1.任意光自旋角動(dòng)量到軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)換

　?。ˋrbitrary spin-to–orbital angular momentum conversion of light）

　　將光的自旋角動(dòng)量（SAM）轉(zhuǎn)換成渦旋光束的光學(xué)元件在經(jīng)典光學(xué)和量子光學(xué)中已有應(yīng)用。這些元件（SAM到軌道角動(dòng)量（OAM）轉(zhuǎn)換器）基于幾何相位，并且僅允許將左旋和右旋圓偏振（自旋狀態(tài)）轉(zhuǎn)換成具有相反OAM的狀態(tài)。Devlin 等人提出了一種將任意SAM狀態(tài)轉(zhuǎn)換為以獨(dú)立OAM疊加為特征的總角動(dòng)量狀態(tài)的方法。最終設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)換左旋和右旋圓偏振態(tài)為具有獨(dú)立OAM值狀態(tài)的超表面，并設(shè)計(jì)了另一個(gè)同樣功能用于橢圓偏振狀態(tài)的設(shè)備。這些結(jié)果展示了一種光的SAM和OAM 之間的一般材料介導(dǎo)連接，并由此可能找到用于產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)構(gòu)光和光通信的應(yīng)用。（Science DOI: 10.1126/science.aao5392）

　　2. 將甲烷直接轉(zhuǎn)化為氫氣和可分離碳的催化熔融金屬

　?。–atalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon）

　　當(dāng)溶解于惰性低熔點(diǎn)金屬（In、Ga、Sn、Pb）中時(shí)，作為甲烷活性催化劑的金屬（Ni、Pt、Pd）能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的熔融金屬合金催化劑，用于將甲烷熱解成氫氣和碳。此前用于該反應(yīng)的所有固體催化劑此時(shí)已經(jīng)通過(guò)碳沉積而失活。在熔融合金體系中，不溶性碳漂浮在表面上，從而可以被提取。含 27％ Ni 和 73％Bi 的合金在1.1米的泡罩塔中，1065℃ 情況下達(dá)到了95％的甲烷被轉(zhuǎn)化，并能產(chǎn)生不含CO2或其他副產(chǎn)物的純氫氣。計(jì)算表明，熔融合金中的活性金屬會(huì)呈現(xiàn)原子分散并帶有負(fù)電荷。而且，原子上的電荷量與其催化活性之間有相關(guān)性。（ScienceDOI: 10.1126/science.aao5023）

　　3. 緊湊維度和單一等離子體表面

　　（Compacted dimensions and singular plasmonic surfaces）

　　在高階的場(chǎng)論中，空間可以有四個(gè)以上的維度，超維度在日常的長(zhǎng)度尺度上被描述為緊湊和不可觀測(cè)的。Pendry 等人報(bào)導(dǎo)了一個(gè)與場(chǎng)論無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單模型，在一個(gè)金屬的超表面中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)緊湊的維度，它是包含一系列奇點(diǎn)的光柵的周期性結(jié)構(gòu)。光柵的超維度是隱藏的，并且表面等離激元激發(fā)盡管局限于表面，但是由三個(gè)波矢表征而不是典型二維金屬光柵的兩個(gè)波矢。而且， Pendry 等人還提出了一個(gè)摻雜石墨烯層的實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)方法。（Science DOI: 10.1126/science.aap7939）

　　4. 自組裝肽半導(dǎo)體

　?。⊿elf-assembling peptide semiconductors）

　　半導(dǎo)體是現(xiàn)代電子和光學(xué)行業(yè)的核心。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料具有固有的局限性，特別是在新興領(lǐng)域，存在諸如生物系統(tǒng)的界面和自下而上的制造方法等受局限的方面。包含短肽的自組裝納米結(jié)構(gòu)家族是有希望用作仿生和耐用的納米級(jí)半導(dǎo)體的材料。高度有序和定向的分子間p-p相互作用和氫鍵網(wǎng)絡(luò)能夠使得肽自組裝體內(nèi)形成量子限制結(jié)構(gòu)，從而將超結(jié)構(gòu)的帶隙減小到半導(dǎo)體區(qū)域。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)種類眾多并且對(duì)肽自組裝的修飾很簡(jiǎn)單，所以它們的半導(dǎo)電性可以很容易地進(jìn)行調(diào)整、摻雜和功能化。因此，這類電活性超分子材料可以彌合無(wú)機(jī)半導(dǎo)體世界與生物系統(tǒng)之間的差距。（Science DOI: 10.1126/science.aam9756）

