京都大学博士后

彭超人类通过操纵电子发展了大规模集成电路、高性能芯片及通信系统，在摩尔定律下，微电子芯片已成为了人类现代科技的基石。如今，人类正在通过“操纵光子”迈向高密度光子集成，“光子芯片”或将成为下一次科技革命的突破口，成为体现国家科技实力的核心技术。北京大学电子学系信息与通信研究所、“区域光纤通信网与新型光通信系统”国家重点实验室副教授彭超经过十多年的研究，突破了一系列面向光子集成领域需求的关键科学问题。他以非厄米光子学和拓扑光子学为研究方法，探索高密度、高性能光子集成器件与技术，为突破片上集成关键技术瓶颈、推动光子芯片发展做出了一系列前沿性贡献。光子操纵的终极目的是把光子技术应用到生活生产实际中。彭超说，他希望自己研究的理论能变成实际运行器件的核心原理或设计方法的一部分，这是他从事光子学研究的最初愿望。他说：“如果说做物理是一种信仰，我喜欢做物理；但是我需要让它能做出来有用的成果，将它们应用到我们的生产生活中。”博采众长，从物理尖子到科研“工匠”高中时代的彭超就是物理尖子，尽管偏科严重，但在物理竞赛中屡获大奖，让他成功被保送北大的“中华第一系”——物理系。本科阶段，彭超就已经有了许多研究经历，跟着北大现代光学所的老师和学长从事超快光学等方面的研究。至今让他印象深刻的是，他和师兄在“小黑屋”里做红外光学实验，从早上九点到晚上九点一直拉着窗帘。尽管做的是光学实验，但有时候坐上一整天，也看不到光。回忆当年，彭超感慨说，那时候的自己并不完全理解纯光学物理在实际中的意义，那时候的他更想做点“实用”的东西。确定大四保研后，彭超转到电子学系从事光通信器件研究。一项完整研究需要“光机电算一体化”，这不光是要理解原理和完成测量，更需要从头到尾的完整工程训练，当时的他“如愿以偿”地做了许多硬件和软件工作。经历了一两年的偏工程研究后，彭超又开始回头做理论研究，他的博士论文，也最终选择了比较学术的“非互易光学”作为研究题目。博士毕业之后的彭超，迎来了自己在学术上的迷茫期，在还未找到清晰的未来方向时，他应聘到爱立信公司，成为了一名无线通信系统工程师，主要负责3G基站硬件，当时电路主板上有五千多个元器件，设计完成后还要去跟工厂打交道，组织技术验证，部署测试。一年后，尽管工作非常不错，但彭超却感觉自己离科学家的梦想越来越远。为了“抢救”自己的梦想，他毅然辞去了这份还算不错的工作，申请了去日本京都大学，师从Susumu Noda教授从事博士后研究。Susumu Noda是光子晶体领域最领先的研究者之一，他带领课题组几十年如一日，严谨地在光子晶体领域进行精细化研究，从学术研究一直到产品研发。正是这样一种严谨的科研方式，让彭超在京都大学的两年时间，开始真正地融合自己的知识背景和技能，“特别是他那里有很多的半导体微加工设备、工艺，当时在国内还没有这样好的条件”。凭借自己良好的物理背景和数理基础，彭超很快融入了课题组，并从中学习到了许多先进工艺和设计。彭超说，那几年里，他所做的研究真正跟实际联系起来了。直到他离开日本多年后，导师当年进行的研究才获得了巨大成功，这让彭超更加清楚地认识到，做科研是一个漫长的过程。但中间每一步细致的研究，都在将设想一步步变成现实。这种厚积薄发最终获得成功的感觉，让他觉得非常振奋。如果说，在日本感受到的是用“专注”做科研，一个项目可以“死磕”十几二十年，那么2017年，彭超去美国麻省理工学院感受到的则是另一种美式科研文化，即极度追求创新而不在细节上纠缠。“美国科学家可以不断地追求全新的东西，抛开很重的工程性步骤，要转向全新方向也非常快，具有很强的创造力。在追寻一种全新领域的时候，每铲子下去都是金子。”彭超说，在美国和日本他感受到的是两种完全不同的工作方式，而回国后，他和如今团队的风格更偏向于一种“中庸之道”，形成了自己的风格和范式。在日本的几年博士后研究中，彭超把自己的知识结构和工艺技能重新进行了规整，回到北大之后，他又重新组织了自己的研究方向和学术上的规划。他拾起了原来在做的课题——光纤陀螺仪。这一研究一度最大的问题是他只攻克了原理，而没有形成实物，无法令人信服。花了两年时间，他终于把双偏振光纤陀螺仪工程化，做出了真正的实物原型。在彭超看来，从一个纸面上的理论变成实物，甚至从实物变成产品甚至商品，这是一个很漫长的过程。但只有从最基本的物理原理出发，关注这个原理能否抽取出来，作为未来的某个改善人们生活或者信息科技的核心部分，带着这种“敏感性”去做，才存在将其变成有用的东西的可能性。彭超认为，现代光电子技术，并非仅是版图、电路和代码，而是应该去发现新的材料体系、新的物理规律，叩问有没有可能在一个全新系统中构造新的可能性。“既然是这样，我们能够发现什么？新材料体系，有没有可能去做一些全新的事情？我们是做光的，我们希望去操作光子在一个体系中产生可利用的行为。但是光其实是一个很顽固的东西，改变光比改变电要难多了，它很快就逃掉了。所以需要更多的方法和手段去控制它，所以我们研究的关键点就是能不能操纵光子，最终我选择了光子晶体作为主要的研究方向之一。”与硕士毕业生合影操纵光子，为拓扑光子学开拓新方向光子学是关于光的科学和技术，特别是光的产生、传导、操控、增强及探测。光子技术被广泛应用于通信系统、新型照明、高性能计算、生物医疗、加工制造、洁净能源、海洋勘探、军事科学等诸多方面，是体现国家科技实力的核心技术之一。围绕着“光的操纵”进行研究，研究的终极目的是把光子用到生活生产中的器件上面。彭超说，人类的科技是建立在相对微观的、即对微观粒子的操控程度上，而迄今以来人类操纵最完美的粒子就是电子，这几乎已经成为信息通信的基石，对电子的操纵最终形成了大规模的电路、芯片及通信系统等。如今，人类正在围绕光子进行研究，遗憾的是，除了激光器和光纤通信里用光距传递信息外，光子的应用仍极少。“我们的目标就是把光子研究的成熟度和它在信息系统中的应用达到与电子相当的水平，所以我们就要操纵光，包括它的产生、发射，到让它产生变化，进行传输，甚至是接收探测等。”彭超首先关注的在微小尺度实现光束缚的可能性，即高品质因子的光学腔体。它的光谱线非常干净纯粹，不仅可以用在传感领域，还可以用于光子集成领域。例如，未来的高质量激光器就可以集成在一个小小的芯片里面，这已成为光电子领域的一个大趋势。彭超与课题组分析了光子晶体体系中的光子耦合过程，深入研究了一种不同于传统光学谐振模式的特殊谐振态。这类特殊谐振态可在允许光子逃逸下实现光束缚，因此被称为连续区束缚态。彭超课题组发现，这种奇妙的束缚态可以用带权重的干涉相消效应解释，相关工作发表在《物理评论快报》上。彭超课题组进一步注意到连续区束缚态与拓扑光子学的联系。拓扑学研究连续演变下的不变特性。2016年，诺贝尔物理学奖被授予“物质的拓扑相变和拓扑相”相关工作，肯定了拓扑性质对于理解微观奇异世界的重要作用。将拓扑方法应用于光子学领域研究，成为理解光子独特规律的有效手段。2018年，彭超与麻省理工学院Marin Soljacic教授、宾夕法尼亚大学Bo Zhen助理教授合作，对非厄米光子晶体的拓扑性质展开了直接实验研究，成功观测到非闭合的费米弧和半整数拓扑荷现象。