浙江大学发表7篇CNS，在材料，生命科学等领域取进展
截止2019年10月10日，浙江大学在Cell，Nature及Science上发表了7篇重要研究成果，iNature系统总结了这些成果：
【1】高熵合金是一类材料，其中包含五个或更多近似等原子比例的元素。它们非常规的成分和化学结构有望实现前所未有的机械性能组合。这类合金的合理设计取决于对几乎无限的组成空间中的组成，结构和性能关系的理解。2019年10月9日，浙江大学电子显微镜中心余倩，乔治亚理工Ting Zhu、加州大学伯克利分校Robert Ritchie共同通讯在Nature在线发表题为"Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys"的研究论文，该研究使用原子分辨率化学映射来揭示广泛研究的面心立方CrMnFeCoNi Cantor合金和新面心立方合金CrFeCoNiPd的元素分布。在Cantor合金中，五个组成元素的分布相对随机且均匀；相比之下，在CrFeCoNiPd合金中，钯原子的原子尺寸和电负性与其他元素明显不同，其均质性大大降低。映射原子级元素分布为理解化学结构提供了机会，从而为调整组成和原子构型以获得出色的机械性能提供了基础；
【2】量子计算的成功依赖于纠缠大规模系统的能力。多方纠缠态对于量子信息科学中的众多应用至关重要。然而，在完全可控和可扩展的量子平台上生成和验证多方纠缠仍然是一个突出的挑战。2019年8月9日，浙江大学王浩华，中国科学院物理研究所范桁及郑东宁共同通讯在Science 在线发表题为“Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits”的研究论文，该研究在量子处理器上报告了18-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态和多组分原子薛定谔猫状态的确定性生成，其具有20个超导量子位。该研究在固态平台上的方法不仅应该激发对探索量子多体系统基本物理学的兴趣，而且还能够开发实际量子计量学和量子信息处理中的应用（点击阅读）；
【3】2019年4月12日，中科院上海药物所徐华强，王明伟，浙江大学张岩及匹兹堡大学医学院Jean-Pierre Vilardaga共同通讯在Science发表题为“Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1”的研究论文，该研究报告了人类PTH1R与长效PTH类似物和刺激性G蛋白结合的冷冻电子显微镜结构。 结合的肽采用延伸的螺旋，其氨基末端深入插入受体跨膜结构域（TMD），导致跨膜螺旋6的羧基末端部分解旋并在该螺旋中间诱导尖锐的扭结以允许受体 与G蛋白结合。与单个TMD结构状态相反，细胞外结构域采用多种构象。这些结果提供了对PTH结合和受体激活的结构基础和动力学的见解。总而言之，该结构模型有助于解释甲状旁腺激素如何与其受体相互作用以及受体激活的分子基础（点击阅读）；
【4】最近提出遗传补偿反应（GCR）作为基因敲除和基因敲除之间表型差异的可能解释；然而，GCR的潜在分子机制仍然没有被描述。浙江大学彭金荣及陈军在Nature在线发表题为“PTC-bearing mRNA elicits a genetic compensation response via Upf3a and COMPASS components”的研究论文，该研究使用capn3a和nid1a基因的斑马鱼敲除和敲除模型，显示带有过早终止密码子（PTC）的mRNA迅速触发涉及Upf3a和COMPASS复合物组分的GCR。与具有小肝脏的capn3a敲低胚胎和具有短体长的nid1a敲低胚胎不同，capn3a-null和nid1a-null突变体看起来正常，这些表型差异归因于同一家族中其他基因的上调。这些发现为GCR提供了潜在的机制基础，并且可能有助于开发治疗策略，通过在突变基因中产生PTC或引入含有PTC的转基因来触发GCR来治疗与遗传病相关的错义突变（点击阅读）；
