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特刊详情 客座编辑 Adnan Mehonic，英国伦敦大学学院 Erika Covi，德国NaMLab gGmbH Giuliana Di Martino，英国剑桥大学 Ignasi Fina，西班牙巴塞罗那自治大学材料研究所 Veeresh Deshpande，德国亥姆霍兹联合会柏林能源与材料研究中心   主题范围 Over the last decade, hardware dedicated to Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) has catalysed significant algorithmic advancements and broadening of application scope. Current hardware design aims to mitigate von Neumann system limitations, notably the costly data transfers...

特刊详情 客座编辑 Chiara Bartolozzi，意大利技术研究院 Mitra Hartmann，美国西北大学 Arindam Basu，香港城市大学 Robert Nawrocki，美国普渡大学   主题范围 Biological sensory systems have developed to best capture the properties of surrounding objects and environment that are useful for acting in the world. Touch is a crucial skill to physically interact with the environment, objects and humans. For robots, the sense of touch...

本篇研究来自清华大学/北京雁栖湖应用数学研究院谭盛课题组。本研究我们推广了任意子凝聚理论，讨论对称富化的拓扑序的任意子凝聚，给出了给予Frobenius代数的刻画，讨论了如何在格点模型中实现对称缺陷，研究了我们所构造模型的有能隙边界和边界-体对偶性以及EM对偶性的显式的晶格实现。 文章介绍 Electric-magnatic duality and Z2 symmetry enriched Abelian lattice gauge theory Zhian Jia（贾治安）, Dagomir Kaszlikowski and Sheng Tan（谭盛） 通讯作者： 谭盛，清华大学/北京雁栖湖应用数学研究院   研究背景： 拓扑序是一种超越朗道对称性破缺理论的量子物态，对拓扑序的刻画是凝聚态物理的重要课题之一。对偶是现代物理最重要的概念之一，通过对偶，我们可以通过不同的角度、观点研究同一问题。典型的例子包括AdS/CFT对偶、T对偶等。阿贝尔群量子倍增模型具有电磁对偶。但是对非阿贝尔的情形，这种对偶性便被打破。Hopf代数的量子倍增模型弥补了这一缺陷。电磁对偶可以看作是拓扑序的一种对称性，它交换电荷与磁荷。而构造格点模型来实现电磁对偶以及有电磁对偶对称性所富化的拓扑序是一个重要的公开问题。   研究内容： 量子倍增模型（quantum double model）是Dijkgraaf-Witten拓扑量子场论的晶格实现，其拓扑保护的基态空间在拓扑量子计算和拓扑量子存储器方面具有广泛的应用。在此工作中，我们推广了任意子凝聚理论，讨论对称富化的拓扑序的任意子凝聚。我们给出了给予Frobenius代数的刻画。以电磁对偶为例，我们讨论了如何在格点模型中实现对称缺陷。我们详细讨论了阿贝尔群量子倍增模型的电磁对偶Z2对称性，以及这种对称性所诱导的缺陷的格点实现。我们还通过确定相应的任意子凝聚，研究了我们所构造模型的有能隙边界和边界-体对偶性。我们指出体对称缺陷可以很好地映射到边界缺陷。边界理论通过Tambara-Yamagami范畴来实现，而体理论是其Drinfeld中心。在最后一部分中，讨论了EM对偶性的显式的晶格实现。 作者介绍 贾治安  博士 新加坡国立大学 贾治安，新加坡国立大学博士后。主要研究方向为数学物理、拓扑量子场论、拓扑序、量子多体物理、量子信息，量子计算，量子机器学习等。近年来研究聚焦于中于量子代数在可解格点模型方面的应用。多项研究成果发表在Journal of High Energy Physics, Communications in Mathematical Physics, Physical Review系列，New Journal of Physics, Advanced Quantum Technologies等国际著名期刊。   谭盛  博士 北京雁栖湖应用数学研究院 谭盛，北京雁栖湖应用数学研究院博士后，2023年博士毕业于美国普渡大学，主要研究方向为拓扑量子场论及其相关的数学，其研究成果发表在Journal of High Energy...

