Nature一周论文导读 | 2026年5月7日

Charge-dependent spectral softenings of primary cosmic rays below the knee

膝区以下初级宇宙射线的电荷依赖性光谱软化

在大多数粒子加速或传播理论中，由加速极限或传播相位变化导致的宇宙射线光谱特征是电荷依赖性的。然而，交互场景通常呈现出质量依赖的光谱特征。由于难以测量单个粒子直至极高能段的能谱，目前仍缺乏对自然界中究竟哪种关系实际起作用的观测验证。

研究组基于“暗物质粒子探测器”9年的在轨数据，报道了碳、氧和铁能谱在约20吉伏至约100太伏（铁为60太伏）能量范围内的直接测量结果。并首次在这些能谱中直接探测到明显的光谱软化现象。

结合更新的质子和氦光谱，这种光谱软化普遍出现在约15太伏的刚度处。当置信水平高于99.999%时，光谱软化与核子质量相关的假设被排除。研究组讨论了这些结果的可能解释，包括附近存在宇宙射线源以及其他模型（如传播效应）。[论文详细信息]

Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states

超导涡旋态的量子相干操纵与读取

超导体的一个决定性特征是其倾向于排斥磁场，然而在超过某一临界阈值时，磁通量会以阿布里科索夫涡旋携带的离散量子形式穿透进入。

涡旋核心处的超导能隙完全被抑制，使其成为耗散的半经典实体，从而影响到从高电流密度导线到量子器件等各种应用。

由于在相干长度尺度上存在本征或涌现的颗粒性，材料无序可以驱动一种在核心处保留能隙的涡旋转变。尽管在这种有效隧道结机制中可能出现量子涡旋行为，且学界在不同系统中也已观测到相关特征，但尚未实现对涡旋态的相干操控。

研究组提供的证据表明，陷在颗粒超导薄膜中的涡旋可表现为二能级系统，展现出微秒量级的量子相干性以及达到几分之一毫秒的能量弛豫时间。

利用电路量子电动力学的方法，研究组在颗粒铝微波谐振器中实现了对涡旋态的相干操控和量子非破坏读取，这预示着量子信息处理、材料表征和传感等领域的未来发展方向。[论文详细信息]

Triple-junction solar cells with improved carrier and photon management

优化载流子与光子调控的三结太阳能电池

钙钛矿-硅三结光伏器件相比双结器件可显著效率，但代价是复杂性增加。

研究组解决了钙钛矿-硅基三结太阳电池中的两个关键瓶颈问题：宽带隙（WBG）顶电池的开路电压（V_OC）降低，以及中间电池的光生电流受限。

非挥发性添加剂4-羟基苄胺（HBA）能够调控WBG钙钛矿的结晶过程并钝化缺陷，促进定向生长并抑制非辐射复合。结合改进的能级对齐，该策略实现了高达1.405 V的V_OC，并提升了稳定性。

为克服中间电池的电流限制问题，研究组采用三步沉积策略来形成较厚的窄带隙钙钛矿吸收层，同时保持微观结构完整性并增强电子提取。

此外，积聚在纹理化硅底电池前谷区的低折射率SiO_x纳米颗粒（SiO_x-np）可作为光学中间反射层，增强了中间电池的光吸收。研究组将上述进展集成到1 cm²的钙钛矿-钙钛矿-硅器件中，最终获得了30.02%的认证效率。[论文详细信息]

Electronic origin of reorganization energy in interfacial electron transfer

界面电子转移中重组能的电子起源

电子转移（ET）反应是生物和非生物系统中能量转换与化学转化的基础。任何ET过程的效率都依赖于在最佳驱动力范围内实现所需的ET速率。

Marcus理论提供了一个微观框架，用以理解ET中活化自由能（进而理解其速率）与一个关键参数（重组能）之间的关系。

在带电固液界面，长期以来人们普遍认为，只有电解质相中的因素决定了重组能，而电极的电子态密度（DOS）仅决定ET的热力学可及通道数量。

然而，研究组表明，电极DOS在调控重组能方面起着核心作用，其重要性远超传统认知。利用原子层状异质结构，研究组调控了石墨烯的DOS并测量了外层ET动力学。结果发现，由此引起的ET速率变化源于与电极中图像电位局域化相关的重组能显著调制。

