自然（20220414出版）一周论文导读

　　编译未玖
　　Nature，14April2022，VOL604，ISSUE7905
　　《自然》2022年4月14日，第604卷，7905期
　　天文学Astronomy
　　Adustycompactobjectbridginggalaxiesandquasarsatcosmicdawn
　　在宇宙黎明时分，星系由尘埃致密体过渡到类星体
　　作者：S。Fujimoto，G。B。Brammer，D。Watson，G。E。Magdis，V。Kokorev，T。R。Greve，etal。
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022044541
　　摘要：
　　自从发现发光类星体在宇宙大爆炸后仅存在7亿年以来，了解超大质量黑洞在早期宇宙中如何形成和生长已成为一个重大难题。
　　理论模拟显示了一种进化序列，尘埃红移的类星体从严重尘埃遮蔽的星暴星系中出现，然后通过释放气体和尘埃过渡到无遮蔽的发光类星体。尽管最后一个阶段的红移已被确定为7。6，但由于它们在光学和近红外波长上的微弱性，目前尚未发现具有类似红移的过渡类星体。
　　研究组报道了一个紫外致密天体GNz7q的观测结果，它与一个红移为7。18990。0005、尘埃掩蔽的星暴有关。
　　在该时期，宿主星系的尘埃辐射比任何其他已知物体都要明亮，在480秒差距的中心半径范围内，每年形成1600个太阳质量的恒星。在深部、高分辨率成像和无狭缝光谱中，可识别出一个远紫外的红点源。
　　GNz7q在X射线中非常微弱，这表明在尘埃星暴核心出现了一个独特的紫外致密恒星形成区或一个康普顿厚、超过爱丁顿极限的黑洞吸积盘。在后一种情况下，观测到的性质与宇宙学模拟的预测一致，并表明GNz7q是晚期无遮蔽发光类星体的祖先。
　　Abstract：
　　UnderstandinghowsupermassiveblackholesformandgrowintheearlyUniversehasbecomeamajorchallengesinceitwasdiscoveredthatluminousquasarsexistedonly700millionyearsaftertheBigBang。Simulationsindicateanevolutionarysequenceofdustreddenedquasarsemergingfromheavilydustobscuredstarburststhatthentransitiontounobscuredluminousquasarsbyexpellinggasanddust。Althoughthelastphasehasbeenidentifiedouttoaredshiftof7。6，atransitioningquasarhasnotbeenfoundatsimilarredshiftsowingtotheirfaintnessatopticalandnearinfraredwavelengths。Herewereportobservationsofanultravioletcompactobject，GNz7q，associatedwithadustenshroudedstarburstataredshiftof7。18990。0005。Thehostgalaxyismoreluminousindustemissionthananyotherknownobjectatthisepoch，forming1，600solarmassesofstarsperyearwithinacentralradiusof480parsec。Aredpointsourceinthefarultravioletisidentifiedindeep，highresolutionimagingandslitlessspectroscopy。GNz7qisextremelyfaintinXrays，whichindicatestheemergenceofauniquelyultravioletcompactstarformingregionoraComptonthicksuperEddingtonblackholeaccretiondiskatthedustystarburstcore。Inthelattercase，theobservedpropertiesareconsistentwithpredictionsfromcosmologicalsimulationsandsuggestthatGNz7qisanantecedenttounobscuredluminousquasarsatlaterepochs。
　　物理学Physics
　　Intelligentinfraredsensingenabledbytunablemoirquantumgeometry
　　可调谐莫尔量子几何实现智能红外传感
　　作者：ChaoMa，ShaofanYuan，PatrickCheung，KenjiWatanabe，TakashiTaniguchi，FanZhang，etal。
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless4158602204548w
　　摘要：
　　众所周知，固体中布洛赫波函数的量子几何性质，即贝里曲率和量子度量，显著影响着电子的基态和激发态行为。
　　体光伏效应（BPVE）是一种依赖于激发光偏振的非线性现象，在很大程度上取决于光学跃迁中的量子几何特性。红外BPVE尚未在石墨烯或莫尔体系等新兴平台中观察到，尽管这些平台已报道过与量子几何有关的激发强关联现象。
　　研究组报道了在扭曲双双层石墨烯（TDBG）中观察到5m和7。7m处可调谐中红外BPVE，由莫尔诱导的强对称性破缺和量子几何贡献产生。光响应在很大程度上取决于激发光的偏振态，且可通过外部电场进行高度调谐。