特刊详情 客座编辑 Stefania Papatheodorou，美国哈佛大学陈曾熙公共卫生学院 Caradee Wright，南非医学研究委员会 Arnab Ghosh，美国康奈尔大学 Jose Guillermo Cedeno Laurent，美国罗格斯大学   主题范围 Mitigation and adaptation are two complimentary strategies to respond to climate change which is one of the most pressing and complex challenges today. While mitigation aims to reduce the net release of greenhouse gases, limiting the rate of a warming planet,...

In contrast to battery storage systems, power-to-hydrogen-to-power (P-H2-P) storage systems provide opportunities to separately optimize the costs and efficiency of the system’s charging, storage, and discharging components. The value of capital cost reduction relative to round-trip efficiency improvements of P-H2-P systems is not well understood in electricity systems with abundant curtailed power. Here, we used...

The intensity and frequency of extreme heat events is increasing due to climate change, resulting in a range of societal impacts. In this paper, we use temporal analogues to analyse how past UK heatwave events, such as during the summer of 1923, may change if they were to occur under different global warming scenarios. We...

该研究联合国家海洋环境预报中心、北京师范大学、中国海洋大学及中国科学院南海海洋研究所的学者，从不同经向结构热带海气作用的角度出发，为厄尔尼诺衰退位相的气候影响显著大于其发展位相提供了定量化的解释。 文章介绍 A quantitative explanation for the large impacts of El Niño during its decaying stage Xuanliang Ji (季轩梁)，Juan Feng (冯娟)，Jianping Li (李建平)，Xingrong Chen (陈幸荣)，Chunzai Wang (王春在) 通讯作者： 冯娟，北京师范大学   研究背景： 厄尔尼诺，作为气候系统中年际变率最为显著的海气耦合现象，不仅对全球气候具有深远的影响，还导致极端天气事件的频率和强度显著增加。厄尔尼诺的衰退位相会造成西部北太平洋反气旋异常，对东亚地区降水产生显著影响，同时可通过改变遥相关型影响南美洲东北、东南部、印度地区、北美等区域降水，造成巨大的经济损失和社会影响。尽管已有研究表明厄尔尼诺的发展阶段和衰退阶段在热带海温异常幅度上相当，但其在衰退阶段对全球的气候影响更为显著，然而对其成因仍缺乏定量解释。该研究联合国家海洋环境预报中心、北京师范大学、中国海洋大学及中国科学院南海海洋研究所的学者，从不同经向结构热带海气作用的角度出发，为厄尔尼诺衰退位相的气候影响显著大于其发展位相提供了定量化的解释。   研究内容： 该文利用大气和海洋再分析数据，从不同经向结构的角度对厄尔尼诺发展和衰退位相的大气环流与热带海温之间的关系进行了比较。研究发现，随着厄尔尼诺事件从发展至衰退，热带经圈环流的空间模态发生了显著转变，主模态由赤道近似对称的空间结构转变为赤道非对称的空间结构（见图1），这种转变与下垫面海温异常的空间分布紧密相联。通过对热带经圈环流和海温进行经向结构分解，定义了不同经向结构下海气响应强度的评估方法，发现在厄尔尼诺衰退阶段，海气响应幅度约是发展阶段的两倍（见图2）。进一步地，该文通过引入Kuo-Eliassen（KE）拓展方程，指出非绝热加热是造成不同位相海气响应差异中的关键。 图1 厄尔尼诺发展阶段和衰退阶段哈热带经圈环流的第一模态（HC-EOF1）和第二模态（HC-EOF2）的空间分布特征。(a) 厄尔尼诺发展阶段下，多套资料集合平均下的热带经圈环流第一模态（0.2×1010 kg s-1），零线加粗显示。(b) 与(a)相同，热带经圈环流第二模态。(c) 和 (d) 与(a) 和 (b) 相同，但是厄尔尼诺衰退阶段的热带经圈环流的空间模态分布。 图2 基于ERSST5数据集和大气再分析数据集，厄尔尼诺发展阶段和衰退阶段热带经圈环流环流与海温间的响应关系。(a) 厄尔尼诺发展阶段热带经圈环流与海温间的关系（非对称部分的响应用深红色表示，对称部分的响应用深青色表示）。(b) 发展阶段的热带海气响应强度。(c) 和 (d) 与(a) 和 (b) 相同，但是为衰退阶段下的结果。蓝色星号表示在90%置信水平下，非对称部分响应的趋势显著大于对称部分的响应趋势。六边形表示在90%置信水平下，对称部分的响应趋势显著大于非对称部分的响应趋势（基于RSD...

