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主题范围 光学的发展是推动科学和技术进步的重要力量。中国的光学研究工作者对光学各分支的发展都做出了重要贡献，产生了越来越广泛的国际影响。为了展示我国科学家的光学研究成果，促进学术交流，本期特刊将提供平台发表光学和光子学领域的最新研究进展。涵盖主题包括光学和光子学各领域的实验和理论研究。 客座编辑 许京军  教授 南开大学 ● 许京军，南开大学常务副校长，物理学教授，博士生导师。1998年获国家杰出青年基金资助，1999年成为教育部长江学者奖励计划特聘教授。长期从事凝聚态非线性光学及其应用研究，在弱光非线性光学、微纳尺度下非线性光学等研究中取得重要进展，为弱光非线性光学发展做出重要贡献，并为国家应用需求提供了器件技术支持；发现了若干微纳尺度下非线性光学新效应及其应用，开拓了若干微纳结构光场调控新功能与应用。曾获国家自然科学二等奖等10余项国家级省部级科技奖励；合作发表学术论文600余篇、编著著作6部，获发明专利授权40余项。 陈红胜  教授 浙江大学 ● 陈红胜，浙江大学信息与电子工程学院院长，教授，博士生导师。国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow），教育部长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者。相继入选中组部首批青年拔尖人才、教育部新世纪人才，获全国百篇优秀博士学位论文奖、教育部霍英东青年教师奖、国家自然科学基金优秀青年基金。主要研究方向包括新型人工电磁结构、异向介质、电磁波隐身、深度学习与智能电磁波调控等，在Nature、Nature Physics、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters、PNAS等国际期刊上发表了280余篇论文，被引用12000余次。目前担任SCI期刊Journal of Optics专题主编，Progress in Electromagnetics Research期刊Deputy Editor in Chief。多次担任PIERS、Metamaterial、APMC、亚太微波会议等大会主席、分会主席和程序委员会委员。 魏红  研究员 中国科学院物理研究所 ● 魏红，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。2004年本科毕业于山东大学物理学院，2009年博士毕业于中国科学院物理研究所，并留所工作。曾获得中国青年女科学家奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院物理所科技新人奖、国家优秀青年科学基金、中科院卓越青年科学家项目、北京市科技新星计划等荣誉和人才项目支持。长期从事等离激元光子学研究，在Physical Review Letters、Nano Letters、Chemical Reviews、PNAS等期刊发表论文六十余篇。担任Journal of the Optical Society of America B的Topical Editor，Journal of Optics和Advanced Photonics Research的编委。多次担任META、SPIE/COS Photonics Asia、CLEO、CLEO-PR等重要国际会议的分会主席或程序委员会委员。 仇旻  教授 西湖大学 ● 仇旻，西湖大学副校长，国强光学工程讲席教授，博士生导师。美国光学学会理事会（扩大）理事、国家杰出青年基金获得者、国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow）、美国光学学会会士（OSA...

本篇研究来自吉林大学李爱军和王晓峰课题组。本文介绍了以MoS2 和PTAA作为钙钛矿太阳能电池的双层空穴传输层有效提高了电池的转换效率。在三维钙钛矿太阳能电池中利用双层空穴传输层器件将电池功率转换效率提高到 18.47%，而单独使用 PTAA 的对照设备显示转换效率为14.48%。在二维钙钛矿太阳能电池中也体现了同样的效果，双层空穴传输层器件的转换效率达到13.19%，而单独使用PTAA的转换效率为10.13%。 文章介绍 Efficiency improvement of inverted perovskite solar cells enabled by PTAA/MoS2 double hole transportersWeidong Hu（胡炜东）, Xin Jin（靳昕）, Aijun Li（李爱军）, Cheng-Liang Liu（刘振良） and Xiao-Feng Wang（王晓峰）通讯作者： 李爱军，吉林大学物理学院 王晓峰，吉林大学物理学院   研究背景： 由于钙钛矿结构具有高吸收，双极载流子传输特性，良好的流动性和长载流子扩散长度等优异光电性能，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究近年来一直是国内外新能源探索的热点。其中具有很高器件效率的Spiro-OMeTAD 是目前最广泛使用的空穴传输材料，然而其成本昂贵，并且为了高电导率而掺杂在其中的物质将降低电池的稳定性，这些缺陷限制了其在商业化中的应用。钙钛矿太阳能电池的商业化急需一种低成本、高效、稳定的空穴传输材料。MoS2 作为一种无机半导体材料，具有适当的内在带隙、疏水性、低成本、环境稳定性和溶液可加工性等优点而被广泛应用于光电器件中。我们设计了一种旋涂PTAA的MoS2无机纳米片双空穴传输层结构有效提高了钙钛矿太阳能的效率和稳定性。   研究内容： 空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用，我们以MoS2纳米片作为倒置光伏结构的阳极缓冲层来提高钙钛矿太阳能电池的性能。