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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Machine Learning/AI和Catalysis/Photocatalyst。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： 精选文章 Machine Learning/AI Journal of Physics: Condensed Matter Machine learning approach to study quantum phase transitions of a frustrated one dimensional spin-1/2 system Sk Saniur Rahaman, Sumit Haldar and Manoranjan Kumar   Expectation–maximization machine learning model for micromechanical evaluation of thermally-cycled solder joints in a semiconductor Tzu-Chia Chen   Automated characterization of spatial...

特刊详情 客座编辑 Jan Minx，英国利兹大学 Lea Berrang Ford，英国利兹大学 James Ford，英国利兹大学 Neal Haddaway，瑞典斯德哥尔摩环境研究所 Felix Creutzig，德国柏林工业大学 Robbert Biesbroek，荷兰瓦格宁根大学 Biljana Macura，瑞典斯德哥尔摩环境研究所   研究背景 With the establishment of the Paris Agreement on climate change the world has entered a new era of climate solutions. Political battlegrounds have shifted from debates around the existence and relevance of anthropogenic climate change to...

Environmental Research: Ecology（ERE）期刊是一本多学科、开放获取的期刊，致力于解决生态学、生物多样性和保护之间的重大宏观挑战。该期刊将科学进步和方法论进展与评估环境变化对生态系统的影响以及生态系统对变化的反应（包括复原力、脆弱性和适应性）联系起来。 我们汇总了ERE期刊第二卷发表的亮点文章，这些文章体现了期刊的高质量和创新性。ERE期刊免费向全部读者开放，目前所有文章都可以免费出版。 主编寄语 “I am very pleased to see the quality of the papers published in Vol 2 of Environmental Research: Ecology (ERE) of which these papers are exemplary in their reporting of ecosystems and their change across large spatial scales, through the use of physical, theoretical and transdisciplinary community based approaches. I would like to...

本篇研究来自中国科学院大气物理研究所钱诚课题组。本文说明了未来华北地区需要适应6月份出现像2023年这样强的连续3天热浪的情形。 文章介绍 Rapid attribution of the record-breaking heatwave event in North China in June 2023 and future risks Cheng Qian（钱诚）, Yangbo Ye（叶洋波）, Jiacheng Jiang（江家城）, Yangyang Zhong（钟洋洋）, Yuting Zhang（张玉婷）, Izidine Pinto, Cunrui Huang（黄存瑞）, Sihan Li（李思涵） and Ke We（魏科） 通讯作者： 钱诚，中国科学院大气物理研究所   研究背景： 2023年夏季极端高温热浪席卷华北大地。根据中国气象局报道，今年6月北京、天津、石家庄均打破了当地观测史上单月高温日数最多纪录。6月21-30日期间，华北地区共有124个国家气象站气温超过40℃。6月22-24日端午节期间，北京南郊观象台连续三天气温达到或超过40℃，为该站观测史上首次40℃三连击。此次高温过程强度强、范围广，对交通安全、人民生命健康、能源供应、农业发展造成不利影响。 如此罕见的高温热浪事件是否以及在多大程度上和人类活动引起的气候变化有关？这样强的热浪事件在未来发生的频率和强度将如何？本文开展快速归因分析来解答这两个问题。   研究内容： 经过分析此次事件的特征、诊断其发生的环流背景，钱诚研究员团队利用研发的极端天气快速归因系统1.0版本的两种基于概率的归因方法开展多方法多模式归因分析，于热浪事件发生8天后发布快速归因结果。论文结果显示：2023年端午假期华北区域平均的最高气温达到1959年以来每年6月连续3天最高气温的历史最高值（图1）；此次连续3天的破纪录热浪事件受过境的暖高压系统影响，并由干燥的土壤湿度反馈加强（图2）；在当前（2023年）气候下该次事件重现期约为111年（发生概率约1/111），即为小概率高影响事件；人为气候变化使华北地区类似2023年端午假期的极端高温热浪事件的强度显著增强至少1℃ (0.8–1.3℃)（图3）；未来预估结果显示，即使在实现全球温升控制在1.5℃目标的碳中和情景下，21世纪剩余的时间内华北地区发生类似2023年端午假期的热浪的概率仍将比2023年气候状态下至少增加1.6 (1.3–2.1)倍、强度至少增强0.5℃ (0.2–0.8℃)；如果仍按照中等排放路径情景发展，到本世纪末发生类似热浪事件的概率将增加达5.5 (4.9–6.3)倍、强度增强达2.9℃ (2.4–3.1℃)。该项研究显示了实施碳中和对缓解热浪的积极作用；同时也表明，即使实现碳中和目标后，未来华北地区仍需要适应6月份出现像2023年这样强的连续3天热浪的情形。   图1.  2023年6月22-24日期间华北高温热浪事件的特征     图2.华北热浪事件发生的环流背景：暖高压(a)、下沉运动(b)、干燥的土壤湿度反馈(c、d)     图3.  2023年华北热浪事件的多方法多模式归因结果 作者介绍 钱诚 ...

