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超快磁动力学是当代自旋电子学与磁性材料研究的前沿领域，涉及磁性体系中磁矩在飞秒至纳秒时间尺度内的响应与演化过程。为解析这些超快磁动力学行为，发展了多种时间分辨探测手段。基于同步辐射的 X 射线铁磁共振 （XFMR） 技术将微波激发的铁磁共振（FMR）与 X 射线磁圆二色（XMCD）技术相结合，能够在皮秒时间尺度上实现磁化进动的元素、价态及晶格占位分辨测量，获取进动磁矩的幅度与相位信息。本工作依托上海同步辐射光源（SSRF）BL07U 矢量磁铁实验站，自主设计并搭建了一套具备皮秒级时间分辨精度的 XFMR 实验平台。系统采用锁相放大调制与储存环主时钟精密同步的泵浦探测技术，可在高达 6 GHz 的频率范围内稳定激发并探测磁性元素的自旋进动，系统本底噪声被有效抑制至 30 fA 量级，整体相位时间分辨精度优于10 ps。标志着国内在同步辐射 XFMR 技术上已具备国际先进的时间分辨能力与灵敏度水平，为后续开展自旋流和轨道流探测及亚铁磁和反铁磁动力学等领域的研究奠定了重要实验基础。
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光钟作为新一代时间频率标准，通过将本地振荡器频率精准参考至光频原子跃迁频率，具备更高的频率准确度和稳定度. 自二十一世纪初第一台全光学199Hg+光钟成功问世以来，光学原子钟在近20余年里实现了跨越式发展. 当前顶尖光钟已实现10-19量级的系统不确定度和频率稳定度，这一指标较传统微波原子钟提升了两个数量级以上，为基础物理研究和精密测量领域开辟了全新研究维度. 本文系统综述了光钟的研究进展，包括中性原子光钟与离子光钟的性能突破、新型光晶格囚禁技术的应用以及系统误差抑制方法的创新；同时重点探讨了光钟在驾驭国际原子时、降低基本物理常数可能的变化速率上限、检验爱因斯坦等效性原理等精密测量领域的前沿应用，为后续光钟技术的发展与应用拓展提供参考．
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拓扑节线半金属ZrSiS因其独特的电子结构而在体相材料中展现出丰富的物理现象。然而，对其低维形式（如单层和双层）的光学与表面等离激元性质的研究尚不充分。基于第一性原理计算，本工作系统地研究了单层和双层 ZrSiS 的电子能带结构、光电导率、光学性质和表面等离子体激元极化激元（SPP）特性。计算结果表明，层状 ZrSiS 由于其拓扑节线能带而表现出独特的光电导特性，在红外区域显示出显著的带内响应，同时在可见光范围内显示出明显的带间响应。此外其光学性质表明，单层和双层结构都具有很高的光吸收率（显著超过石墨烯）以及从红外到可见光谱的可调反射/透射窗口。此外，我们发现单层和双层ZrSiS在表面等离激元特性上支持从红外到可见光范围的表面等离激元（单层:0.5 - 4 eV；双层：0.4 - 2.5 eV）。这些表面等离激元相较于体材料表现出更为出色的局域化特性。综上所述，层状 ZrSiS 在纳米光子学、高性能红外光电探测器以及可调谐等离子体器件的应用方面具有巨大潜力。
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高品质因数（Q值）的机械振子具有较低的机械损耗，是光力学实验中研究光场和机械振子量子特性以及产生其他如量子压缩和纠缠光场时的重要条件。在室温下低频段，受环境和其他机械器件的影响，机械振子的共振模式识别困难，并且与其他器件的振动模式交叠，影响了Q值的测量精度。代替传统的机械接触式激励（例如压电陶瓷激励），本文采用了光辐射压对机械振子进行非机械接触式的激励。基于声光调制器开关产生的光辐射压激励具有更快的响应速度和更宽的工作频段，特别是在声频甚至更低频段，能够避免环境和实验装置等因素带来的难以处理的低频噪声。实验结果表明，相比压电陶瓷激励，光激励在低频段（2kHz以内）的Q值测量准确性更高，测量误差在5%以内。