非厄米体系具有损耗，同时也带来了独特的拓扑性质。这一工作以“成对辐射奇异点体系中体费米弧和偏振态半核的观测”为题在《科学》发表，彭超为共同第一作者。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出有趣的评价：“系统损耗往往被认为是一种阻碍，而这里却成为获取系统拓扑性质的有效途径。”彭超在前期半整数拓扑荷观测结果基础上，进一步注意到了连续区束缚态的拓扑本质。连续区束缚态本质上是动量空间的偏振涡旋，也就是整数拓扑荷。他原创性地提出将多个整数拓扑荷渐进合并，进而改变了光子晶体辐射在随机工艺误差下的渐进行为，理论提出并实验观测了一类随机散射下被拓扑保护的、鲁棒的超高品质因子的谐振态，实测品质因子达到破纪录的49.5万。2019年10月，相关工作以在“拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态”为题发表在《自然》上，彭超为唯一通讯作者。澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授在《自然》同期发表评述文章，评述该工作在微腔光子学、非线性光学、低功耗激光器等领域具有重要前景，被称为光束缚领域的“重大进展”（Light trapping get a boost）。彭超进一步探寻操控拓扑荷演变实现新型光子器件的可能性。高密度、高带宽、大容量的全光互联技术潜力巨大，但链路传输能力受制于损耗。因此，实现光的定向辐射是降低损耗，提升光子集成规模的一项关键技术。为此，彭超课题组和合作者从拓扑视角出发提出了一种单向辐射的特殊谐振态。他们调控一维光子晶体，将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，这样就形成仅向一个表面辐射能量的“单向辐射导模共振态”，实测非对称辐射比高达27.7dB，较传统光栅设计提高了2个数量级。相关工作以“拓扑保护的单向导模共振态观测”为题，于2020年4月22日在《自然》上在线发表，彭超为唯一通讯作者。放眼未来，高密度“光子芯片”成突破口彭超经过十多年的研究，证明了非厄米光子学蕴含了奇异点与费米弧、光连续区束缚态、光子晶体面发射激光器、高对比光栅等若干新机理、新器件背后的共性原理。同时，面向光子集成领域需求和关键科学问题，他以拓扑光子学为研究方法，一步步探索着高密度、高性能片上的集成器件与技术。在彭超看来，光子学具有与微电子学相似的发展路径，即从分立器件向集成系统演进，从单一功能器件向复杂片上系统演进。近50年来，电路集成度每18个月翻一番（摩尔定律），芯片功能得到几何级数的增强，高集成度、高性能微电子芯片成为了现代科技的基石。可以预见的是，高密度光子集成也会带来同样的变革性效果。一旦形成高度集成的光子片上系统，即构造出“光子芯片”，其在功能、功耗、成本、封装难度、可靠性、规模化等方面将具有巨大优势。光子芯片速度快、功耗低、操控维度丰富的特长若与微电子芯片计算逻辑能力强、体系成熟的优势相结合，就能发展出高密度光电混合集成技术，这将有望成为下一次科技革命的突破口。如今，围绕突破片上集成关键技术瓶颈、推动光子芯片发展的问题，彭超正在依托前期研究经验及所在国家重点实验室设备条件，运用拓扑光子学方法研究非厄米光子体系的一般规律，探索并实现面向片上集成的新型光子器件。从一名“物理尖子”成长为一个“科研工匠”，从实验室里曾不知为何到如今引领探索国际前沿难题，彭超说，自己走过弯路，也尝试过许多别的东西，甚至面临过IT、互联网等热门行业领域的诱惑，但他最终回到了北京大学，坚定地走自己的学术道路。他说，这就是他热爱的、有意义的工作。彭超认为，不能以功利的方式做科研，科研不只是一门“讨饭”的行当。科研必须耐得住寂寞，必须做实事，与国家的利益结合起来。作为年轻的团队负责人，彭超在带领团队进行科研时，总希望以一种更积极的方式尽可能地让他的研究生和团队成员都得到足够的训练。“我们的学生，他来的时候只有满腔的热情，如果没有一个明确的方向和引导，当热情没了，他就会离开这个领域，甚至会建立一种无法在科研中取得成果的消极观念。”他认为，必须给团队成员和学生足够的自由度，但在真正出现问题的时候要一起去参与解决，一起成长，而不是高高在上。面对层出不穷的科研困难，甚至99.5%乃至于99.9%的科研最后都证明是不可能实际使用的，他的想法是“那又怎么样？你至少证明了某条路是错的”。“你可以做不出来，甚至做不好，但是一定要以靠谱的方式去做，得出来的就是一个靠谱的结论，行就是行，不行就是不行，是客观存在的事实。”彭超说，这是他科研的原则。专家简介彭超，北京大学信息科学技术学院现代通信研究所、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副教授。2004年本科毕业于北京大学物理学系，2009年7月博士毕业于北京大学通信与信息系统专业。2009年至2013年3月于日本京都大学进行博士后研究。2014年至今任北京大学信息学院副教授。2017年至2018年间在美国麻省理工学院任访问学者。彭超主要致力于光子器件理论及应用研究，聚焦非厄米、非互易光子体系基本原理，及发展信息领域亟须关键器件的方法和技术。代表性工作包括：首次观测到非厄米光子体系中的“体费米弧”和“偏振态半荷”，以共同第一作者发表在Science（ESI高被引论文）并被同期评述文章重点介绍，阐明了连续区束缚态中“对称”和“拓扑”的作用，以唯一通讯作者发表在Physical Review Letters上，理论提出并观测了“拓扑合并连续区束缚态”，以唯一通讯作者发表在Nature并被同期评述文章中的介绍；提出了并实现了“单向辐射导模共振态”，以唯一通讯作者发表在Nature；在光学经典波动系统中首次合成了实空间非阿贝尔规范场，以第二作者发表在Science。彭超还提出了“非厄米光子晶体辐射理论”，成为“光子晶体激光器”及“高对比光栅器件”重要设计方法；建立了硅基器件自主加工和测量平台，首次演示了高对比光栅热光调相器及阵列规模为8×8的片上电光调制光学相控阵。曾主持或参与国家自然科学基金“精密测量物理”重大研究计划之基于超大光纤陀螺仪的世界时精密测量、国家自然科学基金面上项目之连续区光子束缚态理论与传感应用研究、国家自然科学基金青年项目之基于二维导模共振效应的光轨道角动量产生和操控机制研究,国家自然基金优秀青年科学基金之非厄米光子晶体等多个重点项目。多年来，彭超共发表学术论文75篇，其中以第一作者和通讯作者发表在Science等杂志的论文达50篇，含SCI论文36篇。Google Scholar引用1141次，h-index=17。申请国家发明专利7项，授权3项，在国际、国内学术会议作特邀报告至少10次。