浙江大学杨德仁院士团队的皮孝东教授和王蓉研究员等人发现了在4H碳化硅（4H-SiC）加工过程中，剪切应力会导致基平面位错（BPD）的形核与滑移的现象；氮杂质可促进BPD的形核与滑移，并释放剪切应力；而钒杂质则阻碍碳化硅中BPD的形核，在晶体内部积累大量应力，导致4H-SiC向3C-SiC相变；该工作将有助于人们根据4H-SiC的掺杂情况改进其晶圆的加工工艺。 文章介绍 Doping-Dependent Nucleation of Basal Plane Dislocations in 4H-SiC Xiaoshuang Liu, Rong Wang（王蓉）, Junran Zhang, Yunhao Lu, Yiqiang Zhang, Deren Yang（杨德仁） and Xiaodong Pi（皮孝东） 通讯作者： 王蓉，浙江大学 皮孝东，浙江大学   研究背景： 4H碳化硅（4H-SiC）具有禁带宽度大，击穿电场高、热导率高和电子饱和迁移率高等优异特性，在电动汽车、5G基站、卫星通讯等领域具有广阔的应用前景。4H-SiC的应用对其表面和亚表面的要求极为严苛，其加工质量和精度将直接影响碳化硅基器件的性能。由于4H-SiC的硬度和脆性较高，4H-SiC晶圆加工仍存在损耗大、效率低和面型参数控制困难等问题。已有研究表明，基平面位错是4H-SiC晶圆加工过程产生的主要位错类型。氮（N）杂质和钒（V）杂质常用来调控4H-SiC的电学特性，而N杂质和V杂质对BPD形核机制的影响尚不明确。理解掺杂杂质对4H-SiC中BPD形核过程的影响机理对于优化具有不同掺杂杂质的4H-SiC的晶圆加工工艺具有重要意义。   研究内容： 在该工作中，研究者们采用纳米压痕和透射电镜等方法研究了BPD在4H-SiC中的形核过程，以及N杂质和V杂质影响BPD形核的机理，为优化具有不同掺杂杂质的4H-SiC的晶圆加工工艺提供了理论支撑。 小载荷纳米压痕实验表明，载荷小于2mN时，4H-SiC处于弹性变形阶段。当载荷增大至2.6 mN，压入深度增大至47nm时，4H-SiC的加载曲线出现位移突进（pop-in）的现象，表明此时4H-SiC从弹性变形转入不可逆的塑性变形并导致BPD的形核。另外，具有不同掺杂杂质的4H-SiC在纳米压痕实验中位移突进的位置发生了显著变化，说明掺杂改变了BPD形核所需的临界载荷。 图1 不同掺杂特性的4H-SiC在纳米压痕过程中的位移-载荷曲线 计算得到的4H-SiC在纳米压痕过程中的剪切应力和拉伸应力表明，剪切应力在4H-SiC的变形过程中占据主导作用。通过比较位移突进时的临界剪切应力和拉伸应力，并结合透射电子显微研究，研究者们发现在未掺杂和N掺杂的4H-SiC中，BPD形核是导致4H-SiC发生弹塑性转变的主要原因；而V掺杂的4H-SiC中发生了4H-SiC向3C-SiC的晶相转变，导致4H-SiC的塑性变形。 图2 具有不同掺杂杂质的4H-SiC的剪切应力和拉伸应力随压入深度的变化。 图3 V掺杂的4H-SiC在位移突进处的透射电镜图像，在剪切带附近存在4H-SiC向3C-SiC的晶相转变。 作者介绍 王蓉  研究员 浙江大学 王蓉，浙江大学杭州国际科创中心研究员。从事宽禁带半导体中的杂质与缺陷研究。在国际知名期刊和学术会议上发表论文50余篇，拥有授权的发明专利12项。   皮孝东  教授 浙江大学 皮孝东，浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室和浙江大学杭州国际科创中心双聘教授。目前主要从事半导体碳化硅研究。   杨德仁...

