五篇Nature齐发！北京大学、中国科大、西湖大学、上海药物所、长春光机所

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导读

5月15日，北京大学、中国科大、西湖大学、上海药物所、长春光机所等多个单位在国际顶级学术期刊Nature上发表文章：

1、北京大学工学院杨林研究员与北京大学物理学院高鹏教授、杜进隆高级工程师及西安交通大学岳圣瀛教授等人首次揭示非均匀应变下声子谱扩展对导热的反常抑制现象。

2、中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。

3、西湖大学林效团队与西湖大学吴从军团队、北京理工大学王秩伟团队合作发现“明星”超导材料新性质。

4、中国科学院上海药物所徐华强课题组、杨德华课题组和临港实验室蒋轶课题组合作联合破解去甲肾上腺素转运体二聚化和抗抑郁药识别的分子密码。

5、中国科学院长春光机所李炜研究员，靳淳淇助理研究员和新加坡国立大学仇成伟教授等合作在高维光场探测领域取得重大突破，这是长春光机所首次以第一完成单位在Nature发表论文，实现了零的突破。

1、北京大学杨林团队与合作者在Nature发文，首次揭示非均匀应变下声子谱扩展对导热的反常抑制现象

纳米材料具备优异的力学特性，能够承受远超块体材料的应变，从而调节其物理/化学性能（如电子、光学、磁性、声子和催化活性）。基于力学应变工程，过去的研究优化设计了一系列前所未有的先进功能材料和器件，包括高迁移率芯片、高灵敏度光电探测器、高温超导体、和高性能太阳能电池以及电催化剂等等。尽管对基于应变调控电子输运性能和能带结构等方面进行了广泛研究，但由于单一施加应变梯度而不引入其他混淆因素（例如界面和缺陷）的困难，以及将纳米尺度热输运测量与原子尺度局域声子谱表征相结合的挑战，非均匀应变下的导热机制仍未被系统研究。这尤其令人沮丧，因为精确热管理被视为制约先进芯片和高端设备效率和寿命的关键瓶颈。

针对这些挑战，北京大学工学院杨林研究员与北京大学物理学院高鹏教授、杜进隆高级工程师及西安交通大学岳圣瀛教授等人提出了实验探究非均匀应力对导热调控的新策略，他们揭示了均匀应力下不存在的，由应变梯度导致的独特声子谱扩展效应及其对导热的反常抑制现象。通过在自制的悬空微器件上弯曲单个硅纳米带（SiNRs）来诱发非均匀应变场，并利用具有亚纳米分辨率的基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术表征局域晶格振动谱，他们的研究结果显示，0.112％/nm应变梯度将导致热导率（κ）显著降低34±5％，这是先前文献中均匀应变下热导率调制结果的3倍以上（图1）。相关工作以“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”为题发表于Nature。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07390-4

图1. 非均匀应力对硅纳米带导热的显著抑制现象。（a）实验测得的（实心符号）和理论模拟的（空心符号）结果表明，在均匀应变下，块体硅和硅纳米线的热导率基本保持不变，而弯曲硅纳米带的测量结果随着应变的增加急剧上升（半填充）。（b）基于悬空热桥微器件的热导率测试原理示意图。（c）高分辨透射电子显微镜显示弯曲硅纳米带的单晶特性。（d）实验测得的弯曲硅纳米带相较于无应力样品的热导率降低百分比

为了揭示应变对声子传输的影响，直接测量弯曲硅纳米带的局域声子谱，并表征沿应变梯度声子模式的演变现象是非常必要的。与先前文献中观察到的在异质界面或缺陷周围的EELS峰移不同，运用同时具备亚纳米级空间分辨率和毫电子伏特（meV）能量分辨率的STEM-EELS技术，该工作首次表征了完全受非均匀应变调控的声子模式，揭示了应变梯度下奇特的声子谱扩展效应（图2）。

