深圳大学发3篇Science及Nature，综合排名首次进入全球500强
在2019年，深圳大学获得345项国家自然科学基金的资助，资助总额度达到1.47亿，进入了全国20强。另外，对于全球高校综合排名，深圳大学首次跨入全球500强（点击阅读）。深圳大学正在不断崛起，在2019年（截至2019年8月23日），深圳大学发表了2篇Science，1篇Nature：
2019年10月11日，深圳大学材料学院饶峰，美国约翰霍普金斯大学马恩、西安交通大学张伟共同通讯在Science 在线发表题为“Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation”的研究论文，该研究在面向高精度神经元计算应用的相变存储材料与器件研究方面取得重要进展。另外，Science 发表了题为“The promise of phase-change materials”的点评文章，系统总结了该研究成果。饶峰教授为本论文共同通讯作者，团队成员丁科元博士后为第一作者，深圳大学材料学院为本论文第一单位；
盐对全球植物生长，作物生产和粮食安全都是有害的。过量的盐引发细胞溶质Ca2 +浓度的增加，其激活Ca2 +结合蛋白并上调Na + / H +反向转运蛋白以除去Na +。人们一直认为盐诱导的Ca2 +增加与盐胁迫的检测有关，但传感机制的分子成分仍然未知。深圳大学胡章立及杜克大学Pei Zhen-Ming共同通讯在Nature在线发表题为“Plant cell-surface GIPC sphingolipids sense salt to trigger Ca2+ influx”的研究论文，该研究使用基于Ca2 +成像的正向遗传筛选，分离了拟南芥突变体moca1，并且鉴定MOCA1作为质膜中的糖基肌醇磷酰神经酰胺（GIPC）鞘脂的葡糖醛酸基转移酶。 MOCA1是盐诱导的细胞表面电位去极化，Ca2 + spikes，Na + / H +逆向转运激活和生长调节所必需的。 Na +与GIPC结合以门控Ca2 +流入通道。这种盐感应机制可能意味着质膜脂质参与各种环境盐水平的适应，并可用于改善作物的抗盐性。总之，研究结果揭示了植物中的盐感知，强调了GIPCs作为特定类鞘脂的重要性 -用于调节质膜上的信号传导过程，并强调了各种脂质的功能多样性。 该研究结果还可以为工程抗盐作物提供潜在的分子遗传目标。最后，德国明斯特大学Jörg Kudla等人在Nature 发表了题为“How plants perceive salt”的点评文章，指出GIPC在植物中实现了多种传感和信号传导功能，同时说明了膜脂组成在组织功能重要信号域中对植物中许多关键过程的关键作用（点击阅读）；
2019年1月11日，伯明翰大学张霜，深圳大学项元江及宾西法尼亚州立大学刘超星合作在Science发表题为“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”的研究论文，该研究设计了一种非均匀的Weyl超材料，在该材料中，通过对单个单元的工程，为Weyl节点产生一个规范场。实验证实了规范场的存在，并通过单向传播观测了零阶手性Landau能级。在不破坏时间反转对称性的情况下，我们的系统为设计三维光子Weyl系统中的人工磁场提供了一条途径，并可能在光子学中有潜在的应用前景；
超低噪声与漂移的相变异质结存储器
随着人工智能、大数据、超级计算机的迅猛发展，要求传统商用计算体系架构更加低功耗、高效率、低成本。当前传统的冯诺依曼计算体系架构采用二进制数字信号且数据处理与存储分离，约40%的能耗仅用于数据的往返搬运而非计算或存储。为此业界近年来致力于研发基于新型非易失性存储技术的类脑神经元计算器件（Neuro-inspired computing devices），从而实现非冯诺依曼架构的全新计算体系，实现存算一体以及模拟信号处理，实现整体计算性能、效率的数量级提升，以应对后摩尔定律时代微纳电子产业跨越式发展需求。
相变随机存储器（Phase-change random-access memory，PCRAM）是最成熟的新型非易失性存储器技术，2015-2018年间已实现商业化：Intel量产128-512 GB傲腾Optane芯片已作为持久性存储器（Persistent memory）替代闪存（NAND Flash）及部分内存（DRAM）；近年来基于先进的PCRAM技术研发神经元计算器件已成为业界研发焦点。然而商用PCRAM器件在反复可逆相变操作过程中，Ge2Sb2Te5（GST）材料组分逐步偏析乃至出现较大孔洞，其非晶相具有本征的电阻值随时间显著漂移特性，且在结晶化时亦存在较大的随机性，致使多数据态存储操作时各态电阻值波动较大，导致高密度存储阵列的单元间与单元内反复多次操作一致性、协同性低下，造成神经元计算时噪声颇高，严重制约了高精度、高效率神经元计算器件的开发。
△相变异质结PCH器件准二维相变与抑制组分偏析，确保超低数据态电阻波动。
