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  人一生中几乎有三分之一的时间在睡觉。充足的睡眠是良好健康的重要前提,而不良的睡眠会导致不良情绪、注意力不集中、疲劳、心血管疾病甚至死亡。目前,人们对睡眠质量相当重视。然而,要提高一个人的睡眠质量,首先需要知道他/她的睡眠状况,也就是说,人们有强烈的监测自己睡眠状况的需求。  新技术为人们在日常生活中自我监测和改善睡眠提供了便利。睡眠质量可以通过客观的身体指标和行为或主观感觉来评估。多导睡眠图(PSG)在临床研究中已被广泛应用于睡眠评估,但存在着价格昂贵、侵入性、耗时、不实用等缺点。智能手机和智能手环也可用于睡眠活动监测。然而,这些设备是侵入和繁琐的,因为用户必须带上它们或把它们靠近身体才能进行测量。与此同时,除了客观状态外,个人对自身睡眠的主观看法也很有价值。然而,自我报告的睡眠质量也有其局限性,例如当运动员或患者需要每天评估睡眠质量时,主观报告的方法并不适用。  步态反映一个人走路和移动的方式,它可以反映一个人的心理和健康状况。睡眠和步态会相互影响。一方面,睡眠异常会影响步态。研究表明,每晚睡眠时间少于6小时的人的步态速度比每晚睡眠时间为6-6.8小时的人慢3.5%。另一方面,步态对睡眠也有影响。人们发现每天行走10000步,4周之后可显著改善睡眠质量。同时,睡眠质量对日常能量消耗有影响,而日常能量消耗与步态高度相关。因此,研究者期望通过步态来测量睡眠质量,这种方式更生态,侵入性更小。  中国科学院行为科学重点实验室朱廷劭研究组使用微软Kinect摄像头这一非侵入性工具对用户的步态行为数据进行收集。如图1所示,Kinect以30Hz采样率捕获人体25个主体关节的3维加速度。它具有非侵入性、低成本、易于使用的优点,而且在早期研究中也被确认在捕捉日常步态和临床环境中的实时步态模式方面是完全胜任的。图1:人体被Kinect捕捉到的25个关节点  该研究共招募56名志愿者,志愿者首先填写了匹兹堡睡眠质量指数问卷(PSQI);经过简单练习后,在矩形地毯(6m×1m)上自由走动2分钟,并被放置在地毯对角线上的两个Kinect传感器记录下其步态数据。  数据收集以后,研究者首先对数据进行预处理,即利用高斯滤波进行去噪。其次,以脊柱为原点,对其他关节的坐标进行平移,这样做的目的是为了将不同参与者的三维坐标调整到同一坐标系,从而消除他们和Kinect相对位置的差异。最后,研究者将收集的步态数据分割成不同的片段,研究选择64帧(约2秒)作为特征提取中使用的最终数据段的长度。  数据预处理完成后,研究者提取了快速傅立叶变换(FFT)的振幅。FFT将采样函数的每个维度从时域转换为频域。对于步态数据中的每个关节,选取每个维度的64个振幅系数作为特征,然后运行Z函数进行特征归一化。由于高维特征向量是冗余的,因此在训练模型之前进行降维。研究计算了睡眠质量与提取特征之间的皮尔逊相关系数,选择每个维度的中相关系数的绝对值最高的前5个特征来训练机器学习模型,得到每个关节每个维度的5个特征,即总共360个特征(5*3*24=360)。  最后,研究使用WEKA以及360个特征来训练机器学习模型,并采用了10折交叉验证。结果显示,睡眠质量预测的最佳结果为Gaussianprocesses,相关系数为0.78(p<0.001)。各分量表中,昼夜功能障碍的最佳结果为linearregression,相关系数为0.51(p<0.001)。  该研究提供了一种新的测量睡眠质量的方法。步态数据收集过程是非侵入性的和生态化的,结果同时也表明步态模式可以很好地表征睡眠质量。该方法可作为现有睡眠质量测量方法的有利补充。  该研究成果已被国际期刊PloSone录用并在线发表:  Liu,X.,Sun,B.,Zhang,Z.,Wang,Y.,Tang,H.,&Zhu,T.(2019).Gaitcanrevealsleepqualitywithmachinelearningmodels.PloSone,14(9),e0223012.  https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223012 

