信息国家研究中心、自动化系团队在可编程肿瘤基因治疗药物研究中取得重要进展

　　10月22日，信息国家研究中心研究员谢震课题组在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了题为“使用合成基因线路编程用于癌症免疫疗法的溶瘤腺病毒”(Oncolytic adenovirus programmed by synthetic gene circuit for cancer immunotherapy)的研究论文。

　　▲可编程溶瘤病毒原理图

　　该研究构建了模块化的合成基因线路，在导入人体细胞后，感知整合细胞内的肝细胞癌特异启动子和microRNA信号，通过逻辑运算判断是否为肝癌细胞，调控溶瘤腺病毒在肿瘤细胞中选择性复制，从而特异性杀伤肿瘤细胞，提高了溶瘤病毒靶向肿瘤的安全性。此外，研究人员将不同免疫效应因子基因克隆到腺病毒载体中，在裂解肿瘤细胞的同时，表达释放免疫因子，提高杀伤性T细胞在肿瘤部位富集，增强抗肿瘤免疫反应。最后，研究人员通过仿真计算模型分析了影响溶瘤病毒与免疫效应因子联用治疗效果的关键因素，为提高溶瘤病毒联合治疗的有效性提供了思路和参考。

　　该研究得到了国家自然科学基金创新群体项目、北京信息科学与技术国家研究中心、北京合生基因科技有限公司的资助。谢震是论文的通讯作者，清华大学自动化系博士生黄慧雅、廖微曦、北京合生基因科技有限公司研究员刘乙齐是该文的共同第一作者。中国人民解放军总医院第五医学中心肝脏肿瘤诊疗与研究中心主任陆荫英，北京合生基因科技有限公司的曹玉冰、刘强、郭亚坤等参与了该项目研究。

　　论文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41467-019-12794-2

　　物理系在腔光力学系统中提出新的基态冷却方法

　　近日，清华大学物理系刘永椿副教授、郑盟锟副教授、尤力教授研究团队提出将机械振子冷却到量子基态的新方法，能够用于实现宏观大质量振动物体的基态冷却，研究成果以《腔内压缩光力冷却》(Intracavity squeezed optomechanical cooling)为题发表在《激光与光子学评论》(Laser & Photonics Review)上。

　　近半个世纪以来，激光冷却技术的发展对原子物理学产生了革命性的影响。近年来，对包含大量原子的宏观机械振子的激光冷却研究成为了非常重要的前沿课题，这方面的研究在量子信息处理、量子精密测量和基础量子理论检验方面都有重要的应用。

　　▲图1.方案模型图，利用腔内压缩光力系统对机械振子进行基态冷却

　　由于光与机械振子相互作用过程中存在量子反作用，传统的边带冷却方法受限于量子反作用极限，导致基态冷却只能在边带可分辨条件下实现，即要求机械振动频率大于光学腔的耗散速率。然而宏观机械振子振动频率通常较低，而且振子质量或尺寸越大其振动频率越低，因此难于满足边带可分辨条件，利用边带冷却方法无法实现基态冷却。

　　针对上述难题，研究团队提出利用腔内压缩的方法来实现振子的基态冷却。利用具有腔内压缩效应的光学腔，在腔内部产生压缩态光场，利用量子干涉效应，将所有通道的耗散引起的噪声在腔内发生干涉，从而消除量子反作用引起的加热效应。通过压缩泵浦光场与冷却光场振幅和相位的匹配，由耗散导致的加热效应安全被抑制，使得净冷却速率大大提高，且冷却极限大幅降低，完全突破了量子反作用极限。

　　通过与边带冷却方法(SB)和压缩光驱动冷却方法(SD)进行比较，可看出研究团队提出的腔内压缩冷却方法(IS)具有最低的冷却极限，该冷却极限完全不受光学腔耗散的影响，即使在边带远不可分辨条件下, 仍然能够实现基态冷却。该研究为实现宏观大质量机械振子的基态冷却奠定了基础。