　　这种量子几何特性的广泛可调性使研究组能够使用卷积神经网络同时实现全斯托克斯偏振测量和波长检测，仅使用一个亚波长足迹仅为33m2的TDBG器件。
　　该研究工作不仅揭示了莫尔工程量子几何在可调谐非线性光物质相互作用中的独特作用，还以极其紧凑的芯片方式为未来智能传感技术开辟了新途径。
　　Abstract：
　　QuantumgeometricpropertiesofBlochwavefunctionsinsolids，thatis，Berrycurvatureandthequantummetric，areknowntosignificantlyinfluencethegroundandexcitedstatebehaviourofelectrons。Thebulkphotovoltaiceffect（BPVE），anonlinearphenomenondependingonthepolarizationofexcitationlight，islargelygovernedbythequantumgeometricpropertiesinopticaltransitions。InfraredBPVEhasyettobeobservedingrapheneormoirsystems，althoughexcitingstronglycorrelatedphenomenarelatedtoquantumgeometryhavebeenreportedinthisemergentplatform。HerewereporttheobservationoftunablemidinfraredBPVEat5mand7。7mintwisteddoublebilayergraphene（TDBG），arisingfromthemoirinducedstrongsymmetrybreakingandquantumgeometriccontribution。Thephotoresponsedependssubstantiallyonthepolarizationstateoftheexcitationlightandishighlytunablebyexternalelectricfields。ThiswidetunabilityinquantumgeometricpropertiesenablesustouseaconvolutionalneuralnetworktoachievefullStokespolarimetrytogetherwithwavelengthdetectionsimultaneously，usingonlyonesingleTDBGdevicewithasubwavelengthfootprintofmerely33m2。Ourworknotonlyrevealstheuniqueroleofmoirengineeredquantumgeometryintunablenonlinearlightmatterinteractionsbutalsoidentifiesapathwayforfutureintelligentsensingtechnologiesinanextremelycompact，onchipmanner。
　　材料科学MaterialsScience
　　Unitingtensileductilitywithultrahighstrengthviacompositionundulation
　　通过成分起伏同时实现拉伸塑性与超高强度
　　作者：HengLi，HongxiangZong，SuzhiLi，ShenbaoJin，YanChen，MatthewJ。Cabral，etal。
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless4158602204459w
　　摘要：
　　具有纳米晶粒的金属有接近2GPa的超高强度。然而，这种极端的晶界强化导致几乎所有拉伸塑性的丧失，即使当金属具有面心立方结构（所有晶体结构中塑性最强的结构）时亦如此。
　　研究组证明了纳米晶镍钴固溶体虽仍是面心立方单相，但其拉伸强度约为2。3GPa，塑性断裂伸长率约为16。
　　这种不寻常的拉伸强度和塑性的结合是通过高浓度固溶体中的成分起伏实现的。这种起伏使得层错能和晶格应变在110纳米的尺度范围内发生空间变化，从而显著影响了位错运动。
　　尽管纳米晶粒内部空间非常有限，但位错运动变得缓慢，促进了它们的交互作用、联锁和增殖。因此，流动应力增加，同时位错储存增加，从而提升了应变硬化能力，提高了塑性。
　　同时，沿位错线的分段脱捕需要较小的激活体积，因此应变速率敏感性增加，这也稳定了拉伸流动。因此，抗位错传播的起伏结构提供了一种强化机制，可在高流动应力下保持拉伸塑性。
　　Abstract：
　　Metalswithnanocrystallinegrainshaveultrahighstrengthsapproachingtwogigapascals。However，suchextremegrainboundarystrengtheningresultsinthelossofalmostalltensileductility，evenwhenthemetalhasafacecentredcubicstructurethemostductileofallcrystalstructures。Herewedemonstratethatnanocrystallinenickelcobaltsolidsolutions，althoughstillafacecentredcubicsinglephase，showtensilestrengthsofabout2。3gigapascalswitharespectableductilityofabout16percentelongationtofailure。