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  第三代半导体材料先进电子器件的功能性、集成度和功率密度的持续提高,势必会造成器件运行产生废热的高度集中。电子封装材料是电子器件热管理的关键,目前使用的环氧树脂电子封装材料的导热性能已不能满足先进半导体材料的发展需求。石墨烯自发现以来就凭借诸多优异的物理性能而备受关注,石墨烯所具有的超高导热系数(高达5300W/mK)和大的比表面积使其易于搭建有效的导热通路,是增强聚合物基体材料导热性能的理想填料。制备石墨烯三维结构是提升复合材料导热性能行之有效的方法。目前常用的方法包括化学气相沉积法和冰模板法等,但这些方法的制备成本较高且难以获得较高的石墨烯含量,因此大幅提高树脂基体的导热性能仍存在挑战。  基于上述问题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所表面事业部功能碳素材料团队使用低成本的商用聚氨酯泡沫为模板,在其表面包覆石墨烯纳米片并采用快速加热移除聚氨酯模板而得到结构完整的三维石墨烯泡沫。如图1所示,在石墨烯含量为6.8wt%时,环氧复合材料的导热系数达到了8.04W/mK,较纯环氧树脂提高了44倍,环氧复合材料同时保持了良好的力学性能。相关工作已发表在纳米材料领域期刊Nanoscale(2019,11,17600-17606)并入选封面文章。  除此之外,研究还发现在石墨烯抽滤过程中引入微米尺度的球形氧化铝颗粒,可以使得石墨烯片取向由水平方向部分转变为纵向方向,得到具有类似“豌豆荚”的结构。这类仿“豌豆荚”结构的二元石墨烯-氧化铝填料可有效增强聚合物材料的导热性能,该方法制备的环氧复合材料纵向和横向的导热系数分别可达到13.3W/mK和33.4W/mK(如图2所示),相关工作将发表在化工领域期刊Chem.Eng.J.(2020,381,122690),开发的高导热环氧复合材料有望代替传统的聚合物材料解决目前高度集成的电子设备的散热问题。  以上工作获得国家自然科学基金(51573201)、浙江省公益技术应用研究计划(2016C31026)和3315创新团队等的资助。图1(a)环氧复合材料导热系数与石墨烯含量的关系;(b)环氧复合材料较纯环氧树脂和传统共混法制备的复合材料的导热增强比;(c)论文封面图2仿“豌豆荚”二元石墨烯-氧化铝结构增强环氧树脂导热性能

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  10月9日,MonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSociety(《英国皇家天文学会月刊》)在线发表了中国科学院紫金山天文台季江徽课题组的关于比邻星系统动力学演化和稳定性特征的研究成果,这些研究对深入了解行星系统的宜居区及形成演化具有重要科学意义。  北京时间2019年10月8日17时50分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2019年度诺贝尔物理学奖授予美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布斯(JamesPeebles),以表彰他“在物理宇宙学的理论发现”,以及瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶(MichelMayor)和日内瓦大学与剑桥大学教授迪迪尔·奎洛兹(DidierQueloz),以表彰他们“发现了一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星”。  自1995年米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹发现第一颗类太阳恒星周围的系外行星——51Pegasib以来,天文学家正在以难以置信的速度发现愈来愈多的系外行星,迄今通过包括视向速度法和凌星法在内的探测手段已发现了4118颗系外行星。天文学家预测表明,仅仅在浩瀚的银河系里,有可能存在100亿颗类似地球尺寸大小的行星,和地球一样处于其中央恒星的宜居带内。正如英国科幻小说家ArthurC.Clarke的预测:“在茫茫的宇宙中,只有两个可能,要么我们是上帝的孤儿,要么我们还有其他兄弟姐妹……”我们正处在人类历史上最特殊的一段时期内。在不久的将来,我们或许会探测到宇宙中类似地球的行星上存在其他生命。  比邻星(ProximaCentauri,αCentauriC)距离地球1.295pc,与αCentauriAB双星组成三合星系统(《三体》科幻小说正以此为背景)。AB双星距离地球1.34pc(图1),其轨道半长径为17.57AU,双星轨道周期为79.205yr。αCentauriA为1.1太阳质量的G2V型恒星,αCentauriB为0.907太阳质量的K1V型恒星,而ProximaCentauri则为0.123太阳质量的M5.5V型的红矮星。它是目前人们发现的离太阳系最近的一颗恒星。