图2. 表征受应变调控的局域声子谱。（a）基于STEM-EELS的局域声子谱表征技术示意图。带有弯折的弯曲硅纳米带HAADF图像（b）和EELS测量区域的放大视图（c）。（d）在不同位置（P1至P5）沿应变梯度测得的TA和TO声子模式的EELS谱。（e）弯曲硅纳米带的HAADF图像。（f）沿电子束移方向TA和TO声子模式的振动谱图。（g）在e中标记的区域沿应变梯度测得的EELS谱线

与均匀应变下每个声子支具有的特定单一线条色散关系不同，不均匀应变的存在导致了在给定波矢处的声子频率分布区间（图3）。这种奇特的声子谱扩展效应增加了声子频率的多样性，以满足声子-声子散射的能量守恒约束，因此加速了声子-声子散射率并缩短了声子寿命，引发了一种均匀应变不存在的全新声子散射机制。

图3. 声子谱扩展增强声子散射率。（a）受应变梯度调制的声子色散示意图。（b）左侧，硅在不同弹性应变下的声子色散。右侧，应变梯度为0.118% /nm下声子谱扩展引发的声子散射率，τsg−1

通过开发跨微米-原子尺度的实验表征技术，并结合第一性原理的理论模拟，该工作为长期以来有关非均匀应变对声子传输影响的难题提供了关键线索。因此，这项研究不仅清楚地揭示了非均匀应变对固体导热的调制机理，而且为基于应变工程的功能性器件的创新设计提供了重要思路。例如，基于应变梯度引起的晶格热导率降低，与此前已证明的载流子迁移率增强之间的协同作用，为开发高性能的热电转换器件提供一种新颖策略。此外，基于非均匀应变调制热导率可实现功能性热开关器件，用于动态控制热通量。

杨林和岳圣瀛是该论文的共同第一作者，杨林、高鹏、杜进隆是共同通讯作者。合作者包括东南大学陈云飞课题组、北京大学戴兆贺课题组、北京大学宋柏课题组和美国范德堡大学Deyu Li课题组。

北京大学杨林课题组主要研究方向为功能性热材料和器件，包括先进微纳结构设计制造，极端尺度导热微观机理表征与调控，超高温储热技术研发，高性能热功能器件制备。研究成果以第一作者或通讯作者发表于Nature、Nature Nanotechnology、 Science Advances、Nature Communications、Nano Letters等国际顶级期刊。杨林曾入选2021年国家高层次海外青年人才计划，获得2019Nanoscale 年度精选热门文章、2020PCCP年度 精选热门文章等奖项。

2、中国科大构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里，为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。

在量子隐形传态方面，中国科大潘建伟团队一直处于国际领先水平，先后实现了多终端 [Nature 430, 54 (2004)]、多体 [Nature Physics 2, 678 (2006)]以及多自由度 [Nature 516, 518 (2015)]的量子隐形传态，为实现量子信息在量子网络中的传输途径奠定了技术基础。在量子存储与量子中继方面，研究团队长期开展了相关研究。团队在国际上率先实现了具有存储功能的稳定量子中继节点 [Nature 454, 1098 (2008)]；为提升存储寿命、读出效率、纠缠制备概率等关键指标，团队发展了三维光晶格冷原子量子存储、环形腔增强光与原子相互作用、里德堡阻塞抑制高阶激发等多项关键技术，不仅实现了综合性能最优的冷原子量子存储器 [Nature Photonics 10, 381 (2016)]，还实现了确定性的光与原子纠缠制备 [Phys. Rev. Lett. 128, 060502 (2022)]。

在此基础上，研究团队近年来在量子存储网络方向取得多项重要进展。2019年，团队通过三光子干涉，实现了实验室内三个冷原子量子存储器间的纠缠，成为首个可拓展距离的量子网络原型[Nature Photonics 13, 210 (2019)]。2020年，团队利用量子频率转换技术将量子存储的出射光子波长由795纳米转换至1342纳米，并结合单光子锁相技术，成功实现了在实验室内经由50公里光纤连接的双节点纠缠[Nature 578, 240 (2020)]。