具有单MoS2缓冲层的钙钛矿太阳能电池功率转换效率低并且长期稳定性差。结合 MoS2和PTAA作为双层空穴传输层后，电池功率转换效率提高到18.47%，而单独使用PTAA的对照设备显示转换效率为14.48%。在二维钙钛矿太阳能电池中也体现了同样的效果，对于双层空穴传输层器件，转换效率达到13.19%，而单独使用PTAA的对照组相应转换效率为10.13%。通过电学阻抗谱和荧光光谱分析显示转换效率的显著改善归因于界面电阻的降低以及空穴抽取能力的提高。此外，改善后的电池器件表现出更好的稳定性，转换效率在储存500h后仍然保持初始值的66%，高于47%的基于单个PTAA或MoS2设备的剩余转换效率。本研究结果表明聚合物和无机纳米材料作为钙钛矿太阳能电池以及其他光伏结构的双层缓冲材料的潜在应用价值。 作者介绍 王晓峰  教授 吉林大学 吉林大学物理学院学院教授，博士毕业于日本关西学院大学理工学部，主要从事太阳能转换与储存相关的研究。已经在EES, JACS, AFM等期刊发表论文120多篇。成果获得中国科学报能源版专题报道。 李爱军  副教授 吉林大学 吉林大学物理学院学院副教授，从事新能源电池和量子光学方面的研究，先后在美国佐治亚南方大学，美国威廉玛丽学院等做访问学者。 期刊介绍 Nanotechnology 2021年影响因子：3.953  Citescore：6.2 Nanotechnology（NANO）创刊于1990年，是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述，主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。

本篇研究来自北京大学杨玉超课题组和黄如课题组。本文系统介绍了用于无标签数据处理的忆阻器硬件这一新兴领域。从不同的无标签数据处理算法的原理出发，介绍了该算法的忆阻器计算系统实现策略以及应用前景，总结了该领域存在的问题以及解决方案，包括非理想因素和电压降等，并提出了该领域将来的发展方向在于工艺和良率的优化、软硬件协同和寻找新原理的器件等。 文章介绍 Memristive Devices Based Hardware for Unlabeled Data Processing Zhuojian Xiao（肖卓建）, Bonan Yan（燕博南）, Teng Zhang（张腾）, Ru Huang（黄如） and Yuchao Yang（杨玉超） 通讯作者： 杨玉超，北京大学 黄如，北京大学   在对无标签数据处理、忆阻器以及二者结合的重要性进行简要介绍之后，本论文根据算法种类，将现有的忆阻器硬件研究工作进行了系统总结。这些计算硬件所基于的忆阻器包括金属氧化物忆阻器、相变忆阻器、自旋忆阻器、离子栅晶体管和铁电晶体管等，所实现的算法包括主成分分析、k-means、稀疏编码、自编码器、Hopfield网络、受限波尔兹曼机和脉冲神经网络等。这些忆阻器硬件的信号编码方式既有数字和模拟的，还包括适用于神经形态硬件的脉冲信号，其应用涵盖了机器视觉的特征提取、生物医疗的基因数据分析和疾病检测以及神经形态计算领域的联想记忆和高效优化问题求解等。 在对上述忆阻器计算系统进行总结和对比分析基础上，本论文提出了现有的忆阻器硬件普遍存在的问题。这些问题包括：1）器件的非理想因素，如缺陷、器件涨落和寄生效应等，这些非理想因素影响了算法的精度和收敛性。2）电压降，电压降会导致硬件的规模和计算并行度降低，从而影响硬件可拓展性和效率。3）器件的初始化问题，忆阻器需要一个较大的电压来对器件初始化，该电压会导致其他器件受到损害。最后，本论文提出了忆阻器计算系统的未来发展方向在于工艺和良率的持续优化、软硬件协同和寻找新原理的器件等。   研究背景： 人工智能浪的主要挑战之一在于寻找到更快速和高效的硬件，从而在海量数据中提取有价值的信息和知识。带标签的数据处理较为方便，但带标签的数据需要人工标注，其代价高昂。因此，无标签数据处理算法和硬件在人工智能应用中是更为普适的任务。无标签数据处理算法既包括如主成分分析和聚类等传统机器学习手段，还涵盖多种神经网络模型，例如受限玻尔兹曼机、Hopfield网络、生成对抗网络和脉冲神经网络等。这些算法中包含有大量的矩阵向量乘以及神经元模型等计算单元。用传统的COMS硬件来实现上述计算代价高昂，而用忆阻器来执行则能够在面积和能量开销方面获得巨大提升。因此，将基于忆阻器的硬件用于无标签数据处理将对人工智能产生巨大的促进作用。 作者介绍 杨玉超  教授 北京大学 杨玉超，北京大学长聘教授、国家杰青获得者。长期从事忆阻器、类脑计算、存算一体芯片等研究，在Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、IEDM等权威期刊和会议发表论文120余篇。获首届科学探索奖、求是杰出青年学者奖、《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35人等奖项，入选2020全球前2%顶尖科学家榜单、2020年与2021年爱思唯尔“中国高被引学者”。   黄如 教授 北京大学 黄如，北京大学教授、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、IEEE Fellow。长期从事集成电路科学与工程研究，在新型低功耗逻辑与存储器件、神经形态器件及类脑计算、边缘智能计算芯片、可靠性及EDA等共性技术方面取得系统创新成果。连续被列入多个版本的国际半导体技术发展路线图ITRS，在国际上产生重要影响，相关成果转移到国内外知名IC制造、设计和EDA公司。迄今在领域标志性会议IEDM、VLSI和标志性期刊EDL、TED上发表100余篇论文，2篇ISSCC论文被遴选为大会Highlight亮点论文；应邀做国际会议大会和特邀报告50余次。曾获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、北京市科学技术一等奖（2次）、教育部自然科学一等奖、教育部科技进步一等奖、中国青年科技奖等多项国家和部委级奖励。 期刊介绍 Neuromorphic Computing and Engineering Neuromorphic Computing and Engineering（NCE）是一本涵盖多个学科领域、采用开放获取（OA）形式出版的期刊。NCE期刊将神经形态系统的硬件和计算方面结合在一起，读者群覆盖工程、材料科学、物理、化学、生物学、神经科学和计算机科学等领域，跨越学术界和产业界的各个群体。在NCE期刊上发表的研究需针对神经形态系统和人工神经网络领域做出及时而重要的贡献。

