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...
该论文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 Alù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...
中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）范可教授、易李达玲博士、张安婕博士研究生和挪威卑尔根大学贺圣平博士基于海冰卫星观测和海气再分析数据集等，定义了冬季海冰生长量（WSIG），研究了北极WSIG的年代际和年际变化。研究结果表明，自2008年后北极欧亚陆架边缘的WSIG显著增多，其中海冰的动力生长主导了波弗特海区WSIG的突增；自2010年后海冰的动力生长对喀拉海-拉普捷夫海区WSIG年际变化的调控作用增强。 文章介绍 Thermodynamic and dynamic contributions to the abrupt increased winter Arctic sea ice growth since 2008 Daling Li Yi (易李达玲) ，Ke Fan (范可)，Shengping He (贺圣平) 通讯作者： 范可，中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海） Nonstationary thermodynamic and dynamic contributions to the interannual variability of winter sea ice growth in the Kara–Laptev Seas Anjie Zhang (张安婕)，Daling Li Yi (易李达玲) ，Ke Fan...
本篇研究来自北京大学北京国际数学研究中心和生物医学前沿创新中心葛颢课题组。本研究推广了数学家Belius在简单随机游走模型上的结果，严格证明了环面上有限范围对称随机游走模型的覆盖时间，在进行适当归一化后，其分布会收敛到著名的Gumbel分布。该结果为之前物理学家在数值模拟中观察到的这一具有普适性的现象奠定了坚实的数学基础，也对于普遍应用于各个领域的随机搜索方法的穷尽时间的极限行为给出了定量刻画。 文章介绍 Cover-time Gumbel fluctuations in finite-range, symmetric, irreducible random walks on torus X Han（韩啸）, Y Zhang（张原） and H Ge（葛颢） 通讯作者： 葛颢，北京大学北京国际数学研究中心和生物医学前沿创新中心 研究背景： 随机搜索过程在物理学、化学和生物学，乃至机器学习和机器人等各个学科中都具有广泛的应用。随机游走是随机搜索过程的数学模型。覆盖时间，即一个随机游走首次访问所有节点所需的时间，是描述随机搜索过程的关键参数。2015年，有研究组在Nature Physics发文，通过数值模拟发现，在很多不同的随机游走模型中，覆盖时间，当进行适当的归一化后，其极限分布都是Gumbel分布，这就意味着研究首达时间的结果都可以被应用到研究覆盖时间上来。这项工作对于理论工作者也是一个很好的提示，也许这是一个研究覆盖时间理论性质的切入口。因此本研究希望通过严格的数学分析，深入探讨环面上有限范围对称随机游走的覆盖时间，试图证明其满足2015年这项数值模拟工作中发现的规律。 研究内容： 本研究利用严格的数学分析方法，研究了环面上有限范围对称随机游走的覆盖时间特性。数学家Belius在2013年严格证明了简单随机游走覆盖时间的这一极限性质，其证明中采用了数学家Sznitman在2009年建立的随机交织模型。其证明比较艰深复杂，涉及很多的细致估计，整个证明长达五十多页。我们在仔细研究了Belius的工作之后发现，其证明中的构造方法是可以在进行一定的改造后，推广到环面上有限范围对称随机游走模型上的；其证明中最关键的有关随机游走和随机交织模型的耦合结果，也是可以直接推广过去的。 从数学角度来看，我们的证明并没有什么特别创新的地方，很多改造也是这方面的数学专家比较容易想象得到的。但是从解释数值模拟中发现的这一现象的角度，我们的工作有其独特的价值，因为我们把环面上运动的各方面细节都研究得更深入，给出了关于覆盖时间Gumbel分布极限的一般结果，同时基本囊括了2015年的那篇文献里几乎全部数值实验，给这一普适现象提供了严格的数学基础。 作者介绍 葛颢 教授 北京大学 葛颢，北京大学长聘教授、国家杰青获得者。长期从事随机过程和统计学在物理、化学以及生物上的应用，在Physical Review Letters、Cell、Journal of Chemical Physics、Journal of Statistical Physics等权威期刊发表论文60余篇。获2009年中国数学会钟家庆数学奖，入选2016年教育部青年长江学者名单。 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...