为在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，主要挑战在于如何控制单光子相位。基于单光子干涉的纠缠方案在纠缠速率方面有重大优势，然而实验难度非常高。纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光、长光纤信道等带来的细微相位抖动都会导致最终生成纠缠的退相干。为解决这一难题，团队设计并发展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通过超稳腔稳频来压制控制激光线宽，其次通过光锁相环来构建读写激光间的相位关联，最后通过远程分时相位比对来构建两节点间的相位关联。采用以上相位控制技术，并利用量子频率转换，团队成功实现了相距十几千米远的量子存储器之间的纠缠。以此为基础，研究团队构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络。该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。

图：实验节点布局示意图。其中Alice节点位于中国科大东区、Bob节点位于合肥创新产业园、Charlie节点位于安徽光机所。

该工作使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子网络应用奠定基础。该工作是国际首个城域多节点量子网络实验。审稿人对该工作给予高度评价：“他们的成果开启了量子互联网研究的新篇章（their achievement starts a new stage of quantum internet research）”，“为未来大规模量子网络铺平了道路（paving the way for future large-scale quantum networks）”。

《自然》杂志也在同一期发表了美国哈佛大学Lukin团队的相关实验进展，该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。二者相比，中国科大成果在纠缠效率方面有明显优势，比哈佛大学的工作高两个数量级以上。

本项研究获得了科技部、国家自然科学基金委、安徽省、中国科学院等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0

3、西湖大学林效实验室发现“明星”超导材料新性质

竹编，是中国历史悠久的非遗手工艺技术之一。在南方竹乡，农闲时节，老人们三五成群围坐在院子里，一边聊天，一边十指翻飞，把薄薄的竹片编织成竹篮、竹匾等各种器物，其中由正六边形和三角形交替组成的六角眼，正是最常见的纹样，它有一个别称：笼目（图1）。

图1. a. 我国传统竹编工艺中常见的笼目结构；b. 量子材料中晶格的笼目结构。

然而你能想象吗？这种最常见的竹编纹样“笼目”，居然与近年来炙手可热的超导新材料有关。近期，西湖大学理学院物理系林效实验室完成了一场关于“笼目超导”的探索——

北京时间2024年5月15日23点，西湖大学林效团队与西湖大学吴从军团队、北京理工大学王秩伟团队合作，在《自然》上在线发表了题为“Superconducting diode effect and interference patterns in Kagome CsV3Sb5”的科研论文。该研究首次报道了单一超导器件、CsV3Sb5材料（铯钒锑，以下缩略为CVS）中存在的零磁场超导二极管效应和磁通量子化形成的超导干涉图案，揭示了CVS材料存在时间反演对称性破缺、超导畴，以及可能的环路超流。

换句话说，他们首次揭示了超导材料CVS此前从未被发现的一些特质，为未来笼目超导材料和超导量子电子学的研究提供了重要的实验证据和实验方向。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07431-y

01

超导与笼目超导：
百年现象与近年新星

为什么“平平无奇”的竹篮，会与万众瞩目的超导领域产生联系？让时间倒流到一百年前，从人类发现超导现象说起。

1911年的春天，荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现当温度降到4.2K（-268.95℃），汞（Hg）的电阻会骤降为零，从而发现了第一个超导体并摘得了1913年的诺贝尔物理学奖。这正是我们最熟悉的超导的性质，零电阻，即当电流通过超导体时可以无损耗地传输而不消耗任何能量。到了1933年，德国物理学家瓦尔特・迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德发现了超导体的另一个特点：完全抗磁性。也就是说，超导体可以完全屏蔽外部磁场，磁场无法进入超导体内部（图2）。

图2. a. 超导体的零电阻特性；b. 超导体的完全抗磁性

以上的两点特性，为所有超导体万变不离其宗最关键的“魔力”特征。由此，从核磁共振成像、可控核聚变、高速磁悬浮列车，到实验室的大型粒子加速器、极端条件测试平台，再到热门的量子计算，其中都有超导材料重要的身影。