本篇研究来自中科院上海微系统所王浩敏课题组。本文主要介绍了利用过渡金属纳米粒子的催化刻蚀，首次获得到取向可控且具有高长宽比的hBN纳米沟槽；通过改变刻蚀金属的种类和氢气分压，可以实现对hBN沟槽的取向调控；hBN沟槽的边界原子级平整，宽度可小于5nm。 文章介绍 Directional etching for high aspect ratio nano-trenches on hexagonal boron nitride by catalytic metal particles Chen Chen, Li He, Chengxin Jiang, Lingxiu Chen, Hui Shan Wang, Xiujun Wang, Ziqiang Kong, Xiaojing Mu, Zhipeng Wei, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Tianru Wu, Daoli Zhang(张道礼) and Haomin Wang（王浩敏） 通讯作者： 王浩敏，中国科学院上海微系统与信息技术研究所 张道礼，华中科技大学   我们报道了不同纳米金属粒子对hBN取向刻蚀的详细研究。利用过渡金属纳米粒子的催化刻蚀，在hBN表面得到具有单原子层深度和高长宽比，且取向可控的hBN纳米沟槽，并进行了系统表征。研究发现，在低H2分压下，只有Pt和Ir能刻蚀出扶手椅型边界的沟槽，而其他过渡金属则会形成锯齿型边界的纳米沟槽。纳米沟槽的密度和宽度随刻蚀温度和金属盐溶液浓度的增加而增加，沟槽的取向还取决于H2分压。图1a及图1c分别为扶手椅型取向和锯齿型取向的hBN沟槽的AFM侧向力图像。hBN的褶皱通常沿着扶手椅型取向，这为我们快速判断沟槽的取向提供了便利。放大的AFM高度像显示了扶手椅型取向（图1b）和锯齿型取向（图1d）hBN沟槽的宽度均为5 nm左右，且边界平整，沟槽的长宽比可达3000。具有高长宽比和原子级平整边界的纳米沟槽为石墨烯等二维材料的限域生长提供了精确的模板，这为原子级集成电路的制造提供了实验基础。 图1 分别由Pt和Zn纳米粒子刻蚀得到的扶手椅型和锯齿型取向的hBN沟槽...

本篇研究来自清华大学翟荟课题组。本文指出在利用神经网络方法处理解析延拓问题时，在训练集中加入恰当的噪音是非常重要的。 文章介绍 Noise enhanced neural networks for analytic continuation Juan Yao（姚娟）, Ce Wang（王策), Zhiyuan Yao（么志远） and Hui Zhai（翟荟） 通讯作者： 翟荟，清华大学高等研究院   研究背景： 解析延拓指的是将虚时关联函数延拓到实时，这是量子多体物理研究中的遇到的一个重要难题。因为物理实验中的直接观测量往往是实时关联函数，而诸如量子蒙特卡洛等数值方法往往只能给出虚时关联函数。因此，我们需要利用解析延拓将数值计算和物理实验观测联系起来。然后，由于从虚时到实时的变换存在内在的奇异性，虚时关联函数所携带的误差会被无限大地放大，导致解析延拓之后得到的结果极大地偏离真实情况。另一方面，受限于数值方法的局限性和精度，虚时关联函数的数据中不可避免携带一些噪音。这就是解析延拓问题的难点所在。过去人们发展了很多方法来解决这一问题，都未能彻底解决这一问题。近年来利用神经网络解决这一问题成为一种新的尝试。   研究内容： 图一 构建从虚时关联函数到实时关联函数的神经网络   解析延拓的核心问题在于奇异映射对噪音的高度敏感性。因此，我们的研究的重点是，在预测实时关联函数或者普函数时，如何提高神经网络（图一）对噪音的鲁棒性。   图二 损失函数在不同噪音下的表现   首先，我们以人工模拟谱函数为例，研究了训练集合和测试集合中不同噪音强度的添加对网络预测性能的影响。我们发现当训练集合的噪音略强于测试集合的噪音的时候，神经网络对测试数据集的噪音抵抗性最强（图二）。也就是说对于含有噪音的数据，为了预测其准确性或者提高神经网络的噪音抗性，我们可以在训练集合数据中添加强度略强的噪音。   图三 对比maxEn 方法，不加入噪音的神经网络方法，加入噪音的神经网络方法，以及谱函数真实情况   进一步地，我们研究了实际蒙特卡洛数值模拟的数据。我们以严格可解的横场伊辛模型为例来阐释如何模拟和选择适当强度的噪音。对于这类数据来说，人们对于其中的实际的噪音强度无从知晓。我们对训练集合添加不同强度的噪音，并对蒙特卡洛数值产生的数据做谱函数预测。因为该模型严格可解，我们了解其实时关联函数的真实情况。从预测表现进而我们可以确定合适的噪音强度来增强神经网络的噪音鲁棒性。对于这一物理模型的预测，我们发现即使在谱函数较为奇异（例如，某一频率范围的谱函数为零，谱函数存在从零奇异增长到非零的区域）的情况下，训练好的噪音增强神经网络依旧可以给出比较合理的预测（图三）。 对于这两种情况，我们发展的方法，其预测结果都明显超过了之前发展的其他处理解析延拓的方法，也超过了数据中不加入噪音的神经网络方法。我们验证了数据集中噪音对神经网络方案效果的增强作用，最终展现了的其性能表现的优越性。 作者介绍 姚娟  助理研究员 南方科技大学量子科学与工程研究院   王策  助理教授 同济大学物理科学与工程学院   么志远  博士后 清华大学高等研究院   翟荟  教授 清华大学高等研究院 期刊介绍...