　　▲图2. 三种方法的冷却极限与光学腔耗散的关系

　　文章第一作者为清华大学物理系博士后甘晶辉，通讯作者为刘永椿副教授，合作者还包括北京理工大学物理学院的路翠翠研究员。该研究工作得到了基金委、科技部项目的资助。

　　《激光与光子学评论》是国际上光学领域顶尖期刊之一，该期刊为月刊，每期只发表5-8篇论文，年发文量不到100篇，影响因子为9.056。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1002/lpor.201900120

　　清华主导的CDEX暗物质实验合作组取得世界领先成果

　　10月15日，清华大学主导的中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作组在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上在线发表题为《基于CDEX-1B实验的亚-千兆电子伏特质量区域轻暗物质截面限制》(Constraints on Spin-Independent Nucleus Scattering with sub-GeV Weakly Interacting Massive Particle Dark Matter from the CDEX-1B Experiment at the China JinPing Laboratory)的研究论文。论文基于暗物质粒子(弱相互作用重粒子，WIMPs)与靶核反应时的Migdal效应，利用CDEX-1B实验系统运行四年获得的实验数据，对百兆电子伏特质量区域的轻暗物质给出了国际上暗物质直接探测的最好结果。

　　在以往的分析中，通常认为WIMPs粒子与靶核发生的反应是弹性散射，核外电子与靶核同步运动，反应过程中动量、动能守恒，在物理分析时仅考虑靶核的反冲能量。但实际上由于靶核与核外电子靠电磁力耦合，当靶核与WIMPs粒子发生碰撞获得速度时，核外电子有一定概率无法跟上靶原子核的运动，从而发生电离或者激发。这种情况下，WIMPs粒子与靶核发生的反应属于非弹性散射，暗物质粒子将会损失更大的动能。特别的，对于小于千兆电子伏特的轻暗物质来说，被电离出来的电子的能量将会远大于靶核的动能。因此，通过Migdal效应考虑反冲电子与靶核的总能量，可以在相同的探测器阈值下针对更轻质量的暗物质给出更加灵敏的参数限制。

　　▲基于Migdal效应的自旋无关暗物质排除曲线，左图是暗物质能谱分析的结果，右图是年度调制效应的分析结果

　　合作组基于Migdal效应，利用CDEX-1B曝光量为737.1公斤天的实验数据，给出了暗物质能谱分析的结果，在50-180兆电子伏特质量区间内达到国际最好;同时，利用CDEX-1B曝光量为1107.5公斤天、时间跨度4.2年的实验数据，给出了暗物质年度调制效应的分析结果，在75兆电子伏特至3.0千兆电子伏特质量区间达到国际最好水平。相比CDEX合作组之前的实验结果，暗物质直接探测的质量下限从3千兆电子伏特降低到了50兆电子伏特，大大扩展了实验所能约束的暗物质参数空间。

　　工程物理系博士生刘仲智为本论文第一作者，工程物理系岳骞研究员、马豪副教授和博士后杨丽桃为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项、国家杰出青年科学基金等项目经费资助，以及清华大学暗物质实验平台和自主科研计划经费支持。

　　论文链接：

　　https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.161301

　　微纳电子系任天令教授团队合作在柔性声学器件领域取得重要进展

　　近日，微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上发表了题为“柔性二维碳化钛薄膜用于热声器件”(Flexible Two-Dimensional Ti3C2 MXene Films as Thermo-Acoustic Device)的研究论文。该工作首次实现了二维MXene材料在声源器件方面的应用，为进一步拓展新型二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物的研究提供新的思路。同时，此项成果对于柔性可穿戴声源器件的发展具有重大意义。

　　MXene作为新型的二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物材料，具有较高的比表面积、优良的金属导电性、丰富的表面官能团等，已经被广泛应用于储能器、传感器等领域。传统基于热声效应的声源器件表明导电薄膜需要极低的热熔和高的热导。Ti3C2纳米片作为MXene家族的代表，具有低单位面积热容(HCPUA)和特殊二维层状结构，是用于热声器件理想的导电薄膜。

