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48K下铁基硫族化合物超导性重现

2010年发现的新型铁基硫族化合物超导体为非常规超导体的研究探索开辟了新的研究方向和提供了新的机遇。这类超导体在常压下的超导转变温度约为32K，中子散射研究结果表明，这类超导样品具有很强的反铁磁磁距并在铁离子的正方型格子中存在铁离子有规律的缺位。大量的理论和实验研究结果表明，对于关联电子系统中的超导电性是由其晶体结构、电荷、轨道和自旋的状态及其相互作用所决定的，而这些因素对超导电性的影响可以通过外部参数的改变，如施加压力、磁场等进行调控。其中，压力是一种“干净”和有效的调控方法。它的独特之处在于不用改变研究系统的化学构成就能实现对系统的电子结构和晶体结构及其相关合作现象的有效调控，从而揭示其内在的物理机制。中国科学院物理研究所赵忠贤院士领导的课题组与美国卡内基研究院地球物理实验室毛和光院士领导的科研团队合作，利用自行研制的高压－低温－磁场联合测试系统对这类新型铁基硫族化合物超导体进行了系统的高压下原位电阻，交流磁化率研究。研究发现这类超导体的超导转变温度在压力小于10 GPa（1GPa＝1万大气压）时随着压力的升高而逐渐降低，直至消失；而当压力高于10 GPa，系统出乎意料地进入了一个新的超导态。这个由压力诱发的第二个超导相的超导转变温度高达48K，远远高于常压及低压下的第一个超导相的转变温度，是已有报导的铁基硫族化合物超导体家族中超导转变温度最高的。在上海光源和美国阿贡同步辐射光源进行的原位高压结构分析结果表明，在该研究所采用的压力范围内并未发生晶体结构的变化，该项研究所发现的同结构下由压力调控的超导电性的消失和随后的超导电性的再现现象在铜氧化物和铁基高温超导体中均未曾发现过，因此，这一结果不仅对理解这类新型铁基硫族化合物超导体的超导机制和探索新的超导体提供了启迪。同时，也为进一步开展高温超导体超导机理的研究提出了新的研究内容。

日本的“希望之树”

福岛核电站被地震和海啸损坏已近一年了。在本期特刊中，介绍日本受海啸和地震损坏及辐射泄漏影响最严重的一些地方的重建情况。在日本和其他地方，福岛的经验促使人们对核电未来发展以及地震和海啸的早期预警系统进行很多反思。

本期封面是一棵在地震海啸中存活下来的松树，被视为日本高田市的“希望之树”。

“狄拉克点”的奥秘

某些固体的电子结构使它们表现出“狄拉克点”，这些点处在凝聚态物理学中很多有趣现象的核心。例如，在石墨烯中，它们使电子的行为就像“狄拉克费米子”一样，能够以光速运动。本期杂志介绍了控制“狄拉克费米子”性质的两种非常不同的方法。在传统固体中，材料的电子结构是无法改变的，所以难以看到“狄拉克费米子”的性质是怎样被控制的。为了避免这种局限性，科学家们在一个可调节的蜂巢式光晶格中创建了一个由超冷量子气体组成的可调系统。这个模型所模拟的是凝聚态物理学，其中原子扮演电子的角色。“狄拉克点”可被移动和合并，以研究拓扑绝缘体和石墨烯等奇异材料的物理学问题。本期封面所示为人造石墨烯的带状结构，其中的交叉点在两个“狄拉克点”上。

等离子体去量子

本期封面所示为“Through the Looking Glass”的一个细节内容，它是由Kate Nichols（TED Fellow计划的一个资助对象）制作的一个大型玻璃艺术品，是用银纳米颗粒作为“颜料”创作出来的。作品的颜色来自金属颗粒中电子的振荡（局部化的表面“等离子体激元”的共振）。这些颗粒的“等离子体激元”性质，使它们对于各种成像、传感和可再生能源技术来说很有吸引力。但那些小颗粒（直径不到10纳米）对很多自然系统和人造系统可能更有意义。在这个尺寸上，当它们接近量子领域时，我们关于它们的“等离子体激元”性质怎样变化的知识变得相当模糊。Jonathan Scholl及其同事对尺寸在量子大小范畴内的单一银纳米颗粒的“等离子体激元”性质进行了研究。他们利用电子显微镜和光谱技术，在直径从20纳米到不到两纳米的范围内将一个颗粒的“等离子体激元”共振与其大小和几何形状关联了起来。他们的结果反映了小型金属纳米球的量子力学性质，对于具有催化活性和生物意义的纳米颗粒有直接应用价值。