本篇研究来自兰州大学芭芭拉·荻茨和其他科研人员。本文证明，通过沿对称线切割圆形和椭圆形中微子弹球，获得具有可积经典动力学的圆形和椭圆形扇形。他们表现出类似于经典混沌非相对论性量子弹球的能谱特性。然而，半经典长度谱和波函数并没有展现出与经典混沌对应的非相对论性量子弹球的预期特征。因此，我们在能谱特性中观察到混沌的量子特征，但与量子混沌的中心猜想没有矛盾。 文章介绍 Quantum signatures of chaos in relativistic quantum billiards with shapes of circle- and ellipse-sectors Pei Yu（喻佩）, Weihua Zhang（张为华）, Barbara Dietz（芭芭拉·荻茨） and Liang Huang（黄亮） 通讯作者： 芭芭拉·荻茨，兰州大学   我们切割一个完整的圆、椭圆和等边三角形减少离散对称到基本域。完整NB和对称子能谱的能谱特征通过分析显示符合泊松统计，然而，对于它们的基本域扇区来说确不一定。完整NB的表现出离散旋转对称性，它们的旋量分量确属于不同的子空间。因此扇区NB与完整的NB没有任何共同的本征态。半圆和半椭圆NB具有镜像对称性，但是也不能借此对本征态进行分类。波函数在夹角处边界条件不连续，导致能谱特性类似于经典混沌 QB 的能谱特性。我们证明了小质量圆形和椭圆形NB在移除直径轨道的影响后表现出接近混沌系统的能谱特性。拐角的影响类似于伪可积、近可积或奇异 QB 中的衍射轨道。在半经典极限中，相应形状的弹球的周期轨道占主导地位，因此随着波数增加，波函数和局部电流位于经典动力学轨迹上，不会像预期那样分布在整个区域。我们得出的结论是，圆形和椭圆形NB的本征态的两个旋量分量在旋转下的混合，以及在连接直线和弯曲边界部分的拐角处引起的不连续性导致能谱性质接近于那些具有混沌经典动力学的QB。相反，低能NB的波函数和胡斯米函数可能表现出复杂的结构，但是，它们并没有经典混沌对应的 QB 所期望的特征。因此，这些NB中没有“量子混沌”，即使能谱特性表现出经典混沌的量子特征。     研究背景： 根据贝里- 塔博尔猜想，对应于经典可积的非相对论量子系统的能谱特性与泊松随机数的能谱特性一致。我们研究了它多大程度适用于相对论中微子弹球（NB），NB 是自旋 1/2 粒子限制在有界平面。与非相对论量子弹球（QB）不同，NB 没有明确的经典对应。然而，NB 的长度谱与经典弹球（CB）周期轨道长度一样。这意味着NB 和CB 之间存在联系。我们证明，通过沿对称线切割圆形和椭圆形NB依然具有经典可积动力学，但它们的能谱特性类似于那些经典混沌的QB。这些特征源于旋量分量的对称性和边界条件中的不连续性，导致在连接弯曲和直线边界部分的拐角处出现了矛盾的边界条件方程。为了证实该发现，我们进一步考虑通过沿对称轴将等边三角形NB减半而构造直角三角形NB。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical   and Theoretical 2021年影响因子：2.331  Citescore:...