　　5. 幾乎零能量損失地由甲烷通過(guò)熱電化學(xué)生產(chǎn)壓縮氫

　　（Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss）

　　傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)需要大型工業(yè)設(shè)備來(lái)使能量損失和蒸汽重整、水氣變換、產(chǎn)物分離以及壓縮相關(guān)的資金成本最小化。Maler?d-Fjeld 等人介紹了一種質(zhì)子膜重整器（PMR），它可以在單級(jí)過(guò)程中通過(guò)蒸汽甲烷重整生產(chǎn)高純度氫氣，并且能量損失幾乎為零。這是利用了一種基于BaZrO3的質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)作為致密膜，沉積在具有雙重功能的多孔Ni復(fù)合電極上作為重整催化劑。在800°C時(shí)，通過(guò)去除產(chǎn)99％的氫氣，同時(shí)電化學(xué)壓縮到50巴，實(shí)現(xiàn)了甲烷的完全轉(zhuǎn)化。通過(guò)耦合幾個(gè)熱化學(xué)過(guò)程，他們實(shí)現(xiàn)熱平衡操作狀態(tài)。一個(gè)小規(guī)模（每天 10 千克氫氣）制氫裝置的模擬顯示出整體能源效率超過(guò)了 87％。結(jié)果表明，有可能使PMR成為整合了二氧化碳捕集的工業(yè)規(guī)模氫氣工廠的競(jìng)爭(zhēng)替代品，降低未來(lái)電價(jià)。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0029-4）

 　6.谷光子晶體中穩(wěn)健扭結(jié)態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)折射

　?。═opologically protected refraction of robust kink states in valley photonic crystals）

　　最近發(fā)現(xiàn)的谷光子晶體（VPC）具有類似許多二維（2D）帶隙谷電子材料的獨(dú)特性質(zhì)。光通信最令人感興趣的是它能夠支持具有相反谷-Chern指數(shù)的兩個(gè)VPC之間內(nèi)疇壁處的拓?fù)浔Ｗo(hù)手性邊緣（扭結(jié)）狀態(tài)的能力。Gao 等人試驗(yàn)性地展示了由自旋兼容的四波段模型設(shè)計(jì)而成的 VPC中偏振復(fù)用的谷極化扭結(jié)態(tài)。當(dāng)谷贗自旋守恒時(shí)，發(fā)現(xiàn)扭結(jié)態(tài)通過(guò)內(nèi)部疇壁與將VPC與環(huán)境空間隔開(kāi)的外部邊緣相交，形成了近乎完美的耦合效率。即使當(dāng)通過(guò)在VPC域之一中引入有效的自旋軌道耦合來(lái)打破類自旋極化自由度（DOF）時(shí)，外耦合仍保持拓?fù)浔Ｗo(hù)特征。這也構(gòu)成了首次實(shí)現(xiàn)拓?fù)涔容斶\(yùn)的自旋谷鎖定。（Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS4304）

　　7. 雙層石墨烯中的可調(diào)激子

　?。═unable excitons in bilayer graphene）

　　激子，即固體材料中電子和空穴的束縛態(tài)，它在絕緣體和半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)中起著關(guān)鍵作用。Ju 等人報(bào)導(dǎo)了利用六方氮化硼封裝的高質(zhì)量BLG的光電流譜觀測(cè)雙層石墨烯（BLG）中的激子。他們觀察到了兩個(gè)突出的激子共振，其具有可以從中紅外線到太赫茲范圍調(diào)節(jié)的窄線寬。這些激子遵循與傳統(tǒng)半導(dǎo)體不同的光學(xué)選擇規(guī)則，并且電子贗自旋纏繞數(shù)為 2。外部磁場(chǎng)引起谷激子的大分裂，對(duì)應(yīng)的g因子約為 20。這些發(fā)現(xiàn)為利用電子可調(diào)諧石墨烯系統(tǒng)的贗自旋圖譜來(lái)探索激子物理提供了機(jī)遇。（Science DOI: 10.1126/science.aam9175）

　　8.具有精確分子篩和超快溶劑滲透功能的超薄石墨烯基薄膜

　?。║ltrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation）

　　氧化石墨烯（GO）膜由于其獨(dú)特的分子篩特性和快速滲透性而持續(xù)吸引著人們濃厚的興趣。然而，對(duì)它的使用僅限于水溶液，因?yàn)镚O膜對(duì)于有機(jī)溶劑而言是不可滲透的，這種現(xiàn)象至今還無(wú)法完全理解。Yang 等人報(bào)導(dǎo)了利用由（10-20μm）薄片制成的平滑二維（2D）毛細(xì)管的GO層壓體來(lái)實(shí)現(xiàn)的有機(jī)溶液的快速過(guò)濾。在不改變篩分特性的情況下，這些膜可以做得極?。ǖ椭?10nm），這造就了水和有機(jī)溶劑的高速滲透。Yang 等人認(rèn)為這種有機(jī)溶劑滲透和篩分性質(zhì)，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)了寬度為1nm的短石墨烯通道互連的隨機(jī)分布小孔。隨著膜厚度的增加，有機(jī)溶劑滲透速率呈指數(shù)衰減，但水仍維持高速滲透，與此前提到的一致。他們通過(guò)展示對(duì)溶解在甲醇中的小分子量有機(jī)染料的排斥超過(guò) 99.9％，證明了超薄GO層壓材料用于有機(jī)溶劑納米過(guò)濾的潛力。本文工作極大地?cái)U(kuò)展了在提純和過(guò)濾技術(shù)中使用GO膜的可能性。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5025）