大肠杆菌谷氨酸：γ-氨基丁酸反向转运蛋白的晶体结构及机制

2011年，欧洲爆发的肠溶血性大肠杆菌疫情导致数千人感染，多人死亡，并引起了极大的社会恐慌。大肠杆菌O104:H4菌株是这一疫情的罪魁祸首。1982年，大肠杆菌O157:H7菌株也曾引起一次世界性的疫情。食物来源的大肠杆菌必须通过极酸的胃环境才能到达肠道，为了保证在如此低的pH下仍然能够存活，大肠杆菌进化出了多个抗酸系统来对抗极酸环境。因此研究大肠杆菌抗酸机制对人类健康有直接的重要意义。

大肠杆菌抗酸系统II (Acid Resistance system 2)通过谷氨酸:γ-氨基丁酸反向转运蛋白 (GadC) 将细胞外的谷氨酸转运到细胞内，在胞浆内谷氨酸发生脱羧反应，消耗一个质子生成γ-氨基丁酸，而产物γ-氨基丁酸再被GadC转运到细胞外。整个过程相当于向细胞外排出一个质子，降低了细胞内的质子浓度，从而起到了抗酸的作用。理解GadC的工作机理对于研究肠道致病菌抗酸系统十分关键。

清华大学生命科学学院施一公教授领导的研究组从GadC的三维空间结构信息入手，解析了大肠杆菌GadC高分辨率的晶体结构。结构分析表明，含有12个跨膜螺旋的GadC在碱性条件下呈现出转运通道开口朝向胞内的构象。令人惊奇的是，GadC羧基端结构域在细胞内一侧像塞子一样将转运通道封闭住。同时进一步的生化实验表明，GadC对底物的转运严格依赖于环境pH值：野生型GadC在pH小于6.5的环境下才具有转运能力，而在pH大于6.5的环境中完全没有活性。羧基端“塞子”结构域在GadC感受pH的过程中起到了重要的调节作用。这样一种机制既保证了抗酸系统在极酸环境中能够启动并转运底物，又防止其在正常生理条件下造成胞内质子不必要的外流。研究成果为进一步研究大肠杆菌抗酸机制提供了重要线索。

生态背景对疫情规模及寄生虫驱动进化的影响

本期封面是两只水蚤（Daphnia dentifera），体长2毫米。其中左下方那只因为感染毒株酵母寄生虫，导致体色呈明亮的白色。

人们认为疾病爆发的发生和规模可以对宿主的进化产生强烈的影响。尤其是当面对抗性与生殖力权衡时，宿主在疾病大规模流行时可能进化出强抗性。科学家们利用环境因子决定疫情规模的浮游动物-酵母宿主寄生系统测试了上述理论预测结果。高生产力和低捕食压力的湖泊中酵母疫情流行情况较严重。当疫情爆发时，宿主表现出较强的疾病传染抗性。然而，在低生产力和高捕食压力的环境下，疫情仍然较小，宿主进化出较高的疾病易感性。因此，通过疾病爆发模拟，生态背景（生产力和捕食）在疾病流行期可以改变宿主的进化。生产力和捕食的人为改变可能强烈影响疾病在生态和进化方面造成的后果。

硅-锗复合材料：从单层到三维结构

本期封面是生长在硅支柱上的～8微米高的带间隙的锗晶体的错色扫描电镜突变。这种结构使不同材料整合到硅衬底上成为可能。由该项技术可以创造出适于不同应用的平台，在太阳能电池、X射线/粒子探测器，电力电子器件等领域应用潜力巨大。

