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《自然》《科学》一周（6.19-6.25）材料科学前沿要闻

新材料在线 · 公众号 · · 2017-06-26 08:40

正文

1. 金属锂中的量子化和同位素效应

（ Quantum andisotope effects in lithium metal ）

零压力和温度下元素的晶体结构是凝聚态物理学中最基本的信息。数十年来一直认为最简单的金属元素锂具有复杂的基态晶体结构。通过对金刚石砧座中使用同步加速器x 射线衍射和结合密度泛函理论与分子动力学的多尺度模拟，Ackland 等人表明以前接受的马氏体基态是亚稳态。实际的基态是面心立方（fcc）。其中发现，在相似的热路径下，锂的同位素在马氏体转变温度方面表现出相当大的差异。作为结构由量子效应主导的氦和质量较高的元素之间的金属中间体，锂展现出了核量子力学效应。通过解开量子动力学复杂度，Ackland 等人证明了 fcc 锂是基态，并通过降压合成了它。（Science DOI: 10.1126/science.aal4886）

2. 来自室温下光学机械腔的量子相关性

（ Quantumcorrelations from a room-temperature optomechanical cavity ）

位置测量的行为会改变被测物体的运动。这种量子测量的反作用通常比室温下物体的热运动要小得多，因此难以观察。通过使激光通过纳米机械束，Purdy 等人测量了光束的热驱动振动，并以由海森堡测量-扰动不确定性关系决定的光学力波动来扰动其运动。由此展示了一种互相关技术，来将光驱动与热驱动运动区分开来，从而将观察量子反作用标志提升到室温。利用由基本常数确定的量子关联规模来测量热运动的大小，证实了以量子机械校准标度达到绝对温度测量的途径。（Science DOI:10.1126/science.aag1407）

3. 打破洛伦兹互易来克服物理与工程中的时间带宽限制

（ Breaking Lorentz reciprocity to overcomethe time-bandwidth limit in physics and engineering ）

物理与工程学中有个上百年的理念主张认为，任何一个具有带宽Δw 的系统都可以在一个与带宽成反比（Δt·Δw〜2π）的受限时间段Δt 内与波相互作用。这个定律严格限制了光子学、腔体量子电动力学、光力学、声学、连续介质力学以及原子和光学物理学中所有类型的谐振和波导系统的一般能力，但这被认为是源于基本的傅里叶互易且是基础的定律。Tsakmakidis 等人建议在洛伦兹互易被破坏的系统中可以消除这个“基础的”限制。随着系统的输运特性越来越不对称，可以超过限制的程度也越来越大，并且从理论上证明了如何在一个精心设计的磁化半导体异质结构中，通过使用现实的材料参数来超过上述极限一个数量级。这项研究结果修改了线性、时间不变共振系统的一般模式，挑战了高质量谐振必须总是窄带宽的原则，并提供了开发具有前所未有的高带宽性能器件的可能性。（Science DOI: 10.1126/science.aam6662）

4. 基于极性匹配的交叉耦合实现选择性 sp3C-H 烷基化

（ Selective sp3C-H alkylation via polarity-match based cross coupling ）

碳-氢键（C-H）的官能化是对有机化学中分子结构最有吸引力的方法策略之一。氢原子因在有机分子中的较大丰度以及在合成序列中几乎任何阶段官能化都有效的优点，被认为是理想的耦合柄。尽管许多C-H 官能化反应涉及 C(sp3)-C(sp2)耦合，但对 C-H 烷基化反应的需求还是日益增长，其中的 sp3 C-H 键被 sp3 C-烷基所取代。Le 等人通过光氧化、镍和氢原子转移催化的组合，叙述了基于极性匹配的选择性sp3 C-H 烷基化。该方法同时使用三个催化循环来实现氢化 C-H 键的取代（通过极性匹配实现）、烷基卤化物氧化加聚和还原消除，从而实现烷基-烷基片段的耦合。sp3 C-H 烷基化对于胺、醚和硫化物的α-C-H 是高选择性的，这在药学相关结构中比较常见。这种交叉耦合方案有机会使在从头合成和后期官能化化学中广泛的合成应用成为可能。（Nature DOI: 10.1038/nature22813）