特刊详情 客座编辑 张万立，海南大学 主题范围 To maintain a sustainable supply of fresh food around the world, smart food packaging materials are crucial. Smart food packaging materials can replace petroleum plastic-based food packaging films and reduce environmental pollution caused by disposable plastic food packaging. Importantly, smart food packaging materials have significant antioxidant properties, antibacterial properties and smart...

本篇文章对电磁超材料和电磁超表面各个分支领域的最新进展进行了全面概述，并指明了该领域的未来发展趋势和研究路线图。作者包括来自中国东南大学崔铁军院士、英国帝国理工学院John Pendry爵士、中国香港大学张霜教授、美国纽约城市大学Andrea Alu教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Wegener教授等超材料领域国际著名科学家。 文章介绍 Roadmap on electromagnetic metamaterials and metasurfaces Tie Jun Cui（崔铁军）, Shuang Zhang（张霜）, Andrea Alu, Martin Wegener, John Pendry, Jie Luo, Yun Lai, Zuojia Wang, Xiao Lin, Hongsheng Chen, Ping Chen, Rui-Xin Wu, Yuhang Yin, Pengfei Zhao, Huanyang Chen, Yue Li, Ziheng Zhou, Nader Engheta, V. S. Asadchy, Constantin Simovski, Sergei A...

本篇研究来自北京科技大学冯春课题组。本文从组分控制、工艺影响、外场调控、理论计算等方面总结了铁磁薄膜材料的界面DMI调控及其机理的研究进展，并对未来研究热点进行了展望，尤其是探索新材料、探究物理起源、先进表征技术等。 文章介绍 Regulation of interfacial Dzyaloshinskii−Moriya interaction in ferromagnetic multilayers Yufei Meng（孟宇霏）, Fei Meng（孟飞）, Mingxuan Hou（侯铭轩）, Qianqi Zheng（郑倩琦）, Boyi Wang（王博毅）, Ronggui Zhu（祝荣贵）, Chun Feng∗（冯春）， Guanghua Yu（于广华）   通讯作者： 冯春，北京科技大学   研究背景： 界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）存在于空间结构反演不对称的薄膜体系中，这一特殊的磁相互作用能够稳定一系列非线性的自旋结构并控制其手性，如形成具有特征手性的Néel型磁畴壁、纳米尺寸的磁性斯格明子（skyrmion）以及特殊的螺旋磁结构（spin spiral）等。另外，界面DMI的强度和手性与上述非线性自旋结构的动力学行为直接相关，因而调控界面DMI的强度和手性不仅对丰富自旋电子学和拓扑物理学具有重要的科学意义，同时对构建新一代高密度低功耗的新型存储、逻辑、类脑器件具有重要的实用价值。本文系统总结了铁磁薄膜材料的DMI调控方法、相关理论以及表征工作的研究进展，并展望了未来的研究热点方向。   研究内容： 界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）是手性磁学的起源之一，在自旋电子学和应用磁学研究领域都引起了很大关注，对于构建新一代高密度、低功耗的自旋电子学器件具有重要的学术和实用价值。本文从组分控制、工艺影响、外场调控、理论计算等方面总结了铁磁薄膜材料的界面DMI调控及其机理的研究进展，并对未来研究热点进行了展望，尤其是探索新材料、探究物理起源、先进表征技术等。 作者介绍 冯春  教授 北京科技大学 冯春，北京科技大学教授、北京市科技新星计划和叶企孙实验物理奖获得者。中国材料研究学会青年委员会理事、真空学会薄膜专业委员会委员、Rare Metal杂志青年编委。长期从事磁存储材料、磁传感器材料、自旋电子材料及器件应用研究。在AM、NC、AFM等杂志上发表论文80余篇，获国家发明专利 20余项，编著《高磁晶各向异性磁记录薄膜材料》一部。 期刊介绍 Journal of Physics: Condensed Matter 2022年影响因子：2.7  Citescore: 4.6 Journal of Physics:...