Thisunusualcombinationoftensilestrengthandductilityisachievedbycompositionalundulationinahighlyconcentratedsolidsolution。Theundulationrendersthestackingfaultenergyandthelatticestrainsspatiallyvaryingoverlengthscalesintherangeofonetotennanometres，suchthatthemotionofdislocationsisthussignificantlyaffected。Themotionofdislocationsbecomessluggish，promotingtheirinteraction，interlockingandaccumulation，despitetheseverelylimitedspaceinsidethenanocrystallinegrains。Asaresult，theflowstressisincreased，andthedislocationstorageispromotedatthesametime，whichincreasesthestrainhardeningandhencetheductility。Meanwhile，thesegmentdetrappingalongthedislocationlineentailsasmallactivationvolumeandhenceanincreasedstrainratesensitivity，whichalsostabilizesthetensileflow。Assuch，anundulatinglandscaperesistingdislocationpropagationprovidesastrengtheningmechanismthatpreservestensileductilityathighflowstresses。
　　Perovskiteorganictandemsolarcellswithindiumoxideinterconnect
　　钙钛矿氧化铟互连有机串联太阳能电池
　　作者：K。O。Brinkmann，T。Becker，F。Zimmermann，C。Kreusel，T。Gahlmann，M。Theisen，etal。
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless41586022044550
　　摘要：
　　多结太阳能电池可以克服单结器件的基本效率限制。金属卤化物钙钛矿型太阳能电池的带隙可调性使其在多结结构中具有吸引力。硅和铜铟硒化镓（CIGS）以及全钙钛矿串联电池的组合已有报道。与此同时，窄间隙非富勒烯受体为有机太阳能电池带来了快速提升的效率。
　　有机和钙钛矿半导体是一种很有吸引力的组合，具有相似的加工技术。目前，钙钛矿有机串联电池的效率低于标准，并且受到宽间隙钙钛矿电池的低开路电压（Voc）和子电池之间互连引入损耗的限制。
　　研究组展示了钙钛矿有机串联电池的效率为24。0（认证为23。1），Voc高达2。15伏特。优化的电荷提取层使钙钛矿子电池具有高Voc和填充因子的出色组合。
　　该串联电池的有机子电池在近红外下提供了高外部量子效率，与对非富勒烯电池有限光稳定性的典型担忧相反，如果激子主要在非富勒烯受体上产生，则表现出出色的操作稳定性。子电池由一层超薄（约1。5纳米）类金属氧化铟层连接，具有前所未有的低光电损耗。
　　这项工作为钙钛矿有机串联电池竖了一座里程碑，它优于最好的pin钙钛矿单结，并与钙钛矿CIGS和所有钙钛矿多结相媲美。
　　Abstract：
　　Multijunctionsolarcellscanovercomethefundamentalefficiencylimitsofsinglejunctiondevices。Thebandgaptunabilityofmetalhalideperovskitesolarcellsrendersthemattractiveformultijunctionarchitectures。Combinationswithsiliconandcopperindiumgalliumselenide（CIGS），aswellasallperovskitetandemcells，havebeenreported。Meanwhile，narrowgapnonfullereneacceptorshaveunlockedskyrocketingefficienciesfororganicsolarcells。Organicandperovskitesemiconductorsareanattractivecombination，sharingsimilarprocessingtechnologies。Currently，perovskiteorganictandemsshowsubparefficienciesandarelimitedbythelowopencircuitvoltage（Voc）ofwidegapperovskitecellsandlossesintroducedbytheinterconnectbetweenthesubcells。Herewedemonstrateperovskiteorganictandemcellswithanefficiencyof24。0percent（certified23。1percent）andahighVocof2。15volts。OptimizedchargeextractionlayersaffordperovskitesubcellswithanoutstandingcombinationofhighVocandfillfactor。