光适应驱动绿藻运动新模式 —— 解读 “Intermediate light adaptation induces oscillatory phototaxis switching and pattern formation in Chlamydomonas” 一、研究背景与科学问题 微观尺度下的生物游动体（microswimmers），如单细胞藻类、细菌、精子等，是自然界中重要的生态组成部分。它们通过各种“向性”行为（taxis，如化学趋向性chemotaxis、光趋向性phototaxis等）响应环境刺激，在生态系统中的物质循环、能量流动中扮演着关键角色。多年来，科学家对这些生物的快速刺激感知（ms级）、细胞水平的行为调节（秒~分钟）、以及长期适应性变化（分钟以上）进行过广泛研究，但——...

绿色微观游动者新发现：光适应引发的振荡趋光行为与群体图案形成 —— 评“intermediate light adaptation induces oscillatory phototaxis switching and pattern formation in chlamydomonas” 一、研究及学术背景 光作为生命体适应环境的一个核心信号，驱动着微观游动生物（microswimmers）的多种行为。趋光性（phototaxis），即细胞根据环境中的光信号改变游动方向，是水生生态系统能量流动和营养循环的关键机制。诸如Chlamydomonas reinhardtii（莱茵衣藻）等绿色单细胞藻类，是研究趋光性及其适应性行为的经典模式生物。 然而，过去的研究大多关注了细胞对短时（数十毫秒至...

学术背景 质子传递（proton transfer）在生物能量转换（如ATP合成）和信号传导中扮演核心角色。传统理论认为质子通过水分子链或氨基酸侧链的”跳跃机制”（hopping mechanism）实现传输，而近年来提出的”质子耦合电子转移”（PCET, proton-coupled electron transfer）假说认为电子转移可能同步参与该过程。由于生命系统具有高度手性（chirality）特征，”手性诱导自旋选择性”（CISS, chiral-induced spin selectivity）效应——即电子在手性环境中运动时会产生自旋极化（spin polarization）——可能影响这一过程。本研究以溶菌酶（lysozyme）晶体为模型，首次揭示了质子传递效率与电子自旋状态...

学术背景 保龄球是美国最受欢迎的体育运动之一，截至2017年，已有超过4500万人定期参与。随着每年全国性比赛中数百万美元的奖金争夺，如何提高选手得分成为研究热点。然而，由于计算复杂性和影响球轨迹的变量众多，大多数研究依赖于经验数据的统计分析，而非理论建模。例如，2018年美国保龄球协会（USBC）设备规格报告使用了37名选手的球速数据，而非计算机模型。 以往关于保龄球物理学的定量分析较少，主要由于涉及的参数众多。Fröhlich、Hopkins和Huston等人在过去几十年中尝试建立数学模型，考虑保龄球内部重量块的影响，并提供了少量参数值的模拟结果。然而，这些模型仅假设了简单的摩擦剖面，无法完全反映实际比赛中的复杂情况。 本研究旨在通过物理模拟，探索竞技保龄球中的瞄准策略，帮助选手在比赛中...

学术背景 在极端条件下（如高压、高温）研究材料的行为是凝聚态物理和材料科学中的重要课题。激光冲击技术能够在纳秒时间尺度上对材料施加极高的压力，而X射线衍射技术则可以在飞秒时间尺度上捕捉材料的结构变化。然而，在这些动态压缩实验中，温度的测量一直是一个难题。传统的测温技术（如热辐射测量）在如此短的时间尺度和小尺度目标上难以实现。因此，开发一种能够在单次实验中精确测量动态压缩材料温度的方法具有重要意义。 本文的研究团队利用X射线自由电子激光（X-ray Free-Electron Laser, XFEL）和激光冲击技术，提出了一种基于X射线热漫散射（Thermal Diffuse Scattering, TDS）强度的温度测量方法。该方法通过测量铜箔在激光冲击下的X射线热漫散射强度，推导出材料的温...