本篇研究来自中国科学院深圳先进技术研究院李光元课题组。本文主要介绍了基于纵向金属-电介质-金属（MIM）纳米光栅，在直入射条件下获得了窄带（线宽仅有0.8 nm）的四偶极等离激元表面晶格共振（SLR），并首次在理论上观测到SLR的能带反转现象。通过改变入射角，高Q值SLR的共振波长可在750nm的超宽带近红外范围内连续调节；同时，SLR的线型从Fano型的非对称谷变成峰、谷/峰对，最后变成洛伦兹对称峰。 文章介绍   Narrow quadrupolar surface lattice resonances and band reversal in vertical metal-insulator-metal gratings Xinyu Fang (方心宇), Lei Xiong (熊磊), Jianping Shi (石建平), Hongwei Ding (丁洪伟) and Guangyuan Li (李光元) 通讯作者： 李光元，中国科学院深圳先进技术研究院   针对图1(a)所示的横向MIM纳米光栅结构，研究发现在直入射条件下，其反射谱（或透射谱）在近红外波段存在一个超窄的Fano线型的谷（或峰），如图1(b)所示，算得其Q值高达1224。如图1(c)所示，当四偶极SLR被激励时，近场电场在很大的范围内被极大增强，最大的电场增强系数高达210，而且上下金柱中均被激励出四偶极子。 图1(a)横向MIM纳米光栅在直入射条件下激励出四偶极SLR的示意图。(b)零阶的反射和透射光谱。(c)共振时的近场电场分布。 当入射角从0°增大到50°时，四偶极SLR的共振波长沿着-1阶瑞利异常（RA）线连续可调，可调范围宽达756nm，几乎覆盖了整个近红外波段；同时其Q值从1224近乎指数衰减至150，如图2所示。这意味着可在超宽带范围内调节的四偶极SLR能够保持很高的Q值（作为对比，局域等离激元共振的Q值仅为10~20）。 图2. (a)不同入射角时的零阶反射谱。(b)共振波长靠近-1阶RA线。(c)仿真所得Q值。 图2(a)还表明，可以在理论上首次观测到SLR的能带反转现象：其反射谱从Fano线型的谷逐渐演化成为峰。具体地，当入射角度为0°-5°时，共振线型为非对称的Fano型谷；10°-15°时，为Fano型峰；25°时，为对称的洛伦兹线型峰；更大的入射角度时，为准洛伦兹线型峰，如图3所示。共振线型的演化可以用Fano参数q来评估其非对称程度。因此，通过改变入射角度，基于纵向MIM纳米光栅可以实现洛伦兹线型和Fano线型的共振，也可以调节RA和局域等离激元共振之间的相干性。 图3. 四偶极SLR共振线型随着入射角度的演化，实线为仿真获得的反射谱，虚线是采用图中标注的Fano参数q拟合而得的反射谱。 研究背景： 表面晶格共振（SLR）具有窄线宽、高品质因子（Q值）、大范围内电场极大增强以及共振波长可调节等优点，在纳米激光、非线性光学、强耦合和光传感等微纳米尺度上的光与物质相互作用领域有着诱人的应用前景。为了获得更高的Q值，近年来四偶极SLR受到了人们的广泛关注。然而，文献在直入射条件下报道的四偶极SLR共振伴随着一个强共振的偶极SLR背景，本身的共振较弱，且Q值并不理想。最近，作者基于横向MIM纳米光栅结构在斜入射条件下实现了无偶极SLR背景的窄带四偶极SLR，在近红外波段获得了1036的高Q值。由于直入射在实验上更为便捷，因此，本文要解决的问题是：在直入射条件下，能否实现无偶极SLR背景的高Q值四偶极SLR。 作者介绍 李光元  副研究员 中国科学院深圳先进技术研究院 李光元，中科院深圳先进技术研究院副研究员，博士生导师。2009年毕业于北京大学电子学系获博士学位。先后在北京大学、南洋理工大学、悉尼大学从事博士后研究工作。曾获得北京大学优秀博士后称号，入选中国光学工程学会高级会员和美国光学学会（Optica）高级会员。主要研究方向为：超高Q值及动态可调的超构表面光子元器件。 期刊介绍 Journal of Physics D: Applied Physics 2021年影响因子：3.409  Citescore：5.7...