欧洲物理学会（EPS）最新出版的开放获取电子书Physics for Society in the Horizon 2050深入剖析了物理学领域的重大挑战及其在未来数十年内可能给社会带来的变革性影响。这本书探讨了现代科学在提高人类生活水平方面最具紧迫性和前景性的内容：从粒子、原子、细胞等微观世界的奥秘，到恒星、星系乃至宇宙深层的科学探索。 这部百科全书式的作品是EPS Grand Challenges: Physics for Society in the Horizon 2050项目的一部分。该项目通过评估物理学如何助力我们理解自然法则，以及物理学在解决至2050年影响公民生活的重大问题方面所能发挥的作用，来探索我们想象和塑造未来的能力，并为政策制定者提供宝贵的行动建议。 Physics for the Society in the Horizon 2050一书的编辑Carlos Hidalgo表示：”本书聚焦了物理学领域最为紧迫的问题，为欧洲物理学会的Horizon战略提供了有力支撑。最令人兴奋的是，它展现了人类如何运用科学方法预见和塑造未来，以及跨学科合作如何促进不同知识领域间的连接，共同应对我们面临的重大科学和社会挑战。” 目前，这本书的全文可供任何人在IOPscience平台上阅读，旨在面向致力于推进科学方法的专业人士，以及那些对科学如何塑造社会感兴趣的人士。 >>点击此处链接，免费阅读本书。 >>查看IOP出版社的全部电子书。 >>浏览IOP出版社在线书店。 电子书介绍 Physics for Society in the Horizon 2050 关于科学和科学家活动的描述有很多。一些描述暗示科学最终会触及知识的边界，而另一些则描绘出无尽前景的期待。一些人相信科学已经或将会为即将到来的关键未解问题提供答案，而另一些人则对科学的发展感到恐惧。在这本书中，我们将从粒子、原子、细胞、恒星、星系以及我们在宇宙中的位置出发，探索使我们人类在大自然中独一无二的原因：我们利用科学方法想象和塑造未来的能力。这本书是欧洲物理学会发起的一项行动，旨在解决科学的社会维度问题，并应对物理学中的重大挑战。这些挑战将为发达社会带来深刻变革，提升全球生活水平，并为我们在2050年对自然的基本理解提供新的视角。

