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本篇研究来自中国科学院国家授时中心董瑞芳、张首刚和中国科学院上海技术物理研究所贾建军课题组。本文首次报道了在2公里自由空间和7公里实地光纤组成的混合光链路上的量子双向时间传递实验演示。三个夜晚的实验结果表明，在接近30dB链路衰减、强大气湍流条件下，量子双向时间传递系统持续稳定运行，时间偏差远低于1皮秒 (1ps=10-12s)。该工作展示了量子增强的时间传递方案在天地一体光链路中的可行性及应用于最先进空间微波钟比对与同步的潜力。 文章介绍 Quantum two-way time transfer over a hybrid free-space and fiber link Xiao Xiang (项晓), Bingke Shi (师冰轲), Runai Quan (权润爱), Yuting Liu (刘妤婷), Zhiguang Xia (夏志广), Huibo Hong (洪辉博), Tao Liu (刘涛), Jincai Wu (吴金才), Jia Qiang (强佳), Jianjun Jia (贾建军), Shougang Zhang (张首刚), and Ruifang Dong (董瑞芳)   通讯作者： 董瑞芳，中国科学院国家授时中心 贾建军，中国科学院上海技术物理研究所...

本篇研究来自电子科技大学钟智勇课题组。本文综述了相干自旋波在均匀波导中传播现象效应以及均匀自旋波波导的最新研究进展。 文章介绍 Spin wave propagation in uniform waveguide: effects, modulation and its application Lei Zheng(郑磊)，Lichuan Jin(金立川)，Tianlong Wen(文天龙)，Yulong Liao(廖宇龙)，Xiaoli Tang(唐晓莉)，Huaiwu Zhang(张怀武)，Zhiyong Zhong(钟智勇) 通讯作者： 钟智勇，电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室   研究背景： 自20世纪60年代摩尔定律提出以来，微处理芯片上的晶体管数量几乎每两年增加一倍。然而随着互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺逐步逼近物理极限，尤其是高密度晶体管所带来的热耗散问题，使得半导体集成电路的发展受到了严重的制约。因此国际半导体技术蓝图（ITRS）将关注点聚焦于物理层面的创新，指出基于自旋波的信息传输和数据处理是未来突破摩尔定律极限的重要技术路线之一。 自旋波，其量子态为磁振子（Magnons），利用磁矩的非一致进动，在导电或绝缘的磁性材料中可实现没有载流子定向移动的磁矩角动量传播，有效地克服了焦耳能耗的产生，为突破纳米级、高集成度、超低能耗的电子器件热耗散瓶颈问题开辟了一条崭新的途径，除此之外，自旋波在高频率（高达太赫兹）、短波长(短至几纳米)，以及易于实现的多种非线性效应等方面具有其他技术不可替代的优势，被学界认为其在未来高速低能耗计算、绝缘体自旋电子学、微纳磁振子学、微波及太赫兹通讯和量子计算等领域中都有光明的应用前景。 自旋波器件由三部分组成：自旋波激励源、自旋波波导以及自旋波探测器。自旋波波导作为自旋波器件的关键部分，其所起到传播和调制自旋波的功能。典型的自旋波波导包括均匀波导和磁振子晶体。均匀波导通常是指由同一种连续磁介质构成的波导，磁振子晶体则是类似于光子晶体的人工晶体。本文综述了相干自旋波在均匀波导中传播现象效应以及均匀自旋波波导的最新研究进展。   研究内容： 自旋波波导是自旋波器件的核心。通常，自旋波的传播特性及传播现象是通过自旋波波导中的色散关系来体现的。本文从自旋波在均匀波导中的色散关系出发，描述了例如自旋波信道化、量子化、自聚焦等特殊的传播现象(如图1)。紧接着，基于这些基本理论，本文从结构、外场和偶极场三个方面介绍了均匀波导中自旋波调制方法(如图2)，并深入讨论了各类调制方法的应用及其局限性。