本篇研究来自西安邮电大学郭三栋课题组。本文主要介绍了RuBr2可能内在就是一个能谷极化量子反常霍尔绝缘体。即使不是，也可以通过应变调控实现。 文章介绍 Valley-polarized quantum anomalous Hall insulator in monolayer RuBr2 San-Dong Guo （郭三栋）, Wen-Qi Mu （穆雯琪） and Bang-Gui Liu （刘邦贵） 通讯作者： 郭三栋，西安邮电大学   RuBr2具有和MoS2一样的晶体结构。首先我们研究了电子关联效应U(0-3 eV)对RuBr2的物理性质的影响。晶格参数随U的增加而增加，并且RuBr2的基态一直保持铁磁序。下面我们考虑磁各项异性对RuBr2电子态的影响。不同的磁性方向将会影响体系的对称性，进而会对体系的电子性质产生重要影响。 图一：总能隙以及-K和K谷能隙随U的变化 图二：dxy+dx2-y2和dz2轨道投影带结构U=1.5eV(a), 2.0eV(b)和 2.5eV(c)，以及对应的Berry曲率分布   首先假定磁各项异性处于面外，由于磁化强度是赝自旋，面外的铁磁仍然使体系保持着水平镜面，而破坏了所有的垂直镜面，这允许非零陈数的出现。随着U的增加，RuBr2经历了铁谷态（FV）、半铁谷金属态（HVM）、量子反常霍尔态（QAH）、半铁谷金属态和铁谷态，两个半铁谷金属态分别对应着-K和K点能隙关闭（图一）。这些能通过dxy+dx2-y2和dz2轨道的带反转以及-K和K谷的Berry曲率符号改变解释（图二）。dxy+dx2-y2和dz2轨道分布的改变也导致谷劈裂强度在价带和导带之间转变。在两个半谷金属态之间，RuBr2处于能谷极化量子反常霍尔绝缘体（图三), 无论能带隙和谷劈裂都大于室温热涨落能。接着假定磁各项异性处于面内，计算结果出示无铁谷和量子反常霍尔态存在，其中能隙随着U首先减小到0，然后继续增加。 图三：拓扑手性边缘态：左边缘（a）和右边缘（b） 最后我们计算了内在的磁各项异性能（图四), 随着U的增加体系从面外变成面内。只要RuBr2的真实U处于1.8eV-2.07eV之间, 它就是一个能谷极化量子反常霍尔绝缘体。即使U不在此范围，我们也可以通过应变实现能谷极化量子反常霍尔绝缘体。下面我们以U=2.25eV作为例子，研究了应变对RuBr2物理性质的影响。计算得到的结果与以U作为变量完全相似，例如图五和图一。 图四：磁各项异性能随U的变化   图五：总能隙以及-K和K谷能隙随应变a/a0的变化 总结，RuBr2可能内在就是一个能谷极化量子反常霍尔绝缘体。即使不是，也可以通过应变调控实现。一个附加结果，根据图一和图五，调控关联强度可以通过应变等价的实现。   研究背景： 拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应，为突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。铁谷材料具有自发的谷极化，从而可以导致反常谷霍尔效应，其能作为未来非易失性存储材料，为存储工业未来的发展提供了新的可能。谷极化量子反常霍尔效应独特地将谷电子和自旋电子学与非平凡能带拓扑结合在一起，为研究磁性-谷-拓扑相互作用、探索新奇演生量子物态、实现新奇量子器件应用提供了新机遇。因此，搜寻大能隙, 高局里温度和大谷劈裂的能谷极化量子反常霍尔绝缘体对实际应用是有非常重要的现实意义。 作者介绍 郭三栋  副教授 西安邮电大学 郭三栋，西安邮电大学副教授。最近研究集中在二维多功能量子材料的理论计算与设计。第一作者发表于2D Materials, JMCC, Nanoscale, PRB, PCCP,  NJP,...

本篇研究来自华东师范大学段纯刚课题组。本文主要利用第一性原理计算探索了挠曲电效应对二维面内铁电材料能带的影响。结果显示在铁电引起的面内偶极子和挠曲电效应的联合作用下，单层硒化锗 (germanium selenide, GeSe)中可以形成同质pn结，且pn极性方向可被铁电极化调控。此结论不仅限于二维铁电材料，可以推广到任意存在面内偶极子的体系。 Flexoelectric effect induced p-n homojunction in monolayer GeSe Jun-Ding Zheng，Yi-Feng Zhao，Zhi-Qiang Bao, Yu-Hao Shen，Zhao Guan，Ni Zhong，Fang-Yu Yue，Ping-Hua Xiang，Chun-Gang Duan（段纯刚） 通讯作者： 段纯刚，华东师范大学 本文利用第一性原理计算研究了挠曲电效应对GeSe单层的影响，结果如下: 1：当GeSe单层沿着手扶椅(极化)方向弯曲(BAS)时，最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）会在实空间分离，形成Ⅱ 型能带排列。而沿着之字形(非极化)方向弯曲(BZS)时，HOMO和LUMO在实空间是重合的，为Ⅰ型能带排列。(图1所示） 图1：BAS(a)和BZS(b)对应的HOMO和LUMO实空间分布。(c) a图对应的层分辨态密度分布。   2：我们分析了Ⅱ 型能带排列的成因。挠曲电效应会在-z向产生挠曲电电场，并且面内偶极子会沿着弯曲的切向方向排列，在两侧产生反向的面外分量。由此结构两侧产生额外相反的静电能，产生Ⅱ 型能带排列。我们计算了弯曲结构对±z方向电场的反应，由此证明了挠曲电电场的存在。(图2所示）这种现象不仅限于GeSe单层，只要存在面内偶极子，在挠曲电效应的影响下都会产生类似的现象。   图2：(a)HOMO和LUMO在实空间分离的原理示意图。（b）HOMO和LUMO对电场的响应。   3：进一步分析了弯曲GeSe单层的输运性质，在BAS中，GeSe单层呈现出与pn结类似的整流性质。(图3所示）并且预计翻转极化方向，HOMO（n型）和LUMO（p型）的位置也会发生交换。这种现象可以用于非易失存储器件。 图3：Ⅱ(a)和Ⅰ (b)型能带排列示意图以及对应的I-V特性曲线。 研究背景： 二维材料由于其独特的性质和有前景的应用，最近受到越来越多的关注。它们通常表现出与体相不同的物理性质。随着维度的下降，材料的生长过程中容易形成纳米管、卷曲、波纹和气泡等弯曲结构。由此引起的挠曲电效应会对二维材料性质有重要影响。目前，二维材料中的挠曲电效应已被广泛研究。挠曲电效应可以有效的控制二维材料中的电导率、费米能级、直接-间接间隙跃迁、对电场的响应以及电势和载流子的分布。另一方面，近年来理论和实验成功确定了多种二维铁电材料的存在，但是对于二维铁电材料中的挠曲电效应的研究却不多见。因此，本文以具有面内铁电的单层GeSe为例，研究了挠曲电效应对其能带和光吸收的影响。 作者介绍 段纯刚  教授 华东师范大学 段纯刚，华东师范大学特聘教授，主要从事固体磁性、铁电、光学、多铁性和类脑硬件研究。在Nature Elec., Nat. Commun.、PRL、Adv. Mater.等国际著名学术刊物上共发表学术论文200余篇，被物理学顶级综述期刊Rev. Mod. Phys.、Science、Nature及其子刊等SCI引用逾9000次，另为四部中英文专著撰写章节。担任教育部创新团队极化类信息功能材料学术带头人，先后入选上海市领军人才，上海优秀学术带头人，国家“万人计划”领军人才等，获上海市自然科学二等奖(2012年)，上海市自然科学牡丹奖（2017）。现任npj Comput. Mater.副主编，J....

