冲浪电子打破欧姆定律；对人体直接消毒的紫外线丨一周科技速览_风闻

目 录

1. 冲浪的电子打破欧姆定律？

2. 科技力量助力全球战疫

3. 这种紫外线可对人体直接消毒

4. 首次实验观测到贝特弦

5. 第一张彩色照片如何获得了颜色？

6. 行人动力学模型为疫情应急处置出谋划策

7. 硅-锗合金，未来的光子芯片？

8. 细胞是否分裂，“上一辈”说了算

撰文 | 小叶、继省、顾舒晨、于槐、太阁尔、Leo

1 冲浪的电子打破欧姆定律？

向左走，向右走？要判断一个人走到十字路口时如何转向可能很难。但如果是溪流分成两岔，人们各自坐在船上顺流而下，那么绝大多数人最终可能都会进入水流更强的那一支。

冲绳科学技术大学院大学（OIST）量子动力学单位的研究者就在观察类似的现象[1, 2]，只不过尺度要小得多——他们观察的是电子的行为如何被流体影响。

流体中的电子会有哪些独特的行为？| 图片来源：OIST

我们许多人初中时就学过欧姆定律：电流与电压成正比，与电阻成反比。所以如果让导线分叉，使得电阻在两个电路之间平均分配，那么携带电流的电子各会有一半进入其中一条电路。不过OIST 的Denis Konstantinov教授表示：“如果电子处在液体而非固体环境中，欧姆定律就可能被打破。”

这一概念来源于“极化子（polaron）”。极化子是描述固体材料中电子与原子之间相互作用的一种准粒子，由朗道于1933年提出。在离子晶体或极性半导体中，导电电子会排斥负离子而吸引正离子，使这些离子偏离原来的平衡位置，而这反过来又会对电子本身产生屏蔽作用，降低电子的迁移率，增加电子的有效质量。不过在此之前，人们大多只是讨论离子晶体中的极化子，对液体环境中极化子的行为讨论的少之又少。

电子排斥负离子而吸引正离子，而这反过来会对电子产生屏蔽作用。|图片来源：wikipedia

在这项研究中，研究者利用了超流液氦这种具有独特性质的液体。在直到绝对零度的极端低温条件下，它依然可以保持液体状态，并且黏度为零。电子可以漂浮其上而不沉底，这就为研究者提供了一个二维电子系统。

他们构造了一个微米尺寸的微小结构，将三个蓄液池由T型结构连接，并浸没在超流液氦中，对其施加电场。

连接三个蓄液池的T型结构。｜图片来源：OIST

电子在液体中移动时，会形成表面张力波，或者说涟漪。在高电子密度下，电子会被束缚在波浪底部。这与传统极化子有所不同，被称为“涟漪极化子（ripplopolaron）”。

电子在液体中移动时，会被束缚在波浪底部，形成涟漪极化子。| 图片来源：OIST

如果遵循欧姆定律，那么这些涟漪极化子应该在T型结构处分岔。而实际情况则是，在移动到T型结构时，由于液体流动，它们遵循动量守恒定律继续直行，并没有分岔。

如果是电子，它们会在T型结构处分岔，可是涟漪极化子继续沿着直线向前流动，并没有遵循欧姆定律。| 图片来源：OIST

如果施加反向的电场，那么这些涟漪极化子仍然会沿着一个方向向前流动。可是如果从侧面施加电场，那么它们就会迎头撞击到凹槽壁上，波浪由此消失，留下自由的电子，这些自由的电子将仍然遵循欧姆定律。