　　任天令教授首次将MXene纳米材料应用于声学领域。由于MXene相比于石墨烯具有较大的界面层间距，在相同厚度有更低的等效HCPUA，从而表现出更加优异的性能。同时采用多孔氧化铝(AAO)作为衬底降低了热泄漏，进一步提升了热声转换效率。表面官能团使MXene纳米薄片表现出亲水性，能够分散在水溶液中，从而可以通过旋涂的方法实现MXene薄膜的大规模制备，有效降低了成本。此外，MXene纳米片形成的导电网络使薄膜在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上具有好的稳定性，有望在新型柔性可穿戴声源应用方面发挥重要的作用。封装后的超薄MXene耳机实现了播放音乐的功能，在高频下具有优异的音质，例如Opera 2的播放等。

　　▲MXene的表征及器件的声学测试图: a) Ti3C2纳米片的SEM图;b) AAO衬底上声谱输出图;c)稳定性测试图;d-e) 封装后的MXene耳机照片;f-g) 商用耳机与MXene耳机的声谱响应和音频信号图

　　近年来，任天令团队致力于二维材料的基础研究和实用化应用的探索，尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已取得了多项创新成果，如柔性石墨烯收发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器、极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等相关成果曾多次发表于《自然电子》(Nature Electronics)、《自然通讯》(Nature Communications)、《先进材料》(Advanced Materials)、《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学学会纳米》(ACS Nano)和国际电子器件会议(IEDM)等。

　　微纳电子系博士生苟广洋、青岛大学未来研究院金明亮教授等是文章共同第一作者，微电子所任天令教授、杨轶副教授、田禾助理教授和韩国科学技术院(KAIST)的安致元(Chi Won Ahn)教授为论文通讯作者，该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

　　论文链接：

　　https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b03889

　　电子系李越发文报道通过波导结构降低等离子体内电磁波的传播损耗

　　10月11日，清华大学电子工程系李越副教授在《科学·进展》(Science Advances)发表了标题为《面向近零介电常数和表面等离子体基元的基于结构色散的损耗降低方法》(Structural dispersion–based reduction of loss in epsilon-near-zero and surface plasmon polariton waves)的研究论文，针对与等离子体材料内电磁波的传播损耗问题，提出基于波导结构的降低方法，增加等离子体材料内电磁波的传播距离，为低损耗等离子体相关技术提供可行方案。

　　等离子体学(Plasmonics)在过去的十年里内发展迅速，是一类在光学频段以亚波长的尺度操纵和调控电磁场的学科，呈现独特的光与物质相互作用，在光学频段实现亚波长或深亚波长器件与电路。但是，等离子体内电磁波的传播严重受限于等离子体材料(如金、银等金属)的内在损耗，限制了等离子体材料在光学系统和器件中的实际应用。当前的研究主要集中在材料领域，寻找各种具有低损耗特性的等离子材料，例如铟锡氧化物、碳化硅等，仍然无法满足实现需要。

　　▲图1. 等离子体材料内电磁波传播损耗降低方法：(A)波导加载结构，(B)损耗调控机理

　　本工作从另外一个角度研究降低电磁波在等离子体材料中的传播损耗，即采用外加电磁结构增加电磁波的传播距离。在本论文中，利用波导的结构色散特性调控等离子体本身的材料色散特性，将等离子体的有效工作频段从高损耗区间移动至低损耗区间，实现了体内电磁波传播损耗的减少。本论文研究了两种典型的等离子体材料传播例子，一是电磁波在均匀近零介电常数(Epsilon-near-zero, ENZ)材料中的传播;二是表面等离子体基元(Surface Plasmon Polariton, SPP)的传播。从两个例子中，均观察到通过增加波导结构，电磁波在等离子体材料内的传播距离有明显提升，有效地控制了传播损耗。本工作提供了一种基于结构的等离子体损耗调控技术，在未来低损耗等离子体器件与系统的研究有潜在应用价值。

　　▲图2. 基于结构色散特性，增加电磁波在等离子内的传播距离

　　本论文的相关工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文的第一单位。李越副教授为文章的第一作者，美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔(Nader Engheta)教授为本文通信作者，其他作者包括西班牙纳瓦雷公立大学的伊涅格·里博洛(Inigo Liberal)博士。本研究得到国家自然科学基金(61771280)资助。

　　论文链接：

　　https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaav3764