其实回头来看，最早被发现的汞，不过是体温计中我们熟悉的水银。一个世纪后，超导家族早已“江山代有才人出”，笼目超导材料正是分支之一。

笼目超导材料，专指“结构”（即原子的排布）具有笼目的周期性，且存在超导电性的材料。这种材料晶体构型新颖独特、电子结构丰富多彩、电子序奇异有趣，拥有许多独特的物理性质，因而成为超导体领域的焦点。

林效实验室所关注的CsV3Sb5，正是一类热门的笼目超导材料，有着许多新颖的物理性质。

02

CVS与电流：
见证“天赋”的时刻

我们已经知道在超导体中，在满足特定温度、磁场的情况下（即低于超导转变温度TC及低于临界磁场强度HC），电流可以“无阻力”地流动。这种“好用”的电流叫做超导电流，可以被用于高效率的电力传输、高灵敏的传感及快速的逻辑器件。超导电流一般都是对称、可逆的；简单理解，想象它是一条河流，可以顺着流，也可以逆着流。

那么，超导电流有可能被人类灵活操纵吗，比如只朝着一个方向流动？这是超导领域中的一大挑战。

科学家们从生活里广泛存在的一类元件身上找到了灵感——广泛存在于手机、电脑、电视等电子设备中的元件：二极管。当二极管两端被施加正向电压时，可以有电流通过，而如果施加反向电压，电流将会被二极管阻挡在外；也就是说，二极管中存在的是单向的电流。

把二极管的原理，应用到超导体材料中，是不是就可以达成对超导电流的控制了呢？确实是这样，2020年，零偏置电压下的直流超导二极管效应在实验上首度实现。迄今，研究者们都在为了如何更好地达成这种控制而对超导体进行各式各样的调控（图3）。

图3. a. 超导体自身形成的超导二极管效应，其中的超流一般由电子两两配对形成库珀对后进行传输；b. 超导体和超导体形成约瑟夫森结实现超导二极管效应；c. 超导二极管效应中正负临界电流IC不一致的行为。（图片来源：Nature Physics 18,1145-1146 (2022).）

2022年秋天的那次组会上，林效实验室的博士后乐天，提出了一个“大胆”的猜想：CVS这种新型的超导材料，会不会具有在零磁场的条件下“天然”具备二极管“天赋”？这个想法当即得到了PI林效的肯定和支持。没有特别的理由，其实很多重要的科学发现，往往来自于科学家瞬间的直觉和判断。

乐天立即带领团队在超净间里高效率地制备了样品——它比一个婴儿的小拇指盖小一点，核心的CVS材料居中，比肉眼可见的灰尘颗粒还要小 。这个样品被送到距离实验室不远的物质科学公共实验平台，进入无液氦综合物性测量系统和无液氦稀释制冷机，研究团队需要对这个样品综合物理性质进行测量，主要看超导体的电阻随着电流、磁场和温度的不同会发生怎样的变化。

这两台机器都有着圆柱外观和中空的结构，其中装配着大型“磁铁”用于施加磁场，像是医院里立起来的“核磁共振仪”，后者还用钢架结构悬挂于半空中，它们能模拟极端低温环境——自然界能达到的最低温度是零下273.15摄氏度，而它们分别能将样品降至2K（比零下273.15摄氏度高1.8度）及40mK（比零下273.15摄氏度高0.04度）。

一个月后，实验结果出炉：果然，零磁场环境中，CVS自身产生了超导二极管效应！

图4. 林效团队第一次测到的CVS中超导二极管效应

但仅仅靠这一组数据还不够。科学研究的过程，就是一步步“去伪存真”。会不会是其他的变量、而不是材料自己的特性，引发了零磁场超导二极管效应？比如说环境磁场的存在。

研究团队再次回到实验室，严谨排除测量系统剩余磁场及地球磁场对CVS材料的影响：将低温系统中的超导磁体升到室温后重新降温；安装超导屏蔽罩，即在测量杆上包裹一圈泛着光泽的灰色铌金属（铌也是一种超导体）制成的罩子，尽可能彻底屏蔽外部磁场；用高精度磁通门磁强计伸到圆柱形低温装置内部测量剩余磁场，并通过“大磁铁”施加补偿磁场用来抵消剩余磁场……通过这一系列的复杂方法，他们将系统剩余磁场由16054nT降至4nT（nT，即纳特斯拉）。在西湖大学云谷校区位置附近，地球环境的磁场可以近似认为为4000-5000nT，这个数值通过手机的指南针功能就能测量出来。显然4nT的量级已经远远小于地球磁场，可以近似认为是零磁场（图5）。