本篇研究来自中国科学院城市环境研究所陈伟强研究组和英国兰卡斯特大学刘凌轩课题组。本文核算了2000-2019年中国大陆聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）五大通用塑料的全生命周期物质循环；系统评估了五大通用塑料分应用部门的回收状况，全面分析了废塑料基础回收设施的处理能力，识别了制约塑料回收的薄弱环节；立足于中国现实情况，提出了完善塑料循环基础设施建设的政策建议。 文章介绍 Material flow analysis of China’s five commodity plastics urges radical waste infrastructure improvement Xiaomei Jian(简小枚)，Peng Wang(汪鹏)，Ningning Sun(孙宁宁)，Wen Xu(徐闻)，Lingxuan Liu(刘凌轩)，Yichun Ma(马一春) and Wei-Qiang Chen(陈伟强)   通讯作者： 汪鹏，中国科学院城市环境研究所 刘凌轩，英国兰卡斯特大学   1.2000-2019年五大通用塑料物质流分析 2000-2019年中国五大通用塑料的消费量约9.8亿吨，包装和农业部门是主要的消费领域。2000-2019年五大通用塑料的在用存量为4.5亿吨，塑料消费后产生的废塑料为5.9亿吨，其中27%被回收，34%被填埋，32%被焚烧。 图1 2000 – 2019年中国五大通用塑料物质流分析（单位：Mt） 2.五大通用塑料分应用部门的回收率分析 五大通用塑料的平均回收率约为27%，根据回收率可将部门分为三类：包装和日用部门（回收率<20%），电子产品和其他部门（回收率≤30%），建筑、交通和农业部门（回收率>30%）。废塑料的回收率在很大程度上取决于收集环节、前端处理环节和后端处理环节的效率，低收集率影响了整体回收状况。 图2 五大品类废塑料分部门回收率及三个关键回收环节   3.废塑料基础回收设施处理能力分析 2018年前正规回收设施的塑料处理能力远低于国内废塑料的产生量，但在2018年以后，我国再生塑料行业逐渐往智能化和机械化的方向发展，正规废物基础回收设施建设逐渐完善。在空间上，华东地区处理能力最大，占全国总处理能力的35%，其次是华南地区(28%)和华北地区(20%)，先进的改性技术有利于再生塑料颗粒的加工升级。 图3 废塑料产生量、回收量和处理能力（a）以及区域处理能力分布情况（b）   研究背景： 塑料的大量消费和废弃已造成极大的资源和能源浪费，引发严峻的环境污染。中国作为塑料消费和报废大国，必须加快升级基础回收设施以应对塑料威胁。因此，本文核算了2000-2019年中国大陆聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）五大通用塑料的全生命周期物质循环，系统评估了五大通用塑料分应用部门的回收状况，全面分析了废塑料基础回收设施的处理能力及其薄弱环节。最后，立足于中国现实情况，提出了要构建中国塑料全生命周期物质流追踪体系，加快推进废塑料的收集、分拣和处理的基础设施建设，为完善塑料循环体系提供技术支持与设施支撑。 作者介绍 汪鹏  副研究员 中国科学院城市环境研究所 汪鹏，中国科学院城市环境研究所副研究员，澳大利亚新南威尔士大学博士（制造工程及管理）和博士后（生命周期工程实验室），主要从事碳中和下关键金属等物质资源供需模拟及风险管控技术研究，在Nature Communications、Fundamental Research、Global Environment...