Theorganicsubcellsprovideahighexternalquantumefficiencyinthenearinfraredand，incontrasttoparadigmaticconcernsaboutlimitedphotostabilityofnonfullerenecells，showanoutstandingoperationalstabilityifexcitonsarepredominantlygeneratedonthenonfullereneacceptor，whichisthecaseinourtandems。Thesubcellsareconnectedbyanultrathin（approximately1。5nanometres）metallikeindiumoxidelayerwithunprecedentedlowopticalelectricallosses。Thisworksetsamilestoneforperovskiteorganictandems，whichoutperformthebestpinperovskitesinglejunctionsandareonaparwithperovskiteCIGSandallperovskitemultijunctions。
　　机械工程MechanicalEngineering
　　Thermophotovoltaicefficiencyof40
　　科学家实现40的热光伏效率
　　作者：AlinaLaPotin，KevinL。Schulte，MylesA。Steiner，KyleBuznitsky，ColinC。Kelsall，DanielJ。Friedman，etal。
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless4158602204473y
　　摘要：
　　热光伏（TPV）主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，可使用比目前普遍存在于电力生产中的涡轮机更高温度的热源进行能量存储和转换。
　　自从在2000下使用集成背表面反射器和钨发射极首次展示29的高效TPV以来，TPV的制造和性能得到了改善。然而，尽管预测TPV的效率可能超过50，但在温度低于1300下，实际效率仍仅为32。
　　研究组报道了效率超过40的TPV电池的制造和测量，并通过实验证明了高带隙串联TPV电池的效率。TPV电池是由带隙在1。01。4eV的IIIV材料组成的双结器件，针对19002400的发射极温度进行了优化。
　　电池利用带边光谱滤波的概念来获得高效率，使用高反射背表面反射器来拒绝不可用的子带隙辐射返回发射极。在功率密度为2。39Wcm2，发射极温度为2400的条件下，1。41。2eV器件的最大效率为（41。11）。在功率密度为1。8Wcm2，发射极温度为2127的条件下，1。21。0eV器件的最大效率为（39。31）。
　　这些电池可以集成到一个TPV系统中，用于热能电网存储，以实现可调度的可再生能源。这为热能电网存储创造了一条途径，以达到足够高的效率和足够低的成本，从而实现电网脱碳。
　　Abstract：
　　Thermophotovoltaics（TPVs）convertpredominantlyinfraredwavelengthlighttoelectricityviathephotovoltaiceffect，andcanenableapproachestoenergystorageandconversionthatusehighertemperatureheatsourcesthantheturbinesthatareubiquitousinelectricityproductiontoday。Sincethefirstdemonstrationof29efficientTPVsusinganintegratedbacksurfacereflectorandatungstenemitterat2，000C，TPVfabricationandperformancehaveimproved。However，despitepredictionsthatTPVefficienciescanexceed50，thedemonstratedefficienciesarestillonlyashighas32，albeitatmuchlowertemperaturesbelow1，300C。HerewereportthefabricationandmeasurementofTPVcellswithefficienciesofmorethan40andexperimentallydemonstratetheefficiencyofhighbandgaptandemTPVcells。TheTPVcellsaretwojunctiondevicescomprisingIIIVmaterialswithbandgapsbetween1。0and1。4eVthatareoptimizedforemittertemperaturesof1，9002，400C。Thecellsexploittheconceptofbandedgespectralfilteringtoobtainhighefficiency，usinghighlyreflectivebacksurfacereflectorstorejectunusablesubbandgapradiationbacktotheemitter。A1。41。2eVdevicereachedamaximumefficiencyof（41。11）operatingatapowerdensityof2。39Wcm2andanemittertemperatureof2，400C。A1。21。0eVdevicereachedamaximumefficiencyof（39。31）operatingatapowerdensityof1。8Wcm2andanemittertemperatureof2，127C。ThesecellscanbeintegratedintoaTPVsystemforthermalenergygridstoragetoenabledispatchablerenewableenergy。Thiscreatesapathwayforthermalenergygridstoragetoreachsufficientlyhighefficiencyandsufficientlylowcosttoenabledecarbonizationoftheelectricitygrid。
