This Roadmap article provides a succinct, comprehensive overview of the state of electronic structure methods and software for molecular and materials simulations. Seventeen distinct sections collect insights by 51 leading scientists in the field. Each contribution addresses the status of a particular area, as well as current challenges and anticipated future advances, with a particular...
本篇研究来自清华大学水利系钟德钰和王光谦。动理学方程（Kinetic Equation）对于理解随机过程的统计特性至关重要，但现有方程仅限于局部分析。文章构造了随机向量丛，通过对系综平均的局部概率密度函数进行累积展开，推导了一种新的动理学方程，用于描述向量丛上的随机系统，能够处理全局随机性和非马尔可夫（non-Markovian）过程。 文章介绍 Kinetic Equation for Stochastic Vector Bundles De-yu Zhong（钟德钰） and Guang-Qian Wang（王光谦） 通讯作者： 钟德钰，清华大学水利系 研究背景： 动理学方程是描述物质或粒子系统在相空间中分布随时间变化的数学表达式，其中最著名的动理学方程包括玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）和福克-普朗克方程（Fokker-Planck Equation）等。动理学方程是连接微观粒子行为与宏观物理现象的桥梁，可以帮助我们理解物质状态、预测系统行为、优化系统设计，在物理、化学、力学甚至社会科学中都有广泛的应用。动理学方程的推导方法有Kramers和Moyal的矩展开，钟德钰等人提出的累积展开等。但目前的经典方程仍仅限于局部分析，不能处理全局随机性。本研究旨在推导一个适用于一般随机系统的动理学方程，通过引入一种基于随机系统状态转移路径系综的平均方法，该方程能够描述非马尔可夫过程的全局统计行为。 研究内容： 随机向量丛是将随机过程理论与向量丛理论相结合的数学结构。向量丛使得可以将向量空间中的随机行为扩展到整个流形上，从而有效地将局部随机行为转变为全局影响的随机模型。本研究首先定义一个在基础流形上的随机向量丛，流形中的每个点对应一个代表系统随机状态空间的纤维，该框架为理解随机过程提供了一个全新的几何视角。通过对集合平均的局部概率密度函数（PDF）进行累积展开来推导动理学方程。这个PDF不仅仅是状态的函数，而是状态转换轨迹的泛函。累积展开有助于捕捉固有于非马尔可夫过程的历史和全局依赖效应。在数学上，使用协变导数和其他几何的工具来处理向量丛结构，并通过涉及微分几何和随机微积分的相关步骤推导出动理学方程。具体推导过程详见原文。 除此之外，论文还讨论了如何从该动理学方程出发，推导出描述流体等复杂多相系统宏观行为的守恒方程，展示了该方程在实际物理问题中的应用潜力。鉴于推导出的动理学方程是无限阶的，论文进一步讨论了在实际应用中如何进行截断，以及截断对模型精度的影响。 该论文的结果为研究大尺度复杂系统的统计规律提供了新的理论工具和分析框架，对于深入理解这些系统的行为、提高预测准确性以及指导实际应用具有重要意义。 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。
Urban green and blue spaces (UGBSs) have been found to have health-enhancing properties (e.g. promotion of physical activity, improved social connectedness, and stress reduction). We examined the associations between UGBSs and cognitive function and aimed to identify any mechanistic pathways involving UGBSs and cognitive function. The initial search of four databases (MEDLINE, Embase, PSYCHInfo, and...
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Nanobiotechnology/Nano Materials和Global Environment Sustainability。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 Nanobiotechnology/Nano Materials Journal of Physics: Condensed Matter Highly parallelizable electronic transport calculations in periodic rhodium and copper nanostructures Baruch Feldman, Shifeng Zhu and Scott Dunham Spin-photon interaction in a nanowire quantum dot with asymmetrical confining potential Rui Li Hole subband dispersions in a cylindrical Ge nanowire: exact...
