Cell Press严选：物理学研究突破性成果，共览学科未来图景

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物质科学 Physical science

本期合辑内容囊括了从Cell Press细胞出版社旗下Newton、Joule、Matter、Device、Cell Reports Physical Science和iScience等多本期刊中精选的凝聚创新思维与颠覆性发现的物理学研究力作。

主题涵盖量子材料设计、新能源器件优化到跨尺度计算模拟等，汇聚领域内最具启发性成果，诚邀您品鉴前沿智慧，解锁下一轮学科突破的关键密码！

通过均匀进动证明核自旋高维量子态的量子特性

自旋进动作为量子系统动力学的经典范例，长期以来被认为与经典物理行为高度相似。然而，澳大利亚新南威尔士大学Andrea Morello教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表论文Certifying the quantumness of a nuclear spin qudit through its uniform precession，通过核自旋的均匀进动来验证奇特量子态的量子特性，对这一传统认知提出了颠覆性挑战。该研究以高维量子态（qudit）为核心载体，首次在单原子尺度上实现了对量子资源态的精准操控与无歧义验证。这一结果的关键在于测量了进动自旋x分量的正值而非期望值，并使用了不受限于半经典自旋相干态的自旋>1/2高维量子态（qudit）。实验选用自旋量子数S = 7/2的⊃1;⊃2;⊃3;Sb（锑-123）核，通过制备核自旋的薛定谔猫态及其他定制量子态，作者制备的量子叠加态以18个标准差（σ）突破经典随机过程的统计边界，证明任何经典概率分布都无法解释该自旋进动的统计特性，同时彰显了团队在单原子尺度高维量子态中高保真制备量子资源态的能力。

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热电循环热调节：一种新型高效的热电材料操作模式

热电循环热调控（TEcR）系统是一种基于瞬态模式下两个容器间周期性热量泵送的新型热管理技术，近年来在气体分离与温控软机器人领域展现出独特应用潜力。近日，南方科技大学刘玮书教授、张作泰教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表论文Thermoelectric cyclic-thermal regulation: A new operational mode of thermoelectric materials with high energy efficiency，本研究系统阐明了TEcR的热力学理论基础，提出了其关键性能决定因子与量化评价标准，并构建了基于低温吸附-高温脱附原理的热电驱动CO₂气体分离实验系统，并验证了该技术的可行性。本文的实验明确展示了TEcR系统的巨大潜力，与传统电加热系统相比，TEcR系统能耗降低42%，循环频率提高了2.5倍。作者还提出了一种TEcR专属优值系数来指导热电材料优化策略。该工作不仅验证了TEcR技术在气体分离中的工程可行性，更揭示了其在多板式热能工业场景中的普适应用价值，为热电材料的跨领域创新注入新动能。

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ORGANA：用于自动化化学实验及表征的机器人助手

化学实验既耗费资源又需要大量劳动力，比如电化学中的电极抛光这样的手动任务。传统的实验室自动化基础设施在适应新实验方面面临挑战。为了解决这个问题，加拿大多伦多大学Kourosh Darvish博士在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表论文ORGANA: A robotic assistant for automated chemistry experimentation and characterization，作者引入了辅助机器人系统ORGANA，通过集成决策与感知工具实现多样化化学实验的自主化运行。ORGANA使用大型语言模型（LLMs）与化学家互动，推导实验目标、处理歧义并提供实验日志。ORGANA规划并执行复杂的任务，同时支持调度和并行任务执行。作者展示了ORGANA在溶解度、pH值测量、重结晶和电化学实验中的能力。在电化学实验中，该系统执行了一个19步并行电化学表征液流电池中醌衍生物的实验。本文的用户研究表明，使用ORGANA时，用户的挫败感与体力负荷降低超50%，平均节省了80.3%的时间。该系统为化学实验室智能化转型提供了可复制的技术范式，尤其在高通量筛选、危险实验替代与远程协作研究中展现出颠覆性潜力。

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加速神经网络：基于向量乘矩阵的双存内计算

存内计算（IMC）旨在通过在存储单元中执行计算以解决冯·诺依曼瓶颈问题。然而，传统IMC方案仅能部分解决该问题，并且在执行模拟矩阵向量乘法（MVM）时会引入数模转换的开销。在此，北京大学集成电路学院孙仲研究员团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表论文Dual in-memory computing of matrix-vector multiplication for accelerating neural networks，开发了一种双模式存内计算方案，将神经网络的权重和输入同时存储在内存阵列中，实现完全存内化的MVM运算，无需数据传输。通过使用半导体工艺制造阻变随机存取存储器（RRAM），验证了双IMC在信号恢复与图像处理中的可行性。实验评估表明，该方案使MVM的能效提升了3–4个数量级。

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无需量子控制即可验证量子相干性的设备无关框架

量子相干性在操纵和控制量子系统中起着关键作用，推动了量子信息、量子传感和引力波探测等领域的突破性进展。现有相干性检测方法大多依赖于对量子态的可控性假设。在此，西南交通大学罗明星教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表论文Device-independent verification of quantum coherence without quantum control，通过将标准贝尔理论拓展至多源场景，提出了一种与具体设备无关的相干性验证模型。本文构建了格林伯格-霍恩-蔡林格（GHZ）型悖论来验证相干载体的粒子性与波动性，并通过实验制备了广义双光子纠缠态，其特性打破了现有悖论，并通过局域测量观测到空间量子叠加态的存在。

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光子学及其他领域中相变材料的发展路线图

相变材料（PCMs）可以在从太赫兹到可见频率的电磁频谱范围内，实现有源和可重构微纳光子器件多种功能，因而展现出巨大的应用潜力。南洋理工大学Ranjan Singh教授和亚琛工业大学Matthias Wuttig教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上发表论文Roadmap for phase change materials in photonics and beyond，这份综合性路线图系统评述了相变材料（PCMs）的材料特性与器件原理，及其在整个电磁频谱的有源和可重构微纳光子器件中的多元化应用。研究中详细分析了各类器件构型与优化策略（包括基于深度学习的超表面设计），同时论述了PCM与光子集成电路和先进电驱动 PCM 的集成。PCM在在多功能设备开发方面前景广阔，将会在包括但不限于非易失性存储器、光学数据存储、光子器件、能量收集、生物医学技术、神经形态计算、热管理及柔性电子等领域中大放异彩。

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非对称发射率实现最佳辐射制冷墙

随着气候逐渐变暖，全球建筑制冷需求正快速增长。辐射制冷（RC）作为一种无需电力的降温方式，在降低建筑能耗方面展现出巨大潜力。当前辐射制冷技术主要集中于屋顶应用，而对垂直墙体的关注相对较少。在此，哥伦比亚大学杨远教授、虞南方、Jyotirmoy Mandal等人在Cell Press细胞出版社旗下合作期刊Nexus上发表论文Realizing optimal radiative cooling walls in building-energy nexus via asymmetric emissivity，提出一种可扩展的锯齿形墙，通过其上下表面的非对称发射率，实现墙面的最佳辐射制冷效果。与采用传统辐射制冷材料涂层的墙体相比，该不对称设计可实现日均2.3°C的温降。当地面温度达到∼56°C时，温降幅度可达3.1°C，对应的冷却功率为67 W/m⊃2;。此外，基于建筑尺度模拟，作者分析了该锯齿结构墙体在不同气候条件下的节能效果，并探讨了当前局限性与未来改进方向。这种锯齿状辐射制冷墙体为高效节能建筑提供了一种新的被动解决方案。参考出处：热辐射研究生学术论坛（第二十一期）

原标题：《Cell Press严选：物理学研究突破性成果，共览学科未来图景！》

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