这个实验展现了电子的一种新奇行为，不过这只有在非常特殊的条件下才会出现：电子的密度必须足够高，才会形成涟漪极化子；温度必须非常低，以防止超流液氦飞溅。

流体中的电子对于构建量子比特可能非常有用。如果可以利用流体中的电子来构建量子比特，那么在未来，我们或许可以构建一个灵活、可移动的计算机架构。

[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 科技力量助力全球战疫

如今新冠肺炎疫情正在全球蔓延，面对全球战“疫”，科学技术亮出利器，为打败病毒做贡献。

中国科研团队在一月第一时间分离鉴定出病毒毒株并共享了病毒全基因组序列，同时紧急搭建“全球冠状病毒组学数据共享与分析系统”、“2019新型冠状病毒资源库”两个平台并沿用至今[1]。3月底中国科技部牵头，征集疫情防控先进技术成果和创新产品，建立了科技抗疫——先进技术成果信息共享服务平台[2]。目前平台上的科技项目和创新产品已经有540多项，内容涉及病毒检测仪器、诊疗技术、智能服务、体温检测、疫情防控平台、消杀消毒防护设备等。

目前，海外各大研究机构和企业也纷纷行动起来，除了紧锣密鼓各施所能展开疫苗研发之外，欧洲核子研究所近期借助先进技术[3]，调动自家工程师和物理学专家，开始研制新型流线型呼吸机，利用3D打印技术制造防疫护具，以解当地医疗资源紧缺燃眉之急。欧洲航空局则计划利用卫星观测数据[4]，分析新冠肺炎疫情给交通网络、商业以及重工业等带来的影响和变化。IBM联合谷歌、微软、亚马逊、NASA、国家科学基金会等发挥超级计算机威力，在流行病学、生物信息学和分子建模等领域展开大量计算工作，期望缩短发现新分子研发疫苗的时间。还有其他各类国内以及跨国合作不胜枚举[5]，科技是人类对抗疫情病毒的有力武器，需要全球科技界共同努力，早日攻破难关。

[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 这种紫外线可对人体直接消毒

紫外线消毒杀菌是古老而又行之有效的方法，其原理是利用紫外光打断DNA双螺旋链，从而达到对细菌和病毒的灭活。根据波长的不同，紫外线可分为UVA（400-315nm）、UVB（315-280nm）、UVC（280-200nm）三种。对于杀菌消毒最有效的是UVC，且由于核酸最大吸收值在260nm附近，因此紫外线消毒器一般都使用254nm波长。但紫外线也会对人体产生副作用，波长240-320nm的紫外线常会诱发皮肤癌和白内障等[1]，因此无法使用于人体。此前，日本神户大学整形外科学系团队发现并证明了222nm与254nm波长的紫外线在消除人体皮肤细菌方面的能力相当[2]。近日神户大学Nishigori教授团队再次于《光化学与光生物学》杂志发表论文[3]，首次证明222 nm波长紫外线的直接和重复照射不会诱发皮肤癌或眼睛损伤。

研究人员使用了光敏感小鼠模型，将小鼠分别暴露于222nm杀菌灯或对照组UVB（280-315nm）中。结果显示，对照组的小鼠均患上了皮肤癌，并出现了白内障和角膜损害；而暴露于222nm杀菌灯组中的小鼠则没有类似的病变。研究人员认为这是由于不同波长的紫外线对皮肤的渗透程度不同造成的。目前在杀菌灯中使用的254nm UVC能渗透至皮肤最底层的基底细胞层，而222nm UVC只停留在皮肤最外层的角质层。

这一研究证明了222nm UVC不仅具有杀菌能力，且能安全直接用于皮肤，有望成为一种更为方便有效的灭菌产品，为医院、厨房等人员密集场所的灭菌提供便利。

[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 实验首次观测到贝特弦

晶体中规则排列的原子会表现出复杂的相互作用，从而导致新的物态。在一些晶体中，磁相互作用是一维的，如果更进一步，相邻的磁矩指向相反方向，那么就形成了一维的反铁磁体。1931年，物理学家贝特（Hans Bethe）首次从理论上描述了这种现象，并且预言两个以上的连续磁矩激发会形成所谓的贝特弦（Bethe string）。

当系统处于基态时，磁矩要么向上要么向下，与外部磁场反向的自旋（红色箭头）永远不会连起来。而在激发态，更多的自旋会发生反转，处在与外部磁场反平行的状态，从而形成贝特弦（白色箭头）。| 图片来源：HZB

在通常的实验条件下，贝特弦非常不稳定，我们很难观测到它们。不过就在最近，来自柏林亥姆霍兹研究中心（HZB）的物理学家第一次在实验中确定了贝特弦的存在[1, 2]。他们使用