本篇研究来自鹏城实验室王伟课题组。忆阻器交叉阵列是模拟存内计算的核心。本文主要阐述实现模拟存内学习的困难和解决路径。 文章介绍 Difficulties and approaches in enabling learning-in-memory using crossbar arrays of memristors Wei Wang（王伟）, Yang Li（李阳）and Ming Wang（王明） 通讯作者： 王伟，鹏城实验室   研究背景： 忆阻器交叉阵列是模拟存内计算的核心。利用欧姆定律和基尔霍夫电流定律，忆阻器阵列可以一步实现神经网络中的向量矩阵乘积运算，提高神经网络推理的计算效能。如何在忆阻器阵列中实现神经网络的训练，即模拟存内学习，完全摆脱对冯诺依曼体系的依赖，是需要进一步探究的课题。本文主要阐述实现模拟存内学习的困难和解决路径。   研究内容： 图1 存内计算与存内学习对比 误差反向传播是深度神经网络训练必需的核心步骤之一，但是面临着权重转置（weight transportation）问题。在全连接层中，权重转置的实现较为简单。但是，在卷积层等复杂网络层中，权重转置需要较复杂的操作，正向信息传递和反向误差传播无法采用相同的忆阻器阵列完成。反馈对齐算法（feedback alignment）是解决权重转置问题较好的方案，但是如何适配忆阻器阵列还需要研究人员的进一步探索。 图2 存内计算与存内学习对比 在模拟存内计算系统中，权重的更新是通过忆阻器电导的调节完成的。但是，忆阻器作为人工突触，与生物突触类似，有较强的非线性和波动性。单个电学激励无法实现精准的权重（电导）调节，严重影响神经网络训练效果。可以在每次调节单个忆阻器电导时采用闭环循环写验证（closed-loop read-write-and-verify）完成权重更新。但这样会造成权重更新过程异常复杂，学习效率较低。一个重要的研究方向是采用梯度积累并周期性写入的方法，从而通过稀疏性的写入操作实现高效在线学习，并降低模拟存内学习对忆阻器“理想”特性的需求。 作者介绍 王伟  副研究员 鹏城实验室 王伟，博士，鹏城实验室副研究员，入选国家级海外高层次人才计划青年人才项目，深圳市孔雀计划特聘岗位(2023-2025)，鹏城实验室/南方科技大学博士生导师。2011年7月毕业于南开大学，获理学学士学位；2016年7月，毕业于中国科学院微电子所，获工学博士学位。2017年1月-2022年1月，先后于意大利米兰理工大学、以色列理工大学做博士后研究。研究方向包括新型存储器、存内计算、半导体器件模型等。 期刊介绍 Neuromorphic Computing and Engineering 2023年影响因子：5.8  Citescore: 5.9 Neuromorphic Computing and Engineering（NCE）是一本涵盖多个学科领域、采用开放获取（OA）形式出版的期刊。NCE期刊将神经形态系统的硬件和计算方面结合在一起，读者群覆盖工程、材料科学、物理、化学、生物学、神经科学和计算机科学等领域，跨越学术界和产业界的各个群体。在NCE期刊上发表的研究需针对神经形态系统和人工神经网络领域做出及时而重要的贡献。

With countries and economies around the globe increasingly relying on non-dispatchable variable renewable energy (VRE), the need for effective energy storage and international carriers of low-carbon energy has intensified. This study delves into hydrogen’s prospective, multifaceted contribution to decarbonizing the electricity sector, with emphasis on its utilization as a scalable technology for long-duration energy storage...