这项工作重新定义了非均相ET动力学的传统范式，揭示了电极电子结构在界面反应性中更深层次的作用。[论文详细信息]

Decarboxylative alkylation of alkenes

烯烃的脱羧烷基化

烯烃是合成化学中广泛应用的官能团，对生产聚合物、洗涤剂、农用化学品及药物至关重要。烯烃与亲电试剂反应时，通常发生加成而非取代反应。

因此，化学家的工具箱中缺少一种直观的逆合成切断方式：即从母体烯烃出发构建取代烯烃。例如，将三取代烯烃转化为四取代烯烃，或对复杂烯烃进行后期烷基化，将能够获得目前难以构建的分子。

烯烃交叉复分解反应可对合适取代的烯烃实现形式烷基化，但其非对映选择性以及烯烃-烷基的组合仅限于特定情况，并且多类烯烃（如内烯烃或环烯烃）无法通过已知方法轻易实现烷基化。

研究组报道了一种烯烃的形式上区域选择性和非对映选择性的C-H烷基化反应，使用种类繁多、易于获得的羧酸作为烷基来源。

该方法的关键在于一种极性脱羧烷基化途径，它不同于现有基于羧酸衍生物自由基介导的C-C键形成模型，而是依赖于一种此前未被重视的途径：从氧化还原活性酯生成持久性烷基锌中间体。

通过钯催化的烷基锌物种与由烯烃制备的烯基噻蒽盐的交叉偶联，研究组实现了高非对映选择性获得取代烯烃。该转化可实现对具有不同烷基的环状、非环状、末端、内部、单取代、二取代及三取代烯烃的烷基化。[论文详细信息]

Uncertain dynamic response of mid-latitude winter precipitation

中纬度冬季降水的不确定性动力学响应

理解降水变化对人类社会与生态系统至关重要。已有研究明确了人为强迫和气候内部变率对降水趋势的各自贡献，但观测和模拟模式之间仍存在差异。

在北半球冬季，这类差异通常被归因于主导观测趋势的非强迫性气候内部变率。不过，越来越多的证据也表明，气候模型低估了降水对人为强迫的整体响应。

研究组发现，气候模型能够较好重现降水变化的热力学贡献，而动力学贡献则会出现较大偏差。

该研究通过分离1950年—2022年冬季降水趋势中人为强迫的热力学分量、动力学分量与气候内部变率，探究三者对趋势差异的影响机制。在地中海地区，气候模型模拟得到的强迫动力学信号仅能解释约10%的观测动力学趋势，探测难度陡增。

在持续人为排放情景下，预估的大气环流响应加剧，更接近观测到的趋势模式。

尽管观测记录中的气候内部变率可能助推了这种相似性，但研究结果表明，动力学响应在塑造区域冬季降水趋势中具有不确定但潜在的新兴作用。在气候模型中精准展现人为强迫下的大尺度大气环流响应，仍是提升区域降水预估可信度的关键所在。[论文详细信息]

Science一周论文导读 | 2026年5月7日

High risk of extinction across the flowering plant tree of life

开花植物生命树面临高灭绝风险

植物在全球生物多样性评估中基本缺席，这种分类学上的不平衡几十年来一直阻碍着对植物的保护。

研究者为所有开花植物（被子植物）物种构建了一棵生命树，并提供了其灭绝风险评估，这是对其受威胁进化历史的全球评估。

他们估计，21.2%的被子植物进化历史面临灭绝风险，并确定了9945个优先物种。这些物种不成比例地占据了受威胁的进化历史总量。

这些优先排序有助于纠正植物与动物之间的不平衡，监测保护成效，并在人类对生物多样性的压力日益增加的情况下优化资源分配。[论文详细信息]

