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...
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...
本篇研究来自西北大学张堃和郝昆课题组。基于量子门的四面体几何表示，本研究工作系统地展示了辫子门和Yang-Baxter门的非局域性质。研究发现辫子门和Yang-Baxter门仅出现在量子门四面体表示的特定边与面，即只有部分量子门与辫子门和Yang-Baxter门局域等价。另一方面，辫子门和Yang-Baxter门的几何表示可以给出其量子门分解的最优形式，为量子计算机上实现辫子门和Yang-Baxter门提供了理论基础。 文章介绍 Geometric representations of braid and Yang-Baxter gates Kun Zhang（张堃）, Kun Hao（郝昆）, Kwangmin Yu, Vladimir Korepin and Wen-Li Yang（杨文力） 通讯作者： 郝昆，西北大学现代物理研究所 研究背景： 量子反散射方法（Quantum Inverse Scattering Method）是求解量子可积模型的重要方法，其中Yang-Baxter方程是这一理论框架的核心。另一方面，随着量子信息理论的蓬勃发展，越来越多的研究揭示了量子可积模型与量子线路模型之间的深刻关系。Yang-Baxter方程的幺正解可以视作量子线路中的门操作，称为Yang-Baxter门。由Yang-Baxter门构成的有序量子线路被证明是Yang-Baxter可积的，而使量子计算机成为研究量子可积系统动力学新的有力工具。但是Yang-Baxter门作为一类特殊的量子门，其性质和构造却缺乏系统性的描述。本研究拟通过计算Yang-Baxter门的非局域参数，从而得到了Yang-Baxter门的几何四面体表示。分析其几何表示，可以进一步揭示Yang-Baxter门与其它量子门之间的关系。这项研究将为量子可积线路的深入探索提供理论支持，并有望为理解量子线路的可积性和设计新型量子算法奠定基础。 研究内容： 两量子比特门作为SU(4)群的群元素，可由三个实参数确定其非局域性质，称为两量子比特门的非局域参数。三个实参数构成了两量子比特门的三维几何表示，即量子门四面体。非局域参数相同的两量子比特门，可由单量子比特门变换得到，也称为局域等价。另一方面，非局域参数可以确定两量子比特门的最优分解形式，例如从CNOT门的非局域参数出发，可证明任意两量子比特门可以由最多3个CNOT门加上单量子比特门构造。 我们从四类幺正的辫子群表示出发，即两量子比特辫子门，计算了其非局域参数，发现了其中三类辫子门只出现在量子门四面体的一边，即局域等价。通过Yang-Baxterization方法，从此四类辫子门出发，我们构造了十类Yang-Baxter门。通过计算其非局域参数，我们发现十类Yang-Baxter门只出现在以下区域。 从Yang-Baxter门的几何表示出发，我们发现了当Yang-Baxter门中的谱参数与q变形参数取特殊值时，Yang-Baxter门也可以是其它特殊两量子比特门，包括Clifford门，Matchgate，和Dual-unitary门。Yang-Baxter门与以上特殊两量子比特门的交集暗示了由其构成的量子线路具有特殊的动力学特征。借助辫子门和Yang-Baxter门的非局域参数，我们构造了其关于CNOT门的最优分解，为辫子门和Yang-Baxter门在量子计算机上的实现提供了理论指导。 作者介绍 张堃 副教授 西北大学 张堃，西北大学物理学院副教授，2022年博士毕业于纽约州立大学石溪分校。主要研究方向为量子信息理论，包括量子算法，量子热力学，以及量子信息动力学等。 郝昆 研究员 西北大学 郝昆，西北大学现代物理研究所研究员，2013年博士毕业于本校现代物理研究所， 2018-2021年在纽约州立大学石溪分校从事博士后研究。主要研究方向为量子可积模型，近年来聚焦于量子信息、高能物理等前沿领域中新的物理模型的可积性研究。 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:...