晶体作为一维反铁磁体系统，在强磁场下，通过中子散射实验研究了弦态在整个布里渊区的色散关系及磁场依赖性。结果发现，实验观测到的特征能量、散射强度、线宽等特性与根据贝特拟设（Bethe ansatz）所做的计算高度吻合。

[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 第一张彩色照片如何获得了颜色？

1848年，法国科学家埃德蒙·贝克勒尔（Edmond Becquerel）[1]基于当时的氯化银技术制造出第一批太阳光谱的彩色照片。但照片颜色的来源却众说纷纭，主要分为两派：一派持色素起源假说，认为是感光层中的银和氯元素曝光时发生化学反应形成了色素，另一派持干涉起源假说，认为是光的干涉作用于色彩层颗粒，形成了与色彩波长尺寸相应的微型结构。

太阳光谱的彩色照片。|图片来源：Edmond Becquerel（1848），Musée Nicéphore Niépce, Chalon-sur-Saône.

然而就在最近，来自法国文物保护研究中心、SOLEIL同步加速器和固体物理学实验室的联合团队发表论文[2, 3]，通过化学分析和形态研究并借助电子显微镜等进行观测，检验了上述两种假说，结果既没有发现色素假说认为应有的色彩化学成分变化，也没有发现支持干涉假说的规则性微结构。

当检验色彩面时，科学家在氯化银晶粒基体中发现了金属银纳米颗粒，这些纳米颗粒的尺寸分布和位置根据不同颜色而各异。电子振荡能量的证据进一步表明，银纳米颗粒分散体因感光层曝光而发生了改变，研究人员由此提出第三种假说：根据光的颜色和能量的不同，纳米颗粒在曝光后发生重组，一些凝聚起来，一些四散分裂。新构型中的纳米颗粒会吸收各种颜色的可见光，除了最初改变其微观结构的那种光，这也就是我们看到的色彩。

纳米颗粒与颜色有关的这种特性与固体物理中的表面等离激元有关，表面等离激元是在光场激发下金属纳米结构中的自由电子和光子互相作用产生的共谐振荡，具有选择性光散射和吸收等特点。就这样，二十世纪纳米光子学解开了旧世纪谜题。

[1] 注：法国科学家埃德蒙·贝克勒尔也是天然放射性现象的发现者亨利·贝克勒尔的父亲。

[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 行人动力学模型为疫情应急处置出谋划策

随着部分国家和地区新冠疫情日益加重，许多身处海外的人士开始考虑回国。但漫长的归国旅途，复杂的转运、登记、检测流程也会提高感染病毒的风险。西佛罗里达大学计算机科学系教授 Ashok Srinivasan 等人就建立了适用于狭窄空间的行人动力学（Pedestrian Dynamics）模型——“冷静”模型（Constrained Linear Movement Model，CALM）。这一模型可以预测模拟人群的运动行为，并分析人群运动过程中的风险，为相关的政策制定提供参考建议。与先前类似的模型相比，通过代码优化和超级计算机的辅助，该模型[1, 2]的运算速度提升了60倍。

Srinivasan等人建立的“冷静”模型把人的运动行为分解为三条规则：1. 远离那些距离太近的人；2. 靠近那些距离很远的人；3. 跟周围人的移动方向保持一致。通过对环境的数据采集，并结合上述三条规则，研究者就可以对人群的运动行为做出模拟预测。以旅客离机为例，这一模型就很好地模拟出了旅客下飞机时的动力学过程。如下图所示：

旅客离机过程模拟。| 图片来源[1]

上图描述了旅客离开座位，在过道上排队、走到机舱门下飞机的全过程（绿色圆点表示旅客，蓝色圆点、边框则表示飞机的座椅、机舱结构）。这样的仿真模拟有助于暴露出在不同场景中防疫策略存在的问题。例如，与快速的离机过程相比，登机时的安检排队等环节就会加大了旅客的感染风险。