我们汇总了2023年发表在Journal of Semiconductors（JOS）期刊发表的优秀文章，这些文章体现了期刊的高质量和创新性。 感谢所有的作者和审稿人对JOS期刊的支持！希望您喜欢阅读这一合集。   为什么选择在JOS期刊发表您的研究文章？ 文章的绝佳之选：JOS期刊展示了广泛的主题范围，欢迎您发表半导体超晶格和微观结构物理，半导体材料物理，包括量子点和量子线在内的新型半导体材料的生长和表征，半导体器件物理，新型半导体器件，集成电路的CAD设计和制造，半导体器件新技术，半导体光电器件及集成，半导体薄膜的生长、表征和应用等领域的研究。 高质量研究：我们提供专业、有建设性和公平的同行评审，可以保证您的研究成为该领域最高质量的研究之一。 对文章的认可：JOS期刊通过奖项认可作者的辛勤工作、奉献精神和卓越表现，您可以与学界分享您的成就。 学会出版社：IOP出版社是一家世界领先的学会出版社，发表物理科学及其他领域的最新和最佳研究。IOP出版社获取的所有利润都将回馈给英国物理学会（IOP），用于支持世界各地的研究、教育和推广。 亮点文章 The twisted two-dimensional ferroelectrics Xinhao Zhang and Bo Peng 2023 J. Semicond. 44 011002   Recent progress on fabrication and flat-band physics in 2D transition metal dichalcogenides moiré superlattices Xinyu Huang et al 2023 J. Semicond. 44 011901   Review of phonons in moiré superlattices Zhenyao Li et al 2023 J. Semicond. 44 011902   Wearable sweat...

本篇研究来自华东师范大学王康和河南大学焦文献课题组。这项研究为审视多年冻土融化引起的气候反馈和相关经济影响提供了一种新的视角和方法，增强了气候变化经济学模型中多年冻土变化的物理基础。 文章介绍 Revisiting permafrost carbon feedback and economic impacts Yang Zhu（朱杨）, Kang Wang（王康）, Wenxian Jiao（焦文献） and Jinlong Xu（许金龙） 通讯作者： 王康，华东师范大学地理科学学院 焦文献，河南大学地理与环境学院   研究背景： 多年冻土占据了北半球陆地表面的四分之一，这里寒冷的环境封存着地球土壤中约一半的有机碳。然而，气候变化导致的多年冻土状态变化可能通过碳循环影响气候系统和社会经济系统。以往研究已经尝试将多年冻土碳反馈纳入地球系统模型中，但这些模型往往复杂且需要很多参数，很难实现在代际间的优化目标。另一方面，也有一些研究尝试在集成评估模型中纳入多年冻土碳循环过程，然而，往往缺乏必要的物理基础，比如用气温和多年冻土面积建立联系来估算碳储量变化。本研究则尝试将半物理基础的多年冻土融化模型和碳分解模块纳入集成气候与经济动态（DICE）模型，来重新审视多年冻土碳反馈效应及其可能的经济影响。   研究内容： 将多年冻土碳模块纳入DICE-2016R3模型，考虑了由冻土融化释放的碳对大气碳水平的潜在贡献（图1）。使用简化的Stefan方程计算活动层厚度，并假设全球温度距平与多年冻土区的平均融化指数之间的相关性相对稳定；根据活动层厚度的变化来估计新融化冻土中的有机碳量，进而计算了释放的CO2和CH4的量。   图1. 多年冻土碳循环模块与DICE模型的耦合方式示意图   研究发现，到2100年，多年冻土区释放的总碳量为30.5GtC，由冻土释放的CO2和CH4加剧了气候变化，导致到2100年全球平均气温额外增加大约0.038°C（图2），这种温度增加导致了0.779万亿美元的经济损失。同时还比较了基于多年冻土面积变化的结果，发现用面积变化来估算多年冻土反馈的结果显著偏高。   图2. 预测21世纪的多年冻土碳反馈强度。(a)多年冻土累积碳排放量；(b) 额外的增温幅度。不同颜色代表不同方法，其中，红色表示本研究使用的方法，橙色表示Kessler （2017）的方法，青色表示Wirths等（2018）的方法。   这项研究为审视多年冻土融化引起的气候反馈和相关经济影响提供了一种新的视角和方法，增强了气候变化经济学模型中多年冻土变化的物理基础。这项研究估算得到的碳释放量和反馈强度相较前人研究偏低，但并不意味着否认多年冻土碳反馈的重要贡献。更加值得关注的是，尽管夏季多年冻土融化过程至关重要，未来的研究可能更应关注非生长季节的碳过程以及多年冻土突变引发的碳循环物理过程。此外，人文社会经济系统的时空分辨率与自然过程的不匹配问题也是集成模拟工作中的一个重要障碍。 作者介绍 王康  研究员 华东师范大学 王康，华东师范大学地理科学学院研究员（2020至今）。2015年于兰州大学获得博士学位。主要从事冻土与气候变化相关研究，Email: kwang@geo.ecnu.edu.cn 焦文献  副教授 河南大学 焦文献，河南大学地理与环境学院副教授（2012至今），2010年于中科院寒旱所获博士学位。主要从事环境经济学相关研究, Email: jwx@henu.edu.cn 期刊介绍 Environmental Research Letters     2022年影响因子：6.7...