本篇研究来自华中科技大学张新亮和李培宁课题组，探讨了扭曲混合维度MoO3结构（薄层/厚层MoO3同质结）中的横向光学力。通过调整入射光的偏振角、入射角以及MoO3的扭转角度，研究人员可以精确控制横向光学力的方向和强度，尤其在中红外频段表现出卓越的控制能力。这项研究为在纳米尺度上操控微小物体提供了一种全新的方法，具有广泛的应用前景。 文章介绍 Configurable lateral optical forces from twisted mixed-dimensional MoO3 homostructures Qizhi Yan（严其志）, Runkun Chen（陈闰堃）, Peining Li（李培宁） and Xinliang Zhang（张新亮） 通讯作者： 李培宁，华中科技大学 张新亮，华中科技大学/西安电子科技大学 研究背景： 通过电磁场与物质的动量交换，产生的光学力使得操控微小物体成为可能，并已应用于病毒捕获、单细胞操作和光力显微镜等领域。近年来，横向光学力，即垂直于光传播方向的力，受到了极大关注，它能使微小颗粒在光的入射平面上横向移动。横向光学力的产生通常与横向方向上的对称性破坏有关，这可能由散射体的几何形状或入射光场引起。为此，需要开发具有非对称电磁模式和大横向动量的结构和材料。而极化激元，尤其是双曲声子极化激元，具有强电磁场增强和高动量，能够施加较大的力。其中MoO3作为双轴二维材料，在中红外波段支持双曲声子极化激元传输，此外通过二维材料的堆叠可以打破电磁场的对称性。这些特性使其成为产生横向光学力的理想平台。 研究内容： 本研究从理论上提出并分析了在扭转的混合维度MoO3结构中产生的横向光学力。这种混合结构通过上下MoO3层之间的相互作用，生成了一种低对称性的声子极化激元。这种独特的电场和动量分布，可以产生较大且可控的横向光学力，从而更简单、高效地操控纳米颗粒。 研究通过数值模拟和理论计算，详细展示了这种横向光学力的调控能力。结果表明，通过调整MoO3层之间的扭转角度，以及改变入射光的偏振，可以精确控制横向光学力的大小和方向。在特定的入射和扭转角度条件下，声子极化激元可以实现单向传输，产生的横向光学力可达到近2×10-20 N/W·cm²，比自由空间中的光学力强约12000倍。此外，随着扭转角度的变化，声子极化激元的动量分布也随之变化，使得光学力的方向和强度可以进一步优化。 这一发现为纳米尺度上的光学操控提供了一种新的方法，特别是在操控微小颗粒和纳米制造方面展示了巨大潜力。研究还表明，通过光诱导力显微镜（PiFM）有望观察到三维光学力的效果。这种横向光学力调控技术不需要复杂的纳米制造工艺，操作简便，而且在中红外波段有效。它为非接触式操控纳米颗粒和活细胞等微小物体提供了新的技术工具。 作者介绍 李培宁 教授 华中科技大学 李培宁，华中科技大学教授、博士生导师。德国亚琛工业大学博士、西班牙CIC Nanogune纳米中心玛丽居里学者研究员。长期从事近场光学、微纳光子学研究，在Nature (3篇)、Science (2篇)、Nature Nanotechnology (2篇)、Nature Materials、Nature Photonics、eLight、 Nature Review Physics、Nature Communications (8篇) 、Science Advances等高水平学术期刊发表基础研究成果多篇。研究成果入选2018、2021年中国光学十大进展（基础研究类），入选美国光学学会“Optics in 2021”年度光学进展并被选为封面工作亮点推荐。得到多项荣誉和奖励的肯定，包括“国家优秀自费留学生奖学金”、“欧盟玛丽居里学者奖”和国家海外高层次人才计划青年项目。承担和参与国家自然基金，重点研发计划，湖北省杰青等基金，担任《香山科学会议》近场光学学科研讨会共同执行主席。 张新亮 教授 西安电子科技大学/华中科技大学 张新亮，西安电子科技大学/华中科技大学教授，国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授，国家创新领军人才，美国光学学会Fellow。长期从事光电子器件与集成方面的研究工作，先后主持国家杰出青年基金项目、基金委重大国际合作项目、基金委重点基金项目、基金委重大科学仪器研制项目、国家重点研发计划项目等，发表了国际主流期刊论文350余篇，Web of Science统计引用6000余次，Google Scholar统计引用8000余次，先后主持和参与获得省部级自然科学一等奖4项。曾任华中科技大学副校长，现任西安电子科技大学校长。 期刊介绍 Journal of Optics...
特刊详情 客座编辑 Andreas Rosenkranz, 智利大学 Sana Munir, 智利大学 主题范围 This focus issue aims to shed light on 2D nanomaterials to highlight the latest advancements in rapidly evolving fields. The collection features articles on the synthesis, characterization, and application-related research using various 2D nanomaterials, including graphene, graphene oxide, MXenes, and transition metal dichalcogenides. These nanomaterials...