Biodiversity, when viewed through the combined lenses of compositional, structural, and functional attributes, provides for a holistic understanding of the complexities found within community assemblages and ecosystems. However, advancement in our understanding of how ecosystem functional diversity interacts with structural and compositional diversity metrics is lacking, in part because universally applied methodologies to derive ecosystem...
本篇研究来自清华大学交叉信息研究院徐勇课题组。本文系统总结了目前对晶态和非晶态高阶拓扑相的研究进展，介绍了晶格系统的高阶拓扑相的典型模型及其拓扑不变量，讨论了无序对高阶拓扑相的影响以及无序诱导的高阶拓扑绝缘体，并总结了无定形系统、准晶、双曲晶格、分形等非晶态系统的高阶拓扑相，最后回顾了该领域的实验进展。 文章介绍 Higher-order topological phases in crystalline and non-crystalline systems: a review Yan-Bin Yang（杨炎彬）, Jiong-Hao Wang（王炅昊）, Kai Li（李楷） and Yong Xu（徐勇） 通讯作者： 杨炎彬，香港科技大学、清华大学 徐勇，清华大学 研究背景： 根据传统拓扑相的体边对应，d维的拓扑相通常具有（d-1）维的拓扑边缘态。2017年，人们提出高阶拓扑绝缘体的概念，它们具有维度更低的边缘态。此后，对高阶拓扑相的研究取得迅猛进展，发现了各种受对称性保护的高阶拓扑相。同时，人们开始在缺乏晶格对称性的系统中探寻高阶拓扑相。研究发现，高阶拓扑相对较弱的无序是稳定的，更有趣的是无序可以诱导从拓扑平庸态到高阶拓扑态的相变。另一方面，人们发现在无定形系统、准晶、双曲晶格、分形等非晶系统中可以存在高阶拓扑相。本文系统回顾了近几年对高阶拓扑相的研究进展，重点介绍无序系统和各类非晶系统中的高阶拓扑相，旨在为相关领域的研究者提供参考指南。 研究内容： 2017年，人们提出了高阶拓扑绝缘体的概念，不同于传统的拓扑绝缘体，d维的n阶（n>1）拓扑绝缘体可以具有（d-n）维的拓扑边缘态。随后，高阶拓扑相这一领域引起了广泛的研究兴趣。本论文主要介绍了近几年在高阶拓扑相这一领域的研究进展，系统回顾了晶格系统、无序系统和各类非晶系统中的高阶拓扑相，并总结了该领域的实验进展。 本篇综述主要包括以下三个部分。第一部分回顾了晶格系统中几类代表性的高阶拓扑相，包括多极子拓扑绝缘体、手征对称性保护的高阶拓扑相、三维二阶拓扑绝缘体，高阶拓扑半金属等，介绍了典型的模型、拓扑边界态以及相应的拓扑不变量。第二部分介绍了无序系统中的高阶拓扑相，说明了高阶拓扑相对弱无序的稳定性，并讨论了无序诱导的高阶拓扑安德森绝缘体。第三部分总结了各类非晶系统中的高阶拓扑相的研究进展，包括无定形系统、准晶、双曲晶格、分形等体系，这些系统缺乏晶格系统的对称性，但可以存在高阶拓扑相及边界态。最后，我们简要总结了高阶拓扑相在固体材料和其他系统中的实验实现，同时展望了该领域未来的研究方向。 作者介绍 杨炎彬 博士 清华大学 杨炎彬，清华大学博士后，水木学者获得者。主要研究方向为量子模拟、冷原子物理、拓扑凝聚态物理。 徐勇 长聘副教授 清华大学 徐勇，清华大学交叉信息研究院长聘副教授，海外高层次人才青年项目获得者。主要从事冷原子新奇量子物态的理论研究，发表学术论文50篇，提出了有结构的（第二类）外尔费米子、外尔奇异环等概念，多项理论预言被实验证实。 期刊介绍 Journal of Physics: Condensed Matter 2023年影响因子：2.3 Citescore: 5.3 Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)为读者提供凝聚态物理、软物质、纳米科学和生物物理各领域的最新研究成果。JPCM发表实验/理论分析和模拟研究，读者可以获取涉及下列领域的专题综述、快报和特刊：表面、界面和原子尺度的科学，液体、软物质和生物物理，纳米材料和纳米电子，固体结构的晶格动力，电子结构，超导体和金属、半导体，电介质和铁电，以及磁学与磁性材料。
Emerging evidence suggests that exposure to ambient air pollution negatively impacts mental health. However, little is known about potential moderators of such effects, including pre-existing physical disorders and personal characteristics. This study investigated if the effects of daily changes in levels of air pollutants among individuals with mental disorders (MDs) vary depending on comorbid physical...