虽然我们无法预先确定科学研究的方向，但我们相信真正的创新是在人们能够自由和专注于梦想的时候实现的。——加州理工大学前校长让·卢·查莫（Jean Lou Chameau）撰文 | 庄辞（中国科学院理论物理研究所）2019年2月24日，在蔡荣根院士的带领下，我与数学与系统科学研究院王晓欢博士一起踏上了此次日本基础科学研究机构的访学之旅。经过约3个小时的飞行，下午四点半，飞机平稳降落在东京羽田国际机场，来自东京大学IPMU的皮石博士热情地接待了我们一行。从羽田机场乘坐班车直达东京大学附近的三井花园酒店入住，行程需要1个半小时，但路况非常好，完全没有堵车，让人心情格外舒畅，感觉此次日本之行必定也会顺利圆满。第二天一早，乘坐公交车，我们抵达了此次行程的第一站：东京大学Kavli数物联携宇宙研究机构（IPMU） ，这里要顺便赞一下日本的公交系统，公交车到站时间非常准时，与站牌上的时刻表前后误差不到两分钟，方便乘客尤其是上班族安排出行时间。IPMU坐落于东京市千叶县东京大学柏之叶校区内，紧邻著名的日本东京国立癌症研究中心。柏之叶校区并不大，东京大学的众多研究机构都汇聚于此，包括东京大学宇宙线研究所（2015年诺奖得主Kajita Takaaki(梶田隆章)任所长）、物性研究所等等。东京大学柏之叶校园IPMU是一座外表其貌不扬的独立建筑，水泥砖块结构，外墙没有任何修饰，保留了水泥的原生态面貌，坚固而冷峻，很契合基础科学研究机构的气质：化繁为简、去伪存真。在接下来的几天与IPMU的科学家们的交谈中，我们了解到，IPMU的整体建筑结构是由几位创始科学家们（Hitoshi Murayama（村山齐）、Tsutomu Yanagida（柳田勉）等）精心设计的，他们借鉴了包括英国牛顿数学所在内的欧美知名研究机构的设计理念，充分考虑了开展基础研究所需要的自由、开放和促进交流的科研环境，设计了这座大楼的总体结构，然后由日本本土的建筑师们加以实现，这座建筑还获得了日本设计大赏的荣誉。IPMU正门从IPMU的正门走进去，左手边是一整排移动黑板，右手边是一块望不到尽头的长黑板，黑板上画满了七倒八歪、五花八门的公式和草图。在多媒体如此盛行的时代，黑底白字的手工推演依然是科学家们最喜爱的交流方式。IPMU一层走廊上到二层，从电梯口出来拐个弯儿，才终于看到了这所研究机构的全貌。它是一个中空的大loft结构，几乎80%的空间是开放式的，像是一个大广场，广场上错落有致地摆放着各种课桌椅、大长桌、圆桌、沙发和茶几，如果不是被四周林立着的黑板和白板上的数学和物理公式包围，你会误以为自己来到了一个五六百平的大咖啡馆。这种感觉并不是空穴来风，在当天下午与IPMU副所长Tomiyoshi Haruyama（春山富义）教授的交谈中，我们得知，IPMU每天下午3点都安排了CoffeeTime, 并要求在IPMU的每一位科学家、研究生和访问学者参加，这项要求甚至被写进了合同里！看来，咖啡与黑板、粉笔一样，是科学家们的必备，不可或缺！IPMU大厅科研人员办公室科学家们的办公室位于二、三、四、五层，呈螺旋型上升结构环绕于大厅四周，在大厅讨论或者喝咖啡时，透过墙上的玻璃门可以清楚地看到科学家们的办公室，这样的设计初衷也是方便大家打招呼、交流和找人讨论问题。也许某一天你在咖啡厅喝着咖啡，突然灵光一现有个想法不知是否可行，激动到立刻想找一位同行讨论，抬头看到某某大牛的办公室亮着灯，这时你只需要直呼其名一声，或者迅速跑上楼去，分分钟就能完成讨论，甚至一篇论文由此诞生（据说IPMU有一年发表了一篇著名的关于超新星的论文，就是由当时的一位数学家和理论物理学家在咖啡厅讨论完成的，并在随后不久被实验物理学家观测到，不得不说这才是做基础科学研究的正确打开方式）。与这个超大咖啡厅相比，科学家们的办公室可以说是非常简单迷你了，十多平方米的面积，有的还要两人共享。据说这样的设计也是为了促进交流，局促的空间让科学家们不要总是在办公室里待着，能时常出来讨论讨论。看来，为了给科学家们营造合作交流的环境，IPMU确实是煞费苦心，做到了极致！IPMU Coffee Time从左到右：春山富义、蔡荣根、佐佐木节在IPMU访问的第一天，我们与研究所的创始人之一柳田勉教授和副所长春山富义教授进行了访谈。在访谈中，我们了解到，IPMU的成立源于从2007开始，日本政府下决心要建立一批世界一流国际化科研机构的初衷，为此推行WPI项目计(The World Premier International Research Center Initiative)，并在全日本征集项目建议书，并找到了当时在东京大学任职的柳田教授。柳田教授从事粒子物理的理论研究，他非常有兴趣加入这个计划。机缘巧合，当时柳田教授的隔壁来了一位访问学者是做数学物理的，两人喝着咖啡就聊起了这个事儿，聊着聊着就一拍即合，决定写个proposal，成立这么一个研究机构，它的科研方向就定为三大领域：数学、高能物理和天体物理，因为他们认为这三个领域是研究宇宙最基本的起源和结构的，是人类好奇心驱动所想要知道的最最终极和本质的问题。而当时柳田教授的这位邻居正是来自美国Caltech的Hirosi Ooguri（大栗博司）教授，他也成为了IPMU的5位创始人之一，并于2018年接任Hitoshi Murayama（村山齐）教授，成为了IPMU的第二任所长。这也是通过学术交流活动产生思想的碰撞进而推动基础科学研究发展的又一例证，也被传为了佳话。采访柳田勉教授正是本着对开放交流和国际合作精神的推崇，IPMU在运行模式、人员配置、和经费安排上都处处体现出国际化、促进合作交流、营造开放自由环境的特质。固定科研人员和流动科研人员（博士后）的比例为1:2（目前IPMU有35位固定研究人员，65位博士后研究人员）， 运行经费中的50%以上用于学术活动和访问交流，每年有500-600位访问科学家，所有的行政管理人员都要求双语且工作语言为英语，所有IPMU的members必须参加每天的Coffee Time (下午三点准时打铃提醒) ，每位固定研究人员要求每年必须出国1-3个月，等等。在IPMU，博士后和研究生的经费由研究所承担，无需从科研人员的经费支出，正因如此，青年科研人员可以自由选择博导和合作导师，自由选择自己感兴趣的研究方向，而不必担心导师是否有充足的经费支持。IPMU报告厅春山副所长的报告在与IPMU所长大栗博司教授和副所长佐佐木节教授的访谈中，我们进一步了解到了IPMU的运行理念和发展模式。大栗所长告诉我们，IPMU每年都要接受日本WPI的项目评估，评估专家由研究所以外的科学家们组成，每次评估他们都会在所里待上整整两天的时间，除了听取所长的年度报告以外，其余时间都在所里与科学家们一起交流讨论，了解研究所的科研进展情况。而WPI项目对IPMU的支持也只剩下最后的三年了（WPI项目一个周期支持10年，最多延长5年，IPMU是全日本唯一一个获得5年延续支持的研究机构），IPMU目前也正在积极寻求其他的经费资助，以保证不减少研究所学术交流活动的频次和规模，因为这是研究所真正的核心价值所在，不能削减。