文章推广

本篇研究来自北京高压科学研究中心洪新国课题组。高压下SiO₂玻璃的四面体—八面体相变是地球物理与凝聚态物理中的核心科学问题之一，但其相变机制及五配位结构长期存在争议。本文依托大体系、高精度从头算分子动力学（AIMD）模拟，首次证实稳定五配位中间态的存在，揭示了高压相变的机理：四面体向六面体的转变为一级相变；而六面体向八面体的转变为连续渐变过程，完善了SiO₂玻璃高压相变的理论体系。 文章介绍 Tetrahedral-hexahedral-octahedral transition of SiO2 glass at high pressureXinguo Hong（洪新国）通讯作者： 洪新国，北京高压科学研究中心   研究背景： 二氧化硅（SiO₂）玻璃作为地壳与上地幔的关键成分，其高压结构相变与致密化行为是地球深部动力学、凝聚态物理及材料高压科学的核心研究课题。高压下SiO₂玻璃的四面体—八面体结构相变，直接调控地球深部物质密度梯度、对流运动与沉降过程，是解析地幔地球物理观测数据、揭示深部物质演化规律的重要理论基础。 但是 SiO₂玻璃因硅K边吸收能量低，高压XAFS测量难以进行，导致其相变机制长期存在两大核心分歧：其一，SiO₂玻璃高压相变是传统认知的连续渐变过程，还是存在突变特征的非连续相变；其二，高压相变区间内是否存在大量稳定的五配位SiO₅中间结构。同时，传统模拟多采用小尺寸体系，存在结构统计性差、精度不足的问题，无法揭示高压下多面体演化规律。急需进行高精度AIMD方法，解析相变机制和机理，解决长期以来的学术争议，完善硅酸盐玻璃高压相变理论体系。   研究内容： 针对高压下SiO₂玻璃非晶结构相变现象，依托高精度从头算分子动力学模拟技术，结合大尺寸模拟体系与机器学习加速算法，系统开展不同压缩程度下的微观结构演化研究，研究内容如下： 1. 构建3×3×3（243原子）与4×4×4（576原子）两种大尺度高精度AIMD模拟体系。 2. 研究模拟体系在不同体积压缩比下Si-O配位多面体结构演变规律，以及其空间连接模式与相变机理研究。   研究成果： 1. 明确了SiO₂玻璃高压相变的临界条件与完整相变路径，如图1所示： 图1 SiO₂玻璃中压力诱导的四面体-六面体-八面体结构转变示意图。 2. 揭示了SiO₂玻璃双重差异化相变动力学特征，如图2所示： 图2. 在SiO₂玻璃的3×3×3超胞AIMD模型中，不同压缩比下SiO₄（CN4）、SiO₅（CN5）、SiO₆（CN6）和SiO₇（CN7）单元的多面体含量变化。四面体向六面体的转变为类一级突变相变，结构瞬时坍塌重构；而六面体向八面体的转变为宽区间连续渐变过程，完善了二氧化硅玻璃高压相变的动力学理论体系。 3. 阐明了五配位中间态的结构特征与核心调控作用。揭示了多面体空间拓扑结构的演变规律。 4. 证实了SiO₂与GeO₂玻璃高压相变的同源机制，完善氧化物玻璃极端条件结构演化的通用理论。   研究创新点： 1. 理论创新：首次发现并证实SiO₂玻璃高压相变存在稳定五配位中间相 2. 机制创新：揭示了SiO₂玻璃“突变+渐变”双重相变动力学机制 3. 体系创新：统一了SiO₂与GeO₂玻璃的高压相变同源理论 4. 微观创新：从拓扑结构层面揭示玻璃致密化本质 5. 方法创新：构建了高精度大体系机器学习辅助AIMD模拟方法   重要性： 这项成果用一个清晰的三步转变模型，终结”连续 vs 突变”之争，统一了该领域对立几十年的两种相变图像，确立了五配位中间体的主导地位，把沿用多年的”四面体 八面体”两步模型，修正为...