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自俘获是指波（如光波或物质波）在系统非线性作用下，克服其固有的扩散趋势，从而在极小空间尺度内传播的现象，它是理解孤子形成、局域化行为等非线性物理过程的关键。动量晶格作为一种基于超冷原子分立动量态的合成维度，在拓扑物理、局域化等方向研究表现出巨大潜力，为研究自俘获效应提供了重要的实验平台。在动量晶格中，系统的非线性来源于原子间的相互作用，这会显著影响原子在动量晶格中的动力学演化特性，诱导产生宏观自俘获的现象，然而目前基于动量晶格的自俘获现象仍处于探索阶段。本研究基于超冷铯原子动量晶格，利用Feshbach共振技术调节原子s波散射长度，测量了不同相互作用强度下系统的动力学演化行为，随着原子间相互作用的增强，原子由零动量态向高动量态的扩散行为明显受到抑制，在强相互作用区间表现出宏观自俘获现象。研究过程选择动量分布宽度d来量化分析原子的动力学特征。实验结果为基于动量晶格实现量子多体物理的研究提供了重要参考。
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铁电薄膜及其集成的铁电器件受到了人们极大的关注。传统铁电薄膜受限于临界尺寸效应，难以在厚度逐渐变薄至纳米甚至单原子层时保持铁电性，这为发展相关纳米电子学器件带来了挑战。二维范德华材料具有天然稳定的层状结构，具有表面平整无悬挂键、无层间界面陷阱、甚至在原子尺度极限厚度下仍能保持完整的物理化学特性的优点，逐渐被人们意识到是实现二维铁电性理想的温床。CuInP2S6、α-In2Se3、WTe2等具有本征铁电极化的二维范德华铁电材料先后被报道，同时人工堆叠的滑移铁电体如t-BN等也逐渐涌现，极大扩充了二维范德华铁电材料的体系结构，为进一步实现铁电的电子元器件微型化和柔韧化提供了新的可能。本文将对近来报道的二维范德华铁电材料的研究进展进行综述，探讨了它们的组分特征、结构特点及性能调控方法，并展望此类材料的应用潜力和未来的研究热点。
, 最后更新时间: , 收稿日期: 2025-10-24
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Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)是一种源于自旋轨道耦合与结构反演对称破缺的非对称交换作用, 是诱导非共线磁序与手性磁结构的关键机制之一. 稀土-过渡金属亚铁磁材料兼具稀土元素的强自旋轨道耦合与过渡金属的强磁交换作用, 表现出超快磁化动力学、高度可调的磁结构以及丰富的自旋输运行为, 为研究与调控DMI提供了理想的材料平台, 在未来高密度磁存储与自旋电子学器件中展现出重要应用潜力. 本文系统阐述了DMI的微观物理起源, 概述了稀土-过渡金属亚铁磁材料的基本特性, 并深入探讨了DMI与亚铁磁序之间的耦合机制, 介绍了基于稀土-过渡金属亚铁磁材料DMI的斯格明子磁性隧道结和类脑神经计算等自旋电子学器件, 为发展面向未来的先进自旋电子技术提供了理论依据与技术指引.
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实验研究了微合金化元素La对经Al-5Ti-1B细化处理的Al-Mg合金凝固组织的影响, 发现添加微量的La可进一步细化Al-Mg合金凝固组织, 降低α-Al的形核过冷度. 建立了微合金化元素La在Al合金熔体和TiB2界面处偏析行为模型, 探明了微合金化元素La增强TiB2粒子对α-Al异质形核能力的作用机理, 计算结果表明, 微合金化元素La富集于Al熔体和TiB2粒子间界面处, 降低TiB2和α-Al间的界面能和接触角, 增强TiB2对α-Al的形核能力, 进一步细化基体晶粒组织.