硅是微电子设备最基本材料，但硅的某些性能不能满足微电子设备发展的要求。人们试图将硅和锗等其他半导体材料组合成新的复合材料，以获得更好的性能。然而，现有硅焊接技术不但成本高，而且晶体网格内有瑕疵。目前，人们仍不能将单片锗层集成在硅基质上。此外，热应力下，硅晶片会变形，这会导致锗层开裂，电子元件无法工作。科学家们发现将单体锗制成“簇毛”状结构可以解决上述问题，不需要特殊焊接技术就可以制造出任何厚度的无瑕的硅-锗层。

植物UVR8光感受器感知UV-B

最新发现的植物UVR8（UV RESISTANCE LOCUS 8）光感受器可以感受紫外线并对基因表达作出相应的调节，可以改变植物生长和发育。然而，这种调节的机制却不为人所知。最近，科学家们得到了UVR8单体点突变的晶体解析结构和远紫外圆二色光谱，揭示了感知UV-B和信号诱导的机制。β-桨状亚基形成与复杂盐桥网络结合在一起的以色氨酸为主体的二聚体界面。盐桥精氨酸侧翼与交叉二聚体色氨酸配对形成的“金字塔”结构负责UV-B感应。光感受可逆性地破坏盐桥，触发二聚体解离和信号启动。色氨酸点突变为苯丙氨酸可以将光受体的感应波长变为UV-C该项。研究阐明了不带生色团的UVR8光感受器如何促进植物发育和保护植物免受阳光伤害。

建群者效应的持续作用

本期封面是一只成年雄性沙氏变色蜥（Anolis sagrei），体长15厘米，栖息在顶部的树枝上。栖息地植被的直径是变色蜥肢体长度进化的强选择力。这些生活在巴哈马无人岛上的蜥蜴由于随机性和选择性进程而表现出遗传和形态上的显著差异。

长期以来，建群者事件等随机性进程对进化分歧的贡献程度一直是进化生物学领域争论的焦点。为了确定建群者效应和自然选择的贡献，科学家们从巴哈马7个小岛上沙氏变色蜥种群中随机抽取若干对蜥蜴进行实验。尽管所有种群均向着可预测的方向进化，小岛上矮小植被促使后肢变短，但是建群事件仍然在岛间不同种群中产生了显著的遗传和形态差异。利用自然环境中重复实验，研究发现建群者效应和自然选择共同决定了种群特征。

福岛核电站事故一周年

本期封面是2010年8月拍摄的日本福岛第一核电站铀钚混合氧化物燃料棒冷却池的照片。2011年3月11日，海啸损坏了福岛第一核电站的三座反应堆。这促使日本政府对其依赖核电的方针和灾难应急处理进行重新评估。

那场袭击日本东北海岸的毁灭性地震和海啸已经过去了一年，世界各国科学家们仍在从不同角度分析这场灾难。日本正从灾难中吸取教训，不仅有助于重建正确决策，而且对于国家未来能源发展规划具有重要参考价值。

在日本东北部9级大地震和随后海啸发生之后的一年里，日本一流的工程、地震学、城市规划、应急响应和经济学专家正全力投入数十个被毁坏村庄重建的基础准备工作。他们希望通过破坏模式研究和模拟，制定更合理的疏散计划，帮助日本东北部沿海地区居住的人们更好的抵御未来的特大海啸。然而，正当设计者尝试着将构建安全城市的梦想变成真实的重建计划时，人们发现自然力量是不可抗拒的，建造抵挡千年一遇海啸的海堤的设想是不切实际的。城市重建中，使人们生活更安全的措施，如将人们转移到地势高的地方居住，遭遇到了巨大的运输和政治问题。随着时间一天一天的过去，计划返回家乡的居民越来越少，灾区经济回复也越来越难。

导致反应堆堆芯熔化的核事故会产生数百种放射性核素，这些核素大部分的半衰期很短。损坏燃料棒中的长寿命裂变产物和超级铀元素的影响能持续千年。目前，核事故发生后，尤其是与水接触后，对放射性核素释放率的预测仍然是有限的。人们对核事故发生时和随后的极端化学、辐射和热条件下的燃料腐蚀和放射性核素释放的了解相对较少。

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