自然山谷、稻田（图片来源：Shutterstock/Jimmy Tran） 在信息技术领域，信息的传输既可以依赖电子（如传统计算），也可以通过光子（如光子器件）。如今，研究人员正在探索第三种可能，即利用激子（Excitons）作为信息载体传输信息，也正成为前沿研究的热点领域。 激子是材料受光激发后形成的束缚“电子-空穴”对，可以被视为介于光与电荷载流子的中间态。然而，自由激子通常会在短时间内快速发生辐射或非辐射复合，极大地限制了它们的传输距离。为了延长激子的寿命，一种有效的方法是将电子和空穴分别限制在两种不同的材料层中，形成层间激子（Interlayer Excitons），从而实现更长距离的空间传输与信息传递。 在此前的研究中，大多采用单层过渡金属硫化物（TMDs）进行堆叠构建异质结（如MoSe₂/WSe₂或WS₂/WSe₂等），形成空间上分离的层间激子。然而这类体系通常对两层材料间的旋转对准精度要求较高，稍有偏差即将导致层间激子发光强度显著衰减。 为此，在我们的最新研究中，通过构建二维钙钛矿-WS₂异质结，成功摆脱了对这种复杂扭转角度对齐的依赖。我们展示了一种具备电压调控特性的新器件，只需施加电压，即可实现在层间激子和层内激子两种不同激子态之间自由切换，进而精准控制激子在材料中的传输距离。 此外，谷极化（Valley polarization）反映了载流子数在动量空间中非简并不等价能谷的分布信息，是可用于信息编码的重要自由度。我们的研究表明。通过电压控制器件在不同激子态间可逆切换的同时，也可同步实现低谷极化态与高谷极化态的有效转换。这一结果验证了利用电信号操控激子携带信息的可行性，为下一代谷电子学（Valleytronics）器件的开发奠定了重要基础。 总体而言，我们的工作展示了一种在二维材料体系中利用电学手段协同调控“激子传输”与“信息自由度”的有效方法，推动激子器件与谷电子器件距离实际应用又近一步。 >>点击此处链接，查看文章原文。 文章介绍 Switchable band alignment in 2D-perovskite/WS₂ heterostructures for tunable exciton transport and valley polarization Yingying Chen, Zeyi Liu, Zisheng Gong, Cheng Wang, Wendian Yao, Junze Li, Ti Wang, Weibo Gao and Dehui Li（李德慧）   通讯作者： 李德慧，华中科技大学 期刊介绍 Reports on Progress in Physics 2025年影响因子：15.4  Citescore：23.0 Reports...

特刊详情 客座编辑 Jaker Hossain，孟加拉国拉吉沙希大学 Emmanouil Gagaoudakis，希腊研究与技术基金会电子结构与激光研究所（IESL-FORTH） 主题范围 Metamaterials are artificial structures that can manipulate electromagnetic radiation as well as mechanical waves. Thus they can be potentially used in a great variety of applications such as absorbers, antennas, sensors etc. They are also known as double negative or left-handed materials due to the negative refractive index...

The ‘ringdown’ radiation emitted by oscillating black holes has great scientific potential. By carefully predicting the frequencies and amplitudes of black hole quasinormal modes and comparing them with gravitational-wave (GW) data from compact binary mergers we can advance our understanding of the two-body problem in general relativity, verify the predictions of the theory in the...