自此，林效团队终于可以确认实验观测到的零磁场超导二极管效应的真实性，从一定程度证明了CVS在超导态的时间反演对称性破缺。

图5. a. 旋转杆上包裹的超导屏蔽罩；b. 标定的系统剩余磁场和矫正后的系统剩余磁场；c. CVS超导量子器件；d. 观测到的零磁场超导二极管效应。

03

意外收获：
不寻常的噪音

从天马行空的猜想到实锤落地，此时仅仅过去了两个多月。本以为大戏帷幕已落下，未曾料想到，还有更多惊喜在前方等待。

在验证完零磁场超导二极管之后，研究团队注意到当时的测量数据噪声有点大得不太寻常——就像在听收音机或者打电话时，突然有一些干扰，导致出现“嘶嘶嘶”的噪声。本着精益求精的想法，他们对测量系统周围所有的仪器进行了检测，最终确认了噪声来源于实验中驱动“大磁铁”产生磁场的磁体电源。于是，他们改用实验室其它更高精度的电流源进行替换，随后，他们如先前一样“听到”了超导二极管的美妙乐章，但更令人惊奇的是，他们竟然意外观看到了一场曼妙舞蹈——超导临界电流随磁场变化的周期性振荡图案！当林效看到第一张图案时，被深深地震撼了（图6）。

图6. CVS超导量子器件中的超导干涉图案

这张图案意味着什么？

1801年，英国医生、科学家托马斯·杨在实验室中观察到了光的双缝干涉现象。概述来说，当一束单色光通过两个狭缝，光波将会形成亮度和暗度交替的带状图案。

超导界也有自己的“干涉现象”。用超导材料围成一个环，在它的外部施加不断增加的磁场时，环中心的磁通量（可理解为磁场的“强度”）并不会持续增强，而是以磁通量子Φ0（Φ0=2.06783375810-15Wb，Wb是磁通量单位）的整数倍离散性增加（比如2倍、3倍、4倍）；这种现象叫作磁通量子化。由此，这个超导环的超导转变温度TC和临界电流IC也呈现周期性变化，从而表现出一种超导干涉图案，正类似于光的双缝干涉现象（图7）。

图7. a. 超导环中的磁通量子化现象在超导转变温度TC和超导临界电流IC上表现出的超导干涉图案；b. 光的双缝干涉现象。

这次林效实验室观测到的周期性振荡的“电流之舞”，像极了磁通量子化现象。而团队的激动在于，该现象存在的惯常前提，是超导材料身上有个“洞”——而这次的材料中间，没有“洞”。同时，该现象也很少在单一的超导材料中被观测到。

科学实验中遇见的问号，往往代表着激动人心的新知即将到来；显然，CVS的特殊表现，指向了它未曾露面的另一种性质。林效团队推测，这只可能来自超导体内部的磁通量子化，表明CVS内部可能还存在着超流形成的环路（材料内部有一个环形的“电流”）。他们根据超导器件的振荡周期，估算出环路面积小于CVS样品的尺寸，进一步证实了猜想——环路超流确实存在于材料内部。此外，通过分析超导干涉图案，林效团队还发现其对称中心偏离零磁场，由于已经排除了剩余磁场的影响，再次表明CVS超导态存在时间反演对称性破缺。

乘胜追击，林效团队推测零磁场的超导二极管效应和超导干涉图案很有可能与超导畴的不均匀分布有关。他们采取了另外一个简单而又巧妙的方法——热循环调控。通过对CVS器件反复升降温测量，林效团队发现零磁场超导二极管的极性以及超导干涉图案会发生改变，从而充分证实了超导畴的设想（图8）。