【5】2019年2月28日，哈佛医学院吴皓，James J. Chou及浙江大学陈枢青共同通讯在Cell发表题为“Higher-Order Clustering of the Transmembrane Anchor of DR5 Drives Signaling”的研究论文，该论文报告了一个意外的发现，对于死亡受体5（DR5），肿瘤坏死因子受体超家族中的受体，受体中单独的跨膜螺旋（TMH）直接组装高阶结构以驱动信号传导，并且这种结构未被束缚的胞外域抑制。该研究提供了新的机会和独特的观点来调节这些受体的信号转导，这些数据可用于疾病治疗，包括癌症免疫疗法（点击阅读）；
【6】2019年1月18日，南京大学汪民怀，浙江大学俞绍才等人在Science上发表了题为“Aerosol-driven droplet concentrations dominate coverage andwater of oceanic low level clouds”的文章，该研究表明气溶胶驱动的液滴浓度是主导海洋低层云的覆盖和水的重要因素（点击阅读）；
【7】2019年1月9日，浙江大学陈红胜，新加坡南洋理工大学张柏乐及Gao Zheng共同通讯在Nature在线发表题为“Realization of a three-dimensional photonic topological insulator”的研究论文，该论文实验证明了一种具有极宽（超过25％带宽）3D拓扑带隙的3D光子拓扑绝缘体。使用直接场测量，研究人员绘制出有间隙的体带结构和光子表面态的狄拉克样色散，并展示沿非平面表面的稳健光子传播。该工作将3D拓扑绝缘体系列从费米子扩展到玻色子，并为三维几何中的拓扑光子腔，电路和激光器的应用铺平了道路（点击阅读)；
通过成分来调整高熵合金中的元素分布，结构和性能
《周易》有云：“尺蠖之屈，以求信也；龙蛇之蛰，以存身也”。所谓丈夫之志，能屈能伸，坚强与坚韧并存，是历史和自然对一个完美事物的重要标准之一。金属材料的制备和使用渊源千年，是我们建设和改变世界所用的最大量和最重要的材料之一。然而完美难以企及，金属材料的强与韧往往不可兼得。因此从几千年前冷兵器时代武器制造开始，人们就一直在追求坚强与坚韧并存的金属材料，也是从那个时候开始，人们已经意识到，金属材料的不同处理过程一定在改变着什么，因为它会带来强韧性的显著变化。随着我们认知世界的能力逐步提高，我们已经知道，这个“什么”，就是材料的结构。所谓“千锤百炼”也就是说的这个改变结构以求更好性能的本征关系。
近年来，这个历史悠久的金属结构材料研究领域又被激起了一朵浪花。人们研究发现，如果打破传统的合金设计方法（少量合金元素添加进主元素中），将多种元素等原子比固溶在一起，理论上会制得原子排列有序而元素排列无序的所谓高熵合金。部分高熵合金可以同时具备高强度和高塑性，从而打破传统金属中强塑性难以兼得的困境。但是背后的原因却让人摸不透。对于高熵合金结构-性能关联性的研究大有“庐山”之态。
近日，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室、电子显微镜中心张泽院士团队的余倩和美国乔治亚理工学院的朱廷、加州大学伯克利分校的Robert. Ritchie合作，从解密高熵合金中元素分布开始着手，揭开了庐山真面目。余倩说：“准确认识高熵合金中高强塑性背后的本征原因将帮助我们揭秘高效的强韧化机理，有利于材料性能优化设计和高性能合金的研发。”
北京时间10月10日，这项成果在线刊登在国际顶尖杂志《自然》（《Nature》）上。论文的第一单位为浙江大学，第一作者是浙江大学高温合金研究所丁青青博士，清华大学陈晓博士、乔治亚理工Ying Zhang为共同第一作者，通讯作者是浙江大学电子显微镜中心余倩教授，乔治亚理工Ting Zhu教授、加州大学伯克利分校Robert Ritchie教授为共同通讯作者。
百炼刚如何化为绕指柔