本篇研究来自浙江大学林芃课题组。本文提出了一种对于输入脉冲频率敏感的动态电化学忆阻器，首次建立了器件响应与输入脉冲频率的定量关系，并首次利用单个器件就可以完成对不同真实动物录音的准确分类。 文章介绍 Neuromorphic auditory classification based on a single dynamical electrochemical memristor Peng Chen（陈鹏）, Xuehao Xiong（熊雪皓）, Bihua Zhang（张碧华）, Yuxuan Ye（叶宇轩）, Gang Pan（潘纲）and Peng Lin（林芃） 通讯作者： 林芃，浙江大学   研究背景： 与现有人工智能不同的是，人脑更善于利用网络的动力学特性，高效地理解和处理外部世界信息。神经网络动力学可以理解为单个神经元或突触自身随输入与时间而发生的改变，也包括节点间相互作用产生的网络行为。这样的动态交互机制大大的提高了神经网络的表达能力。研究者们一直致力于设计新型类脑器件来模拟生物神经网络的动态行为，以实现更加高效灵活的信息处理。纳米器件中蕴含丰富的物理特性，特别是一些具备高度动态行为变化的动态器件。这些器件有望被利用在类脑计算的应用场景中。然而，从发现器件特点到被高效利用的过程中，还需要有效的建模与量化，实现对于物理特性的理解，并最终与特定任务形成关联。   研究内容： 在这项研究中，我们通过对栅极材料体系进行调控，发现了栅极电极对器件动态特性的影响规律，成功的将一个现有静态三端电化学忆阻器转变为动态忆阻器，使其阻变行为出现了较强的短期记忆现象。与现有研究不同的是，我们在该动态忆阻器中发现了阻态改变与不同频率输入脉冲信号的定量关系，可以对从1Hz到1MHz的频率信号进行准确分类。为了深入理解和利用这一动态行为，我们创建了一个行为模型，揭示了器件频率响应可以通过对各频率分量的响应进行加权求和实现。 基于这一原理，我们进一步设计了一个基于单个器件的类脑听觉分类器，它能够高度准确地识别不同动物的录音。真实场景中的声音具备幅度和频率两个维度信息，但脉冲编码可以有效的将幅度与脉冲信息进行解耦合，产生只包含频率信息的信号，这也是大脑神经元编码的独特之处。我们工作的主要贡献是仅依靠单个动态忆阻器就能实现高效频率分类，无需额外添加分类读出层，也无需进行复杂的训练。相较于其他频率分类方法，如滤波、支持向量机和感知器等，这样的设计更为高效。这项研究不仅深化了我们对动态忆阻器行为的理解，更为在资源受限的应用场景中实现频率分类开辟了新的途径。 作者介绍 林芃  研究员 浙江大学 林芃，浙江大学 “百人计划”研究员，入选国家高层次青年人才引才计划，美国麻萨诸塞大学博士、麻省理工学院博士后，长期从事新型类脑计算系统研究，近年来在Nature Electronics, Nature Nanotechnology等权威期刊和会议发表论文40余篇，包括多篇Nature子刊封面论文，担任中国人工智能学会脑机融合与生物机器智能专委会委员。 期刊介绍 Neuromorphic Computing and Engineering 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。