图8. CVS超导畴和环路超流模型。

与此同时，在初步获得超导二极管实验证据后，林效团队立即与西湖大学理论物理讲席教授吴从军团队达成合作，吴从军团队开始构建CVS中涉及超导二极管的理论模型。在超导二极管方向，吴从军正是早期的理论探索者之一。吴从军团队基于已有的实验结果迅速构建了超导畴中形成超导环路的理论模型，给出的理论计算与实验结果定性上符合，初步提供了理论的图像。

04

导电与铁电：
或许，它们可以共存？

这是林效实验室取得的关于CVS的第一项成果。此时，距离这个团队关注并加入人类对这类神秘超导材料的探索之旅，仅仅两年。

此前的十数年，自获得浙江大学凝聚态物理博士学位后，无论是行至法国巴黎高科工业物理化学学院进行博士后工作，还是得到德国洪堡基金会资助在科隆大学从事研究，林效的兴趣一直围绕着超导材料的物理机理展开。

其实林效瞄准的材料不止于超导材料——长久以来，他一直关心着一个问题：“我们想知道是否存在一种材料体系，既能导电，也能存在铁电性？”用严谨的科学表述，就是特别能“导电”的超导态，和几乎不导电的绝缘体中的铁电性质，会不会能在同一种物质上实现？

这位PI的兴趣点，其实也早已书写在了实验室名字中：极端条件量子输运实验室。输运测量，指的是探索物质的电学性质，也就是探究在纳米尺度上，电是怎么“动”的。

当然，最终实现林效心愿的材料，未必是现在风头无两的CVS，但不积跬步，无以至千里。本次的成果对研究笼目超导体系的超导配对对称性、非常规超导态以及其它超导机理有着重要的意义；同时，综合超导二极管和超导干涉图案测量的手段，可以为探索研究新型时间反演破缺的手性超导体提供新方法，也为超导量子器件的研发提供了重要的思路。

西湖大学理学院博士后乐天和博士后潘志明为本论文的共同第一作者；西湖大学理学院特聘研究员林效、理论物理讲席教授吴从军，北京理工大学物理学院特别研究员王秩伟为本论文的共同通讯作者。这项研究成果主要在西湖大学林效实验室和西湖大学物质科学公共实验平台完成，其中物质科学公共实验平台的张超博士提供了极大的帮助。相关研究得到了浙江省自然科学基金杰出青年项目、自然科学基金面上项目、新基石基金的资助，中国博士后科学基金面上资助和特别资助，以及西湖大学未来产业研究中心专项计划的支持。

极端条件量子输运实验室

林效实验室关注量子材料的新奇物理现象，主要研究内容包括极端条件下材料的量子输运特性；二维量子器件栅压调控，应变调控；铁电及极化金属器件的物性表征及光学二次谐波测量；超导二极管效应；超导量子干涉现象等。

课题组长期招收博士生及博士后，欢迎具有物理、材料、微电子等相关背景的学生联系我们！有意申请者请将申请材料发送至linxiao@westlake.edu.cn，或关注我们的网站https://xiaolin.lab.westlake.edu.cn/

4、上海药物所联合破解去甲肾上腺素转运体二聚化和抗抑郁药识别的分子密码

2024年5月15日，Nature杂志在线发表了题为“Dimerization and antidepressant recognition at noradrenaline transporter”的研究论文，该研究成果由中国科学院上海药物研究所徐华强课题组、杨德华课题组和临港实验室蒋轶课题组合作完成。

该研究破解了重要神经系统疾病靶标——去甲肾上腺素转运体（NET）同源二聚化，转运天然底物去甲肾上腺素NE，以及选择性识别六种抗抑郁药物的分子密码，为理解NET等单胺类转运体的生理调控机制奠定了重要的理论基础，也对指导靶向单胺类转运体（MATs）的抗抑郁症等神经精神类疾病的药物研发具有重要的现实意义。