何为高熵合金？这是由多种元素高浓度固溶在一起所形成的晶体结构清楚而元素分布混乱的固溶体，其中一种典型的高熵合金Cantor alloy由铁，钴，镍，铬和锰这几种元素组成。由于性能由结构决定，晶格又是位错等缺陷结构和行为的本征调控单元，解密高熵合金中基元-序构-性能的关联性是关键。然而铁，钴，镍，铬和锰皆为近邻，电负性、原子半径、原子序数等差异不大，从晶格尺度直接解析高熵合金的变形机理非常困难。
“作为一种最重要的晶体缺陷，位错的结构、位错何时启动，启动之后如何滑移和交互作用直接影响材料的强度和塑性变形能力。而从位错理论来看，位错的结构、行为又直接受原子尺度的晶格所影响，特别是各种原子的排列、分布等。”余倩说。
“丘陵”起伏 位错滑移宛如“交叉潮”“回头潮”
余倩课题组首先通过原子尺度的元素分布表征，揭示了高熵合金多种元素如何固溶在一起的重要疑问。“我们发现了高熵合金中独特的浓度波起伏，相比于传统固溶体合金中在晶格尺度趋于平直的元素浓度波起伏，高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各种元素的浓度在晶格间25%到15%的震荡。这样的浓度起伏会带来纳米尺度晶格阻力的震荡和局域层错能的变化。”余倩说。紧接着，通过在保证完全固溶的前提下增加元素间电负性和原子大小的差距，贝红斌老师制备了纳米尺度各种元素浓度起伏在60%到0之间的CrFeCoNiPd合金。
这就好比一堆苹果、梨、橙子，乍一看都差不多，换上一个西瓜，就很显眼了，“把锰换成了钯，晶格调控效应放大了，便于我们‘看清’背后的机理。”丁青青说。
在高倍电镜的放大下，研究人员看到，一条条的位错线，好像一浪又一浪的钱塘潮，滚滚向前。普通材料的位错线是沿着固定的滑移带像一线潮那样奔涌向前。但是CrFeCoNiPd合金中，位错线却走得磕磕绊绊。打个比方，本来整体往前走的一线潮，就像遇到了丘陵般起伏的水底，改变了方向和形状，形成了“交叉潮”甚至“回头潮”。
图1 CrFeCoNiPd高熵合金中的位错行为
这些“丘陵”就是不同元素（如图2所示）的浓度起伏，他们的存在是晶格尺度下的调控位错移动的本质。
图2 CrFeCoNiPd合金中的五种组成元素的分布
图3 CrMnFeCoNi合金中五种组成元素的分布（与图2的CrFeCoNiPd合金对比）
科研人员把这样的位错移动称为交滑移，位错不沿着原有的晶面走，而是选择了另一个晶面。这样，位错之间的相互作用就会增加，提供了更多变形的可能，同时也“呼唤”更强的外力来推动位错往前走。
“大量的交滑移作用，使得合金有更好的均匀变形能力又有更好的强度，鱼和熊掌可以兼得了。”课题组成员符晓倩说。
在普通材料中，出现如此大量的剧烈的交滑移并不常见。
实验发现，在CrFeCoNiPd合金中，钯的加入引起了所有元素浓度波起伏的加剧。由于浓度波的波幅大大增加，室温下材料塑性变形方式从传统的不全位错滑移、全位错滑移、孪晶变形等转变为罕见的大量均匀分布的交滑移为主导的变形方式。同时，原子内应力分布发生变化（如图4所示），引起极小空间尺度的晶格阻力震荡显著加剧，在晶格中造出来丘陵的地貌，这是大量交滑移出现的本质原因，也使得材料的力学性能与CrMnFeCoNi合金相比，在保证相当水平的塑性变形能力的情况下，强度显著提高。
图4 两种合金中晶格内应力的GPA结果。可见CrFeCoNiPd合金内应力起伏明显。
该研究揭示了高熵合金中晶格调控力学性能的特殊机制，与传统的界面调控（包括晶界、相界、第二相界面等）以及团簇等精细结构调控相比，高熵合金中独特的浓度波调控极精细并具有连续性，是一种可控和高效的材料强韧化方法。《Nature》的专家评审意见认为，该工作对理解复杂成分合金（传统固溶强化理论无法适用）中的强化机理具有重要理论意义。
基础科学认知是应用的基础，雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。高熵合金强度与塑性兼得的特点以及优良的低温性能，在未来航空、南北极等对温度要求严苛的材料制备上大有可为，同时在防撞领域上也有重要应用。本研究受到国家自然科学基金委的资助。