包括日本政府、东京大学、各类基金项目以及民间资本都是可以争取的经费来源，也正因为此，大栗所长认为，科学家们对科学文化和科学精神的传播有着责无旁贷的义务，他本人曾经撰写过科普书籍，还经常在日本的财经杂志上撰写一些科学散文和随笔，通过这样的方式向公众传播科学，尤其是让日本的企业家们了解科学，培养科学情怀，用这样的方式来推动全社会支持基础科学研究。我想，这样的理念也正是我们所需要学习的。基础科学研究由于其过于抽象和深奥，几乎不可能与普通民众的日常生活联系在一起。如果做基础科学研究的科学家们不能通过适当的方式向公众和社会传达他们在想什么，做什么，要解决什么问题，就很难获得共鸣，科学的种子得不到播种，科学的精神也就不可能生根发芽，基础科学研究也就很难获得全社会的支持。这样一个科学家与公众的良性互动如果不能够形成，会在很大程度上和很长时间内制约基础科学研究的代际传承和发展。希望我们的科学家们也都能够积极行动起来，将投入科学研究一样的热情也投入到科学传播工作中去！与大栗博司所长访谈从左到右：庄辞、大栗博司、蔡荣根、佐佐木节为了了解和比较日本对基础科学研究的经费投入情况，蔡荣根院士就基础科学研究的稳定支持和竞争性经费的比例问题与大栗所长展开了热烈的讨论。在讨论中，我们了解到，日本政府对大学和研究院所的所有经费支持都用在且只能用于科学家身上，也就是提供给科学家的收入，而开展学术活动、招聘博士后的经费是需要科学家们自己去争取的竞争性经费，但研究生的开支也是由政府提供的，由学生自己向政府申请，如JSPS计划等，不需要由导师经费负担。这样，申请科研经费对于日本的科研人员来说并不是必不可少的，他完全可以从自己的需求出发，选择申请或是不申请，也不会影响本人的收入，因为收入多少与经费多少完全无关。在IPMU，为了招聘到全世界最优秀的博士后，由研究所提供有国际竞争力的薪酬来招聘PostdocFellow。IPMU的博士后不属于任何一个PI的科研团队，可以没有合作导师，他们可以自由地开展科研工作，这也是IPMU对于优秀的青年科学家来说最具吸引力的地方。除了博士后和研究生以外，IPMU每年还邀请许多杰出的科学家作为Affiliate Member加入到IPMU，为他们提供旅费和食宿，随时欢迎他们来IPMU开展合作研究。我想，这样的一种自由开放的理念，正是科学家们所崇尚和追求的。当科学家申请经费不与个人利益挂钩，培养学生不与个人收入挂钩，发论文也不与绩效奖励挂钩；当博士后能够按照自己感兴趣的方向选择合作导师，研究生可以自由申请经费的资助，是不是他们的学问也可以做得更加纯粹和自由？而对于从事基础研究的科学家来说，不需要申请大量的经费以维持科研团队的人员开支，是否也能省出更多的时间和精力专注于科研本身？蔡荣根与大栗博司大栗博司教授是国际著名超弦理论物理学家，在与蔡荣根院士一起谈到基础科学研究的重要性时，他认为，基础科学研究的有用性不是短期可见的，它的重要性最主要的体现在其对其他所有学科的影响上，这种影响是颠覆性的和长期的。大栗教授引用普林斯顿高级研究所的创始主任亚伯拉罕·弗莱特纳（Abraham Flexner）在他1939年的文章中的话：“大多数最终证明对人类有益的真正伟大的发现，都是由男人或是女人们做出的，这些人不是因为想成为有用的人，而是为了满足他们的好奇心。”从这个意义上来说，科学家是科学研究的主体，他们中的每一位才是实现科技创新最基本的单元和最需要支持的对象，而一个一流的科研机构所要做的，就是创造条件、营造环境，让科学家们能够在其中充分地施展他们的才华，激发他们的灵感，让他们的原始好奇心转化成原创的科研成果。加州理工大学前校长让·卢·查莫（Jean Lou Chameau）曾经说过：“虽然我们无法预先确定科学研究的方向，但我们相信真正的创新是在人们能够自由和专注于梦想的时候实现的。我相信这种鼓励好奇心和追求看似无用的知识的理念依然是这个国家需要保护和培养的。”我想，这也是每一个愿意为人类科技进步做出贡献的国家所需要保护和培养的！在IPMU的访问短暂而充实，这里的国际化程度之高、学术活动之频繁、学术氛围之开放，以及科研人员的自信、从容和笃定都让人印象深刻、心生向往。当我们结束最后一天的访问，乘坐新干线列车离开东京前往京都时，我收到了IPMU秘书裕子小姐发来的邮件，她已经把我们在IPMU的照片挑选整理好放到IPMU的网盘中供我们下载，同时，她还非常贴心地推荐我们在京都可以吃到的非常好吃的日本传统小食和甜品，惊讶于裕子小姐如此高效的工作和温馨的服务，瞬间让我们旅途的疲倦烟消云散，平添一丝美好！在此，隆重感谢在IPMU工作的皮石博士、韩成成博士、葛韶峰博士，东京理工大学的章颖理博士和京都大学的张云龙博士的大力帮助和热情招待，让我们的行程顺利圆满！从左到右：葛韶峰、章颖理、庄辞、蔡荣根、王晓欢、皮石背景介绍：2018年6月，在中科院数学与系统科学研究院席南华院士和理论物理研究所蔡荣根院士的大力推动下，中科院学部工作局通过了《从世界范围内数理科学研究的发展历程探索我国数理科学研究的突破之路》咨询项目的立项，该项目将总结世界范围内基础科学研究的发展规律和历史经验，对基础科学领域革命性、颠覆性成果的产出过程和所具备的条件进行分析和研究，并结合我国经济社会发展的实际情况，从基础科学的重点方向布局、高水平研究基地构建、机制体制环境优化、稳定经费支持、人才队伍建设等方面，探索出一条适合我国基础科学研究能够取得原创性突破成果的可行之路，为国家相关管理部门提供咨询建议。为了开展该项目的研究，项目首席科学家席南华院士和蔡荣根院士在前期进行了深入的探讨，并建议我与数学院科研处王晓欢博士，走访世界上知名基础科学研究机构，通过实地调研、对话访谈、采集资料，全面了解和分析它们成为世界基础研究领域顶级科研机构的关键之所在，他山之石，可以攻玉，这也是我们开启此次世界顶级科研机构之旅的初衷。文本为行程第一站——日本东京大学Kavli数物联携宇宙研究机构（IPMU）纪行。（未完待续）本文经授权转载自“中科院理论物理研究所”。《返朴》，一群大科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。