本篇研究来自哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所吕海宝与博士研究生李沛钊。本研究建立了一个熵阱模型来描述双非晶态水（即同时具有低密度和高密度的液态水）中的热力学液-液相变。模型从理论上构建起双非晶态水热力学异常与温度、压强之间的本构关系，准确预测了凝聚态水的热力学行为。 文章介绍 An entropy trap model of thermodynamic anomalies for dual-amorphous water undergoing liquid-liquid phase transition Peizhao Li（李沛钊） and Haibao Lu（吕海宝） 通讯作者： 吕海宝，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所   研究背景： 水是地球上最常见也是最独特的液体之一，凝聚态水表现出了诸多反常热力学特性，其中最广为人知的就是大气压强下4℃左右时的密度最大值，这引起了研究人员的极大兴趣。在最近的研究中，熵驱动液-液相变（LLPT）被认为是凝聚态水异常热力学行为的来源。凝聚态水的液-液相变源于温度和压强等外部刺激诱导的水的局部构象的结构转变，从而形成了两种密度不同的非晶态液态水，即低密度液态水（LDL）和高密度液态水（HDL）。本研究基于熵阱模型，引入Adam-Gibbs模型和自由体积理论建立起一套理论模型，旨在全面描述并揭示双非晶态水的LLPT及其与热力学异常行为之间的联系，加深对LLPT熵驱动机制的理解。   研究内容： 熵阱模型是一种常被用来研究聚合物分子迁移和聚合物溶液的局部结构转变的统计力学模型，这项研究引入该模型来解释双非晶态水的熵驱动LLPT。如下图所示，由于热力学势的差异，HDL分子被限制在能级较高的熵阱内部，而LDL分子与之相反。随着温度和压强的升高，当熵阱外部的LDL分子扩散到熵阱中时，这些分子被限制在熵阱中，从而导致由LDL向HDL的结构转变。模型中熵阱的宽、高被分别认为与构象的自由体积、LDL与HDL之间的构象熵的差成正比。温度升高/降低导致构象的熵阱宽增加/降低，压强升高/降低导致熵阱高降低/升高，从而导致LLPT发生。 下图是LLPT过程中温度和压强对HDL体积分数影响的模型分析结果，表明在温度和压强升高的情况下，由于熵阱变宽和降低，双非晶态水中的HDL体积比例显著升高。特别地，随着压强从0.1MPa升高至350MPa，LLPT的半转变温度从231K逐渐降低到了159K。 下图比较了不同压强下的凝聚态水比容等压线的模型分析结果与实验结果。随着压强的增加，图(a)中比容的最小值从276K的0.999L/kg（0.1MPa）逐渐减小到了188K的0.856L/kg（300MPa）。图(b)显示模型的分析结果与实验结果取得了良好的一致性，比容偏差控制在0.0015L/kg之内。 本研究建立的熵阱模型探索了双非晶态水熵驱动热力学异常行为的工作原理，并利用分子动力学模拟结果和实验数据验证了模型的有效性和精确性，为探索和预测凝聚态物质的热力学性能提供了一种新的理论研究思路。 作者介绍 李沛钊  博士研究生 哈尔滨工业大学 李沛钊，哈尔滨工业大学2022级工程力学专业博士研究生，主要从事水的高分子凝聚态结构的尺度力学研究。已在Physica B：Condensed Matter、Journal of Physics：Condensed Matter等凝聚态软物质领域专业期刊发表5篇SCI论文。   吕海宝  教授 哈尔滨工业大学 吕海宝，哈尔滨工业大学教授，主要从事软物质力学与高分子物理的学科交叉基础研究，致力于“玻璃态物质本质”、“物理定律能否统一？”和“水的分子结构”等科学问题探索；在ROPP、JMPS、Soft Matter等期刊已发表研究论文200余篇，SCI他引总计4100余次。2017年获国家自然科学基金委杰出青年基金（结题优秀），2020年获黑龙江省自然科学一等奖（排名第1）。目前兼任中国力学学会软物质力学工作组组长、青年工作委员会副主任委员。 期刊介绍 Journal of Physics: Condensed Matter 2022年影响因子：2.7  Citescore:...