注：解析参考自浙江大学官网。
解析链接：
http://www.news.zju.edu.cn/2019/1010/c23225a1707109/page.htm
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1617-1
2.浙江大学王浩华，中国科学院物理研究所范桁及郑东宁生成多组分原子薛定谔猫状态，最多20个量子比特
纠缠多个粒子的能力是量子理论基础测试的核心，是量子信息处理的关键先决条件。存在各种多方纠缠态，其中Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态（即双组分原子-薛定谔猫状态）特别吸引人。这些状态在基于量子的技术中发挥着关键作用，包括开放目的地量子隐形传态，级联纠错码，量子模拟和高精度光谱。原则上，可以确定性地缠绕在量子处理器上的粒子数量，是其处理量子信息的能力的基准。然而，难以扩大该数量，因为传统的逐步门控方法需要长的控制序列，这增加了对扰动噪声的暴露。
超导量子处理器和基准表征
在一系列实验中已经实现了适用于量子信息处理的几个物理平台上的多方纠缠。这些实验中的一些涉及仅对子系统的局部检测。多方纠缠 -特别是具有全局纠缠的GHZ状态 -将通过所有系统方的同步检测更好地表征，并且通过14个被捕获的离子，12个光子，18个光子量子比特利用三个度数实现。六个光子和12个超导量子位的自由度。在不同的物理平台上，GHZ状态保真度ℱ> 0.5证实了真正的多方纠缠的存在。
GHZ声称最高可达18个量子比特
在这里，研究人员开发了一种20比特的超导量子处理器，具有全对连接和可编程量子位耦合。研究人员使用这个处理器来设计一个单轴扭曲哈密顿量，并将量子比特系统引导到压缩自旋状态，然后引导到一个超压区域，其中多组分原子薛定谔猫状态，包括GHZ状态，依次出现。五组分猫状态的非经典性由实验获得的自旋Wigner函数中的负值表示。
在D /2p≈-450 MHz的动力学过程中产生的多组分原子薛定谔猫状态为20个量子比特
GHZ状态的特征在于其密度矩阵中只有两个对角线和两个非对角线元素，在此基础上研究人员测量了18个量子比特的状态保真度ℱ= 0.525±0.005，这证实了真正的18个部分纠缠 。研究人员注意到最近证明了创建具有固定频率超导量子位的18-qubit GHZ状态和具有里德伯原子的20-qubit GHZ态的独立实验。
该研究在固态平台上的方法不仅应该激发对探索量子多体系统基本物理学的兴趣，而且还能够开发实际量子计量学和量子信息处理中的应用。总而言之，在这样的量子系统上证明可控制的生成和纠缠检测对于大规模量子处理器的开发是有希望的。
参考信息：
https://science.sciencemag.org/content/365/6453/574
3.人甲状旁腺激素受体-1的结构
甲状旁腺激素受体-1（PTH1R）是一种B级G蛋白偶联受体，是钙稳态的中心，是骨质疏松症和甲状旁腺功能减退症的治疗靶点。然而，全长PTH1R与功能性肽激素相互作用并与下游G蛋白偶联的结构基础仍然未知，这是临床相关PTH类似物的发展和理解GPCR信号传导的基本机制的障碍。
2019年4月12日，中科院上海药物所徐华强，王明伟，浙江大学张岩及匹兹堡大学医学院Jean-Pierre Vilardaga共同通讯在Science发表题为“Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1”的研究论文，该研究报告了人类PTH1R与长效PTH类似物和刺激性G蛋白结合的冷冻电子显微镜结构。 结合的肽采用延伸的螺旋，其氨基末端深入插入受体跨膜结构域（TMD），导致跨膜螺旋6的羧基末端部分解旋并在该螺旋中间诱导尖锐的扭结以允许受体 与G蛋白结合。与单个TMD结构状态相反，细胞外结构域采用多种构象。这些结果提供了对PTH结合和受体激活的结构基础和动力学的见解。总而言之，该结构模型有助于解释甲状旁腺激素如何与其受体相互作用以及受体激活的分子基础。