本篇研究来自中国农业大学刘文丰、柳栖栖课题组。本研究揭示土地利用变化对生态脆弱性具有显著的非线性和阈值响应：部分土地类型较低强度变化可通过重新配置维持或改善生态功能，而超过临界阈值后生态功能迅速下降； 识别中国及九大流域的关键土地利用类型及其临界阈值，发现旱地、中覆盖度草地和林地是重要节点，全国中覆盖度草地的脆弱性阈值约为50%。 文章介绍 Network cascading effects reveal thresholds and nonlinearity in ecological vulnerability Xixi Liu（柳栖栖）, Zheng Li, Yilin Zhao, David Makowski, Xingyu Ren, Mengyu Zhang, Hong Yang and Wenfeng Liu（刘文丰） 通讯作者： 柳栖栖，中国农业大学 刘文丰，中国农业大学   研究背景： 全球生态系统稳定性正受到持续增强的人类活动影响，土地利用变化通过改变生态结构、功能及生态系统服务，成为生态脆弱性的重要驱动因素。现有研究多侧重生态脆弱性的静态空间格局，对土地利用变化的级联影响及临界阈值认识不足。特别是在当前土地利用发展模式持续的情况下，某类土地利用进一步开发至何种强度会引起生态功能下降，以及不同土地类型可承受的变化阈值，仍缺乏定量认识。因此，本研究基于2020至2023年实际土地利用转移矩阵表征当前发展趋势，模拟不同土地类型在开发强度逐步增加时按照现有转移关系重新配置的过程，解析其对生态脆弱性的影响，并识别中国及九大流域不同土地利用类型的临界阈值。   研究方法： 研究基于2020至2023年土地利用转移矩阵，构建中国及九大流域土地利用转移网络，识别关键土地利用类型；进一步引入级联失效模型，模拟在当前土地利用发展趋势下不同类型开发强度增加时的土地重新配置过程，并结合生态系统服务价值（ESV）和生态负荷熵（ELE）评估生态脆弱性。   主要结果： 旱地、中覆盖度草地和林地是维持土地利用网络结构的重要节点。2020至2023年全国及九大流域ESV总体增加，但不同流域对进一步土地开发的响应存在明显差异。水体和森林相关土地受到较强开发时通常造成较大的ESV损失，而部分耕地和荒漠土地在较低开发强度下，可因向生态系统服务价值较高的土地类型转移而产生暂时的生态效益。更重要的是，生态脆弱性并非随开发强度线性变化，而是存在明显的临界阈值；超过系统容量后，原有生态效益可能发生逆转。不同流域和土地类型的阈值存在明显差异，其中全国中覆盖度草地在特定系统容量下的阈值约为50%。 图1 不同开发强度下中国及九大流域ESV的响应。  图2 不同开发强度下中国及九大流域ELE的响应。 创新与意义 研究将生态脆弱性评价由静态格局拓展至土地利用变化的级联过程和临界阈值识别，为确定不同土地类型的合理开发强度及制定流域差异化生态管理策略提供科学依据。 作者介绍 柳栖栖  讲师 中国农业大学 第一作者柳栖栖，中国农业大学水利与智能工程学院讲师。主要从事全球变化背景下水、粮食、土地与生态系统耦合及可持续性研究，重点关注农业水资源与粮食贸易的资源环境效应、土地系统生态响应及生态环境安全空间。   刘文丰  教授...

位于欧洲核子研究中心（CERN）的CMS探测器持续检验着粒子物理学标准模型的适用范围。（图片来源：CERN） CMS合作组的研究人员分析了质子-质子碰撞数据，试图寻找粒子物理学标准模型可能存在的漏洞。 轻子味普适性是粒子物理学中的一项原理，涉及所有轻子（电子、缪子和τ子）与自然界基本力之间的相互作用。按照这一原理，这些相互作用之间唯一的差异应来自这三种粒子不同的质量。 这一原理是标准模型中一项至关重要、可通过实验检验的预言。任何偏离这一预言的现象，都可能意味着存在超出标准模型的新物理。 尽管许多实验结果总体上支持这一观点，但近期的一些实验结果与标准模型的预言之间出现了偏差。 因此，欧洲核子研究中心的CMS合作组着手分析质子-质子碰撞数据。这一次，他们使用了一种特殊的高频率数据流，旨在收集约100亿次质子衰变事件的数据。 研究人员寻找了B介子（由一个底夸克和一个上反夸克组成）衰变为正负电子对或正反缪子对的迹象。 如果轻子味普适性成立，这两种衰变结果出现的概率应当几乎相同。 研究人员的发现正是如此。在实验不确定度范围内，没有证据表明其中一种衰变比另一种更有可能发生。 这些结果进一步支持了轻子味普适性原理，也表明研究人员应当探索其他途径，以寻找标准模型之外的物理现象。 >>点击此处链接，查看文章原文。 文章介绍 Test of lepton flavor universality in B± → K±μ⁺μ⁻ and B± → K±e⁺e⁻ decays in proton-proton collisions at √s = 13 TeV The CMS Collaboration 通讯作者： The CMS Collaboration，欧洲核子研究中心 期刊介绍 Reports on Progress in Physics 2025年影响因子：15.4  Citescore：23.0 Reports on Progress in Physics（ROPP）作为涵盖物理学各分支的权威性综述期刊，长期以来享有盛誉。所有综述均由编委会邀请全球顶尖专家撰写，覆盖物理的经典和热点议题。同时，ROPP现在开始接受原创研究文章投稿。