例如微结构调制方法是适用于固定功能器件的设计，并且这类方法的调制效果稳定且较为高效；自旋转移矩效应（ STT）及自旋轨道矩效应（SOT）效应调制方式可以有效地阻碍或放大自旋波的传输，这类调制方式的优点在于其快速响应速度，尽管利用STT和SOT效应调制都存在焦耳热的问题，但可以通过减小波导的宽度或将其集成到散热器设备中来减少焦耳热的产生。不同的自旋波调制方法具有不同的特点和应用场景。多种调制方法的结合可能是未来自旋波调制研究的主要方向之一。对自旋波的传播特性及调制方法的研究，推动了自旋波器件的发展，并取得了初步成功。与CMOS器件相比，自旋波器件在能量耗散和逻辑结构方面具有明显的优势。然而，自旋波器件的集成以及实现与CMOS电路的兼容性仍然面临巨大挑战。 图1 (a)自旋波信道化现象传播示意图。(b)自旋波量子化色散关系图。(c)自旋波自聚焦现象传播示意图 图2 (a)基于几何结构(缺陷)的自旋波调制方式。(b)基于SOT效应调制方式。(c)基于磁拓扑结构(磁畴)的自旋波调制方式。(d)基于偶极场的自旋波调制方式。 作者介绍   钟智勇，男，1970年5月生，教授，博士生导师。IEEE学会高级会员，《Journal of Material Science & Technology》学术期刊编委，四川省学术与技术带头人（2021年），教育部新世纪优秀人才（2008年）。主要研究方向包括纳米磁性材料与结构、自旋电子器件、功率与控制磁性器件和微波磁电子器件。 期刊介绍 Journal of Physics D: Applied Physics 2022年影响因子：3.4  Citescore：5.9 Journal of...

本篇研究路线图的客座编辑为来自新加坡南洋理工大学的申艺杰和来自上海理工大学的詹其文。该路线图旨在突出日益复杂的时空雕刻脉冲的创建和控制方面的最新进展，从时空可分离到复杂的不可分离状态，具有不同的几何和拓扑结构，以鸟瞰视角对时空光场的发展进行了概述，并对未来的发展趋势和挑战进行了展望。 文章介绍 Roadmap on spatiotemporal light fields  Yijie Shen, Qiwen Zhan, Logan G Wright, Demetrios N Christodoulides, Frank W Wise, Alan E Willner, Kai-heng Zou, Zhe Zhao, Miguel A Porras, Andy Chong, Chenhao Wan, Konstantin Y Bliokh, Chen-Ting Liao, Carlos Hernández-García, Margaret Murnane, Murat Yessenov, Ayman F Abouraddy, Liang Jie Wong, Michael Go, Suraj Kumar,...

本篇研究来自台湾中兴大学郭华丞课题组。本研究以分子束磊晶成长3nm铝薄膜，并制作为超导共平面波导共振器。该材料所产生的动态电感能产生极大的Kerr系数，在7.2GHz共振频率下，达到每个光子产生3.6MHz的频率偏移。此非线性使我们能观察到微波的四波混频和参数放大，放大增益在穿透型共振器为12.2dB。我们预期改进共振器阻抗匹配结构后能应用于参数放大器。 文章介绍 Large parametric amplification in kinetic inductance dominant resonators based on 3 nm-thick epitaxial superconductorsWei-Chen Chien（简维成）, Yu-Han Chang, Cheng Xin Lu, Yen-Yu Ting, Cen-Shawn Wu, Sheng-Di Lin and Watson Kuo（郭华丞） 通讯作者： 郭华丞，台湾中兴大学   研究背景： 超导量子电路为目前主流的量子信息处理平台，它具有许多优点，如高度相干性、低能量耗散和线路可扩充性等，在科学研究和工程应用上都得到了广泛关注与具体成果。