本篇研究来自南方科技大学汪飞课题组。本篇综述文章主要介绍了近年来在中国大陆地区各种微热板的设计方案，特别是低功耗的悬浮膜式微热板。通过将“自下而上”和“自上而下”策略纳米材料工艺相结合，为基于MEMS的MOSs气体传感器提供了可行的晶圆级解决方案，利用MOSs的多种纳米结构和新兴的机器学习算法，已成功实现了乙醇、氢气、硫化氢、甲苯、甲醛、氟利昂等多种气体检测。 文章介绍 A review of MEMS-based metal oxide semiconductors gas sensor in Mainland China Gaoqiang Niu（牛高强）, Fei Wang（汪飞） 通讯作者： 汪飞，南方科技大学深港微电子学院   在过去的几十年里，基于MEMS工艺的MOSs气体传感器在中国大陆取得了长足的进步。多种低功耗的微型加热板的生产工艺得以开发。金属氧化物传感材料通过“自上而下”和“自下而上”的综合策略在MEMS微加板上实现了原位生长和图案化。微热板的MEMS 制造技术以及MOS 的晶圆级沉积和图案化方法的发展，推动了 MEMS 气体传感器在相关领域的应用。基于MOSs的纳米结构的MEMS气体传感器，实现了多种气体的ppb级检测。基于脉冲加热、机器学习和神经网络算法，多气体传感和气体跟踪已经在一些应用中实现。随着人工智能技术以及基于MEMS的MOSs气体传感器的快速发展，在现实环境中实现多气体传感的定性识别和定量分析是可预见的。 图1 基于MEMS 的MOSs气体传感器的最新应用   研究背景： 随着过去几十年微纳加工技术的飞速发展，基于微机电系统（MEMS）的金属氧化物半导体（MOSs）气体传感器的尺寸显著减小且功耗进一步降低。然而，由于MOSs制备工艺与微热板制备工艺之间所存在的兼容性问题，难以实现MOSs气体传感器的晶圆级制备。现有工艺生产设备复杂且成本高。随着技术的发展，结合 MOSs的原位生长技术（称为“自下而上”策略）和通用MEMS蚀刻技术（称为“自上而下”策略），为MEMS气体传感器提供了一种晶圆级MOSs图案化的解决方案。同时，中国大陆地区有越来越多的研究小组和相关公司致力于MEMS气体传感器的研究和发展。本文通过对中国大陆地区的MEMS气体传感器的总结和介绍，可以为该领域的研究人员提供一些启发性的信息。 作者介绍 汪飞  副教授 南方科技大学 汪飞课题组以微纳能量收集技术以及微纳传感器为研究重点，累计发表学术论文200余篇。课题组研究工作长期获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金等各项经费支持。2008年获得深圳市“青年科技奖”。2020年，作为大陆地区唯一受邀学者在加拿大举办的IEEE MEMS 2020大会作特邀报告。 期刊介绍 Journal of Micromechanics and Microengineering 2021年影响因子：2.282  Citescore：4 Journal of Micromechanics and Microengineering（JMM）是该领域的领军期刊，涵盖了微型机电结构、设备和系统，以及微观力学与微机电的各个方面。JMM专注于制造和集成技术方面的原创性研究，推广新的制造技术及设备。该期刊的研究范围包括微型工程和纳米工程学，涉及物理、化学、电子和生物等领域，也发表关于硅和非硅材料的制造和集成方面的最新研究。

本篇研究来自浙江大学曹光旱课题组。文章主要回顾了铁基磁性超导体AEuFe4As4（A=Rb, Cs）近五年来的主要研究进展，并对未来的研究方向进行了展望。 超导电性和铁磁性通常“相互为敌”，因此它们在单一晶体材料中一般很难共存。然而，早在十多年前，曹光旱课题组就已经发现掺杂EuFe2As2的铁基超导材料具有这样的共存状态。这主要是由于Fe-3d多个轨道能够同时满足超导配对和Eu局域自旋之间的铁磁交换作用。2016年，该课题组进一步发现AEuFe4As4 (A =Rb, Cs) 铁基超导体，为超导和铁磁共存和相互作用的研究提供了新的材料基础。这两种同源化合物可以被看作是AFe2As2和EuFe2As2之间共生或杂化产生的，在FeAs双层膜中显示Tc= 35-37K的超导电性，同时在Tm~15K以下，Eu2+离子夹层中显示磁有序。在这个铁磁超导体中，Eu2+自旋在每个Eu平面内呈铁磁性排列，使该系统成为一个天然的、具有原子厚度的超导体-铁磁体超晶格。 文章介绍 Iron-based magnetic superconductors AEuFe4As4 (A=Rb, Cs): natural superconductor–ferromagnet hybrids Ya-Bin Liu, Yi Liu and Guang-Han Cao（曹光旱） 通讯作者： ■  曹光旱，浙江大学 期刊介绍 Journal of Physics: Condensed Matter 2021年影响因子：2.745  Citescore：4.3 Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)为读者提供凝聚态物理、软物质、纳米科学和生物物理各领域的最新研究成果。JPCM发表实验/理论分析和模拟研究，读者可以获取涉及下列领域的专题综述、快报和特刊：表面、界面和原子尺度的科学，液体、软物质和生物物理，纳米材料和纳米电子，固体结构的晶格动力，电子结构，超导体和金属、半导体，电介质和铁电，以及磁学与磁性材料。