本篇研究来自上海交通大学彭金波课题组。单分子电子输运为何会对原子尺度环境如此敏感？研究团队利用低温STM和qPlus-AFM，在双层NaCl/Cu(100) 衬底上同时观察到CuPc分子的三种不同输运状态。当带分子的单个占据分子轨道(SOMO) 能级接近衬底费米能级时，仅约 100 meV 的能级移动即可使电荷态寿命改变几个数量级，实现从动态充电到稳定电荷俘获的转变。这为原子级精准调控单分子器件提供重要依据。 文章介绍 Single-molecule electron transport near a charge-trapping orbital-level alignment Zeyuan Wang（王泽元）, Bowei Cheng（程博伟）, Hu Chen（陈浒）, Hao Chen（陈昊）, Yifan Lu（鲁一帆）, Lezhi Ma（马乐之）, Qiuhong Chen（陈秋宏） and Jinbo Peng（彭金波） 通讯作者： 彭金波，上海交通大学微纳工程科学全国重点实验室、李政道研究所及物理与天文学院   研究背景： 单分子电子学以单个分子作为电子输运和功能调控的基本单元，分子轨道与电极费米能级之间的相对位置是决定其输运行为的重要因素。然而，单分子结对原子尺度环境十分敏感，分子吸附位置、局域介电环境以及电极微观结构的细微变化都可能显著改变其电学响应，而传统输运测量通常缺乏原子尺度空间分辨能力，难以直接建立局域环境与输运行为之间的联系。STM/AFM结合超薄绝缘膜为研究这一问题提供了理想平台：绝缘层能够降低分子与金属衬底的电子耦合，使分子轨道、电荷态及其寿命能够在单分子尺度上被直接研究。已有工作表明，电子注入分子后会引起结构和电子态能级重组，但当重组后的分子轨道接近衬底费米能级时，微小的局域环境差异如何影响电荷态寿命，并进一步形成不同的输运行为，仍有待深入研究。基于此，本研究利用低温STM/AFM研究双层NaCl/Cu(100)表面CuPc分子的电荷输运，重点揭示局域介电环境、重组轨道能级与电荷态寿命之间的关联。   研究内容： 本研究以双层NaCl/Cu(100)表面的CuPc单分子为模型体系，利用低温STM/AFM研究局域环境对分子电荷态及电子输运行为的影响。实验首先在同一衬底上观察到Type I、II和III三类分子。高分辨成像表明，Type II和III具有相同的吸附位点和分子取向，但NaCl薄膜中无序的近2×2 moiré调制会造成局域介电和静电环境差异（图1）。扫描隧道谱进一步表明，Type I对应中性CuPc，而Type II和III均为负电荷态，二者整体谱形相近，仅存在细微的能级偏移。 图1. （a）CuPc 分子的化学结构；（b）双层 NaCl/Cu(100) 表面共存的 Type I、Type II 和 Type...

特刊详情 主题范围 This collection aligns with Environmental Research 2026, a two-day symposium organised by World Young Scientists Summit (WYSS) and IOP Publishing in Wenzhou, China, 24–25 October 2026. The symposium brings together leading scientists, early-career researchers and industry experts from around the world to explore the drivers, impacts and solutions associated with climate variability and...