2016年8月,Anglada-Escudé等人在Nature上发表了在比邻星附近发现一颗行星Proximab的成果。他们通过HARPS和UVES光谱仪的视向速度观测,发现了一颗最小质量为1.3个地球质量的行星,并以周期11.2天围绕比邻星运行,轨道半长轴为0.0485AU,可能位于宜居区。观测还给出,在系统内可能存在另一个轨道周期为200多天的行星Proximac。因此,该行星系统倍受国际上天文研究机构关注,这些行星是否宜居及系统稳定性特征如何已成为当前系外行星研究的前沿课题。  紫金山天文台研究团队分别采用数值模拟和理论分析方法,对该系统存在两颗行星的情况开展了深入的动力学演化和稳定性特征研究。考虑相对论效应和潮汐效应的情况,动力学演化结果表明:在一百万年左右的时间尺度上,Proximab的轨道偏心率演化受到潮汐的影响很小,而相对论效应对两颗行星的影响比较明显。不考虑相对论效应和潮汐效应的情况,利用MEGNO积分器对系统稳定性的研究,描绘出了该系统稳定区域的整体图像(图2),揭示了两颗行星在共面和非共面时保持系统动力学稳定的行星参数限制。对于共面情况,内、外两颗行星的偏心率上限分别为0.4和0.65,此时Proximab的半长轴范围为0.02-0.1au;对于非共面情况,两颗行星的轨道倾角低于50度。这些研究结果不仅有助于开展该系统的长期动力学形成演化及其形成机制研究,而且为后续系外行星的观测提供重要的理论参考。  该工作的第一作者是紫金山天文台硕士蒙通,导师为研究员季江徽。该项研究工作得到国家自然科学基金(11773081,11573073,11873097)、中科院创新交叉团队、中科院行星科学重点实验室等的资助。  文章链接图1 αCentauri三合星系统示意图图2Proxima系统两颗行星共面情况的系统稳定区域图

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  当一个二级相变通过非温度控制的外参量被连续压制到绝对零度附近时,体系会发生量子相变。发生量子相变的临界点,即量子临界点,是绝对零度条件下位于外参量轴上的一个点,通常可以通过调控压力、磁场等手段来获得。量子相变和有限温度下由热涨落控制的相变不同,其物理本质是基于海森堡不确定原理的量子涨落行为。量子相变在重费米子,非常规超导,量子自旋以及冷原子等不同系统中均得到了广泛深入的研究,是产生奇异集体激发模式和新物性的一个重要途径。尤其重要的是,量子临界点虽然产生于绝对零度附近,但是其相关的量子涨落却可以深刻地影响有限温度下的物理行为。很多非常规物理性质,包括高温超导,都可能和量子临界涨落有密切的关系。  重费米子材料是量子临界行为研究的理想体系。这类材料中,传导电子和局域f/d电子间能带杂化产生近藤效应,进而屏蔽局域磁矩。与此同时,局域磁矩间具有RKKY间接交换相互作用,导致磁矩安定化并趋于磁有序。这两个矛盾的物理过程在重费米子材料中相互竞争,产生量子临界现象,甚至非常规超导。另一方面,对于自旋阻挫效应的研究主要集中在绝缘的量子自旋体系,是凝聚态物理的另一个重要研究方向。在该类体系中,自旋阻挫引起的量子涨落会破坏长程磁有序,并可能导致绝对零度下的自旋液体等新奇物态。在具有金属行为的重费米子体系中引入自旋阻挫,将增强低温下的量子涨落,并和传导电子媒介的长程RKKY交换相互作用形成竞争。这时体系的量子临界行为会如何演变,是一个重要的基础物理问题。  近日,《自然-物理》杂志发表了中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX9组孙培杰研究员团队博士生赵恒灿,张佳浩等人和莱斯大学Q.Si教授以及马普所F.Steglich教授的合作研究成果。他们发现当重费米子体系的近藤晶格位于阻挫kagome格子时,通过磁场和压力调控,体系会产生一个在压力磁场相图上很宽的、安定的量子临界相。压力下的电阻率、磁化率和比热等测量表明,自旋阻挫导致的量子涨落是产生该量子临界相的主要原因。和其他各类材料中常见的量子临界点不同,相图空间上广域的量子临界相的发现预示着一个由量子涨落导致的稳定新物态的产生。同时,研究团队还发现该量子临界相具有非费米液体等奇异的物理性质。  该研究关注的重费米子材料CePdAl具有变形的kagome阻挫结构。自旋阻挫在很大程度上降低了该材料的反铁磁有序温度,并在磁有序温度以上形成很强的短程自旋关联,表现为磁化率的宽峰。通过构建该材料在极低温下的磁场、压力和温度的三维相图,研究团队发现该材料在反铁磁有序被磁场或压力压制以后,并没有进入非磁性的重费米子态,而是形成了一个在很宽压力和磁场范围内的量子顺磁态。该物态具有局域磁矩,但是在绝对零度附近也没有形成长程磁有序,具有金属自旋液体的特征。