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密度泛函理论在当代电子结构计算中占据主导地位, 然而其计算复杂度随体系规模呈立方增长, 制约了其在复杂体系或高精度计算中的应用. 近年来, 机器学习与第一性原理计算的结合, 为这一问题提供了新的解决方案. 本文对机器学习加速电子结构计算的方法进行了综述, 重点讨论现有研究在加速材料电子结构计算中所取得的重要进展. 此外, 对未来研究中基于机器学习技术进一步克服电子结构计算的精度和效率瓶颈、扩展适用范围、实现在大尺度材料体系中计算模拟与实验测量的深度融合做了展望.
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随着三维异构集成技术的兴起与大规模应用, 电感型集成电压调节器在移动终端及高算力设备中的重要性日益凸显, 同时也为高频软磁薄膜材料带来了重要的发展机遇. 本文基于片上薄膜功率电感的应用需求, 首先梳理了坡莫合金、Co基非晶金属薄膜以及FeCo基纳米复合颗粒膜3类磁芯膜材料的优势与局限性, 重点探讨了微米级厚度叠层磁芯膜所面临的技术要求与挑战. 其次, 几乎所有的片上电感都工作在难轴激发模式, 即电感激发磁场的方向与磁芯膜的难磁化方向平行. 本文对比了两种制备大面积均匀单轴各向异性磁芯膜的工艺方法、各自特点及对静态和高频软磁性能的影响, 并且分析了图形化对于磁芯膜磁畴结构、高频磁损耗的作用机制以及相应的优化策略. 随后, 从工艺兼容与长期服役两个维度, 探讨了磁芯膜磁导率与各向异性的温度稳定性问题. 尽管3类磁芯膜的居里温度和晶化温度较高, 但是实际制程温度的上限会受到热对于磁性原子对取向、微观结构缺陷和晶粒尺寸的影响. 最后, 针对当前高频、大信号条件下磁芯膜磁损耗测试中存在的瓶颈问题进行了总结, 并展望了为满足片上功率电感对更高饱和电流和更低磁损耗需求, 未来磁芯膜发展的技术路径.
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多平面光转换共孔径相干合成技术作为一种新兴的光场调控手段,能够突破传统分孔径相干合成方法中能量利用率低与光束质量不佳的瓶颈.本文建立了多平面光转换相干合成理论模型,并引入了转换效率、旁瓣抑制比与相位匹配度等多维指标,以全面评估光束质量.提出了分区相位编码、涡旋相位编码等模式映射设计方法,以提升输入输出模式间的匹配度.该方法将5个多焦点光束的平均效率从92%提升至97%,并显著改善光束质量.通过数值仿真,系统探索了多平面光转换在高效、灵活生成复杂结构光场方面的潜力.结果表明,多平面光转换相干合成可以生成多种复杂结构光场,5个拉盖尔-高斯光束、5个几何图形和5个字母图案的平均效率分别为97.4%、99.2%和96.5%,旁瓣抑制比优于14 dB,相位匹配度高于96%.此外,探讨了基于模式分解的任意光束整形方法的可行性及其对振幅调制的需求,并分析了相位板数量与模式数量之间的制约关系.本文研究证明了MPLC相干合成实现高能量利用率与高光束质量的光场操控的可行性,有望为高功率结构光场在激光加工、量子信息等领域的应用提供理论依据和技术参考.
