一周前沿科技盤點〔77〕丨激光萬般絢爛，“10拍瓦上限”突破；絕美的大質量原恒星團，并非朝夕“養成”
超強超短激光裝置應用面極廣，涉及基礎物理、國防安全、產業服務、健康醫療等重要領域。近日，科學家研發了一種拼接鈦寶石啁啾脈沖放大技術，突破鈦寶石超強超短激光“10拍瓦上限”。每每仰望夜空，我們所看到的閃耀星光主要來自大質量恒星，對其“過往”卻所知甚少。這些龐然大物究竟是如何形成的？得益于新一代射電望遠鏡，這種認知的局限已逐步打破。近期，科學家“畫”出了大質量原恒星團的演化圖景。
基于國際科技創新中心網絡服務平臺科創熱榜每日榜單形成的一周科技記憶，我們推出《一周前沿科技盤點》專欄。今天，為大家帶來第七十七期。
1、《Advanced Photonics Nexus》丨激光萬般絢爛，“10拍瓦上限”突破！?
拼接鈦寶石啁啾脈沖放大技術
1960年，第一臺激光器誕生，其原理是用一個高強閃光燈管激發紅寶石發出紅光。人們發現，激光光源優勢顯著，集單色性、方向性好、亮度高等于一身。所以此后的科學家始終致力于尋求更高的激光強度、更廣的應用范圍相關技術。當下，10拍瓦（1拍瓦=1千萬億瓦）級別的激光建設，更是各國前沿科技的“兵家必爭之地”。
超強超短激光裝置應用面極廣，涉及基礎物理、國防安全、產業服務、健康醫療等重要領域。“超強”指激光的峰值功率一般大于1太瓦，功率之大令人咋舌；“超短”指激光持續的時刻很短，達到飛秒量級。自1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦“上海超強超短激光實驗裝置（SULF）”、2019年的10拍瓦“歐盟極端光設施之核物理ELI-NP”，峰值功率的大幅提升得益于大口徑激光增益介質從“釹玻璃”向“鈦寶石”的轉變，使高能激光脈寬從約500飛秒減小至約25飛秒。然而，10拍瓦似乎成了鈦寶石超強超短激光的峰值功率上限。
近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室與上海科技大學合作，提出并驗證了一種拼接鈦寶石啁啾脈沖放大技術（T-CPA）。該技術既能增大鈦寶石口徑，又能截斷橫向寄生振蕩，還能規避復雜時空控制。研究團隊在100太瓦級超強超短激光平臺上成功完成了高時空性能的實驗演示并獲得理想結果。該工作為突破鈦寶石超強超短激光“10拍瓦上限”和開發百拍瓦級超強超短激光提供了技術手段。
原文鏈接：https://doi.org/10.1117/1.APN.2.6.066009
2、《The Astrophysical Journal Supplement》丨絕美的大質量原恒星團，并非朝夕“養成”
ASSEMBLE觀測樣例。左圖背景展示的是斯皮策太空望遠鏡觀測的中紅外偽三色圖，用于展示該區域活躍的大質量恒星形成活動，疊加在上面的白色輪廓是APEX望遠鏡的870微米連續譜巡天數據，勾勒大質量團塊區域；中圖展示ALMA提高了約20倍分辨率看到的870微米連續譜數據；右圖展示的是采用選源算法得到的致密云核分布情況。
每每仰望夜空，我們所看到的閃耀星光主要來自大質量恒星。這些龐然大物究竟是如何形成的？我們對其“過往”卻所知甚少。近日，來自北京大學、中國科學院上海天文臺、中國科學院國家天文臺、云南大學、廣州大學等的青年學者聯合展開了ASSEMBLE項目，該巡天項目使用阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣列（ALMA）在0.9毫米波段，對11個活躍的大質量恒星形成區開展了深度拼接成圖觀測，致力于完整呈現大質量原恒星團的全貌。
多年來，科學家一直在探索大質量恒星質量增長的路徑。大質量恒星質量的增長，主要來自分子云的碎裂成為致密云核，以及氣體吸積導致的質量增長。大質量恒星形成過程的復雜性，就決定了要使用高分辨率設備解析單個云核。同時，碎裂和吸積是隨時間變化的動態過程，使大質量原恒星團成為高度動態的研究對象。相比于其幾百萬年的演化時標，天文觀測卻只能捕捉其漫長一生的短暫一瞬。為了描繪出它們完整的動態演化圖景，研究者需要觀測大量類似性質的樣本，以復現它們在不同時間點的狀態。“我們正踏上一條漫長的旅程，捕捉原恒星團生命中的每一個短暫瞬間，見證它們的誕生和演變”，ASSEMBLE觀測項目的負責人、中國科學院上海天文臺的劉鐵研究員表示。
研究團隊深入而系統地研究了處于不同演化階段的大質量原恒星團，進而提出了關于大質量原恒星團演化的全面動態視角：在初始階段，原恒星團起源于熱力學金斯碎裂，表現為較大的云核間距和質量未分層。隨后，纖維狀結構作為“傳送帶”，促進物質從團塊尺度的彌散介質向致密云核的轉移，從而逐漸建立起團塊與云核之間的聯系。同時，原恒星從致密核心中形成，導致氣體和塵埃的加熱，團塊轉變為紅外弱狀態。由于持續的引力坍塌和收縮效應，原恒星團變得更加緊密，核心間距縮小，晚期出現質量分層。
過去受觀測設備及技術水平的限制，對星團的研究多集中于成熟星團。近年來，新一代射電望遠鏡分辨率、靈敏度、計算能力提升，急劇擴大了原恒星團樣本量，科學家才得以“溯本求源”，逐漸揭開大質量星團早期演化過程的面紗。
原文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/acfee5
3、人工視覺芯片，越來越接近人類視覺了
脈沖視覺信號流?