　　地球科学EarthScience
　　RealizationofParisAgreementpledgesmaylimitwarmingjustbelow2
　　实现《巴黎协定》的承诺有望将全球变暖控制在2以下
　　作者：MalteMeinshausen，JaredLewis，ChristopheMcGlade，JohannesGtschow，ZebedeeNicholls，RebeccaBurdon，etal。
　　链接：
　　https：www。nature。comarticless4158602204553z
　　摘要：
　　在《格拉斯哥气候公约》签署前的过去五年中，154个缔约方在其国家自主贡献中提交了新的或更新的2030年减缓目标，76个缔约方提出了长期承诺。对2021联合国气候变化大会（COP26）之前承诺的量化表明，将升温控制在2以下的可能性低于50。
　　研究组证明，如果所有有条件和无条件的承诺都得到充分和及时的执行，全球变暖可以控制在2以下。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中第一工作组对地球系统不确定性进行的概率表征，在全面执行的情况下，峰值升温可被限制在1。92。0之间。
　　研究组回顾性地预测了21世纪的气候变暖，以显示20152021年雄心勃勃的总体目标水平如何变化。研究结果依赖于对2030年或2050年之后的限时目标外推、IPCC1。5特别报告（SR1。5）情景数据库的特征和承诺的全面实施情况。
　　对这些因素更悲观的假设将导致更高的升温预测。另一个独立的排放模型框架预测，全球升温峰值为1。8，这支持了该研究发现，即各国兑现承诺可能会将全球变暖限制在略低于2的范围内。
　　若不仅要将升温控制在略低于，还要控制在远低于2或1。5，则迫切需要制定政策和采取行动，以在本世纪中叶实现全球CO2净零排放。
　　Abstract：
　　OverthelastfiveyearspriortotheGlasgowClimatePact，154Partieshavesubmittedneworupdated2030mitigationgoalsintheirnationallydeterminedcontributionsand76haveputforwardlongertermpledges。Quantificationsofthepledgesbeforethe2021UnitedNationsClimateChangeConference（COP26）suggestedalessthan50percentchanceofkeepingwarmingbelow2degreesCelsius。Hereweshowthatwarmingcanbekeptjustbelow2degreesCelsiusifallconditionalandunconditionalpledgesareimplementedinfullandontime。Peakwarmingcouldbelimitedto1。92。0degreesCelsiusinthefullimplementationcasebuildingonaprobabilisticcharacterizationofEarthsystemuncertaintiesinlinewiththeWorkingGroupIcontributiontotheSixthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange（IPCC）。Weretrospectivelyprojecttwentyfirstcenturywarmingtoshowhowtheaggregatelevelofambitionchangedfrom2015to2021。Ourresultsrelyontheextrapolationoftimelimitedtargetsbeyond2030or2050，characteristicsoftheIPCC1。5CSpecialReport（SR1。5）scenariodatabaseandthefullimplementationofpledges。Morepessimisticassumptionsonthesefactorswouldleadtohighertemperatureprojections。Asecond，independentemissionsmodellingframeworkprojectedpeakwarmingof1。8degreesCelsius，supportingthefindingthatrealizedpledgescouldlimitwarmingtojustbelow2degreesCelsius。Limitingwarmingnotonlyto‘justbelow’butto‘wellbelow’2degreesCelsiusor1。5degreesCelsiusurgentlyrequirespoliciesandactionstobringaboutsteepemissionreductionsthisdecade，alignedwithmidcenturyglobalnetzeroCO2emissions