近期北京大学、中国科学技术大学分别在Science上发表最新研究成果。
水凝胶具有和生物组织相似的机械性能、含水量高和离子通透性好等特性，在组织工程、医用敷料、生物传感等领域具有广泛的应用。水凝胶与导电材料复合后，可以实现电子导电，展现出优异的生物组织-电子器件界面特性，已经实现了多种检测、诊断和治疗功能。但是和硅基电子器件相比，水凝胶电子器件因为缺少半导体水凝胶材料，尚无法实现丰富的集成电路功能，例如开关、整流、运算、放大等。传统的有机半导体材料难以实现水溶液加工，尚无法和传统水凝胶复合，且无法在水溶液中实现优异的半导体性能。
针对这些挑战，北京大学雷霆课题组提出了半导体水凝胶设计策略，填补了传统水凝胶材料无法实现高性能电子电路的空白。他们通过将水溶性阳离子共轭高分子用抗离子交联或与其他水凝胶共混形成多网络结构，实现了兼具优异机械性能、半导体性能、界面性能和生物相容性的半导体水凝胶（图1）。他们基于半导体水凝胶首次实现了具有优异开关特性的半导体水凝胶器件和逻辑电路，并实现了生物电信号的原位高信噪比放大。相关工作以“N-type Semiconducting Hydrogel”为题发表在Science上。
图1半导体水凝胶的结构、掺杂机理与器件性能：A）半导体水凝胶兼具传统水凝胶和有机半导体的多种特点；B）高分子P(PyV)的抗离子交联机理和电化学掺杂机理；C-E）由半导体水凝胶构成的互补型逻辑电路及性能
P(PyV)高分子也可以与多种传统水凝胶结合，构筑多网络水凝胶材料（图2A）。多网络半导体水凝胶展现出良好的机械可拉伸性和生物粘附性。多网络水凝胶也表现出和单网络水凝胶可比拟的半导体性能，也可以实现开关、逻辑门和信号放大等多种电路功能。
这些半导体水凝胶具有良好的生物相容性，因此可以直接用作生物电子器件与生物组织的界面。由半导体水凝胶构成的反相器放大增益优于传统有机半导体逻辑器件，可实现小信号的放大，对于1-100 Hz交流小信号的输入，最高增益值可达79倍。基于半导体水凝胶互补型信号放大器，作者实现了多种电生理信号，包括眼电、心电、脑电和小鼠大脑皮层信号的高信噪比放大（图2B-D）。
图2基于半导体水凝胶的生物电子应用：A）多网络水凝胶示意图；B）心电、眼电测试示意图及信号放大性能；C-D）小鼠原位脑电信号采集示意图及结果
本研究首次实现高电学性能的半导体水凝胶的制备和电子器件应用，其兼具有机半导体优异的电学特性以及水凝胶独特的机械和生物界面特性，扩展了有机半导体和水凝胶材料的应用范围。利用半导体水凝胶可以构筑丰富的逻辑电路。通过半导体水凝胶放大器的原位放大，使得微弱生物信号在引入噪声之前被放大，显著提高了信号的信噪比，为高效的生物信号采集提供了新的思路。
博士研究生李佩雲和孙文熙是该论文的共同第一作者，雷霆研究员是通讯作者。合作者包括清华大学的戴小川课题组、北京大学吕世贤课题组和国家纳米中心朱嘉课题组。该研究工作得到国家自然科学基金、北京市杰出青年基金、北京大学高性能计算平台，北京大学材料加工与测试中心，北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台和上海光源等的支持。
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁型）超导高非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《Science》上。
图1：成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态（注：“光子盒”的名字最早来自1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的思想实验）。
霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现，并被广泛应用于电磁感测领域。1980年，德国科学家冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应出现整数量子化的电导率平台。这一新现象超出了经典物理学的描述，被称为整数量子霍尔效应，它为精确测量电阻提供了标准。1981年，美籍华裔科学家崔琦和德国科学家施特默发现了分数量子霍尔效应。整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。
此后四十余年间，分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注。由于最低朗道能级简并电子的相互作用，分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。
反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。2013年，中国研究团队观测到整数量子反常霍尔效应。2023年，美国和中国的研究团队分别独立在双层转角碲化钼中观测到分数量子反常霍尔效应。
传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。
图2在非线性光子系统中构建人工规范场，实现光子的分数量子霍尔态
与之相对地，人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其优势包括：无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。
图3观察到分数量子霍尔态的拓扑关联和拓扑光子流
此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。
为解决这一重大挑战，团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。
图4观察到准粒子的不可压缩和分数霍尔电导
在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。
《Science》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”（a significant advance in quantum simulation with interacting photons），“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”（a novel form of local control and bottom-up approach），“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径，这是利用二维电子气材料的传统方法很难探测的”（potentially open new pathways for realizing non-Abelian topological states, which have been extremely challenging to probe in two-dimensional electron gases）。
诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”（a very promising idea），这是一个令人印象深刻的实验（a very impressive experiment），为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步（a remarkable step）。沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”（a remarkable achievement, both scientifically and technically,），“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”（one of the holy grails of quantum simulation）。
本文第一作者为陈明城、刘丰铭和王粲。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和上海市等的支持。