Srinivasan也表示，尽管已经对模拟环境做了仔细的分析、建模，但该模型并不能包含现实世界所有的影响因素。一个被模型忽略的极端特例就能造成疾病的大范围传播。

[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-锗合金，未来的光子芯片？

微电子技术日新月异，但当芯片中元件的尺寸越来越小、密度越来越大，芯片中的电子在导线内传输时的发热就变成了极为棘手的问题，会制约芯片进一步的小型化。不过光子芯片可以很好的解决这个问题。

在光子芯片中，用于传输信息的基元不是电子而是光子。光子没有质量和电荷，在材料中传输时不会遇到阻碍，也就不会发热，从而能够显著降低能量损耗。此外，光子芯片的传输速率比电子芯片快1000倍。

但光子芯片一直停留在概念阶段，一个核心挑战是如何找到合适的发光材料。目前芯片的主要材料是硅，但它发光性质很差，无法用于构筑光子芯片。而砷化镓和磷化铟这样的发光半导体材料价格昂贵，且难以集成到目前的硅基芯片中。因此，制备高效的硅基发光材料就成为了当前光子芯片研究的关键。

一种思路是通过将其他材料掺入硅，从而改变其半导体性质。例如，理论预测，相比起纯硅，六方晶型的硅-锗合金的电子能带结构会发生很大的改变，从而可以发光。但这种特殊结构的硅-锗合金很难合成。

近日，《自然》杂志报道了荷兰埃因霍温科技大学的研究人员在这一问题上的最新进展[1, 2]。研究人员用直径约为35 nm的六方砷化镓纳米棒作为模板，在其上利用气相外延沉积法生长了一层同样为六方晶型的硅-锗合金。通过调节生长过程中所使用的氢化锗（GeH4）和氢化硅（Si2H6）两种气相原材料的比例，还可以制备不同原子比和不同发光性质的硅-锗合金。这种核壳结构的硅-锗合金非常纯净，发光效率非常高，已经能够匹敌砷化镓和磷化铟的发光性能，因而在光子芯片中有极大的应用价值。

在六面体模板上生长硅-锗纳米线。（a）示意图，（b）扫描电镜照片。|图片来源:[1]

研究人员预测，随着材料的进一步优化，他们将在2020年制备出首个硅基激光器，这将是光子芯片发展中的一个里程碑。但如何将六边形的硅-锗集成到四方形的单晶硅器件中，则是研究人员面临的又一个重大挑战。

[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 细胞是否分裂，“上一辈”说了算

细胞何时决定分裂？每个生物学研究者都思考过这个问题。细胞经过一个完整的细胞周期（包含G1，S，G2，M四个时期）后一分为二，那么子细胞是否会继续分裂呢？流行至今近40年的经典理论认为，子细胞从母细胞分裂出来后会进入G1期，而G1期存在感知外界情况的“关卡”，即检查点；一旦检查点的“工作人员”（例如Rb蛋白，Cyclin D蛋白）评估细胞外信号后认为满足条件，比如生长刺激因子充足，细胞便会一鼓作气完成分裂，否则原地待命。癌细胞的疯狂分裂正是因为检查点失效，“刹车”失灵。

然而，美国科罗拉多大学博尔德分校的Sabrina Spencer团队最近在《科学》杂志发文[1-3]，对上述理论提出了挑战。他们发现，子细胞的分裂命运早在母细胞分裂过程中就已成定局。只要在母细胞分裂过程中用药物阻断细胞外的生长刺激因子，不论是在过程中的何时阻断、持续多久，子细胞的分裂比例都会明显降低；而且，对母细胞的干扰越久，子代细胞分裂比例越低。上一代闹过“饥荒”，下一代便“节衣缩食”——子细胞似乎传承了上一代细胞的记忆，却完全无视自身所处环境里营养是否充足。

这一新发现得益于独特的蛋白荧光标记和单细胞实时成像技术，使得经典问题有了新的答案。同时，对细胞分裂命运的进一步了解还有助于开发新的癌症治疗策略。

[1] https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/01/science.aay8241

[2] https://www.colorado.edu/today/node/37963/

[3] https://coloradocancerblogs.org/growth-factors-cell-cycle/