特刊详情 客座编辑 王晓红，清华大学 朱荻彬，上海交通大学 刘会聪，苏州大学   主题范围 The ability to generate, convert, store, manage and efficiently use energy at micro- and miniature scales is essential for increasingly autonomous and integrated systems. Advances in materials, fabrication and system integration are enabling miniature power and energy systems with improved performance and functionality across a wide range of...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选两个主题的研究文章供大家阅读，本月的主题为Quantum和Plastic Pollution。这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 您可以扫描下方二维码，查看IOP出版社量子科学领域和环境领域的最新资讯；还可以点击此处链接，订阅该领域的最新研究进展以及相关期刊的最新信息。 量子： 环境： 精选文章 Quantum Journal of Physics: Condensed Matter Lessons from α-RuCl3 for pursuing quantum spin liquid physics in atomically thin materials Claudia Ojeda-Aristizabal, Xiaohu Zheng, Changsong Xu, Zohar Nussinov, Yukitoshi Motome, Arnab Banerjee, Adam W Tsen, Michael Knap, Rui-Rui Du, Gajadhar Joshi, Andy Mounce, Youngwook Kim, Benjamin M Hunt, Dmitry Shcherbakov, Boyi...

本篇研究来自烟台大学赵银昌、戴振宏课题组。本研究针对层状四元化合物BaCdXF(X=As、P、Sb)的热电性质开展系统的第一性原理研究，发现反键态诱导的反常热输运现象，打破了“原子量越大热导率越低”的传统认知；揭示了反键态强化晶格非简谐性、调控声子散射的微观机制，获得最高1.80的热电优值，为高性能热电材料设计提供了全新的反键工程策略。 文章介绍 Antibonding-induced counterintuitive thermal transport behavior: a first-principles study of quaternary compounds BaCdXF (X = As,P,Sb) Xiaopeng Zhao（赵小鹏）, Yinchang Zhao（赵银昌）, Xichang Wang（王喜昌）, Jun Ni（倪军） and Zhenhong Dai（戴振宏） 通讯作者： 赵银昌， 烟台大学 戴振宏， 烟台大学   研究背景： 热电技术可实现热能与电能的直接相互转换，是废热回收、清洁能源领域的核心技术之一，其转换效率由材料的热电优值ZT决定。降低晶格热导率是提升ZT的关键途径，传统思路多依赖引入重元素、构建复杂晶体结构等手段，普遍遵循 “原子量越大、热导率越低” 的经验规律。然而仅依靠原子质量效应的热导调控存在明显瓶颈，亟需挖掘新的微观物理机制来进一步突破性能极限。层状四元钙钛矿衍生物兼具独特的电子结构与声子特性，是探索新型热输运调控机制、开发高性能热电材料的理想研究体系。   研究内容： 本研究基于密度泛函理论框架，结合自洽声子理论与玻尔兹曼输运方程，同时纳入三声子与四声子散射过程，系统计算了BaCdXF(X=As、P、Sb)三种化合物的晶格热输运与电子输运性质。研究证实三种材料均具有本征低晶格热导率与显著的输运各向异性，并发现反常的温度依赖行为：低温下热导率遵循原子质量规律，而高温下BaCdAsF的c轴晶格热导率反而低于原子量更大的BaCdSbF，完全违背传统经验认知。通过晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析，研究揭示价带顶附近的强反键态是该反常现象的核心根源——反键态会弱化化学键、增强晶格非简谐性，进而强化高温下的声子散射，最终实现热导率的反常降低。 电子输运计算表明，三种材料均为直接带隙半导体，p型掺杂下热电性能更优，其中BaCdSbF在800 K时沿a(b)轴的ZT值可达1.80，展现出优异的热电应用潜力。该工作提出的反键态热输运调控策略，突破了传统质量效应的局限，为高性能热电材料的微观设计提供了新的理论视角与设计思路。 作者介绍 赵银昌  教授 烟台大学 赵银昌，烟台大学教授，清华大学博士，主要从事电声耦合、非谐晶格动力学、超导电性、电子输运、拓扑电子结构等的第一性原理模拟与计算，至今已在Physical Review B、Applied Physics Letters等物理学经典期刊上发表SCI论文100余篇。目前致力于四声子散射、有限温电声耦合、极化子物理、激发态动力学、等离激元等方面的研究。   戴振宏  教授...