背景介绍 阿秒科学（attosecond science）是研究电子在原子、分子和固体中超快动力学的前沿领域。自高次谐波产生（High-Order Harmonic Generation, HHG）和阿秒脉冲的实验实现以来，阿秒科学迅速发展，成为研究电子动力学的强大工具。然而，传统的钛宝石（Ti:Sapphire, Ti:Sa）激光器虽然在高次谐波产生和阿秒脉冲生成中表现出色，但其高量子缺陷和高热负载限制了其在高重复频率和高平均功率下的应用。近年来，掺镱（Ytterbium, Yb）激光器因其低量子缺陷、高重复频率和高平均功率的特性，逐渐成为阿秒科学中的新兴工具。本文探讨了掺镱激光器在阿秒科学中的应用，并回顾了其在非线性压缩、阿秒脉冲生成和电场测量方面的最新进展。 论文来源 本文由Tran-...

学术背景 随着信息时代的到来，集成电路（Integrated Circuits, ICs）成为了推动技术进步的核心力量。然而，传统的集成光子学平台（如硅、氮化硅等）在材料特性上存在诸多限制，例如硅的间接带隙限制了其在激光应用中的使用，而硅在近红外波段的强双光子吸收也限制了其在非线性光学应用中的表现。为了克服这些限制，研究人员开始探索将具有优异光学特性的二维材料（2D Materials）集成到光子芯片上。二维材料，如石墨烯（Graphene）、过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）、黑磷（Black Phosphorus, BP）等，展现出超高的载流子迁移率、宽带光学响应、层依赖的可调带隙等特性，为下一代光子集成电路（Photoni...

学术背景 近年来，结构化光（structured light）在模拟高能物理、宇宙学、磁性材料和超流体中的拓扑斯格明子（skyrmion）纹理方面展现了巨大的潜力。斯格明子是一种非奇异、局域的拓扑结构，最初在核物理中被提出，后来在超流体、磁性材料和玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensates）中得到了广泛研究。尽管光学斯格明子在数据编码和存储方面具有潜在应用，但关于其拓扑结构向物质转移和存储的研究却非常有限。本文旨在解决这一问题，通过实验展示如何将激光束中的斯格明子拓扑高保真地映射到冷原子气体中，并在新的非传播形式下进行检测。 论文来源 本文由Chirantan Mitra、Chetan Sriram Madasu、Lucas Gabardos、Chang Chi...

学术背景 锗（Germanium, Ge）作为第四族元素之一，在基础科学和技术应用中具有重要意义。其亚稳态多晶型体（metastable polymorphs）因其独特的纳米结构和优异的电子、光学特性而备受关注。然而，锗在高压条件下的相变机制及其亚稳态多晶型体的形成过程仍不明确，尤其是通过动力学路径控制其纳米结构的合成方法尚未得到深入研究。本研究旨在通过快速减压实验，揭示高压β-Sn相锗在减压过程中形成不同纳米结构亚稳态多晶型体的机制，并探讨其相变动力学路径。 论文来源 本论文由Mei Li、Xuqiang Liu、Sheng Jiang等学者共同完成，作者来自中国北京高压科学与技术先进研究中心（Center for High Pressure Science and Technology ...

学术背景 在极端条件下研究材料的物理性质是凝聚态物理的重要方向之一。超强磁场（超过100特斯拉）能够显著改变材料中电子的行为，例如通过塞曼效应（Zeeman effect）和回旋运动（cyclotron motion）影响材料的电子结构和晶体结构。然而，超强磁场的产生和测量技术面临巨大的技术挑战，尤其是介电常数的测量。介电常数（dielectric constant, ε）是材料对外加电场的响应能力的重要参数，能够揭示材料内部的电荷分布和极化特性。在铁电材料中，介电常数的变化通常与晶体结构的不稳定性相关，尤其是在铁电相变（ferroelectric phase transition）附近。 然而，在超强磁场下测量介电常数的技术尚未成熟。由于超强磁场的持续时间极短（通常为几微秒），传统的测量方...