聚焦此关键科学问题，饶峰、马恩与张伟通力合作，提出了一种新式的相变异质结(Phase-change heterostructure，PCH)设计，由多个交替堆叠的相变层与限制层构成，并通过原位加热且低速生长的多层薄膜磁控溅射沉积技术实现了高质量PCH薄膜的制备。该PCH可有效抑制玻璃态相变材料结构弛豫以及反复可逆相变过程中的组分偏析，将PCRAM器件数据态的阻值波动和漂移降低到前所未有的水平。该PCH基PCRAM器件在迭代RESET操作时可实现9个稳定的多态存储（各电阻态阻值漂移系数小于~0.005，远低于非晶GST器件的~0.11），并在累积SET操作时器件电导呈现高一致性（波动小于9%，而GST器件波动则超过40%）；这些优越的性能适用于精准矢量矩阵乘法计算（precise vector-matrix multiplication calculations）、快速时序相关探测（rapid temporal correlation detections）和其他要求高精度和高一致性的机器学习任务（machine-learning tasks）。此外，相比GST基器件而言，PCH器件的操作速度快一个数量级（达亚10 ns级）、操作寿命提升三个数量级、操作功耗降低超过87%，亦为发展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解决方案。值得指出的是，PCH结构所采用的多层膜制备技术并不会大幅增加芯片制造成本或需开发额外复杂的工艺，可完美匹配现有PCRAM量产工艺，将有助于大力推进基于先进微电子技术的高性能神经元感知芯片的开发。
△相变异质结PCH器件超低数据态阻值漂移与高精度的迭代RESET和累积SET操作。
深大团队开展该项工作获得了国家自然科学基金优秀青年基金项目、广东省重大科研基础研究项目、深圳市基础研究科学布局项目的资助。
饶峰特聘教授为本论文共同通讯作者，团队成员丁科元博士后为第一作者，深圳大学材料学院为本论文第一单位。西安交大王疆靖博士、周宇星硕士，浙江大学田鹤教授为共同第一作者；合作者包括路璐博士（西安交大）、贾春林教授（西安交大、德国于利希研究中心）以及Riccardo Mazzarello教授（德国亚琛工大）；其他合作单位包括中科院上海微系统所、榆林学院。
本项工作是饶峰教授继2017年11月Science发表变革传统冯诺伊曼计算体系架构的超高速缓存（SRAM）级钪锑碲相变存储材料与器件研究成果：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing. Rao et al., Science 358, 1423–1427 (2017)，之后的又一重大进展。2019年6月饶峰教授还应邀在Science发表观点论文：Catching structural transitions in liquids. Rao et al., Science 364, 1032–1033 (2019)，评述了相变存储材料相变过程中的液-液转变以及结晶动力学大幅反差的结构根源，并提出了下一步实验与计算的研究方向。
参考消息：
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291
https://science.sciencemag.org/content/366/6462/186
2.深圳大学胡章立等发现植物全新的盐感应机制
世界土地总面积的6％以上和约20％的灌溉土地（产生世界三分之一的粮食）越来越多地受到盐积累的影响。过量的盐对植物的生长和发育是有害的，并导致农业损失和植物生态系统的严重恶化。氯化钠是土壤中溶解性最强且最普遍的盐。钠不是植物中必需的营养元素，植物已经进化出减少细胞内钠积累的机制。在植物中，高盐引发早期反应，如用于感知和转导应激信号，以及随后对重塑转录网络以调节生长和发育的长期反应。虽然已经确定了早期信号通路中的几种分子成分，但植物盐传感器仍然未知。
分离moca1突变体
盐胁迫引发细胞内游离Ca2 +浓度增加（[Ca2 +] i），过量细胞内Na +的排出涉及Ca2 +相关的盐过度敏感（SOS）途径。 SOS途径包括Ca2 +传感器SOS3（钙调神经磷酸酶B样蛋白（也称为CBL4）），蛋白激酶SOS2（也称为CIPK24）和Na + / H +反向转运蛋白SOS1。
moca1突变体在SOS途径中是缺陷的并且对盐胁迫过敏
虽然盐诱导的[Ca2 +] i增加被认为是一种检测机制，但这些增加所涉及的分子成分是未知的。在动物中，钠是必需的营养元素，并且已经发展出专门的机制以检测有吸引力的低盐和厌恶的高盐条件。值得注意的是，几个离子通道充当了盐敏感的感应受体。钠还会触发由这些盐感应通道介导的[Ca2 +] i 现象spikes。然而，在测序的植物基因组中不存在这些通道的同源物。
moca1突变体消除了由单价阳离子诱导的[Ca2 +] i尖峰和波
高盐度会增加渗透压和离子强度，因此盐可以发挥两种应激作用：渗透性和离子性。基于Ca2 +成像的正向遗传筛选先前已被用于分离特异性缺陷的拟南芥突变体，其特征在于渗透胁迫诱导的Ca2 +增加，导致osmosensing OSCA1 Ca2 +通道的克隆。