区别于常规的量子临界点,绝对零度下这一由量子涨落导致的区域被称为量子临界相。继续增加压力或磁场,该量子临界相可以被压制,体系发生局域巡游转变,进入重费米子态。这一发现对于探索和理解量子涨落导致的非常规金属行为具有重要的意义。  《自然-物理》还同期发表了德国马普复杂系统物理研究所AlineRamires博士应邀撰写的题为“Frustrationcanbecritical”的评述文章,对该研究工作的物理意义进行了详细的评述。  上述研究得到了科技部(2017YFA0303100,2015CB921303,2018YFA0305702),国家自然科学基金委(11774404,11474332,11574377,11874400),以及中国科学院(XDB07020200)的支持。参与该工作合作研究的还包括德国奥格斯堡大学的P.Gegenwart教授团队,日本富山大学的Y.Isikawa教授,物理所杨义峰研究员、陈根富研究员、程金光研究员和张帅副研究员等。相关论文近日在线发表于NaturePhysics,https://doi.org/10.1038/s41567-019-0666-6;同期发表的评述文章参考https://doi.org/10.1038/s41567-019-0668-4。 图一:CePdAl中压力诱导量子临界相的产生。(a)温度-压力相图和电阻率的温度指数。(b)通过参杂产生的化学压力表现出和静水压同样的结果,在量子临界相中具有发散的电子比热系数。(c)电阻率的A系数和残留电阻对应两个临界压力,中间区域代表量子临界相。图二:非自旋阻挫体系中的量子临界点和自旋阻挫体系中的量子临界相的对比。(参考A.Ramires,https://doi.org/10.1038/s41567-019-0668-4)

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  自然条件下,植物叶片接受到的光照强度随时在波动,时而光照不足,时而光能过剩。当光强突然增加时,植物叶片吸收的过剩光能容易造成光系统I活性损伤并影响植物生长。根据光合作用理论模型,环式电子传递和水水循环这两种替代电子传递途径都可以保护被子植物的光系统I活性免受波动光强的损伤。然而一直以来,环式电子传递介导的跨类囊体膜质子梯度的形成被认为是被子植物适应波动光强的主要调控机制。关于水水循环在被子植物适应波动光强中的调控作用鲜有报道。  近期,中国科学院昆明植物研究所张石宝团队对被子植物适应波动光强的光合调控策略开展了深入的研究。在对模式植物拟南芥的研究中发现,在光强突然增加的前20秒内,叶绿体并不能建立充分的跨类囊体膜质子梯度,进而导致过剩的电子从光系统II传递到光系统I,造成光系统I的过度还原,引发活性氧自由基的产生并造成光系统I损伤。虽然光系统I反应中心的过度还原会激发环式电子传递,但这仍然无法避免拟南芥光系统I发生损伤。由于拟南芥的水水循环活性很低,这一结果仍然不能排除水水循环在波动光强中的调控作用。  基于研究团队前期在华东山茶(Camelliajaponica)中发现水水循环是其适应强光胁迫的重要策略,研究人员对华东山茶开展了进一步研究,发现水水循环能够快速将光系统I处过剩的电子传递给氧气以解除光系统I的过度还原态,进而保护光系统I活性免受波动光强的损伤。进一步的研究发现,在波动光强中,水水循环是一种比环式电子传递更为高效的光保护策略。这是国际上首次揭示水水循环在波动光强下的重要调控作用,这一新机制随后又在景天酸科植物落地生根(Bryophyllumpinnatum)中被证实。然而,水水循环这一保护策略存在种间差异。例如,在对野生高盆樱桃(Cerasuscerasoides)的研究中发现,水水循环的作用并不明显。这些研究结果表明,被子植物适应波动光强的光合调控策略存在多样性与复杂性。  以上相关研究结果分别发表于EnvironmentalandExperimentalBotany(1篇)、PlantScience(1篇)和BBA-Bioenergetics(3篇)。上述研究工作得到国家自然科学基金项目(No.2016347)中科院青年促进会(31670343)的支持。  论文链接:12345

