Year: 2024

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选两个主题的研究文章供大家阅读，本月的主题为Metrology和Machine Learning/AI。这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 您可以扫描下方二维码，查看IOP出版社数学与计算领域和工程领域的最新资讯；还可以点击此处链接，订阅该领域的最新研究进展以及相关期刊的最新信息。   数学与计算： 工程： 精选文章 Metrology Measurement Science and Technology Sensor-based intelligent tool online monitoring technology: applications and progress Jiashuai Huang, Guangjun Chen, Hong Wei, Zhuang Chen and Yingxin Lv   Neural network driven sensitivity analysis of diffraction-based overlay metrology performance to target defect features Kai Wang, Kai Meng, Hangying Zhang and Peihuang Lou   Comprehensive study of an eccentric universal...

我们很高兴地宣布，Patrik Johansson教授新任JPhys Energy期刊的主编。他接替了自期刊创刊以来担任主编的John Irvine教授，John Irvine教授将继续以编辑委员会成员的身份为期刊作出贡献。Patrik是瑞典查尔姆斯理工大学物理学教授，并获得了瑞典研究理事会颁发的“Next Generation Batteries”杰出教授称号。 在美国西北大学完成博士后研究后，Patrik在过去的25年里一直任职于查尔姆斯理工大学，目前领导着一个由十几名博士生和博士后组成的研究团队。他同时也是Alistore-ERI（欧洲最大工业-学术电池研究网络之一）的联合主任以及欧盟石墨烯旗舰计划的主任。 谈及担任新角色的感受时，Patrik表示：“能够担任这份重要的角色我深感荣幸，并期待与团队一起推动这本出色期刊的发展！作为一本跨学科期刊，JPhys Energy涉及材料科学、电化学、物理学、化学工程等多个领域，几乎没有什么主题限制。我感到非常振奋的是期刊的研究路线图（Roadmap）类文章不仅在学术界，也在工业界产生了巨大的影响。但在迅速变化的出版环境中，下一步的创新是什么？我们的目标是让期刊成为高质量研究传播的首选期刊，为广泛的利益相关者提供服务。” 让我们共同欢迎Patrik Johansson教授成为新任主编！期待JPhys Energy期刊的未来发展更加精彩！ 期刊介绍 JPhys Energy 2023年影响因子：7.0  Citescore：10.9 JPhys Energy（JPENERGY）是一本高质量交叉学科的开放获取期刊，主要面向能源领域中各个领域的高质量研究。JPENERGY包含能源研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：电池和超级电容器；生物质和生物燃料；碳捕获和储存；电催化和光催化；能源收集装置；燃料电池；氢的制造和储存；生命周期评估；能源应用材料；太阳能转换和光伏；固态离子学，热电技术；水分解和人工光合作用等。

We evaluate how the availability of carbon capture (CC) in a networked electricity system affects the emissions of both carbon and of co-pollutants, under a range of plausible technical, economic, and policy scenarios about CC technology, the pace of renewable deployment, the structure of the power grid, and climate policy. We employ a Power Flow...

Methane from livestock is a significant source of greenhouse gas emissions. Under the UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), Annex I countries’ National Inventories report emissions from cattle as enteric or from manure management at ratios of between 3:1 and 9:1 depending on country and cattle type. Field research generally supports the inventories’ assumptions...