Climate-induced range shifts support local plant diversity but don’t reduce extinction risk

气候诱导的分布区范围变化支持了当地植物多样性，但并未降低灭绝风险

气候变化和其他大规模的全球性变化正在增加许多物种的灭绝风险，研究者利用物种分布模型，预测了超过6万种植物在气候变化影响下的分布区范围变化。

他们发现，在不同的排放情景下，到2100年，这些物种中有7%至16%将面临高灭绝风险。

考虑到人类对植物生产力和多样性的依赖程度，研究揭示了不加遏制的人为全球变化所带来的巨大风险。[论文详细信息]

A molecule with half-Möbius topology

具有半莫比乌斯拓扑结构的分子

C₁₃Cl₂形成一个具有奇特电子结构的应变碳环。这种非平面单重态只有绕环体系四圈后才呈现周期性，这与半莫比乌斯拓扑结构相符。

研究者在氯化钠表面上通过脱氯反应合成了该分子，并利用扫描隧道显微镜绘制了其螺旋轨道电子密度分布。

他们还能够在这两种具有相反扭转方向的半莫比乌斯单重态与平面且拓扑平庸的三重态之间可逆地切换拓扑结构。[论文详细信息]

Ferrimagnetism of ultracold fermions in a multiband Hubbard system

多带哈伯德体系中超冷费米子的亚铁磁性

氧化铜超导体及其他强相互作用体系被认为可以用哈伯德模型来描述。

这一包含粒子跳跃和相互作用的模型，可以利用光晶格中的冷原子进行模拟。然而，要纳入多个能带——这对于准确描述相关物理至关重要，但却十分棘手。

研究者利用光学Lieb晶格中的费米子锂-6原子，对多带哈伯德模型进行了量子模拟。Lieb晶格可被视为氧化铜晶格的简化描述。由于构成Lieb晶格的两个子格具有不等数量的格点，该体系预期会表现出亚铁磁性。

研究者通过自旋的格点分辨测量观察到了这一现象。该方法为探索奇异物相，如kagome晶格中的量子自旋液体以及近藤模型中的重费米子行为，铺平了道路。[论文详细信息]

Biocatalytic cascades enable manufacture of the macrocyclic peptide enlicitide

生物催化级联反应可实现大环肽恩利西肽的制备

历史上，许多重要的治疗靶点仅能通过注射给药的生物制剂来靶向。

大环肽——例如用于治疗动脉粥样硬化性心血管疾病的前蛋白转化酶枯草溶菌素/kexin 9型抑制剂恩利西肽——正开始将这些靶点向口服疗法开放，从而使更多患者能够受益。

研究者报道了一种从简单构建块出发、通过汇聚式生物催化组装制备恩利西肽的方法。

方法依赖一套工程化酶，以无需保护基的方式催化选择性肽片段形成、连接和大环化。结合能够替代色谱纯化的高效结晶工艺，该方法相比现有最先进技术将合成步骤减少了一半以上，解决了长期存在的合成难题，并为复杂肽类治疗药物的可规模化、可持续开发提供了蓝图。[论文详细信息]

Dynamic segmentation of the Sagaing fault

萨冈断层的动态分段特征

一般认为，大型走滑断层的滑动受结构边界（如显著弯曲或岩石类型变化）的限制。

对于结构相对简单的萨冈断层——该断层在2025年曼德勒7.7级地震中发生破裂——其分段性可能更具动态特征。研究则利用2025年破裂事件的卫星数据以及历史滑动速率，模拟了5000年尺度的地震周期。

他们发现，长期滑动速率的变化会影响地震的复发模式。对于萨冈断层或圣安德烈斯断层中部等体系而言，长期滑动速率可能是控制分段特征和破裂行为的重要因素。

研究突显了整合大地测量、地质和地震学观测资料对于改进地震危险性评估的重要价值。[论文详细信息]

转载自科学网微信公众号

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/V-CBgS51vGXpNGhDSPZLAg

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一审：冯晨，二审：平静波，三审：杨保华