本篇研究来自成都理工大学/上海交通大学叶芳伟、西安交通大学张贻齐课题组。本文通过对基于彭罗斯铺砌结构的准晶体引入全局旋错拓扑形变，构建了具有任意阶离散旋转对称性的旋错准晶结构，极大丰富了准晶体的线性能谱，使其可以承载新型本征涡旋态以及无阈值稳定涡旋孤子。本研究将准晶中光场局域化理论拓展至具备全局拓扑形变的结构体系，揭示了该类系统在能量或信息鲁棒传输方面的应用前景。 文章介绍 Vortex solitons in disclination quasicrystals Hua Zhong（钟华）, Yaroslav V Kartashov, Yongdong Li（李永东）, Fangwei Ye（叶芳伟） and Yiqi Zhang（张贻齐） 通讯作者： 叶芳伟，成都理工大学/上海交通大学 张贻齐，西安交通大学   研究背景： 准晶结构是一种不具备平移对称性、但长程有序的非周期材料，其特殊的内部结构和对称性可带来丰富的激发演化现象。至今，准晶系统已在凝聚态物理、光学、声学等领域得到了广泛研究。在光学系统中，准晶结构的离散对称性可对涡旋态的传播行为及局域化特性进行调控。然而，此前的研究大多基于最原始的C5彭罗斯准晶结构，关于准晶系统的离散旋转对称性对涡旋光束的影响仍处于空白阶段。本文通过设计离散旋转对称性可变的旋错准晶结构，首次探索了无阈值非线性涡旋光孤子的形成机制及其稳定性与旋转对称性之间的关系，进一步将准晶体中的光场局域化理论扩展到具有全局拓扑形变的系统中，为非周期光学系统中涡旋光束的研究提供新途径。   研究内容： 本文通过在具有C5对称性的非周期彭罗斯准晶中设计全局拓扑缺陷，将旋错引入准晶系统中，构建了具有不同离散旋转对称性的旋错准晶结构。通过对不同对称性下的旋错准晶结构的能谱进行分析，发现这种旋错结构极大的丰富了准晶线性能谱的分布形式，使其可同时支持两类同相及反相的线性涡旋态。而且随着旋错准晶结构的离散旋转对称性增加，系统支持的涡旋态的拓扑荷数也在增加，对于C4旋错准晶结构，仅支持拓扑荷为1的涡旋态，C5,C6结构可支持拓扑荷为1，2的涡旋态，C7结构最高可支持拓扑荷为3的涡旋态。在此基础上，我们引入非线性效应，利用牛顿迭代法寻找到一系列同相及反相非线性涡旋孤子族，这些孤子从其对应的线性涡旋态分化而来，具有无阈值特性，其中同相涡旋孤子可分为能量集中在外层格点和内层格点两种形式。最后，我们对非线性涡旋孤子的稳定性进行分析，发现C4,C5结构中的孤子态具有更好的稳定性及更大的稳定区间，对结构中的无序也具有一定的鲁棒性。本文不仅首次实现了离散旋转对称性可变的旋错准晶结构，也在非线性作用下得到了无阈值涡旋光孤子，并阐明了离散旋转对称性对涡旋态拓扑电荷的约束作用及对孤子的传播动力学稳定性的影响，填补了相关空白，为非周期光学系统中涡旋光束的动态调控提供了新的理论支撑。 作者介绍 叶芳伟  教授 成都理工大学/上海交通大学 叶芳伟，成都理工大学/上海交通大学教授，长期致力于微纳光学和非线性光学的前沿基础研究和应用研究。在Nature、Nature Photonics、PRL等学术刊物上共发表SCI论文140余篇。任IEEE Transactions on Nanotechnology, Frontiers in Nanotechnology, Scientific Reports编委，全国光孤子学术委员会主席。先后入选“上海市优秀学术带头人计划”、“上海市东方英才计划领军项目”、“教育部长江学者奖励计划特聘教授”、“天府峨眉计划领军人才”等。   张贻齐  教授 西安交通大学 张贻齐，西安交通大学电子科学与工程学院教授，长期从事拓扑光场非线性调控的基础研究。以第一作者和通讯作者在Nature Physics、PRL、Advanced Materials、Nature Communications、Light: Science and Applications、Science Bulletin等发表论文100余篇。获得陕西省杰出青年基金项目、陕西高等学校科学技术研究自然科学一等奖、陕西省自然科学二等奖等，入选陕西省普通高校“青年杰出人才”支持计划，连续入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家年度榜。 期刊介绍...