超导电路中的非线性是实现量子比特(qubit)相干操控和量子信息处理的关键效应。非线性一般通过超导接面的约瑟芬效应（Josephson effect）或电荷载流子在交变电场中的惯性质量，称为动态电感(Kinetic Inductance)来产生。由于目前主流的超导量子电路材料都是使用铝，在我们的工作中希望以高质量超薄铝膜制作共振器来产生巨量的动态电感，制程上与既有的超导量子电路能够整合，其巨大的电感和非线性可用于参数放大器、高电感值量子比特、或应用于量子讯号读取的共振器、环行器、滤波器等。   研究内容： 所研究的共平面波导共振器有两种类型：反射型(notch-type)共振器常用于量子比特的读取，可提供多路复用读出方案。穿透型(transmission-type)共振器适用于光子存储、信号混合和放大。超导铝薄膜使用分子束磊晶方式成长在蓝宝石基板，薄膜厚度为3nm，使用标准曝光、显影和湿蚀刻等制程方法。 测量发现当铝薄膜厚度降低至3nm时，共振器共振频率降低40%，表示动态电感可以达到几何电感的2.2倍。在加大输入微波讯号时共振频率降低，在7.2GHz的穿透式共振器中，其高度非线性可以达到每输入光子3.6MHz的频率偏移。 常见的微波参数放大器是基于四波混频（four-wave mixing），它是一种非线性光学效应，在介质中多个微波信号相互作用可产生新的光波，并遵从能量守恒和动量守恒。当条件符合时，能以一道高强度的波对另一道低强度的波产生功率放大。本研究使用四波混频方式来研究此非线性薄膜共振器的混波效果，在穿透式共振器中，对小功率讯号可以获得的增益为12.2dB。本研究显示3nm厚的分子束磊晶铝薄膜其超导温度约为1.6K，能应用于超导量子电路于7GHz之工作频率。其动态电感为几何电感的2倍以上，可大幅提升电感减少共振器长度。动态电感所具之非线性使共振器产生参数放大效应，具有动态电感侦测器、参数放大器等微波工程应用之潜力。 作者介绍 简维成  博士后研究员 台湾中兴大学 台湾中兴大学物理系博士(2017)。现任中兴大学物理所博士后研究员。芬兰阿尔托大学低温实验室访问研究(2011-2012)，升达科技(Universal Microwave Technology, Inc.) 微波工程师(2017-2020)。研究兴趣与专长为低温超导组件、高频微波组件设计与仿真、薄膜和二维材料的电学与微波特性研究，参数放大器和光子探测器应用等。 郭华丞  教授 台湾中兴大学 台湾清华大学物理系博士(2002)。现任台湾中兴大学教授、中央研究院合聘研究员。经历中央研究院博士后研究员(2002-2004)、德国KIT访问学者(2016)。曾任中兴大学物理系系主任、半导体学程主任、中兴大学副研发长。研究兴趣与专长为超导组件、微波组件、奈米电子。目前参与可扩充超导量子计算机的硬件开发。 期刊介绍 Materials for Quantum Technology...

本篇研究来自长春理工大学何秀霞课题组。 文章介绍 MiRNA-520a-3p Combined with Folic Acid Conjugated Fe2O3@PDA Multifunctional Nanoagents for MR Imagine and Antitumor Gene-Photothermal Therapy Xue Li(历雪), Shuang Wang(王爽), Qingzhe Gao(高庆哲), Na Li(李娜), Shanshan Dong(董珊珊), Yuwei Gao(高玉伟), Zuobin Wang(王作斌), Butian Zhang(张卜天) and Xiuxia He(何秀霞) 通讯作者： 何秀霞，长春理工大学   研究背景： Chemotherapy and radiotherapy combined with surgery are the traditional treatments for many osteosarcoma patients, but the fifive years survival is still less...