2018年11月27日，江苏南京，小雨，阴冷天气中流荡着一股特殊的温暖。江西省饶州监狱退休民警陈小龙在这个陌生的城市安详地闭上了眼睛，享年66岁。生命最后一刻，陈小龙将遗体无偿捐献给了国家，圆满完成了人生最后的献礼。退休不褪色，离世却励人。陈老用自己的点滴家国情怀，放大了监狱人民警察的光辉形象，书写了司法行政人警魂不朽英雄无悔的光荣使命。▲陈老完成遗体捐赠的荣誉证书穿上警服是我这辈子最大的骄傲！陈小龙，1952年生，上海人，1965年随父母来到江西省饶州监狱（原珠湖农场），1968年参加工作，2012年光荣退休。▲年轻时的陈小龙他扎根基层一线40余载，勤勤恳恳、任劳任怨。提起陈老，曾经的领导和同事都赞叹不已，“教育罪犯的行家里手”是大家对他的一致评价。40多年来，经他手教育转化成功的服刑人员不计其数，很多刑满释放人员回归社会后都实现了二次创业，走上了正道。每每接到这些人的电话，或收到他们的信件，他都要跟同事们“炫耀”一番。生活上，陈老勤俭节约，乐于助人，但却从不“炫耀”。多年前，陈小龙便萌生了捐献遗体的想法，他说：“虽然改造罪犯的工作平平淡淡，没有轰轰烈烈的抓捕现场，但我热爱这份工作，穿上警服是我这辈子最大的骄傲！”“瞒报”病情，理由“牵强”却感人据陈老的一位老同事陈长江回忆，在2018年10月份与陈老的一次通话中发现，陈老在电话中比较反常，平时都不愿主动挂电话的他那次却声音低沉，并以信号不好听不清楚匆忙挂掉了。陈长江觉得事情蹊跷，在立即拨打陈老外甥的电话后才得知，陈老因病已经住院很久。知道这一消息后，陈长江立刻坐车赶到了南京，在见到他的家人后才得知陈老已经病重，并且早已签署了遗体捐献协议。陈老的儿子陈晶告诉他，“爸爸一直不让我们告诉单位的同事，他不想给组织和同事添麻烦。”▲住院治疗中的陈小龙陈老去世后，老同事陈长江还告诉笔者另一件事情，陈老为了不给组织添麻烦，怕多花国家医保等钱，竟然在去世前半年就提出放弃治疗。已经病弱在床的陈老，误以为治疗时所用医保等钱也国家支付，所以对老伴和孩子说，自己的病无法治疗，耗下去也是浪费国家的钱，反正都66岁也算是活够了。身旁的老伴和孩子一边开导他，这钱虽然是医保，但是每次从工资中扣除后还是还给了国家，没有浪费。说完，母子转过头去抹眼泪。捐献遗体，不忘拉上父母和妻子“国家培养我一辈子，可我却没有为祖国做出什么巨大贡献，我想多为人民做点好事，如果自己去世后的遗体对医疗事业有用，我愿意捐献”，在世时陈小龙这样告诉家人。直到他完成遗体捐献，单位上却没有一个人知道。还有一件事单位同事更不知晓。据陈老的妻子李阿姨回忆，陈老在世时经常劝导她百年之后也能捐献遗体，一开始李阿姨没放在心上，直到有一天看到他把捐赠协议拿给她签字时，她才反应过来，并且很是生气：“捐献遗体，我不同意，你要捐自己捐去，反正我不捐。”除了妻子，陈老还一直说服父母参与遗体捐献。第一次听到这件事情后，陈老的父亲狠狠地批评了他一顿，非但无法理解儿子擅自捐献遗体的做法，更坚决反对捐献自己的遗体。面对家人的不理解，陈老没有放弃。他经常找来媒体报道的捐献案例，反复做思想工作。最终，父母和妻子被他的执着和情怀所打动，纷纷签署了遗体捐赠协议。言传身教，只为报效国家多年前，陈老儿子通过自己的努力，获得了出国留学的机会，但一年50万的高额学费却难倒了家人。那时，陈老夫妇都已退休，按照国家相关政策，陈老完全可以向单位申请资助，但他并没有这样做。面对老伴抱怨，陈老说，“我都已经退休了，每个月领着退休工资却不做事，没有再为单位做贡献，怎么好意思向单位开口？而且儿子读书本来就是我们自己家的私事，不能开这个口！”在陈老两口子等培养下，儿子陈晶很争气，不仅考上了南京大学研究生，而且毕业后又考取日本京都大学计算机软件开发博士。儿子陈晶在日本留学期间，一边勤工俭学，一边依靠陈老夫妇每天在南京一人打两份工赚来等辛苦钱终于完成学业。本来，已经考取日本京都大学软件开发博士后的陈晶，不得不因为学费和病危的父亲而放弃学业，并开始在异国他乡艰苦忙碌的赚钱还债生活。▲陈小龙生前一家三口合影儿子的留学梦实现了，但陈老又多了个担心，怕儿子留学后不愿回国，为此陈老反复叮嘱说，“是祖国养育了我，也是祖国培养的你，做人不能忘本，学成后你一定要回国效力。”目前，儿子陈晶正在日本工作赚钱还债，依靠每月4万元的收入逐步将读书时和父亲治病的钱还清，待债务一还清就回到国内工作。大雪无痕英雄无悔。江西监狱系统退休民警陈小龙用自己最质朴的善良，做出了最伟大的决定；用常人难以企及的人格魅力，感动着警营中的每一位战友；用自己的实际行动，擦亮了头顶上那枚金盾警徽。诠释了人民警察的家国情怀、不朽警魂。斯人已去，让我们为陈老共同祈福，祝愿他在天堂一切安好！（供稿：刘帅）来源：江西省饶州监狱

众所周知，日本大学的基本构成组织是“研究室”（理工类学科）。与国内大学常见的“教研室”体制不同，日本的大学老师皆以独立的“研究室”为据点展开教学研究活动。具体上，一个学部（系，学院）下属若干个学科（专业），每个学科则由若干不同研究方向的研究室组成。研究室通常以“主宰教授”命名，内部成员除了“主宰教授”之外还有助理教授、助手、大学院生等。体量庞大的研究室还会有一个副教授或讲师。当本科生进入大四学年时，会按照研究志愿配属到各个研究室完成论文。成员构成：指导教员：教授、副教授、讲师辅助教学，研究的成员：助理教授教员助手：研究/实验助手，秘书研究人员：博士后、院生（修士，博士）、研究生、客座研究员等卒论生：学部生这种研究室制度建立了一个完善的研究-教学体系和教员-院生-学部生的指导链。院生在和教授共同研究的同时，也起到了承上启下辅导学部生的作用；学部生在接受教授指导，利用研究室资源的同时可以和院生学习如何做研究写论文。此外，由于研究室的师承关系，校友资源也是十分丰富且稳固。然而研究室制度的最终成熟却经历了几十年的演变。从建筑系研究室发展的沿革可见一斑。建筑系中“研究室”的概念，是在战后迅速建立起来的。而其之后几十年的演变，基本上围绕着“研究与实务的关系”展开来。二战后的日本百废待兴，尤其是遭受了战火侵袭的东京等大都市急需重建。在此背景下，很多以（战后复兴）实务为主轴的建筑学研究室应运而生，比如京都大学棚桥研究室（“复兴组立式住宅【桐二号】”）、东京大学池边阳研究室（“立体最小限住宅”）、东京工业大学清家研究室（收容所“银1store”）等。从战后到50年代初，可以说是（建筑系）研究室的发展“黎明期”。此时的研究室的特征是：以都市和住宅为主要研究对象；在可实现的前提下提出“构想计划”；作为学术刊物的发表场所。这三点特征，也被后来的“研究室”概念所继承，产生了深远影响。到了60年前后，进入了日本经济高速发展期。此时的研究室也想日本蒸蒸日上的经济一样迈进了多元发展期。此时出现了具有代表性的三个发展方向。第一是以东京大学主倡的“理论性”。以东京大学吉武泰水为代表的建筑家主张提升建筑研究室的研究机能，除了基本的实务之外学术研究和交流活动应该是研究室的一个主要任务，换言之即培养高度专业性具有系统理论知识的研究者。第二是东京工业大学主倡的“作家性”。以前文提到的清家研究室为代表，倡导“实务与理论结合”，强调优秀建筑师的“自我学习”和与其他（同研究室的）建筑师思想交流与碰撞。最后就是早稻田大学主倡的“人间性”。作为私学的早稻田大学，并没有国立（帝国）大学的僵硬体制，也更注重学生毕业后的社会角色及其对于社会的作用。也可以看出早稻田大学一贯的注重“实学”的教育风格。时至70年代，因为日本学生运动达到高潮，“产学共同体制”遭到了强烈的反对。也因此，研究室的发展陷入了一段时间的停滞期。到了当代才慢慢趋于我们所熟悉的研究室特征，此时他也有了一个新的别称——ラボ（Lab），可见它的功能已经颇为完善，从最初的Studio形式或是seminar讲座形式演变成现代的“研究-实验室”，也就是文章开头提到的日本大学中最基本最核心的教育与科研组成单位。现在的研究室生活，可以说是丰富多彩，各路研究人员济济一堂，也已成为学生的“第二个家”。Copyright 2019 东京学术 All Rights Reserved.