人工視覺芯片是一種感算一體化的圖像傳感器、一種典型的邊端型智能感知系統芯片，依托單芯片，即可完成圖像獲取和原位實時智能圖像處理等任務。它廣泛應用于自動駕駛、敏捷機器人、智能無人機、混合現實和工業機器視覺等前沿領域。目前的人工視覺芯片以多比特實數數據形式在片上進行圖像信息的獲取、表達、處理和傳輸，面臨處理數據量大、深度神經網絡計算復雜度高、電路復雜、片上存儲開銷大、處理延遲和功耗大等諸多的設計和應用挑戰。
近日，中國科學院半導體研究所劉力源團隊創新性地設計了一款脈沖型人工視覺芯片，它集成了單光子脈沖型圖像傳感器和可重構脈沖視覺處理器，可現視覺信息的獲取、表達、處理和傳輸等全鏈路的信息脈沖化，更接近人類的視覺系統。
4、《Physical Review Letters》丨細胞“擠來擠去”自有它的道理
失穩界面加速細胞群體的生長
許多重要的生物學過程會涉及細胞群體的生長，比如腫瘤增殖，微生物群落生長，傷口組織愈合等。對于生長的細胞群體，局域的細胞生長會擠壓周圍的細胞，從而導致局域壓強的升高。另一方面，細胞間的擠壓會反過來減緩細胞的生長和細胞周期的進程，從而對細胞群體的生長產生負反饋調節。同時，細胞群體在快速生長過程中常常會出現界面失穩（Fingering instability）現象。這一現象十分常見，在上皮組織的鋪展、生物膜的斑圖形成等過程中都能觀察到。
近日，北京大學前沿交叉學科研究院定量生物學中心/北大-清華生命科學聯合中心的林杰課題組，建立了連續場力學模型，他們借助綜合理論分析與數值模擬，從力學角度解釋了細胞群體生長過程中的界面失穩機制，還從進化角度闡釋了界面失穩現象為何普遍存在：失穩可以緩解細胞間的相互擠壓從而加速生長，選擇壓力會使得細胞改變自身的力學性質從而獲得進化優勢。
原文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.018402
5、《Nature Communications》丨人體微生態的“百科全書”來了
人體微生物群與各器官存在廣泛且深入的交流，進而組成了人體“微生態系統”，在維持人體穩態、抗感染以及調節免疫系統功能等方面扮演關鍵角色。人體“微生態系統”失衡是導致多種疾病比如癌癥、慢性心血管疾病、免疫代謝性疾病等的關鍵因素之一。因此，針對人體“微生態系統”的干預措施有望成為新的疾病治療熱點。然而，目前對于人體微生物群在不同器官位點的空間異質性、個體異質性以及微生物群跨器官傳播等方面缺乏深入研究。
西安交通大學第一附屬醫院佘軍軍、丁小明和香港中文大學于君團隊攻關5年，全面采集人體7大器官（口腔、食管、胃、小腸、闌尾、大腸、皮膚）53個解剖位點的1608份微生物樣本，采用16S rRNA測序及PacBio三代全長測序技術，繪制了詳實的人體表面器官（內表面-全消化道；外表面-皮膚）細菌微生物群落全景圖譜。鑒定出人體表面器官的共有核心微生物群及不同位點的特征性微生物群，揭示人體不同部位微生物群組成及分布的多樣性和特異性；發現人體內微生物群在消化道不同位點及消化道黏膜—內容物間的傳播和遷移規律，揭示一系列具有特定傳播傾向的微生物在塑造不同消化道位點特征菌群中關鍵作用；全面揭示不同位點消化道內微生物互作關系的普遍性和特異性。他們發現，即使同類微生物間，也會隨著解剖生理位置不同表現出極大的空間異質性。這項研究為人體微生態系統研究提供了“百科全書式”的基礎性參考依據，為進一步認識微生物群在人體不同器官間的功能，及開發針對人體微生態系統的干預措施提供理論依據。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44720-6
關于“科創熱榜-前沿科技”
國際科技創新中心網絡服務平臺（www.ncsti.gov.cn），基于中科院、工程院、醫科院、農科院、985高校及新型研發機構等近200家科研院所、單位發布的研究成果，多源動態提取并按領域維度、期刊級別、創新載體、學者信息、時間梯度等多維度權重，經人工智能計算分析，形成推薦榜單，每日更新。
本文鏈接：http://knowith.com/news-7-138.html一周前沿科技盤點〔77〕丨激光萬般絢爛，“10拍瓦上限”突破；絕美的大質量原恒星團，并非朝夕“養成”
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