特别值得注意的是，该研究首次在近原子分辨率上发现了由胆固醇和脂质介导的膜蛋白同源二聚体形成机制，为细胞膜“脂筏模型”提供了眼见为实的依据。

NET属于MATs家族，与同家族的血清素转运体（serotonin transporter, SERT）和多巴胺转运体（dopamine transporter, DAT）共同调控神经突触神经递质的浓度，维持体内神经递质的平衡。MATs是精神刺激剂和抗抑郁药物的主要靶点。在过去的近70年，MATs与抑郁症病理学的关联从药理学、遗传学、分子生物学和临床研究等多个角度被证实，单胺假说也曾主导了近几十年抗抑郁药物的研发。血清素和去甲肾上腺素双重再摄取抑制剂（SNRIs）与选择性血清素再摄取抑制剂（SSRI）作为一线药物用于抑郁症的临床治疗，选择性去甲肾上腺素再摄取抑制剂（NRIs）和三重再摄取抑制剂（TRIs）也已获批用于抑郁症的治疗。此外，NET的功能异常也与注意缺陷多动障碍（attention deficit hyperactivity disorder，ADHD）等神经精神类疾病密切相关。

MATs的功能受胆固醇和脂质介导的寡聚化调控。早期研究表明，NET和SERT均与脑组织和转染细胞系中富含胆固醇的区域相关。磷脂酰肌醇4,5-双磷酸（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate，PIP2）促进NET二聚化并调节底物的外流。胆固醇和PIP2参与SERT的功能调控，PIP2的直接结合介导了SERT寡聚体的形成。PIP2也以寡聚体依赖的方式，在苯丙胺诱导的血清素外排中发挥重要的调节作用。然而，当前有限的结构信息导致科学界对NET与底物和抗抑郁药物的精准结合模式，抗抑郁药物对三种MAT亚型的选择性识别机制，以及胆固醇和脂质调节NET功能及其寡聚化过程的精确机制仍然缺乏深入的理解。

图1. 人源NET二聚体分别与底物和六种抗抑郁药物复合物的代表性结构

本项研究中，联合团队利用单颗粒冷冻电镜技术，获得了人源NET同源二聚体分别与底物NE结合的阻塞构象、无底物结合的apo状态，以及六种抗抑郁药物（尼索西汀、阿米替林、马普替林、诺米芬辛、托莫西汀和奈福泮）的外向开放构象的8个高分辨率结构，分辨率达到2.9-3.4 埃（图1）。

蝴蝶兰象征 NET 同源二聚体，白色花瓣暗指 NET单体。中间的黄色唇瓣代替胆固醇和脂质分子。落在花朵上的蝴蝶象征选择性靶向药物，蝴蝶翅膀装饰着抗抑郁药物的化学结构。

（Zihao Li设计，蝴蝶意象由崔娜娜提供）

研究显示，NET呈现由胆固醇和脂质分子介导的独特二聚体构型（AlphaFold目前还无法预测此二聚体构型）如科学插图中蝴蝶兰两片花瓣的形态。胆固醇和脂质分子被包夹在NET单体之间，构成了NET同源二聚体的主要作用界面，如科学插图中蝴蝶兰花蕊示意的位置。这与其他膜蛋白通过蛋白-蛋白直接相互作用组装为寡聚体的方式截然不同。进一步生化细胞实验证实，胆固醇和脂质介导的二聚化贡献于NET的转运功能（图2）。如科学插图中不同小分子纹饰的蝴蝶在蝴蝶兰上的停留状态，该研究提出了不同MAT选择谱的六种抗抑郁药物与NET的选择性。

图2. 胆固醇和脂质调控NET同源二聚化和转运活性

综上，这些研究结果回答了胆固醇和脂质调控NET等MAT寡聚化及其转运功能，以及NET底物识别和转运调节等基础生物学问题，破解了抗抑郁药物选择性靶向NET的分子密码。这些成果加深了对NET的结构和功能的理解，同时为抗抑郁药物治疗提供了重要的结构基础和药物设计参考。