中科院最良心外籍院士：日本诺奖获得者，为中国培养13位顶级人才中国科学院有一个特殊群体——外籍院士，可能大家有和我一样的疑问：什么样的科学家能入选中科院外籍院士？这些外籍院士能为中国做什么？先说第一个问题，能入选中科院外籍院士的科学家，首先要有顶级的科研实力，比如获得诺奖等含金量极高的国际科研大奖，再则要有良好的国际声誉。而且想要入选，竞争非常激烈，以照片里的美国著名工程学家迈克尔·霍夫曼为例，他申请中科院外籍院士时，同时竞争的有600多名世界顶级科学家。因为清华教授提名推荐，加上层层筛选才当选。外籍院士能为中国做什么，我们还是以迈克尔·霍夫曼为例，他2017年当选，但早在2012年他就成了清华大学海外学者，他每年有60-70天在中国度过，他在加州理工的研究团队，有很多中国博士生和博士后，也就是说他确实为中国科研人才培养出了力，这也是他当选的很大原因。不过我们今天的主角不是迈克尔·霍夫曼，而是中国另一位外籍院士——野依良治，他堪称是中科院最良心的日本外籍院士。中科院的日本外籍院士并不多，除了野依良治，还有一位是日本著名物理学家饭岛澄男，这是一位在奈米碳管领域具有相当成就的科学家，他经常来中国参加科研会议，但也仅仅是参加会议，发表一些演讲。相比之下。野依良治对中国科研上心的多。野依良治1938年出生于日本兵库县，本科和博士都就读于日本京都大学，1969年前往美国哈佛进行博士后研究，学成之后回到日本名古屋大学任教授。野依良治是日本著名的有机化学家，他研发的手性催化剂在工业的应用起到极大的推动作用，目前，很多化学制品、药物和新材料的制造，都得益于野依良治的研究。正因为这些成就，野依良治斩获2001年诺贝尔化学奖。截止到2015年，野依良治发表论文500多篇，论文被引用次数达2.2万次以上，他拥有日本和美国专利250多项。2011年，这位诺奖化学奖得主入选中科院外籍院士，而在此前，他就已经被西安交通大学和大连理工大学聘为名誉教授。根据中国科学院官网显示，野依良治在担任名古屋大学教授期间，培养了13名中国留学生，这些学生大多数已经回到中国，为中国的科技发展贡献力量。此外，他亲自邀请了15名中国访问学者，与中国学者合作研究，在他的推动下，每年都有一批来自中国科学院和大学的研究生以联合培养博士生、攻读博士学位和博士后研究员等形式到日本理化学研究所（RIKEN）研究学习。对于野依良治的评价，我觉得最准确是这条：野依良治教授是具有国际影响力的科学家，在为培养中国高级科学人才和促进中日交流做了许多有益的工作。

人物介绍唐本忠1982年毕业于华南理工大学高分子系，获工学学士学位。1985年和1988年分别获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究，于日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994年至今任香港科技大学助理教授、副教授、教授、讲座教授。2009年当选中科院院士。2012年起受聘为华南理工大学双聘院士。根据Google Scholar显示，截至2019年12月22日，唐本忠院士总引用次数高达92273次，h指数为139。唐本忠院士于2001年首次发现不同于传统荧光材料的发光现象，他创造性地提出“聚集诱导发光（AIE）”概念，在发光材料研究领域取得重大原创性突破。不同于传统发光材料的“聚集导致发光猝灭”，具有聚集诱导发光性质的荧光材料在溶液态发光微弱，甚至不发光，而在聚集态却表现出发光增强的现象。通过唐本忠院士团队和其他科研人员的共同努力，具有聚集诱导发光性质的荧光材料已经在生物检测、成像、光电显示等多个领域实现了应用。这篇文章将重点介绍唐本忠院士课题组2019年以来，在AIE领域做出的重大研究进展。1. J. Am. Chem. Soc.：用于无标记双链DNA特异性识别和单核苷酸多态性检测的双色AIEgenDNA序列的简单、快速和灵敏的测定在遗传分析、临床诊断和分子生物学研究中具有重要意义。目前，基于互补碱基配对的大多数DNA检测方法，基本上都要求与复杂修饰的单链DNA（ssDNA）探针或分析物杂交，从而带来了诸多不便。基于此，唐本忠院士团队开发了一种具有聚集诱导发射（AIE）特性的强大分子，TPBT。它可以通过发出红色（640 nm）和绿色（537 nm）的独特双色荧光信号来特异性识别双链DNA（dsDNA）。当TPBT与dsDNA、ssDNA、蛋白质和其他聚阴离子分析物结合时，在640 nm附近观察到红色发射。然而，在537 nm附近的绿色发射被证明是TPBT对dsDNA的排他性反应，这与TPBT结合凹槽后的构象变化密切相关。除此之外，TPBT可以区分dsDNA序列中的单核苷酸多态性（SNP），并以超高的灵敏度和特异性来检测紫外线对DNA的破坏。这种基于AIEgen的无标记dsDNA检测方法简便、可靠且通用，将在基因组和疾病诊断方面取得重大进展。文献链接：A Dual-Color Emissive AIEgen for Specific and Label-Free Double-Stranded DNA Recognition and Single Nucleotide Polymorphisms Detection(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI:10.1021/jacs.9b09239)2. J. Am. Chem. Soc.：来自四苯基乙烯笼的多色可调谐聚合物纳米粒子，用于活细胞中的温度传感温度是细胞的关键物理参数，因为温度可以调节每个细胞内生化反应和生物过程。感知活细胞的细胞内温度，特别是患病的细胞，例如炎症细胞和肿瘤细胞，伴随着源自动脉充血或代谢增强的细胞内变异，可以提供有关其病理学和生理学的信息，进而有助于精确诊断和治疗。当前，正在开发许多有前景的用于感测局部温度的方法，包括扫描探针显微镜和纳米级测温法等。但是，大多数这些现有方法都存在诸如灵敏度低、受本地化学环境和周围介质的光学特性影响的系统误差之类的缺点。近来，使用荧光有机纳米颗粒或蛋白质来感测细胞内温度的荧光热成像技术已经成为具有高灵敏度和准确性的有效方法。基于此，唐本忠院士团队利用聚集诱导发光的四苯基乙烯（TPE）基的笼子作为引发剂，通过原子转移自由基聚合（ATRP）合成了两亲的基于笼子的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）聚合物（CNP）。在水性介质中，将获得的两亲性CNP组装成纳米颗粒，可以简单地通过其他两个原色来调节，进而作为三色之一的蓝色发射。当内部发生级联FRET时，获得了三色荧光系统，通过协调这些荧光团的质量比，可以设计发射的颜色。由于异丙基之间的疏水作用与连接酰胺和水的氢键竞争，导致CNP上的PNIAM会根据温度而收缩或延伸。因此，可逆的空间变化可通过调节FRET对的距离或苯环的分子内运动来实现热致变色。最后，这种生物相容的热响应材料在细胞内温度报告中被证明是非常有效的。文献链接：Multicolor Tunable Polymeric Nanoparticle from Tetraphenylethylene-Cage for Temperature Sensing in Living Cells(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI:10.1021/jacs.9b11544)3. Angew. Chem. Int. Chem.：多个目标的时间依赖性光动力疗法：一种高效的AIE活性光敏剂用于选择性细菌清除和癌细胞消融病原体感染和癌症是人类的两个主要健康问题。在这个工作中，唐本忠院士团队通过一步反应合成了称为4TPA-BQ的有机盐光敏剂（PS）。4TPA-BQ具有聚集诱导发光的性质。由于产生了聚集诱导的活性氧，并且ΔEST足够小，因此4TPA-BQ的1O2产生效率达到了97.8％。体外和体内实验证实，4TPA-BQ在短时间内（15分钟）具有良好的生物相容性，对氨苄青霉素耐药的大肠杆菌表现出强大的光动力抗菌性能。当孵育时间持续足够长的时间（12小时）时，癌细胞将被有效消融，而正常细胞则基本不受影响。这是首次在一个单独的光敏剂中报道时间依赖性荧光引导的光动力疗法，只需改变外部条件即可实现有序和多重靶向。4TPA-BQ揭示了在临床应用中实施高效光动力学治疗的新设计原理。文献链接：Time-Dependent Photodynamic Therapy for Multiple Targets: A Highly Efficient AIE-Active Photosensitizer for Selective Bacterial Elimination and Cancer Cell Ablation(Angew. Chem. Int. Ed, 2019, DOI: 10.1002/anie.201909706)4. Angew. Chem. Int. Chem.