本篇研究来自香港大学物理学系周海峰和曾文欣。本研究回归量子速度极限的基本问题，通过研究封闭系统在不含时的哈密顿量作用下的动力学演化，报告了一个新的量子速度极限。 文章介绍 A unifying quantum speed limit for time-independent Hamiltonian evolution H F Chau（周海峰） and Wenxin Zeng（曾文欣） 通讯作者： 周海峰，香港大学物理学系 研究背景： 量子速度极限（Quantum Speed Limit, QSL）是量子信息处理速度的基本极限。在不含时的哈密顿量作用下，初始量子态和最终量子态之间的演化时间受限于各种互为补充的下界；这些下界包括Mandelstam-Tamm（MT）界、Margolus-Levitin（ML）界、对偶ML界、Luo-Zhang（LZ）界以及Lee-Chau（LC）界。MT界作为首个被发现的QSL，表明量子态的演化时间τ满足如下不等式： 其中，ϵ是初始和最终量子态之间的保真度，ΔE是量子态的能量标准差。 有些QSL界适用于在含时的哈密顿量或开放系统动力学下演化的量子态；此外，QSL与量子控制、量子纠缠、资源理论以及时间分数阶薛定谔方程等之间亦存在关联。 本文回归QSL的基本问题，通过研究封闭系统在不含时的哈密顿量作用下的动力学演化，报告了一个新的量子速度极限。   研究内容： 本文报告了一个新的量子速度极限，我们称之为CZ界以便指代。该界推广了一系列现有的适用于不含时哈密顿演化的QSL界；这些界包括MT界、ML界、LZ界、LC界以及Ness等人引入的对偶ML界。 本文研究了使一对不含时哈密顿量和初始量子纯态达到CZ界的充要条件，并将其以解析式表示。 本文假设存在一种高效（即多项式时间可计算）且准确（即数值稳定且舍入误差不大）的方法来求取量子态能量绝对值的最小p阶矩和相应的能量绝对值的p阶有符号矩，在此条件下提出一种能够高效且准确地计算CZ界的方法。对于有限维量子系统以及某些具有有界连续能谱的无限维系统，该假设成立；因此，CZ界在几乎所有现实情况下都是可计算的。有趣的是，该方法与达到CZ界的哈密顿量-量子态对密切相关。 本文在最优化的CZ界和其他现有界之间进行了比较；同时我们发现，即使在希尔伯特空间的维数高达2048的情况下，使用即时编译的Mathematica也能在几分钟内计算出优化后的CZ界。所算得的界可以比现有的最优界好上几个百分点乃至数倍，因而CZ界是实践中的最佳选择。 作者介绍 周海峰教授任教于香港大学物理系，本文部分成果来源于其指导的理科硕士（物理）学生曾文欣的毕业论文。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 2023年影响因子：2.0  Citescore：4.1 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical（JPhysA）每年出版50期，针对运用数学结构来描述物理世界的基本过程，并探索这些结构的分析、计算和数值方法。期刊内容涵盖：统计物理；非平衡系统、计算方法和现代平衡理论；混沌和复杂系统；数学物理；量子力学和量子信息理论；场论和弦理论；流体和等离子体理论；生物模型等方面。文章类型包括原创性论文和综述，以及关注于热点研究的专题综述和特刊，提供及时、全面的纵览。

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Terahertz Science and Technology和Extreme Events。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出版社材料领域和环境领域的最新资讯；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。 材料： 环境： 精选文章 Terahertz Science and Technology Journal of Physics: Condensed Matter Terahertz magnetic excitation in antiferromagnets: atomistic spin simulations versus a coupled pendulum model Cuixiu Zheng, Xing Chen, Sai Zhou and Yaowen Liu   Terahertz amplification and lasing by using transverse electric modes in a two-layer-graphene-dielectric waveguide structure...