特刊详情 客座编辑 Sander Veraverbeke，荷兰阿姆斯特丹自由大学 Matthias Boer，澳大利亚西悉尼大学 Paulo Brando，美国耶鲁大学 Adrianna Foster，美国国家大气研究中心 Scott Goetz，美国北亚利桑那大学   主题范围 Recent extreme fire seasons in among others Amazonia, Eastern Australia, the western United States and the Arctic underscore the urgent need to better understand the interactions between climate change, human activity and fire regimes. Climate change leads to longer fire seasons,...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选一系列文章供大家阅读，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！ 精选文章 Physics Quantum Science and Technology Magic state distillation and cost analysis in fault-tolerant universal quantum computation Yiting Liu, Zhi Ma, Lan Luo, Chao Du, Yangyang Fei, Hong Wang, Qianheng Duan and Jing Yang   Microgravity facilities for cold atom experiments Matthias Raudonis, Albert Roura, Matthias Meister, Christoph Lotz, Ludger Overmeyer, Sven Herrmann, Andreas...

2022年6月，西南大学倪呈圣课题组在Journal of Physics D: Applied Physics期刊上发表了题为“Plasma-treatment of polymeric carbon nitride for efficient NO abatement under visible light”的研究论文。第一作者为西南大学资源环境学院2020级硕士研究生曾琦淼，通讯作者为西南大学资源环境学院倪呈圣副教授。论文也得到了西南大学资源环境学院倪九派教授、陈宏副教授，阿尔斯特大学Davide Mariotti教授和重庆工商大学卢兰英老师的鼎力支持与帮助。 文章介绍 Plasma-treatment of polymeric carbon nitride for efficient NO abatement under visible light Qimiao Zeng(曾琦淼), Jiupai Ni(倪九派), Davide Mariotti, Lanying Lu(卢兰英), Hong Chen(陈宏) and Chengsheng Ni(倪呈圣) 通讯作者： 倪呈圣，西南大学   研究背景： 光催化氧化法是目前净化空气中低浓度氮氧化物（NOx）最环保、经济和高效的技术。氮化碳聚合物（PCN）具有无毒、易制备、带隙合适、良好的化学稳定性等特点受到光催化领域的关注。但其活性位点少和光生载流子复合率高导致可见光催化活性偏低。对此，研究人员采用多种方法对PCN进行改性，例如形态调控、元素掺杂、异质结耦合等。介质阻挡放电（DBD）产生的低温等离子体可以通过改变表面形态、调整电子结构、促进活性组分的分散或产生新的活性相对材料进行表面改性。此外，放电过程中产生的大量自由基和高能电子利于去除空气污染物。本研究采用等离子体表面改性PCN实现高效可见光催化氧化一氧化氮（NO），为提高PCN可见光催化性能提供新的改性策略。   研究内容： 不同气氛（Air、Ar、Ar-5%H2）下用DBD处理PCN（图1），探索氧化或惰性气氛中等离子体对催化剂表面、物理化学性质和光催化活性的影响。 图1 反应装置图 成果： 原位光学发射（图2）反映等离子体过程产生了受激发的原子和分子。在空气等离子体中主要观察到N2和NO，Ar和H2放电中下存在明显的OH及大量的Ar发射峰。 图2 等离子体的光发射 等离子体处理不改变PCN的晶体结构（图3a），减少表面O-H（图3b），增加-C=O （图3c）。...

近日，我们采访了Planetary Habitability一书的作者Stephen R Kane。 >>点击此处视频，让我们一起看看他在IOP出版社的出版经历吧。 作者介绍   Stephen R. Kane is a Professor of Planetary Astrophysics at the University of California, Riverside. His work covers a broad range of topics related to planetary astrophysics and he has discovered and co-discovered hundreds of planets orbiting other stars. He is a leading expert on the topic of...