我们汇总了发表在JPhys Complexity期刊第五卷的优秀文章，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JPhys Complexity期刊的支持！希望您喜欢阅读这一合集。 亮点文章 Both eyes open: Vigilant Incentives help auditors improve AI safety Paolo Bova, Alessandro Di Stefano and The Anh Han Beyond the aggregated paradigm: phenology and structure in mutualistic networks Clàudia Payrató-Borràs, Carlos Gracia-Lázaro, Laura Hernández and Yamir Moreno Economic complexity and the sustainability transition: a review of data, methods, and literature Bernardo Caldarola, Dario...
本篇研究来自美国加州大学圣塔芭芭拉分校Ranjit Deshmukh课题组。本研究发现在中国电力系统的低碳转型过程中，健康效益的区域差异减少，而就业效益的区域差异将增大；本文采用多区域投入产出方法计算就业的溢出效益，首次计算了就业效益如何在跨省、跨行业的产业链间分布；东部地区就业增加最多，而西部地区、中部和东北地区就业增幅较少；东部地区成熟的工业体系将为可再生能源提供大量原材料，因而创造大量就业。 文章介绍 Regional disparities in health and employment outcomes of China’s transition to a low-carbon electricity system Haozhe Yang（杨皓哲）, Qian Luo（罗茜）, Gang He（何钢）, Jiang Lin（林江）, Jeremiah Johnson, Fernando Garcia-Menendez, Olivier Deschenes, Ana Mileva and Ranjit Deshmukh 通讯作者： Ranjit Deshmukh, 加州大学圣塔芭芭拉分校 研究背景： 中国低碳转型将提升中国整体就业，并减少空气污染带来的过早死亡。然而，不同区域和省份的可再生资源禀赋和产业结构并不同相同。因而，低碳转型的就业和健康效益在每个区域和省份的分布可能存在较大差异。目前，尚未有研究阐述在电力系统的低碳转型中，就业和健康效益在区域和省际的分布。由于中国不同区域的经济发展存在巨大差距，因而，厘清就业和健康收益在不同区域和省份的分布，有助于决策者制定相关政策以促进区域间的公平发展。 研究内容： 本研究耦合了电力系统模型（GridPath），空气质量模型（InMap）和多区域投入产出模型（MRIO），计算了在中国电力系统的低碳转型中，各个省份和区域的就业和健康收益变化。 研究发现，煤电在东部和中部地区导致的过早死亡最多。相较于西部和东北部，低碳转型将在东部和中部地区产生更多的健康效益。 更为重要的是，在低碳转型的过程中，如果将减排目标确定为控制全球升温在2ºC范围内，东部地区的就业增加最多，而西部和中部的部分省份就业将减少。如果将目标确定为1.5ºC，则仍是东部地区的就业增加最多，而西部，中部和东北部的就业也将增加，但增幅不如东部。 图1. A. 基准情景下，2020-2040年中国电力系统及其上游行业在各省的累计就业人数。B. 在升温2ºC情景下，就业人数相对于基准情景的变化。C. 在升温1.5ºC情景下，就业人数相对于基准情景的变化。D. 就业人数在各个区域内的变化。 由于成熟的工业体系，东部地区将为可再生能源的基础设施建设提供大量材料和零部件，因而产生大量的间接就业。由于煤炭产业的淘汰和可再生能源的匮乏，传统的煤炭和煤电省份如山西、陕西和宁夏，就业将会减少。 西部地区虽然有丰富的资源资源禀赋，然而由于生产可再生能源设备的产业主要集中于东部地区，在低碳转型中的就业增加不如东北部地区。同时，西部地区集中了中国的主要产煤省份（新疆和内蒙古），淘汰煤电意味着传统煤炭开采业及上下游产业的退出。 本研究提出在电力系统的低碳转型中，可能加剧区域间就业差异。因而，相关产业政策应为失业人员提供补助，建立社会保障安全网，并合理使用转移支付手段。同时，区域间的产业转移，将劳动密集型产业从东部向其他地区转移，也有助于减少区域间的就业不平等。 作者介绍 杨皓哲 博士后研究员...