：简单的四苯基乙烯衍生物的多重防伪保证——高对比度、多态机械致变色和光致变色刺激响应性变色材料是响应外部刺激而具有可变外观或发射颜色的智能材料。根据刺激方式、变色现象可分为热致变色，光致变色，电致变色和机械变色等。其中，有机材料的机械变色在外力作用下显示出可逆的发光色变化。如今，已经探索了许多具有AIE骨架的机械致变色化合物，例如四苯基乙烯、氰基-二苯乙烯基苯和二苯乙烯基苯。机械致变色与AIE的关系引起了广泛的关注。然而，它们大多表现出两色切换、低对比度发射或长时间转换的特点，因此仍远未达到实际应用。具有高灵敏度，响应速度快，高对比度和多种颜色的机械变色化合物的开发仍处于挑战之中。在这个工作中，唐本忠院士团队实现了新型四苯乙烯（TPE）衍生物的设计，其具有聚集诱导发射（AIE）、多态机械变色和自恢复光致变色特性的集成。此外，该分子易于研磨、加热和蒸气熏蒸，并显示出相应的发射颜色转变。加热的粉末或单晶表现出可逆的光致变色现象。短时间的紫外线照射后，它呈现出明亮的红色，但在1分钟内恢复到原来的白色外观。光致变色是由于紫外线照射下形成了光环化中间体，而可持久的机械致变色归因于分子从头到尾的堆积而产生的弱分子相互作用。这种可逆的多态、高对比度和快速响应的机械致变色，其与光致变色性质的配合可在高级防伪应用中双重增强多模保证。文献链接：Multiple Anti-Counterfeiting Guarantees from a Simple Tetraphenylethylene Derivative-High-Contrasted and Multi-State Mechanochromism and Photochromism(Angew. Chem. Int. Ed, 2019, DOI: 10.1002/anie.20190530)5. Adv. Mater.：通过可控宏观组装策略，开发出一种具有魔方结构的AIE水凝胶材料生命系统中包含微观组装和宏观组装。相比广泛报道的微观组装，宏观组装的研究虽然相对较少，但在众多领域均具有重大意义。在这个工作中，唐本忠院士团队利用可控宏观组装策略和AIE水凝胶材料，开发出一种具有魔方结构的AIE水凝胶材料，通过物理旋转和化学刺激的方法提供了多种变化的彩色图案。基于苯甲醛和酰肼形成的动态共价键（dynamic covalent interaction），作者制备了空白水凝胶和蓝、绿、黄、橙、红、白颜色的AIE水凝胶基元。通过界面长时间（24小时）的动态共价键粘附，七种凝胶基元可宏观组装成表面具有六种荧光颜色的水凝胶立方体单元；随后，界面短时间（1小时）的动态共价键粘附可进一步宏观组装成魔方结构的AIE水凝胶。七种凝胶基元之间的强粘附保证了整体结构的稳定性，而水凝胶立方体单元之间弱的粘附提供了最终结构的灵活变动性。由于体系中粘附作用力的强弱结合，魔方AIE水凝胶的表面图案可以通过物理旋转方式得到变化。又由于AIE分子的刺激响应性，外部刺激也可以改变水凝胶的表面图案。这一研究对于如何利用可控作用力构筑功能性宏观组装材料提供了新思路。文献链接：A Functioning Macroscopic “Rubik's Cube” Assembled via Controllable Dynamic Covalent Interactions(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902365)6. Adv. Mater.：AIEgen纳米晶体的聚集诱导非线性光学效应，用于超深体内生物成像非线性光学显微镜凭借其独特的深度光学切片、高空间分辨率成像和生物样本3D重建功能，已成为生物成像研究的强大工具。开发具有强非线性光学效应的有机荧光探针，特别是三次谐波产生（THG），对于将非线性显微成像用于生物医学应用是很有希望的。在这个工作中，唐本忠院士团队证明了基于具有明亮的近红外发射的聚集诱导发射（AIE）发光剂（DCCN）制备有机纳米晶体的简单方法的可行性。在纳米粒子中，尤其是结晶纳米粒子中，观察到了DCCN的聚集诱导的非线性光学效应，包括二光子荧光（2PF）、三光子荧光（3PF）和THG。DCCN的纳米晶体分别成功地应用于1040 nm NIR-II激发的2PF显微镜和1560 nm NIR-II激发的THG显微镜，以重建小鼠脑血管的3D血管。其中，THG显微镜比2PF显微镜具有更高的空间分辨率和亮度，并且可以在小鼠大脑的最深800微米处可视化直径约为2.7微米的小血管。因此，这一发现有望激发新的认知，以开发具有多非线性（特别是THG）的先进AIE材料，以用于多峰非线性光学显微镜。文献链接：Aggregation-Inced Nonlinear Optical Effects of AIEgen Nanocrystals for Ultradeep In Vivo Bioimaging(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904799)7. Nat. Commun.：通过分子内三重态-三重态能量转移提高持久性有机室温磷光的效率持续发光是一种有趣的现象，具有特殊的应用。但是，能够持久发光的有机材料（例如持久性有机室温磷光）的开发，由于其普遍的低效率而落后。此外，提高有机发光体的磷光效率通常会导致其寿命短，这是不可调节的障碍。基于此，唐本忠院士团队报告了一种通过分子内三重态-三重态能量转移来提高磷光效率的策略。（溴）二苯并呋喃或（溴）二苯并噻吩向咔唑的配位增加了系间窜越，并提供了分子内三重态桥，以提供近似定量的放热三重态-三重态能量转移，从而重新填充了咔唑的最低三重态。所有这些因素共同作用，以促进有效的磷光。低温光谱、能级和寿命研究揭示了单个分子中三重态激子的产生和转移。这里的策略将使潜在的高科技应用能够开发出有效的磷光材料。文献链接：Boosting the efciency of organic persistent room-temperature phosphorescence by intramolecular triplet-triplet energy transfer(Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-09561-8)8. Nat. Commun.：芳香性翻转驱动分子内振动用于构建振动受限型聚集诱导发光体系聚集诱导发光（AIE）是一种与激发态分子内运动密切相关的光物理现象。由于在生物医学和光电子学中的重要应用，AIE引起了越来越多的关注，但对激发态分子内运动的深入了解尚未完全开发。在这个工作中，唐本忠院士团队发现环辛酸噻吩的非芳族环戊烯衍生物尽管不具有可旋转基元，但仍显示出典型的AIE现象。通过光致发光光谱、时间分辨吸收光谱、理论计算、圆二色性以及与压力相关的荧光光谱等研究了其潜在机理，这表明从基态到激发态的芳香性翻转可以作为引起激发态分子内振动的驱动力，导致AIE现象。因此，芳香族翻转被证明是开发振动AIE系统的可靠策略。这项工作也为理解发光分子的激发态分子内运动行为提供了新的观点。文献链接：Non-aromatic annulene-based aggregation-inced emission system via aromaticity reversal process(Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-10818-5)

为提升高等教育机构的国际学生比例，突破原有的国际招生方法，加强校园的国际交流氛围，日本设立了SGU全英文授课项目，以文部省选拔出的37所高校为首，推出大量英文作为授课的学位课程，覆盖本科、硕士、博士阶段，丰富了课程的多样性，也增加了国际学生的选择。SGU全英文授课选定的37所大学由“顶级名牌大学13所”与“国际牵引型大学24所”组成，在各专业大类的教育资源分配比较均衡，共计有800余个本科和研究生专业面向海外招生。近期，在启德教育第二届线上国际教育展的亚洲频道，启德留学亚洲项目产品主管纪梦荣老师，从中日两国高考形式与难度的对比、本科留学日本、硕士博士留学日本的路径以及日本留学SGU全英文授课项目这四个方面，系统介绍了日本留学。纪梦荣老师毕业于日本一桥大学，一桥大学是日本第一所商科大学，在商科领域具有日本乃至亚洲顶尖的实力，享有“财界领袖的摇篮”、“亚洲哈佛”等美誉，毕业生也有“就职贵族”的称号，非常受企业的欢迎。纪梦荣老师留学日本是通过先入读日本的语言学校，通过一段时间的学习后，参加了一桥大学硕士入学考试，通过后入读一桥大学语言文化研究科，专攻日本语教育方向。据纪梦荣老师介绍，与欧美国家院校不同的是，日本大学采用自主招生的方式，本科阶段留学生想要进入名校，除了参加留学生考试之外，还需要参加由学校独立命题的各类考试。而硕士和博士阶段，则完全以研究生院研究科为单位的自主考试为准，不需要参加类似于国内的研究生统一考试。本科学制为4年，硕士（修士）也被称为“博士前期课程”，学制为2年。博士称为“博士后期课程”，学制以3年为主。