本篇研究来自西安交通大学电信学部闫森课题组。本研究面向对轻质共口径天线的需求，提出基于贴片天线与人工表面等离激元的模式调控的共口径天线设计方法。将SSPP和贴片天线作为整体，使天线在低频段激发出SSPP偶模式，引入新的谐振，实现全向辐射；在高频段SSPP工作于奇模式，仅作为引向器，并不改变贴片自身的谐振特性，但辐射方向图由侧射变为端射。通过模式调控，实现双频天线的小型化和多功能化。 文章介绍 Shared-Aperture Antennas Based on Mode Modulation of patch antenna and SSPPs Bingyue Qu（屈冰玥）, Sen Yan（闫森）, Anxue Zhang（张安学）, Yongqiang Pang（庞永强） and Zhuo Xu（徐卓） 通讯作者： 闫森，西安交通大学电信学部   研究背景： 在无线通信领域，例如航空、航海、卫星通信、移动通讯等系统中，对天线系统的性能要求愈来愈高。同时，由于飞机、卫星、移动终端、天线基站的空间大小有限，对空间利用率有极高要求，故而极大约束可天线的重量及尺寸。若为了实现多种功能而安装多副天线，会产生空间不足、电磁耦合强等问题，故而迫切需要降低天线的尺寸、重量和成本，并在一个口径内实现多频段和多种辐射功能。因此，结构紧凑的共口径多频段多功能天线在现代无线通信系统中具有重要应用价值。 研究内容： 研究提出了一种基于贴片天线和SSPP模式调控设计共口径天线的方法。设计了一种3.1 GHz全向辐射、10.56 GHz端射辐射的共口径天线，为设计轻型的多功能无线通信系统中的共口径天线提供了一种有效的选择。 其中，SSPP结构采用鱼骨形式。在低频处，其偶模式（电流对称分布）电流形成驻波，可实现全向辐射特性；而在高频处，奇模式（电流不对称分布）电流形成行波，实现端射特性。 为了实现上述两种模式的电流分布，需对SSPP奇/偶模式对应的激发方式进行特殊设计。为便于共形，使用贴片天线对SSPP进行激发，贴片和SSPP作为整体辐射时激发偶模式SSPP；SSPP作为引向器时，被贴片近场感应电流耦合激发奇模式SSPP，分别达到全向辐射与端射辐射的效果。 通过仿真分析发现，当改变鱼骨结构单元的个数及地板尺寸时，可有效调节低频的谐振频率。改变贴片边长，可改变高频的谐振频率，而鱼骨结构自身的形状决定了高频引向特性，可用于增益的调节。这充分验证了本文提出设计方法的有效性和正确性。 图1 （a）天线结构图，（b）S11，（c）偶模式电流，（d）奇模式电流，（e）低频辐射方向图，（f）高频辐射方向图 作者介绍 闫森  教授 西安交通大学 2015年获比利时鲁汶大学电子工程博士学位。2016起任比利时FWO基金会研究员。2017年入选西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”，任教授。主要研究方向包括体域网、可穿戴天线、微波传感器、超材料、多功能天线等。发表学术论文160余篇。2019年获国际无线电联盟（URSI）青年科学家奖。 期刊介绍 Journal of Physics D: Applied Physics 2022年影响因子：3.4  Citescore：5.9 Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。

本论文作者来自清华大学精密仪器系，论文主要探索新型结构光束及其在湍流环境下的性能，这种新型结构光束被称为稳定光束STOB（Steady Optical Beam）。研究结果表明，该新型结构光束能够显著提升光束传播时的抗湍流能力。通过采用相位型空间光调制器进行动态调控，该方法有效扩展了光束的焦深，并进一步提升了抗湍流能力。该研究在空气、烟雾或水介质中的信号与图像传输领域中具有应用前景。 文章介绍 Robust propagation of a steady optical beam through turbulence with extended depth of focus based on spatial light modulator Yiqian Yang（杨怡谦）, Xingwang Kang and Liangcai Cao（曹良才） 通讯作者： 曹良才，清华大学精密仪器系   研究背景： 当光束在湍流介质中传输时，介质折射率的变化会引入像差，从而显著影响光束特性并降低信号传输与成像质量。