甲状旁腺激素（PTH）和PTH相关肽（PTHrP）是两种内源性配体，在骨骼发育，钙稳态和骨转换中起着关键和独特的作用。PTH和PTHrP的类似物已被开发成骨质疏松症的治疗剂，并且PTH用于治疗甲状旁腺功能减退症。此外，肿瘤产生的PTHrP是驱动癌症相关的高钙血症和恶病质的关键因素，其与体重减轻病症相关并且经常是癌症患者的实际死亡原因。因此，调节PTH-PTHrP信号传导轴对于许多疾病（包括骨质疏松症和癌症）的治疗的开发是重要的。
与Gs复合的LA-PTH结合的人PTH1R的Cryo-EM结构
PTH和PTHrP的多效功能主要通过它们与PTH 1型受体（PTH1R）的结合和活化来介导，PTH 1型受体是BG蛋白偶联受体（GPCR）亚家族的成员，其也包括胰高血糖素受体，胰高血糖素样受体，（GLP），降钙素，降钙素基因相关肽（CGRP）和其他治疗上重要的肽激素。PTH1R主要与刺激性G蛋白（Gs）偶联，G蛋白被认为是响应PTH的骨转换和钙稳态的主要介质。
PTH1R对LA-PTH的分子识别
PTH1R含有两个模块结构域：相对大的N-末端细胞外结构域（ECD）和跨膜结构域（TMD）。通过肽激素的C末端区域与受体ECD的快速结合，然后将肽的N-末端区域缓慢插入受体的TMD，启动PTH1R的激活。肽激素结合触发介导受体活化的TMD的构象变化。然而，全长PTH1R与功能性肽激素相互作用并与下游G蛋白偶联的结构基础仍然未知，这是临床相关PTH类似物的发展和理解GPCR信号传导的基本机制的障碍。
最近在冷冻电子显微镜（cryo-EM）方面的技术进步已经彻底改变了GPCR结构生物学的进展，产生了一系列突破性结构，包括与G蛋白复合的几种A类和B类GPCR。然而，B类GPCR及其肽配体的氨基酸序列在亚家族内显著不同，因此配体结合特异性的基础仍然未知。
该研究报告了人类PTH1R与长效PTH类似物和刺激性G蛋白结合的冷冻电子显微镜结构。 结合的肽采用延伸的螺旋，其氨基末端深入插入受体跨膜结构域（TMD），导致跨膜螺旋6的羧基末端部分解旋并在该螺旋中间诱导尖锐的扭结以允许受体 与G蛋白结合。与单个TMD结构状态相反，细胞外结构域采用多种构象。 这些结果提供了对PTH结合和受体激活的结构基础和动力学的见解。
总而言之，该结构模型有助于解释甲状旁腺激素如何与其受体相互作用以及受体激活的分子基础。
参考信息：
https://science.sciencemag.org/content/364/6436/148.long
4.带有PTC的mRNA通过Upf3a和COMPASS组件引发遗传补偿反应
最近提出遗传补偿反应（GCR）作为基因敲除和基因敲除之间表型差异的可能解释；然而，GCR的潜在分子机制仍然没有被描述。
在这里，研究人员使用capn3a和nid1a基因的斑马鱼敲除和敲除模型，显示带有过早终止密码子（PTC）的mRNA迅速触发涉及Upf3a和COMPASS复合物组分的GCR。与具有小肝脏的capn3a敲低胚胎和具有短体长的nid1a敲低胚胎不同，capn3a-null和nid1a-null突变体看起来正常。这些表型差异归因于同一家族中其他基因的上调。通过分析六种独特设计的转基因，研究人员证明GCR依赖于PTC的存在和转基因mRNA的核苷酸序列，其与补偿性内源基因同源。
此外，还证明GCR伴随着补体基因的转录起始位点区域的组蛋白H3 Lys4三甲基化（H3K4me3）的增强。这些发现为GCR提供了潜在的机制基础，并且可能有助于开发治疗策略，通过在突变基因中产生PTC或引入含有PTC的转基因来触发GCR来治疗与遗传病相关的错义突变。
参考信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1057-y
5.哈佛医学院吴皓，James J. Chou及浙江大学陈枢青等人揭示独特的信号转导机制