MOCA1编码葡糖醛酸基转移酶
在这里，研究人员优化了类似的基于Ca2 +成像的遗传筛选的实验条件，以区分离子效应和盐胁迫的渗透作用。通过这种方式，研究人员分离了特异性缺陷的拟南芥突变体，其特征在于离子应激诱导的[Ca2 +] i增加。通过这些筛选鉴定的突变体的分析揭示了植物特异性GIPC鞘脂参与检测质膜中与盐相关的离子应力。
Na +与GIPC结合并对Ca2 +流入通道进行门控
总之，研究结果揭示了植物中的盐感知，强调了GIPCs作为特定类鞘脂的重要性 -用于调节质膜上的信号传导过程，并强调了各种脂质的功能多样性。该研究结果还可以为工程抗盐作物提供潜在的分子遗传目标。
参考信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1449-z
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02289-x
3.相变异质结构可实现超低噪声和漂移，以实现存储器操作
在量子系统中, 一个带电荷的粒子在外磁场的作用下在垂直于磁场的方向的运动会被束缚，从而产生了分立的量子能级，即朗道能级 (Landau Level)。对于无质量的相对论粒子，比如二维石墨烯中的狄拉克点 (Dirac point)，朗道能级会存在一个零能态， 其波函数同时继承了导带（电子）和价带（空穴）的量子态。二维系统的狄拉克粒子对应到三维系统便是外尔点 (Weyl point)，相当于三维动量空间中的磁单极。在外磁场下，根据其携带的拓扑荷 (topological charge) 的正负号，外尔点的零级朗道模式会沿着或逆着外磁场的方向单向传播。与拓扑绝缘体不同的是，这个单向传播的模式是一种体态 (bulk state)，而不是在界面传播的表面态或边缘态。
在高能物理中，狄拉克或外尔无质量相对论粒子具有手性对称性，也就保证了其手性电流为守恒量。但是外界微扰的引入会破坏其手性对称性并导致手性电流不守恒，也就是手性异常。其中，外加磁场产生的零级手性朗道能级便是导致手性异常的最重要的方法。狄拉克和外尔准粒子在电子和光学系统中的发现为在这些系统中观测手性朗道能级提供了条件。然而，目前为止三维光学系统中手性朗道能级还没有得到观测。
在周期结构材料中，外尔简并点是三维系统中的两个能带之间的二重的线性简并。由于空间维度与泡利矩阵维度相同，该简并点非常稳定，只能在动量空间中当正负拓扑数相反的两个简并点相遇并湮灭才能使其消失。同时，由于目前发现的外尔简并均为偶然简并，原则上可以在动量空间中随意调节其位置，这也就为制作人工的规范场提供了很好的机会。
以往的设计人工磁场的方法都是通过外加应力实现体系内部发生非周期改变，根据紧束缚近似理论，这种应力张量可以表示为矢量势，也就产生了人工磁场。这种方法广泛的应用于二维体系。但是在三维体系中，由于体系的伸缩性不明显，所以科学家只能理论上研究薄膜或者细线的几何体中的人工磁场。因此，目前为止，人工磁场只在二维体系中实验上实现。而三维外尔体系中的人工磁场会产生更加有趣的物理现象，比如外尔准粒子的手性传输。
图1. 非均匀外尔超材料的结构以及色散关系
近期，英国伯明翰大学张霜教授课题组，深圳大学项元江副教授课题组与宾夕法尼亚州立大学刘超星教授课题组合作，首次通过调节外尔超材料中每个元胞内部结构，将整个外尔超材料做成非均匀体系，实现了三维光学外尔体系的人工磁场。他们抛弃了以往的通过紧束缚近似理论设计人工磁场的方法，从等效介质理论出发，对外尔超材料元胞内部结构（如图1A）进行非周期的调节（如图1B），实现了体系结构中外尔点（如图1C）在k空间的位置随实空间坐标的绝热演变（如图1D），从而产生了等效的人工规范场，也就是人工磁场。该人工磁场产生能够产生手性朗道能级（如图2A，B所示），对于不同的外尔点群速度的方向不同（如图2C所示），也就是相反方向传输的体态在k空间分离。因此在两个1级朗道能级能带区间，底面激发只能探测到向上传输的零级朗道能级（如图2D，E1-E7），相反，顶面激发只能探测到向下传输的零级朗道能级（如图2F，G1-G7）。这是光学系统中手性朗道能级的首次观测。
图2. 非均匀外尔系统的手性朗道能级。
这是项元江课题组和张霜教授课题组继2018年初在《Science》发表关于理想外尔光学系统、《Nature Communications》发表关于拓扑超材料中光子费米弧的直接观测、2017年在《Physical Review Letters》发表关于超材料三维光子狄拉克点等研究工作后，又一篇关于拓扑物理方面的重要成果。这个工作首次在电磁学范畴实现了三维外尔系统的人工磁场， 并观测到由人工磁场实现的手性朗道能级。此工作提供了一个很好的平台来研究三维经典系统内由强磁场导致的各种有趣的拓扑现象。观测到的手性零级朗道能级，由于其单向体传播的性质，在实现新颖光学器件和系统方面有着潜在的应用。
参考消息：
https://science.sciencemag.org/content/363/6423/148.long