本篇研究来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院高硕课题组。本文首次提出可自重构的忆阻人工伤害感受器，实现了在不同环境信息（温度）下对危险压力刺激的精准感知。该伤害感受器可根据环境温度动态调整响应特性，最大程度地模拟了生物伤害感受器在不同环境下的适应能力。同时，框架具有高度的通用性，可结合不同种的传感器和神经形态器件，满足智能机器人在复杂环境中的应用需求。 文章介绍 Self-reconfigurable multifunctional memristive nociceptor for intelligent robotics Shengbo Wang（王圣博）, Mingchao Fang（方明超）, Lekai Song（宋乐凯）, Cong Li（李聪）, Jian Zhang（张季安）, Arokia Nathan, Guohua Hu（胡国华） and Shuo Gao（高硕） 通讯作者： 高硕，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院   研究背景： 随着人工智能和自主技术的快速发展，机器人在工业、医疗保健等领域的应用日益广泛。然而，目前的智能机器人在环境信息感知方面仍存在效率不足的问题，限制了其在危险和动态场景中的应用。生物医学研究表明，伤害感受器在生物系统中起着关键作用，能够感知外部的潜在危险刺激，并根据环境条件自适应地调整响应。现有的人工伤害感受器虽然能够模拟生物的一些功能，但普遍存在响应特性固定、缺乏对环境变化适应能力的问题。这使得在实际部署到机器人复杂多变的工作环境时，无法准确地感知和应对潜在的危险。为解决这一问题，我们开发了一种能够根据环境信息自适应调整响应特性的人工伤害感受器，从而提升机器人在动态环境中的灵活性和适应性。   研究内容： 本研究提出了一种基于自导通道（SDC）忆阻器的通用人工伤害感受器框架。该框架利用忆阻器的非线性特性，将伤害感受器的核心功能——根据特定标准放大外部有害刺激，分解为两个关键部分：对刺激的放大和对外部刺激长期特征的分析。   图1 可自重构的忆阻伤害感受器     图2 通用人工伤害感受器框架   系统设计：构建了一个由传感模块、信号生成模块和忆阻器处理模块组成的伤害感受器系统。传感模块负责检测外部的压力和温度信息；信号生成模块根据传感器输入和忆阻器状态生成调制信号；忆阻器处理模块通过两个忆阻器实现对外部刺激的放大和长期特征分析。 功能验证：在不同温度条件下，对系统的关键功能进行了验证，包括“阈值”、“无适应性”和“敏化”。通过实验，展示了系统如何根据温度变化自适应地调整响应特性。     图3 系统设计     图4 仿真结果     图5 硬件实现   成果及创新： 自重构：系统能够根据当前的环境温度，自动调整对危险刺激的感知阈值和响应强度。当温度升高时，系统对外部刺激的响应增强，反之亦然。这种自适应性使得系统能够在不同环境条件下准确地感知危险。 高效的刺激放大：实验结果显示，系统最大能够实现对危险外部刺激1000%的放大，忆阻器在不同温度下的响应最大差异比率达到500%，充分体现了其对环境变化的敏感性和适应性。 作者介绍 高硕 ...

我很高兴向大家介绍2024年Journal of Micromechanics and Microengineering(JMM)期刊的亮点文章。我们汇总了今年发表在该期刊上的高质量、创新性的研究工作，这些文章是由期刊编辑委员会根据一系列标准选出的，包括杰出研究的展示、在线读者的受欢迎程度以及审稿人的高度评价等。我们很高兴看到许多文章引起了媒体的兴趣，展示了前沿研究，并代表了研究社群的广泛地域多样性。   感谢所有作者和审稿人一直以来对JMM期刊的支持，希望您喜欢阅读这个特别的合集。   ——Celia Rowland， JMM期刊出版人 亮点文章 The UmboMic: a PVDF cantilever microphone Aaron J Yeiser et al 2024 J. Micromech. Microeng. 34 085010   Highly sensitive flexible capacitive pressure sensor with structured elastomeric dielectric layers Gaurav Rawal and Animangsu Ghatak 2024 J. Micromech. Microeng. 34 025012   Fabrication of a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) with dual heterogeneous...