肿瘤坏死因子受体超家族（TNFRSF）的成员可被特异性激活以诱导许多癌细胞死亡或调节免疫细胞的增殖和活化。因为其中许多是癌症治疗的靶标，故深入了解这些受体被激活的机制是非常必要的，例如免疫细胞共刺激物4-1BB，OX40和BCMA， TNFRSF在免疫肿瘤学中的作用，以及死亡受体5（DR5，也称为TRAIL受体2）在肿瘤杀伤中的作用。
DR * TMH中存在二聚体和三聚体界面，重新构建在双层中，q = 0.55
TNFRSF中的受体是I型跨膜（TM）蛋白，其具有由多个富含半胱氨酸的结构域（CRD），跨膜螺旋（TMH）和与信号适配体如Fas特异性相互作用的细胞内区域组成的细胞外结构域（ECD）。关于TNFR1和Fas的早期功能和结构研究已经描绘了通过三聚化触发受体的整体情况。
GXXXG Motif介导的DR5TMH的最小二聚体 -三聚体组装
最近，有研究发现Fas TMH形成具有含脯氨酸的特征序列的三聚体，其允许原体之间的接近范德华（VDW）接触。TMH三聚体形成的破坏性突变严重减弱了Fas配体（FasL）诱导的信号传导，并且这些突变中的一些在人类中是致癌的。这些结果表明，TMH三聚化使Fas细胞内DD以正确的排列方式聚集并形成所谓的死亡诱导信号复合物（DISC）与FADD和胱天蛋白酶-8。
人类DR5TMH在Bicelles中三聚体界面的结构
TNFRSF信号传导的分子机制仍然很有趣，特别是对于TMH。首先，虽然现有模型提出配体和抗体诱导的ECD聚集激活细胞内信号传导，但不同的配体如三聚体TNF家族成员和二聚体神经生长因子（NGF）以及潜在的抗体，如何以不同几何形状TMH激活的所有位置都是无法解释的。其次，虽然TNFRSF的许多成员如TNFR1，DR3，DR4和CD40中存在介导在Fas中介导TMH三聚化的脯氨酸基序，但在其他几个成员如DR5，OX40和4-1BB中不存在（表S1）。相反，例如，DR5和OX40的TMH含有已知用于介导TMH二聚化而非三聚化的GXXXG基序。第三，前配体受体缔合的寡聚状态在二聚体和三聚体之间一直争论不休，尽管还没有直接的证据表明形成。
文章总结
在本研究中，研究人员对DR5 TMH（DR5TMH）进行了结构和功能研究，以解决上述问题，同时可能揭示TMH在受体信号传导中以前未被认识到的作用。该论文报告了一个意外的发现，对于死亡受体5（DR5），肿瘤坏死因子受体超家族中的受体，受体中单独的跨膜螺旋（TMH）直接组装高阶结构以驱动信号传导，并且这种结构未被束缚的胞外域抑制。令人惊讶的是，在不存在配体的情况下，蛋白水解除去DR5胞外域可以完全激活下游信号传导。该研究表明受体激活机制，其中配体或抗体的结合以克服前配体自动抑制，允许TMH聚类并因此发出信号。该研究提供了新的机会和独特的观点来调节这些受体的信号转导，这些数据可用于疾病治疗，包括癌症免疫疗法。
参考信息：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30150-3#
6.气溶胶驱动的液滴浓度主导了海洋低层云的覆盖范围和水
2019年1月17日，南京大学汪民怀，浙江大学俞绍才等人在Science上发表了题为“Aerosol-driven droplet concentrations dominate coverage andwater of oceanic low level clouds”的文章。该研究表明气溶胶驱动的液滴浓度是主导海洋低层云的覆盖和水的重要因素。
对海洋上的云凝结核（CCN）气溶胶缺乏可靠估计严重限制了人们通过反射太阳辐射来量化它们对云特性和冷却程度的影响的能力，这是人为气候强迫的一个关键不确定因素。研究人员在该文章中介绍了一种将云属性归因于CCN并将气溶胶效应与气象效应隔离开来的方法。 它的应用表明，对于给定的气象学，CCN解释了云辐射冷却效应的3/4变化，主要是通过影响浅云覆盖和水路径。 这表明云辐射对CCN的敏感性比先前报道的要高得多，这意味着如果将CCN纳入目前的气候模型中，则会导致冷却过度。这暗示了未知的补偿气溶胶变暖效应可能通过深层云层。