When I look back at the path that led to the birth of attoseconds at the turn of the century, I find it resembles a random walk. Neither the discovery of ATI (Agostini et al 1979), nor the first observation of high harmonics (Ferray et al 1988), could easily be extrapolated to attophysics. Even the theory that guided RABBITT...
本篇研究来自浙江科技大学骆钧炎课题组。本论文研究了量子点自旋阀体系中自旋分辨的输运噪声特性，揭示了自旋输运不同于传统电荷输运所产生的独特关联性质。研究表明，铁磁电极与量子点的耦合将产生一个虚拟交换磁场，并导致自旋噪声谱特殊的双峰结构。此外，自旋分辨的输运噪声对于铁磁输运电极间的磁化方向极为敏感。这一研究在量子计量学中具有重要的应用价值。 文章介绍 Spin-resolved counting statistics as a sensitive probe of spin correlation in transport through a quantum dot spin valve Guanjian Hu（胡关键）, Jing Hu（胡兢）, Shikuan Wang（王世宽）, RuiQiang Li（李瑞强）, Yiying Yan（颜益营） and JunYan Luo（骆钧炎） 通讯作者： 骆钧炎，浙江科技大学 研究背景： 对自旋自由度的操控是自旋电子学和自旋量子信息处理的核心和关键。介观体系自旋阀被广泛认为是构成自旋电子器件的重要组件之一，这其中量子点自旋阀系统因为具有精确操纵和控制单个自旋的独特优势从而成为实现自旋阀功能的理想平台。如何在量子点自旋阀基础上中实现高性能和高效率的新型自旋功能有赖于人们对自旋输运的深入研究和分析。与传统电子器件中的电荷输运特性相比，自旋阀体系中的自旋输运特性可以通过自旋分辨的计数统计进行定量描述和深入分析。研究量子点自旋阀中的自旋电流与其涨落和其中所蕴含的自关联和互关联信息，可以深入理解其输运特性，从而为设计和制更高性能的自旋器件提供理论依据。 研究内容： 本论文在二阶波恩—马尔可夫近似下，推到得到了自旋分辨的量子输运主方程，研究了量子点与两个非共线极化铁磁电极所构成的自旋阀系统中的自旋输运特性。主要研究成果和发现包括：（1）揭示了自旋不同于传统电荷输运所产生的独特输运关联性质。在小偏压情形下，电子电荷呈现出不相关的随机输运特性，而电子自旋输运却呈现出高度的相关性，而且自旋的自关联度（autocorrelation）与电磁电极的极化强度紧密相关。（2）铁磁电极与量子点所构成的自旋阀系统能够产生一个虚拟的交换磁场，该磁场使得量子点系统中积累的平均自旋产生进动，从而显著地影响自旋输运的动力学行为。研究发现，在中等偏压和较强极化条件下，交换磁场和平均自旋的相互作用在自旋分辨的噪声谱中产生了特殊的双峰结构，表明了自旋流的涨落对体系内部微弱磁场的高度灵敏性。（3）进一步的研究表明，自旋流的自关联特性敏感地依赖于铁磁电极的极化强度，并在不同极化方向下表现出截然不同的行为。这些结论表明自旋输运的涨落特性在揭示自旋输运动力学方面具有无可比拟的优越性，在自旋电子学器件设计、自旋量子信息处理和自旋量子计量学等方面具有潜在的重要应用价值。 作者介绍 骆钧炎 教授 浙江科技大学 骆钧炎，浙江科技大学教授，入选浙江省“高层次拔尖人才培养计划”，主要研究方向为量子信息与量子计算中的物理问题。累计在《Physical Review A》和《Physical Review B》等顶级期刊发表论文五十余篇，他引两百多次，担任《Physical Review B》和《Journal of Applied Physics》等杂志的特约审稿人，主持国家自然科学基金3项，参与省部级以上项目二十余项。 期刊介绍 Journal of Physics: Condensed...