本篇研究来自天津大学精密仪器与光电子工程学院姚建铨课题组。基于琼斯矩阵的偏振控制有助于增强太赫兹波与物质间的相互作用。最近，得益于双原子超表面的相长或相消干涉，可在透射模式下产生具有定制化响应的偏振分布，有效地降低了系统的复杂性。然而，单一的偏振切换行为阻碍了双原子超表面在太赫兹偏振系统中的进一步应用。近日，天津大学的姚建铨院士团队提出并设计了一种工作在太赫兹波段的单层双原子全硅超表面，可以有效地实现双功能偏振切换。该全硅超表面的单元结构由两个具有双折射效应的矩形硅柱组装而成，特定的横向尺寸和取向角保证了相位干涉机制的产生。得益于半波片和四分之一波片的灵活组装，可以任意定制所构建的超表面在透射模式下产生的偏振态。通过宽带近场成像应用进一步验证了所提出的双原子超表面的可行性。因此，这种双功能偏振调制特性为集成光电子器件的开发开辟了一条新途径，在偏振切换成像、光学加密、信息编码等复杂光学功能中具有重要的应用价值。 文章介绍 Terahertz bi-functional polarization converter based on interference mechanism supported by diatomic metasurfaces Hui Li (李辉), Wenhui Xu (许文慧), Hang Xu (徐航), Chunyu Song (宋春宇), Qi Tan (谭琪) and Jianquan Yao (姚建铨) 通讯作者： 姚建铨，天津大学精密仪器与光电子工程学院   研究背景： 偏振作为光场的重要性质之一，是用于表征自由空间中电磁波的基本维度，对偏振的调制在成像、数据存储和传感等领域有着重要的应用。通常，可以使用标准的2×2 Jones矩阵来描述偏振态，其中每个分量表示从输入偏振到输出偏振的唯一映射。最近，具有多通道属性的偏振调控方案已成为各种光学应用和技术的基石。偏振态的操纵可以通过级联操作来实现，如偏振器和波片。特别是偏振态的产生，通常需要串联线偏振片和波片等多个偏振器件，最终导致任意偏振态产生器件体积较大，偏离了集成光学中小尺寸器件的设计目标。超表面可在亚波长尺度内实现对相位、振幅和偏振等的多维度灵活调控，它的出现为减轻传统光学系统负荷以及实现光学系统集成化提供了有效的技术途径。在诸多特定的应用环境下，将平面的超构表面器件引入到光学系统中替代传统的曲面元件，可以有效降低系统的复杂度，提高光学系统的可靠性，促进集成光学系统和空间光学系统的发展。 近些年来，具有偏振转换特性的全介质超表面已经被广泛研究，例如基于矩形硅柱的半波片（HWP），可以将入射偏振转换为其正交偏振态；基于十字型硅柱的四分之一波片（QWP），可用于实现线偏振和圆偏振态之间的转换。不同于由单个HWP或QWP超原子组装而成的平面化阵列，具有特定结构参数的双原子超表面结构表现为选择性地允许一种偏振态通过并且转化为目标偏振态，赋予了单层超表面结构作为偏振态起偏器件的潜力。但是，具有偏振可切换特性的双原子超表面器件依然空缺，如何设计一种在正交偏振入射下可以分别产生线偏振和圆偏振态的偏振转换器件成为了一个亟待解决的问题。   研究内容： 在文章中，研究者设计并组装了一种用于实现双功能偏振开关的双原子超表面。该工作选用一对具有固定相位差的HWP和QWP超原子，如图1所示。以平面结构的琼斯矩阵出发，利用坐标系变换严格地推导出透射偏振态的琼斯矩阵以及对应的超构表面的双原子排布方式。通过设置双原子矩形柱柱的结构参数以及面内转角可以调节超构表面的琼斯矩阵中的元素，进而可以表征入射偏振态在与超构表面相互作用时偏振转化与透射行为。具有单一偏振转换行为的HWP和QWP超原子可以通过在0.5 THz处捕获的电场分布进一步评估，如图1底部所示。对于周期膨胀后的HWP超原子，在x偏振入射下产生的透射电场的|Ex|分量减弱，而|Ey|分量占主导地位。同样监测了x偏振入射下具有周期性束缚条件的QWP超原子产生的电场的|ER|和|EL|分量。显然，相同数量级下透射场的|EL|分量比|ER|分量大的多，进一步证实了所选的元原子的偏振转换能力。   图1 用于构建双原子超表面的HWP和QWP超原子在目标频率处的响应   随后，利用CST MICROWAVE STUDIO软件建立满足相位要求的超级单元，将x、y方向设置为周期性边界条件，将z方向设置为开放边界条件。为了突出超原子的不同配置方案，使用不同的颜色渲染了矩形硅柱和基底，如图2a所示。随后，分别计算了MS1在45°和135°线偏振入射下产生的透射偏振态。45°线偏振入射下的x分量远大于其y分量，在0.5 THz处的透射差为0.7，且相位差约为40°，如图2c和2d所示。为了进一步直观地了解透射的偏振态，通过引入偏振椭圆进行了可视化处理。如图2b中所示，透射的偏振态是x偏振的，参数S1=0.98。然后，使用135°线偏振来激发MS1，如图2e所示。记录到的振幅的x和y分量在0.5 THz（≈0.71）时几乎相等，两个分量之间的相位差接近90◦，如图2g和2h所示。因此，当根据获得的参数可视化偏振态时，得到的偏振椭圆呈现为典型的LCP，参数S3=0.99，如图2f所示。   图2...