本研究的冷冻电镜数据在上海市高峰电镜中心收集。上海药物所博士后张衡、助理研究员代安涛和临港实验室博士后殷裕玲为该论文的共同第一作者。临港实验室研究员蒋轶、上海药物所研究员徐华强、杨德华为该论文的共同通讯作者。该成果获得了科技部、基金委和上海市等项目的支持。

本研究部分作者合影。左起张超、代安涛、杨德华、徐华强、张衡、吴灿荣、胡雯。

全文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07437-6

5、零的突破！Nature刊发长春光机所在高维光场探测领域取得重大突破

5月15日，国际权威学术期刊《自然》（Nature）以“Dispersion－assisted　High－dimensional　Photodetector”为题刊发了中国科学院长春光机所在高维光场探测领域取得的突破性科研进展。这是长春光机所首次以第一完成单位在Nature发表论文，实现了零的突破。这也是长春光机所在第十个“国际光日”（International　Day　of　Light）这个有纪念意义的日子，以高水平科研成果为光学事业的发展献礼。

光场包含强度、偏振、频率、相位等多个维度的信息。其中，光谱探测与偏振探测，包含了物体的物质组成和表面形貌等信息，在光通信、遥感、工业检测、医疗诊断、化学分析、环境保护等领域具有巨大的应用价值。然而，传统的光电探测器仅限于测量光强度，现有的偏振和光谱探测器通常通过在时间或空间上集成多个偏振或波长敏感元件来增强探测能力。此外，目前的偏振和光谱探测器通常仅能测量固定波长下的强度和偏振或均匀偏振下的强度和波长信息。然而，在自然界的很多场景中，光场可能在宽光谱范围内携带任意的偏振和强度变化，而现有探测器难以实现对这种高维度信息的探测。

针对这一问题，李炜团队与合作者在国际上首次利用单个器件通过单次测量，对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的高维光场进行了全面表征，从而实现了高维度光场信息探测这一突破性进展。

图1．所提出的高维度光场探测方法的工作原理示意图

该研究提出利用光学界面的空间色散和频率色散特性，在波矢空间对偏振和光谱响应进行调控的创新思想，能够将高维光场的信息全部映射到单次成像结果之中。配合深度学习方法来解码偏振和光谱信息，最终实现高维度光信息的探测，且具有与现有先进单一功能的小型偏振仪或光谱仪相当的探测精度。此外，通过简单的将薄膜与微透镜阵列和成像传感器阵列进行“三明治”式的组合，还能够实现无需对准、单次测量的超集成高维光场成像仪。这一突破性成果为超紧凑、高维度的信息探测和成像探测开辟了一条新途径。

图2．高维光场探测及成像的实验验证。a－c．双色双偏振激光场的高维度探测，d－f．宽带光照射金表面所产生的反射光场的高维度探测，g．高维光场成像仪的结构示意图及照片，h．人造目标的偏振和波长成像探测，i．双色双偏振合成光场的高维度成像探测

研究团队指出，这种方法具有超宽带探测的潜力，并且利用这种波矢空间的响应能力，所提出的方法可以进一步与图像处理、测距等功能相集成，以实现更高维度的光场探测。同时，利用光子晶体、超表面、二维材料等代替薄膜结构可以进一步提高探测分辨率和集成能力。此外，进一步对其中的物理模型与深度学习进行有机结合，以增强解算能力并降低所需先验数据量，也是未来的研究方向。

中国科学院长春光机所博士生范延东、黄伟安和朱菲为论文的共同第一作者，中国科学院长春光机所李炜研究员，靳淳淇助理研究员和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。

李炜研究员是长春光机所光子室（http://www.gplphotonics.com/）主任，国家海外高层次人才，2020年底回国入职长春光机所，致力于光子学前沿研究并推进其在辐射热控和多维光信息感知方面的应用。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07398-w

来源：化学加综合自北京大学、中国科大、西湖大学、上海药物所、长春光机所