如何实现稳定传播的结构光束，是抗湍流技术领域的一个重要挑战。当前，具有特殊设计结构的透镜制造成本高且缺乏动态调制特性，在工程中衍射光学器件的应用范围相对受限。本研究通过相位型空间光调制器实现了对光场的任意调制，基于横向波矢干涉相消机理设计了一种新型结构光束STOB。该结构光束采用动态的相位分布，能够将相位光束的焦深提高26倍，同时将光束的抗湍流性能提高4.7%，这一创新方法为克服湍流效应提供了新的途径，并在实现稳定传播的结构光束方面取得了显著进展。   研究内容： 本研究基于横向波矢干涉消除机理，解决了多环结构光束STOB的动态产生问题，实现了光束抗湍流性能的提升。采用空间光调制器对STOB进行动态调制，突破了光束传播距离的限制，为光束在长距离湍流介质中的传播提供了新的解决方案。相较于传统的高斯光束，STOB具有许多优势。在强湍流介质中，STOB展现出更高的峰值强度和更好的鲁棒性能，同时具有焦深扩展和实时动态调控等特点。如图1所示，从Ring 1到Ring 6的干涉相消，可以实现一定长度的焦深DOF，在不同的深度探测都可以得到稳定的焦点。采用空间光调制器，可以实现DOF1到DOF3的焦深扫描，从而实现了长焦深光束，进一步扩展了光束的焦深范围。图2为STOB和高斯光束在水下的传播对比实验装置图，在水箱中的光束传播实验结果表明，如图3所示，尽管水的折射率不断变化，但是传播光束的稳定性仍然得到了显著的提升，光束的抗湍流性能提高4.7%。本研究提出的新型结构光束对于处理光束在湍流介质中的传播具有重要意义，并为光学系统在复杂环境下的应用提供了有力支持。 图1 长焦深光束产生原理 图2 STOB和高斯光束在水下的传播对比实验装置图 图3 STOB光束湍流鲁棒性能提升结果 作者介绍 曹良才  教授 清华大学 曹良才，清华大学精密仪器系教授、博士生导师。国际光学工程学会SPIE和美国光学学会OPTICA会士。2005年获得清华大学光学工程专业博士学位，毕业后留校工作至今，加州大学圣塔克鲁兹分校和麻省理工学院访问学者，研究方向主要为全息光学成像与显示技术，自2023年4月开始担任JPhys Photonics期刊编委。   杨怡谦  博士研究生...

本篇研究来自北京大学戴瀚程课题组。通过应用北京大学LEEEP团队自主开发的IMED综合评估模型，定量分析中国省级道路交通部门的电气化带来的碳减排和空气污染控制效果。探究不同省级区域电动汽车渗透对空气质量改善的影响，进一步分析人群健康效应，为中国道路交通电气化的省级梯度推广方案制定提供参考。 文章介绍 Regionally differentiated promotion of electric vehicles in China considering environmental and human health impacts Yan Ru Fang （方艳茹）, Xin Sun（孙锌）, Silu Zhang（张思露）, Gang Liu （刘刚）, Xiaorui Liu（刘晓瑞）, Peng Zhang, Yifei Kang, Hancheng Dai（戴瀚程） 通讯作者： 戴瀚程，北京大学环境科学与工程学院   研究背景： 交通部门在深度脱碳和减轻污染排放方面发挥了重要作用，被认为是实现全球可持续性发展的关键。中国道路运输占比较大，客运作为道路运输的重要模式，其碳排放量不容忽视。目前，推广电动汽车被普遍视为全球范围内降低交通二氧化碳排放和减少空气污染物排放的重要途径。然而，由于中国31个省级地区在经济发展、人口动态、电动汽车普及状况、汽车保有量和电力结构等方面存在差异，这将导致电动汽车的推广路径在省级层面存在差异。因此，有必要在省级层面从减排、空气质量改善、人群健康效益的角度来探讨电动汽车推广的区域差异化策略。   研究内容： 电气化推动了二氧化碳排放量的大幅减少 研究表明，在不清洁的电力系统下，电动汽车可能无法达到预期的减排效果；尽管如此，与低能效的传统燃油汽车相比，电动汽车仍具有很高的减排潜力。   图1：2011至2018年间各情景下二氧化碳排放变化及其驱动力   空气污染物减排 研究发现，在电力结构不清洁的情况下，电动汽车存在增加大气污染物排放的风险，其中， SO2的排放量最高。   图2：(a)2011至2018年间大气污染物排放趋势及 (b)2018年时空分布   空气质量和区域健康效益...