原文链接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2019/01/16/science.aav0566
7.浙江大学陈红胜等团队极大推动该领域的进展，全球首次完全实现3D拓扑光子带隙
光子带隙材料，也称为光子晶体，是能够限制光子的工程材料，因为它们具有光子带隙，禁止在所有方向上传播电磁波（即，由经典麦克斯韦方程控制的光波）。尽管电子带隙是一个历史悠久的概念，但仅在20世纪80年代后期，光子带隙材料才被理论上提出为半导体晶体的电磁模拟。然后，它们以3D光子晶体的形式实验性地实现，在微波频率下具有完全的带隙。光子晶体的光子限制能力通常由其带隙的宽度决定。
具有3D Dirac点和3D拓扑带隙的光子结构设计
在过去的二十年中，凝聚态物理已经通过引入物质相的拓扑分类而发生了革命，包括2D和3D拓扑绝缘体。 2D拓扑绝缘体承载拓扑保护的单向边缘状态，而3D拓扑绝缘体表现出拓扑表面状态。基于众多不同设计原理的2D拓扑绝缘体的类似物已经在光子学中实现了，并且可以用于实现拓扑保护的激光器。然而，在这些2D系统中，在第三（面外）方向上的光子限制是通过诸如折射率引导的非拓扑手段来实现的。根据最新进展，尚未实现3D拓扑光子带隙，其可以在所有三个空间方向上实现光子的拓扑限制。
样品，实验装置和测量的3D光子拓扑绝缘体的体积分散
最近，有几个理论建议用于实现3D拓扑光子带隙。高折射率磁光材料可用于产生类似于“强”拓扑绝缘体（其具有奇数个表面狄拉克锥）的带结构，尽管其具有不完全的带隙；然而，这对于制造来说是具有挑战性的。最近的另一项提议涉及光子“弱”拓扑绝缘体（其具有偶数个表面狄拉克锥）。从具有适当层间耦合的2D量子自旋霍尔绝缘体堆叠层出现弱拓扑绝缘体。尽管弱拓扑 -绝缘体表面状态最初被认为是不受保护的，但是最近的研究表明，只要时间反转对称性和带隙的存在，它们就能抵抗紊乱。
二维拓扑光子系统的发现已经改变了我们对电磁波的传播和散射的观点，并且激发研究人员对三维类似状态的探索。Alexey Slobozhanyuk 等人从理论上证明了，在全电介质平台中设计对称保护的三维拓扑状态，并通过结构设计确保电场和磁场之间的电磁对偶性是可行的。磁电耦合起到形成规范场的作用，确定了具有完全三维光子带隙的“绝缘”状态的拓扑转变。他们还揭示了具有锥形狄拉克色散和自旋锁定的表面状态的出现，并通过第一性原理研究证实了表面状态沿着二维畴壁的传播。他们提出的系统作为一个桌面平台，能够模拟大型狄拉克费米子的相对论动力学，并且表面状态可以被解释为受到具有相反质量粒子的界面分离域约束的 Jackiw-Rebbi 状态。
三维光子拓扑绝缘子无间隙锥形Dirac状拓扑表面态的实验观察
在这里，研究人员报告了3D光子拓扑绝缘体的实现，具有完整且极宽的拓扑带隙。该论文实验证明了一种具有极宽（超过25％带宽）3D拓扑带隙的3D光子拓扑绝缘体。使用直接场测量，研究人员绘制出有间隙的体带结构和光子表面态的狄拉克样色散，并展示沿非平面表面的稳健光子传播。
光子拓扑表面态稳健性的实验证明
因此，该工作展示了3D拓扑绝缘体的经典光子模拟。 3D拓扑光子带隙的实现为各种拓扑光子器件打开了大门，例如拓扑光子激光器和先前难以接近的3D几何结构中的电路。这也提供了研究超出2D的拓扑量子光学的机会，例如在完全3D拓扑腔中的自发发射。该工作将3D拓扑绝缘体系列从费米子扩展到玻色子，并为三维几何中的拓扑光子腔，电路和激光器的应用铺平了道路。
参考信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0
https://www.nature.com/articles/nphoton.2016.253
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