“Extreme heatwave over Eastern China in summer 2022: the role of three oceans and local soil moisture feedback”这一文章于2023年发表于IOP出版社旗下期刊Environmental Research Letters（ERL）上，并于近日获得了IOP出版社ERL期刊“2023年编辑推荐青年科研人员文章奖”（ERL Editor’s Choice Award 2023 – Early Career Researcher）。近日，我们采访了这篇文章的作者——来自中国科学院大气物理研究所刘屹岷研究员及姜继兰博士，让我们一起来看看她们对文章以及领域发展的见解吧。 访谈详情 1. 祝贺您获得2023年编辑推荐青年科研人员文章奖！您的工作以这种方式得到认可，感觉如何？ 我们非常高兴，能够得到这样的认可对于我们团队来说非常有意义。   2. 您能告诉我们您的研究的主要发现是什么，以及为什么您认为它获得了如此多的引用吗？ 我们的研究主要发现热带印太海温、北大西洋海温和局地土壤湿度的协同作用是导致2022年7-8月中国东部极端高温的关键，其中局地土壤湿度持续偏干尤其重要。这次极端高温对人民生活和社会经济发展造成了严重影响，引起了广泛关注。我们的研究及时发表，并阐述了土壤湿度反馈的作用，对极端高温的形成机理提出了新的认识，因此得到了更多关注。   3. 您为什么选择从事相关的领域研究？  随着全球变暖的加剧，极端天气气候事件愈加频繁，深刻影响着我们的生活。然而，这些极端事件的形成过程非常复杂，即使是在同一地区，不同极端高温或极端降水事件的成因也各有不同，以致当前对极端事件的预测能力相对较低。这促使了我们选择从事极端天气气候事件的研究，以期进一步深入对极端事件形成机理的理解和提高可预测性。   4. 您目前从事的研究工作有哪些？ 我目前主要从事热带海气相互作用以及北半球极端天气气候事件特征和形成机理方面的研究工作，采用复杂气候网络方法、气候动力学诊断和数值试验等手段。   5. 您和您的团队接下来有什么计划？ 我们团队接下来将继续基于复杂系统动力学理论和气候动力学理论，深入理解极端天气气候事件的形成机理。同时，我们还将利用实验室发展的气候系统模式CAS-FGOALS，致力于提高次季节时间尺度上极端事件的预测能力。 作者介绍 刘屹岷  研究员 中国科学院大气物理研究所 刘屹岷，中国科学院大气物理研究所，研究员，国家杰出青年科学基金和全国百优论文获得者，主要从事副热带天气气候动力学、青藏高原天气气候动力学、极端天气气候事件、海气相互作用以及数值模拟研究。   姜继兰  博士后...

Internal climate variability (ICV) often violates the assumptions of statistical methods, and the climate research community does not have an established approach for addressing resulting biases. Here we argue for a technique we call climate model Large-Ensemble Monte-Carlo (LENS-MC) to inform the selection of statistical methods for real-world application. Until now, scientists have often made...