本篇研究来自天津大学于曦课题组。本研究将非稳态电荷传输动力学模型嵌入到了储备池计算RC框架中，通过仿真探索了非稳态电荷传输动力学的信息处理能力，其对复杂任务的高效处理展现了非稳态化学动力学体系作为新型的自然计算单元的可能性，为“面向智能计算的化学”提供了新的可能。 文章介绍 Exploring non-steady-state charge transport dynamics in information processing: insights from reservoir computing Zheyang Li（李哲阳） and Xi Yu（于曦） 通讯作者： 于曦，天津大学理学院化学系，有机集成电路教育部重点实验室，天津市分子光电科学重点实验室，天津大学化工协同创新中心 研究背景： 随着人工智能和机器学习技术的迅猛发展，传统的Von Neumann结构数字计算机在处理复杂的人工神经网络任务时面临着功耗高和计算效率低的挑战，因而模拟大脑的信息处理方式，开发基于物理系统的计算架构成为重要的研究方向。储备池计算（RC）正是利用物理系统的固有动态复杂性进行信息处理，不仅训练简单，而且效率高，是一种理想的物理计算框架。非稳态电荷传输动力学提供了丰富的动态与非线性特征，且分子器件具有体积小，能耗低、动态可调等优势，成为RC计算的理想载体。本文将非稳态电荷传输模型嵌入到了RC框架中，实现神经形态信息处理的物理模型计算，并探索了电荷传输动力学特征与计算性能的关系。 研究内容： 质子耦合电荷传输模型是一种以蒽醌的质子化反应为耦合动力学的非线性非稳态电荷传输系统，如图1左侧所示。将该模型集成到了RC框架中，利用体系的动态特征对原始信号进行了时间多路复用，实现了对输入信号的高维映射，如图1右侧所示。基于这个RC框架，进行了例如波形识别、语音识别、混沌系统预测等任务，均展现出了良好的效果，如图2所示，证明了该体系具有广泛的计算潜力。 图1 左侧：质子耦合电荷传输模型；右侧：RC计算框架 图2 左侧：波形识别任务，归一化均方根误差小于0.01；中间：语音识别任务，准确率高达99.4%；右侧：洛伦兹预测任务，实现了混沌吸引子重建。 RC的信号处理频率与动态储层系统的特征时间之间的对齐决定了RC任务的执行效率。只有当输入信号的频率与体系动力学特征时间相匹配的时候，虚拟节点才能有效连接，任务才能高效的完成，过高或者过低的输入频率会导致任务的失败。如图3左侧所示。在该体系中，环境中的水（即湿度）被视为质子源，改变湿度会改变体系的动力学特征时间。以波形识别任务为例，随着环境水浓度增加，非稳态动力学特征频率上升，导致识别率在数据信号频率维度的峰值区域向更高频率偏移，实现了湿度可控的带通滤波，如图3右侧所示。 图3 左侧：不同输入频率下AQ通道布居数目变化及对应虚拟节点相互作用示意图；右侧：信号频率维度下不同湿度的识别效果。 这项研究将非稳态质子耦合电荷传输应用到了神经形态计算领域，凸显了化学体系的非稳态、非线性特性在计算领域的显著优势。通过调控湿度可以改变体系的动力学特征，为未来利用该体系进行多时间尺度任务提供了基础。 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。
