRNA变量环的两端。出乎意料的是，该研究发现METTL1预测的无序N端区域是催化口袋的一部分，对甲基转移酶活性至关重要。此外，该研究发现S27在METTL1 N端区域的磷酸化通过局部破坏催化中心来抑制甲基转移酶活性。总之，该研究结果提供了tRNA底物识别和磷酸化介导的METTL1-WDR4调控的分子理解，并揭示了METTL1无序的N端区域作为甲基转移酶活性的连接。
2023年1月4日，哈佛医学院Mathias Lichterfeld团队（Sun Weiwei及Gao Ce为共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Phenotypic signatures of immune selection in HIV-1 reservoir cells”的研究论文，该研究使用单细胞，下一代测序方法对HIV-1感染者的外周血和淋巴结中HIV-1感染的记忆CD4+ T细胞进行直接体外表型分析，这些患者接受了大约10年的抗逆转录病毒治疗。该研究证明，在外周血中，含有基因组完整的前病毒的细胞和病毒感染细胞的大克隆经常表达表面标记的集合签名，赋予增强的抵抗免疫介导的杀伤细胞毒T和自然杀伤细胞，配对的免疫检查点标记的表达水平升高可能限制前病毒基因转录；这种表型可能会减少HIV-1宿主细胞暴露于细胞宿主免疫反应并被细胞宿主免疫反应杀死。从淋巴结携带完整HIV-1的病毒储库细胞表现出一种表型特征，主要表现为促进细胞存活的表面标记物的上调，包括CD44、CD28、CD127和IL-21受体。总之，这些结果表明在HIV-1储库细胞中免疫选择的分区表型特征，这意味着只有对其解剖免疫微环境具有最佳适应性的一小部分感染细胞能够在长期抗逆转录病毒治疗中存活。区分病毒库细胞的表型标记的鉴定可能为治疗和根除HIV-1的策略提供未来的方法。
SPDC是一种二阶非线性光学(NLO)过程，在能量和动量守恒的情况下，一个光子裂变成一对相关的光子，是现代量子技术的量子光源的核心。目前，基于SPDC的量子光源通常由硼酸钡和铌酸锂(LiNbO3)等二阶NLO块晶体实现，但由于它们的三维共价键性质以及相对较弱的非线性，在兼容互补金属-氧化物-半导体技术的平台上对混合集成量子光子学具有本质上的不利。
二维层状材料具有独特的范德华结构，可以实现无键集成，没有晶格和加工限制。它们还表现出增强的多体电子效应和疏松的相位匹配条件，导致在2D极限处有较大的光学非线性，因此引起了集成NLO光电子学和光子学的强烈兴趣。然而，在二维层状材料中还没有观察到任何SPDC过程的明确证据，这主要是由于迄今为止报道的层状材料中二阶NLO转换效率较低。
一方面，由于原子厚度导致的光-物质相互作用长度的消失限制了非线性转换效率；例如，单分子层过渡金属二卤属化合物(TMDCs)中的绝对光-物质相互作用对于实际应用来说太弱了，尽管它们具有极高的二阶敏感性。另一方面，由于中心对称性随层数的变化，许多二维层状材料的非线性效率不随厚度的变化而变化。
结构表征（图源自Nature ）
通常情况下，TMDCs通常通过每个单层沿c轴交替方向堆叠在2H多型中，因此在电偶极子近似下，只有奇数层具有非零。这也适用于其他二维材料，包括六方BN, IV族单硫族化合物，PdSe2和AgInP2S6。二是由于层间电子耦合和介电屏蔽的存在，使得电子结构发生了显著的改变，除了自吸收效应外，非线性也降低了，例如在TMDC奇异层中，α-In2Se3和3R-MoS2。
因此，具有可扩展的二阶NLO响应的范德华晶体是非常需要的，特别是对于快速发展的混合集成光子平台，其中简便的范德华集成将带来前所未有的技术机遇。在这里，该研究报道了一种范德华晶体NbOCl2，它具有消失的层间电子耦合和相当大的单层样激子效应，强的结构极性和各向异性，以及可伸缩的强二次谐波(SHG)响应，比单层WS2大三个数量级。
通过SPDC过程产生非经典参数光子对的薄片厚度为46 nm, SPDC效率的优势系数高达9800 GHz W−1 m−1，具有构建芯片集成SPDC源的巨大潜力。总之，该研究工作证明了NbOCl2是一个巨大的二阶NLO范德华晶体，在经典和量子非线性光学系统中都有很大的应用潜力。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05393-7
转自：“iNature”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