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  铁基超导体是一类重要的非常规高温超导体,目前主要由铁砷、铁硒两大类超导材料构成。二元铁硒是结构最为简单的铁基超导体,其超导转变温度Tc=8K,最早由吴茂昆小组发现。对于铁基等非常规超导体,为了优化超导电性,通常需要向材料中引入适量的载流子。因此,可根据引入载流子的类型,将其分为电子或空穴型超导体。目前,铁砷基超导体已实现了电子和空穴掺杂。因铁硒结构仅由反萤石型的FeSe层沿c轴堆集而成,没有可供转移载流子的结构单元,对其实现电子或空穴掺杂均比较困难。  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室陈小龙研究组与合作者长期开展FeSe基超导体的设计和制备。采用碱金属插层方法,他们前期发现了第一例电子掺杂的FeSe基超导体KxFe2Se2,Tc达30K。随后,运用液氨插层方法,他们又发现了大量无相分离的Ax(NH3)yFe2Se2超导体(A=Li,Na,K,Ca,Sr,Ba,Eu等),Tc可达46K。围绕着这类电子掺杂超导体,我国科学家相继发现了Tc达48K的高压超导相,Tc达40K的LiOHFeSe超导体,以及Tc达65K的FeSe单层超导体,大大加深了人们对铁基超导体的认识。同时,人们预期空穴型FeSe具有类似于铁砷的费米面,相关研究将有助于统一对铁砷、铁硒两大类铁基超导体的认识。但与电子掺杂相反,向FeSe中引入空穴意味着需要向Se2-层中插入阴离子,违反同性相斥、异性相吸的朴素原理,工作更具挑战性。  最近,该研究组的博士生孙瑞锦在副研究员金士锋和研究员陈小龙的指导下,与物理所研究员谷林、副研究员张庆华,以及北京师范大学教授殷志平、美国国家标准局教授黄清镇等人合作,首次制备出了几例空穴掺杂的FeSe基超导体(S/Se)x(NH3)yFe2Se2,并生长出了大尺寸单晶样品。该系列空穴掺杂的FeSe超导体由水热条件下的离子置换反应获得。图1中给出了由X射线单晶及粉末中子衍射方法解析的晶体结构。由单晶衍射经Fourier变换获得的电荷密度图中,可以清晰地观察到FeSe超导层间插入的S/Se离子,以及NH3分子中的N原子。结构中H原子的位置则通过中子衍射方法得以确定。这类超导体晶体结构的一个突出特点,是由阴离子(S2-或Se2-)嵌入了四方铁硒(FeSe)层间,并直接和Se成离子键,从而提高了超导层中Fe的价态。此外,不同于FeSe或电子掺杂FeSe样品,空穴掺杂后的FeSe构型更趋近于理想四面体。图2给出了利用DFT-DMFT方法计算得到的S或Se离子插层后,给FeSe的电子结构所带来的变化。可以清楚地观察到,插层样品的空穴型费米面较FeSe大幅增加,并且同电子掺杂FeSe超导体的电子结构完全不同。Bader分析等更定量的结果还表明,较之于Se插层,S插层给FeSe层中注入了更多的空穴型载流子。与此相对应,光电子能谱及穆斯堡尔谱数据也同时观测到,随着Se/S离子的插层,FeSe层中的Fe离子价态不断提高,并在S插层样品中达到峰值(图3)。此外,对(S/Se)x(NH3)yFe2Se2单晶的变温输运测量,均观察到了类似‘单带’行为的空穴型霍尔电阻,表明在整个的测量温度范围内,(S/Se)x(NH3)yFe2Se2样品的多数载流子均为空穴。最后,电阻及磁化率等测量数据表明(图4),对FeSe进行空穴掺杂后,样品首先失去了超导电性,但随空穴掺杂量的增加,样品又再次进入了超导态,并分别实现了6K和11.5K的超导转变温度,相含量均接近100%。更高Tc的样品将有赖于进一步提高和优化FeSe层中空穴型载流子的数量。  这项进展为今后更深入地研究空穴型铁硒基超导体机理打下了基础。该研究成果刊登于近期发表的《美国化学会志》(J.Am.Chem.Soc.141,35,13849-13857(2019))上,工作得到国家重点研发计划(2016YFA0300301,2018YFE0202600)、国家自然科学基金(51772323,51532010,91422303,51832010)、中科院青促会、中科院前沿科学重点项目(QYZDJ-SSW-SLH013)、东莞散裂中子源和松山湖材料实验室的支持。  文章链接图1.a,b)S0.12(NH3)0.26Fe2Se2和Se0.24(NH3)0.21Fe2Se2的单晶衍射数据和电荷密度分布。c)基于中子衍射数据解析的S0.24(NH3)0.26Fe2Se2结构。图2.利用DFT+DMFT计算得到的S0.24(NH3)0.26Fe2Se2,Se0.24(NH3)0.21Fe2Se2以及FeSe晶体的能带结构和费米面。图3.利用霍尔电阻、光电子能谱以及穆斯堡尔谱测定的FeSe,S0.24(NH3)0.26Fe2Se2以及Se0.24(NH3)0.21Fe2Se2中载流子类型及Fe的氧化态。图4.S0.12(NH3)0.26Fe2Se2,S0.24(NH3)0.26Fe2Se2和Se0.24(NH3)0.21Fe2Se2的电阻率和磁化率。

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