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中红外量子光源在气体传感和红外热成像等领域具有广阔的应用前景.然而，目前常用的中红外量子纠缠光源主要依赖块状周期极化铌酸锂（periodically poled lithium niobate，PPLN）晶体，其亮度和集成度均存在不足.本文提出了一种基于铌酸锂薄膜波导的理论方案，利用1556.9 nm泵浦产生中心波长为3113.8 nm的纠缠光子对.通过合理的波导结构设计与周期极化设计，实现了II型相位匹配与群速度匹配，使得横电（transverse electric，TE）偏振泵浦入射时能够下转换产生TE偏振与横磁（transverse magnetic，TM）偏振的光子对.进一步地，结合域排列算法对PPLN波导的极化方向进行定制化设计，可实现精确的相位匹配，从而获得纯度高达0.999的量子光源，亮度可以达到6.18×106 cps/mW，相比块状PPLN晶体光源亮度提升三个数量级.本研究有望为中红外波段实现高亮度、高纯度的片上量子光源提供解决方案.
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近年来，关于表面等离激元轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)态的研究主要聚焦于单一OAM态的生成及不同拓扑荷数OAM态的演化。而如何通过微纳结构的精确设计，实现具有特定相位关系的两个OAM态的相干叠加，仍面临诸多挑战。本文提出了一种新型等离激元微纳结构，以矩形缝对为结构单元，按照圆环或分段螺旋线轮廓排列。不仅能够在表面等离激元场中有效产生具有不同拓扑荷的OAM纯态，还可通过调控入射光的偏振态，实现两种OAM态以不同振幅比和相位差的灵活叠加，从而实现OAM叠加态在布洛赫球面上的演化。结合理论分析与数值模拟，本文验证了该结构在圆偏振光照射下可产生不同拓扑荷的OAM纯态；而入射光为线偏振时，则可实现两OAM态等振幅叠加，形成具有结构化分布的OAM叠加态。此外，通过调节线偏振光的偏振角，可有效控制两本征OAM态之间的相位差，从而实现叠加态场分布的规律性旋转。本研究为等离激元OAM态的相干控制提供了新的设计思路，也为多功能光场调控器件的集成设计提供了理论基础和技术路径。
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光量子存储器在量子计算、量子传感、量子通信等领域有非常重要的地位。冷原子系统因其优异的量子相干特性、可控性和极佳的弱光场处理能力，成为实现高质量光量子态存储的重要平台之一。其中雪茄型结构的冷原子系综由于其光学深度可达 100 以上而具备高效的存储性能。然而外界不均匀的剩余磁场，使其存储寿命在实用过程中受到了极大地限制。本文研究了由囚禁线圈关断残余及环境涡旋电流产生的非均匀磁场引发的原子自旋退相干问题。理论和实验表明，直流磁场能提供量子化轴而且可抑制非均匀磁场的影响，并调控自旋退相干与重相干周期。进一步地，本文演示了在磁子能级的光学泵浦过程中泵浦光功率可有效控制原子布居占比，从而精准控制退相干和重相干发生的强度。基于以上磁场调控结果，本文提出了一种双时间点的光子纠缠态的产生、存储和测量方案。基于冷原子系综制备的光子对是窄线宽的，其在时间点上编码的光子纠缠态在长距离传输中更稳定。利用外加磁场的方式调控原子自旋波退相干重相干的周期时间，可以选择性地将双时间点的原子自旋波转化为对应时间的读光子，从而构建正交的时间点测量基矢。
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作为新一代的纤锌矿铁电材料, Al1–xScxN具有高的剩余极化强度、理想的矩形电滞回线、与CMOS后道工艺兼容、稳定的铁电相等优点. 作为近几年铁电领域的热点材料, 国内外科研人员进行了深入研究. 本文对Al1–xScxN铁电薄膜的研究进展进行了全面的综述. 在Al1–xScxN铁电性的影响因素方面, 讨论了Sc含量、衬底类型、沉积条件、薄膜厚度、测试频率及温度等因素对薄膜的作用. 在极化翻转机制方面, 详细阐述Al1–xScxN电畴特性、翻转动力学、形核位置等微观物理机制. 在应用前景上, Al1–xScxN薄膜在铁电随机存储器、铁电场效应管和铁电隧道结等铁电存储器中表现出巨大潜力, 为新一代高密度、低功耗铁电存储器及纳米电子器件的发展提供有力支持.
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