1.任意光自旋角動量到軌道角動量的轉(zhuǎn)換

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

　　將光的自旋角動量（SAM）轉(zhuǎn)換成渦旋光束的光學元件在經(jīng)典光學和量子光學中已有應(yīng)用。這些元件（SAM到軌道角動量（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)換為以獨立OAM疊加為特征的總角動量狀態(tài)的方法。最終設(shè)計了一個轉(zhuǎn)換左旋和右旋圓偏振態(tài)為具有獨立OAM值狀態(tài)的超表面，并設(shè)計了另一個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）

　　當溶解于惰性低熔點金屬（In、Ga、Sn、Pb）中時，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已經(jīng)通過碳沉積而失活。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。計算表明，熔融合金中的活性金屬會呈現(xiàn)原子分散并帶有負電荷。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

　?。–ompacted dimensions and singular plasmonic surfaces）

　　在高階的場論中，空間可以有四個以上的維度，超維度在日常的長度尺度上被描述為緊湊和不可觀測的。Pendry 等人報導了一個與場論無關(guān)的簡單模型，在一個金屬的超表面中實現(xiàn)了一個緊湊的維度，它是包含一系列奇點的光柵的周期性結(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，但是由三個波矢表征而不是典型二維金屬光柵的兩個波矢。而且， Pendry 等人還提出了一個摻雜石墨烯層的實驗來實現(xiàn)方法。（Science DOI: 10.1126/science.aap7939）

　　4. 自組裝肽半導體

　?。⊿elf-assembling peptide semiconductors）

　　半導體是現(xiàn)代電子和光學行業(yè)的核心。傳統(tǒng)的半導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半導體的材料。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)的帶隙減小到半導體區(qū)域。因為結(jié)構(gòu)種類眾多并且對肽自組裝的修飾很簡單，所以它們的半導電性可以很容易地進行調(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機半導體世界與生物系統(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熱電化學生產(chǎn)壓縮氫

　?。═hermo-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），它可以在單級過程中通過蒸汽甲烷重整生產(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，通過去除產(chǎn)99％的氫氣，同時電化學壓縮到50巴，實現(xiàn)了甲烷的完全轉(zhuǎn)化。通過耦合幾個熱化學過程，他們實現(xiàn)熱平衡操作狀態(tài)。一個小規(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)模氫氣工廠的競爭替代品，降低未來電價。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-017-0029-4）

 　6.谷光子晶體中穩(wěn)健扭結(jié)態(tài)的拓撲保護折射

　?。═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VPC之間內(nèi)疇壁處的拓撲保護手性邊緣（扭結(jié)）狀態(tài)的能力。Gao 等人試驗性地展示了由自旋兼容的四波段模型設(shè)計而成的 VPC中偏振復(fù)用的谷極化扭結(jié)態(tài)。當谷贗自旋守恒時，發(fā)現(xiàn)扭結(jié)態(tài)通過內(nèi)部疇壁與將VPC與環(huán)境空間隔開的外部邊緣相交，形成了近乎完美的耦合效率。即使當通過在VPC域之一中引入有效的自旋軌道耦合來打破類自旋極化自由度（DOF）時，外耦合仍保持拓撲保護特征。這也構(gòu)成了首次實現(xiàn)拓撲谷輸運的自旋谷鎖定。（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)，它在絕緣體和半導體的光學性質(zhì)中起著關(guān)鍵作用。Ju 等人報導了利用六方氮化硼封裝的高質(zhì)量BLG的光電流譜觀測雙層石墨烯（BLG）中的激子。他們觀察到了兩個突出的激子共振，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)半導體不同的光學選擇規(guī)則，并且電子贗自旋纏繞數(shù)為 2。外部磁場引起谷激子的大分裂，對應(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)的贗自旋圖譜來探索激子物理提供了機遇。（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，對它的使用僅限于水溶液，因為GO膜對于有機溶劑而言是不可滲透的，這種現(xiàn)象至今還無法完全理解。Yang 等人報導了利用由（10-20μm）薄片制成的平滑二維（2D）毛細管的GO層壓體來實現(xiàn)的有機溶液的快速過濾。在不改變篩分特性的情況下，這些膜可以做得極薄（低至 10nm），這造就了水和有機溶劑的高速滲透。Yang 等人認為這種有機溶劑滲透和篩分性質(zhì)，是因為通過了寬度為1nm的短石墨烯通道互連的隨機分布小孔。隨著膜厚度的增加，有機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。他們通過展示對溶解在甲醇中的小分子量有機染料的排斥超過 99.9％，證明了超薄GO層壓材料用于有機溶劑納米過濾的潛力。本文工作極大地擴展了在提純和過濾技術(shù)中使用GO膜的可能性。（Nature Materials DOI: 10.1038/NMAT5025）