在日本，硕士博士阶段被统称为大学院，想去日本读大学院有两种方式，第一种和本科类似，通过语言学校参加各大学院，然后参加各大学院的直考，获得合格通知书，入读后成为一个正式的在籍生。还有一种方式是国公立研究生，日本的“研究生”其实接近旁听生的意思，还没有正式学籍的，但是可以先通过成为旁听生，跟正式生一起在课堂里学习，然后参加考试，通过考试后成为一个正式的硕士或者是博士。这两种方式花费的时间差不多，都是半年到两年。不论是哪条路径，都要参加日本大学院的校内考，日本大学院没有全国统一考试的环节，填报资料申请想去的大学院，然后参加校招。 “日本人如果不是真的想成为研究者，或者说想进入研究院工作成为学者，他是不会去读大学院，大多数的日本人本科毕业就进入社会去参加工作了，所以日本的硕博竞争压力会比国内小很多，合格率甚至比本科考学更高。”纪梦荣老师认为去日本读研相对于国内考研，竞争要温和得多。中国学生赴日留学，除了传统的日语授课项目外，还可以选择SGU全英文授课项目。学生如果希望节省时间，不学习日语但又能赴日本名校就读，SGU全英文授课项目是很好的选择。启德教育日本客户服务数据显示，2019年商科、理工科、人文科SGU项目录取比例相当，分别是39%、23%与38%，八成以上的学生被东北大学（23%）、东京工业大学（7%），早稻田大学（31%）、庆应义塾大学（15%）、上智大学（8%）录取。SGU项目采取的不是考学制，而是申请制，就是说只要提交材料，经过一个网络的面谈，通过后就可以拿到学校的合格通知，不需要参加前文提及的校内考试的笔试。而且SGU项目申请成功就是正式生的身份，有正式的学籍。SGU还有一点非常吸引人，在于开设SGU项目的学校大部分都是排名靠前的学校，所以这个项目比较适合于在短时间内，目标是名校的学生。这些开设SGU项目的名校按排名分为A类顶级院校和B类排名比较靠前的优秀学校。A类顶尖院校包括七所旧帝大：东京大学（QS排名22）、京都大学（QS排名33）、大阪大学（QS排名71）、东北大学（QS排名82）、名古屋大学（QS排名115）、九州大学（QS排名132）、北海道大学（QS排名132），还有私立双雄早稻田大学和庆应义塾大学。B类院校则包括上智大学、明治大学、立命馆大学等排名也比较靠前的优秀大学。全英文授课项目的选拔方式，对考生的在校成绩、所在学校的排名以及英语成绩要求较高。教授通过书面材料判断考生的能力，因此适合在校成绩优异、英文较好的学生。以英语成绩为例，托福、雅思成绩都可以用来申请SGU项目，一般来看申请A类院校托福成绩最好在90分以上或雅思成绩6.5以上。 目前SGU全英文授课项目基本涵盖了比较热门的几类专业，比如商科类的经济学、MBA、管理类专业，理工科比较热门的建筑、机械、情报、化学、生物、环境和农业。社科类的国际关系，政策研究、全球研究等专业；还有文化传媒类的相关专业，尤其是语言文化，日本文化传播和传媒设计。但目前艺术设计类、心理学类的专业，暂时还没有学校开设SGU英文授课项目。

近日，日本京都大学的Yukiyasu Kamitani教授带领团队研发了一款AI，能够在计算机上显示使用者正在想什么，相关研究已经被发表在重量级期刊《自然通讯》上。我们知道大脑在进行思考的时候会产生微妙的电活动，脑部相关区域的氧气、血糖水平也会产生变化。那么，通过把对应的事物和这些电活动一一对应起来，或许就能在电脑上重构人脑的想法。事实证明这项做法确实可行。研究人员首先让3名志愿者观看50张图片，这些图片包括猫头鹰、飞机、彩色玻璃，同时用功能性磁共振成像（fMRI）扫描他们的大脑。fMRI即可形成大脑的脑电图，反应志愿者在看图的时产生的大脑电活动。这样一来，就把图像和相关电活动绑定在了一起，并用这个数据训练AI的深度神经网络。随后，研究人员再让志愿者思考这50幅图像其中一个，同时继续让fMRI测量脑电波信号。AI在接受到这些电信号之后，就转化成了对应的图片。下图就是AI通过志愿者思考ATR三个字母产生的电信号，重新构建的图像。可以看到，目前这项技术成像的精确度还不高，光是字母都有些模糊，更别提另外的天鹅、猫头鹰。如果没有左边的清晰图片，或许根本无法分辨这款AI到底画了什么。不过，要知道这项研究目前仅在初始阶段，随着建立更加复杂的神经网络，相信最后AI也能画的更加精确。这次研究的负责人Yukiyasu Kamitani教授，曾于2001年获得加州理工学院计算机科学博士学位，此后在哈佛大学进行博士后的研究。Kamitani教授研究的重点是将计算机技术应用到脑神经领域，例如通过神经网络解读梦境、建立脑活动的视觉图像，也因此获得过多项神经领域的大奖。至于最新的这项研究的应用，研究人员当然不会用来测量大街上任何人的想法，毕竟要用fMRI扫描。他们目前期望的应用是帮助绘制植物人、脑震荡患者的想法。此外，研究人员还将找来更多的志愿者，对这款神经网络进行更多的训练，以提高绘制图像的准确率。

关于类脑器官研究进展，BraiNnews在上半年已经有2篇报道：1. 剑桥大学实验室的培养皿里，类脑器官使离体的肌肉抽动了！ 2. Nature：类脑研究新突破——人脑组织可重复微型3D模型建立！大脑类器官是由人工培养的、类似人脑的三维组织培养物。在6月27日刊登于Stem Cell Reports期刊上的一项研究中，来自日本的研究人员报道了由这些类器官所演化出的功能性神经网络。尽管这些类器官并不能真正地“思考”，但这项研究人员的新工具——可使用类器官检测神经活动——能够为理解人脑功能提供一个新方法。上图展示了大脑类器官所演化的神经网络。图源：Takahashi et. al / Stem Cell Reports“因为它们能够模拟大脑的发育，大脑类器官可用作人类大脑的替代品来研究复杂的发育和神经疾病，”文章通讯作者、京都大学教授Jun Takahashi说道。然而，这些研究都是富于挑战性的，因为目前的大脑类器官缺乏理想的支持结构，比如血管和周围组织，Takahashi说道。由于研究人员评估类器官神经活动的能力有限，全面评估神经元网络的功能同样具有难度。“在我们的研究中，我们创造了一个全新的功能性分析工具用以评估所检测区域中网络活动的全面动态变化，能够反映出超过1000个神经元的活动，”第一兼通讯作者Hideya Sakaguchi说道，他是京都大学的一名博士后（现于Salk研究所）。“本项研究中令人兴奋的是我们能够检测出钙离子活动的动态变化，并能够可视化全面的细胞活动。”为了研发类器官，Takahashi, Sakaguchi以及他们的团队创造了一种有潜力分化为不同身体组织的多能干细胞球。然后，他们将这些细胞置于模仿大脑发育所需环境的培养基中。使用这些类器官，该团队成功地将网络中的同步、非同步活动以及各神经元间的连接进行了可视化。同步神经活动则是包括记忆在内的多种脑功能的基础。“我们相信我们的工作为广泛评估人类细胞衍生的神经活动引入了一种可能性，”Sakaguchi说，该方法能够帮助研究人员理解大脑通过特定细胞集群的活动编码信息的过程，以及一些精神疾病的基本机制。大脑类器官为研究人脑提供了一种新方法，但此前人们就已提出关于大脑类器官中神经功能的伦理问题。“由于大脑类器官模仿了发育过程，一个担忧是它们在未来也会有像意识这样的心理活动，” Sakaguchi说，“有人提到了由哲学家希拉里·普特南提出的著名的思想实验——‘缸中之脑’，该实验说一个放置在盛着生命维持溶液的缸里并与计算机相连的大脑可能会拥有像人类一样的意识。”不过，Takahashi与Sakaguchi相信大脑类器官是不可能发展出意识的，因为它们缺乏来自周围环境的输入信息。“意识需要主观经验，没有感知组织的大脑类器官并不会有感知输入和动作输出。”Sakaguchi说道，“不过，如果具有输入和输出系统的大脑类器官发展出需要道德考虑的意识，那么关于这些大脑类器官的基础和应用研究都将成为巨大的伦理挑战。”未来，应用类器官研究可能将探索三个主要领域——药物发现，神经精神疾病的建模和再生医学，Takahashi说道。“通过取代传统动物模型，大脑类器官可以给药理公司带来巨大进步，也可用于模拟无法治疗的神经疾病，”他说道，“使用我们的方法，分析大脑功能的神经元活动以进一步探索这些领域将成为可能。”这项工作得到了Network Program for Realization of Regenerative Medicine from the Japan Agency for Medical Research and Development (AMED), JSPS KAKENHI, and Grant-in-Aid for JSPS Fellows的资助。参考资料：“Self-Organized Synchronous Calcium Transients in a Cultured Human Neural Network Derived from Cerebral Organoids”. Jun Takahashi et al. Stem Cell Reports. doi:10.1016/j.stemcr.2019.05.029作者信息编译作者：南樛木（brainnews创作团队）校审：Simon（brainnews编辑部）