《物理世界》（Physics World）评选的物理学2024年度突破颁给了美国哈佛大学、麻省理工学院以及QuEra Computing公司的Mikhail Lukin、Dolev Bluvstein及其团队，以及谷歌量子AI实验室的Hartmut Neven及其团队和其合作伙伴；分别表彰他们在原子处理器上实现具有48个逻辑量子比特的量子纠错，以及在超导芯片上实现低于表面码阈值的量子纠错。   新Willow芯片。图片来源：谷歌量子AI实验室。   由于与环境的相互作用（噪声）引起的错误是所有量子计算机的致命弱点，量子纠错被称为这一技术的决定性挑战。这两支团队在截然不同的量子系统上取得了重要进展，向克服这一挑战迈出了重要一步。这一突破意味着量子计算机向实用化迈出了重要一步。 量子纠错通过将一个量子信息单元（称为逻辑量子比特）分布在多个不同的物理量子比特上（如超导电路或囚禁原子）来实现。尽管每个物理量子比特都可能受到噪声干扰，但它们可以协同工作，以在足够长的时间内保留逻辑量子比特的量子态，从而完成计算任务。     除此之外，《物理世界》还评选出了其他9项成果，共同作为“2024年度物理学十大突破”。这十大突破是由《物理世界》的编辑团队从今年发表在网站上的数百项物理学领域的最新研究中筛选出来的，除了必须在2024年被《物理世界》网站报道过外，入选候选名单的研究还必须满足以下标准： 是物理学知识或认知的重大进展； 对于科学进步或现实应用具有重大意义； 《物理世界》读者对其拥有极大兴趣。   以下是今年《物理世界》评选出的十大物理学突破中的其余9项（排名不分先后）。 吸光染料使活体小鼠皮肤变透明   常见的黄色食用染料柠檬黄溶液。图片来源：美国得克萨斯大学达拉斯分校。   美国斯坦福大学由Zihao Ou（现就职于德州大学达拉斯分校）、Mark Brongersma和Guosong Hong领导的研究团队开发了一种方法，可使活体小鼠的皮肤暂时变得透明。皮肤是一种散射介质，是不透明的。然而，他们发现常见的黄色食品染料柠檬黄能强烈吸收近紫外光和蓝光，帮助使生物组织变透明。研究人员将这种染料涂抹在活体小鼠的腹部、头皮和后肢，使得无需手术即可通过皮肤观察内部器官，例如肝脏、小肠和膀胱。他们还能观察到啮齿动物大脑中的血流情况，以及其后肢中肌肉肌节纤维的精细结构。这一效果可以通过简单冲洗染料来逆转。这种“光学清除”技术目前仅用于动物实验，但如果推广到人类，可能会使某些侵入性活检成为历史。   激光冷却正电子   欧洲核子研究中心（CERN）与日本东京大学的Kosuke Yoshioka团队成功演示了正电子的激光冷却技术。通过将正电子冷却至低温，团队不仅能够更精确地研究这些反粒子，还能显著提高反氢（由正电子和反质子组成的反原子）的产量，预计可增加一到两个数量级。这一成就也标志着在理解和研究反物质领域的一个重要进展。   肺细胞建模用于个性化放疗   放射疗法是肺癌治疗的一种有效手段，但其对健康组织有潜在损害。英国萨里大学的Roman Bauer、德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的Marco Durante，以及GSI与美国马萨诸塞总医院/哈佛医学院的Nicolò Cogno组成的联合团队开发了一个计算模型，在纳米尺度上模拟了肺泡接受辐射的过程。该模型能够依据传递给每个细胞的辐射剂量及其分布情况，预测细胞的存活或死亡，并评估从数小时到数年时间段内辐射损伤的程度。该模型将优化肺癌的放射治疗方案。   半导体石墨烯自带“开关”   生长在碳化硅衬底上的石墨烯器件。图片来源：美国佐治亚理工学院/中国天津大学。   中国天津大学与美国乔治亚理工学院的Walter de Heer、马雷及其团队攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题：通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。同样在今年，英国曼彻斯特大学Marcelo Lozada-Hidalgo及其国际团队利用石墨烯能够同时传导质子和电子的特性开发了新型器件，其中质子电流被用来执行逻辑操作，而电子电流则用于编码部分内存。这些成果被认为是开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。   单个原子核衰变探测   美国耶鲁大学David Moore、Jiaxiang Wang及其团队开发了一种技术，通过将放射性铅-212原子嵌入微米尺寸的二氧化硅球中，测量这些原子核衰变时从球体逸出所产生的反冲，以此来检测单个氦核的衰变。这项技术提供的高灵敏度，也使中微子的检测成为可能。  ...

特刊详情 客座编辑 Chuixiang Yi，美国纽约市立大学 Vasilis Dakos，法国蒙彼利埃大学 Manjana Milkoreit，挪威奥斯陆大学 Courtney Quinn，澳大利亚联邦科学与工业研究组织 Paul Ritchie，英国埃克塞特大学 Juan Rocha Gordo，瑞典斯德哥尔摩大学 Jana Sillmann，挪威国际气候研究中心   主题范围 Anthropogenic climate change including the increase of unprecedented climate extremes is not a future threat but is happening now. The ability of the atmosphere, hydrosphere or biosphere to adapt to abrupt changes is very limited within...

我们很高兴地代表Neuromorphic Computing and Engineering(NCE)期刊主编Giacomo Indiveri和编委会宣布，Michele Di Lauro获得“2024年NCE期刊科研新星奖”（2024 Neuromorphic Computing and Engineering Rising Stars Award），以表彰他在有机神经形态电子器件方面的杰出工作。 同时，我们也非常感谢所有向“科研新星奖”提交文章的研究人员，这些文章展示了这一代优秀研究人员的卓越工作，我们很自豪能够通过NCE期刊支持早期职业生涯研究人员。欢迎各位读者阅读“2024年NCE期刊科研新星奖”文章特辑。 作者及文章介绍 Michele Di Lauro Michele Di Lauro is a Researcher at the Italian Institute of Technology in Ferrara, Italy, in the “Organic Neuroelectronics” research line of the “Center for Translational Neurophysiology of Speech and Communication”. He is specialized in the fabrication, characterization...