文章推广

JPhys Materials最新发表的研究路线图由50多名杰出的研究人员共同撰写，他们跨越了可持续材料研究的多个学科。该路线图不仅概述了材料科学领域实现可持续性所面临的重要挑战和困难，还批判性地提出了可以用来克服这些挑战的观点和方法。 在撰写该路线图时，JPhys Materials希望为发展更广泛的可持续材料研究社区提供帮助，为学术界、工业界、政府和基金组织在这一至关重要且快速发展的研究领域提供指导，这是未来可持续性的关键。 文章介绍 The Sustainable Materials Roadmap Maria-Magdalena Titirici, Sterling Baird, Taylor Sparks, Shirley M. Yang, Agi Brandt-Talbot, Omid Hosseinaei, David Paul Harper, Richard Parker, Silvia Vignolini, Lars Berglund, Yuanyuan Li, Huai-Ling Gao, Li-Bo Mao, Shuhong Yu, Noel Díez, Guillermo Alvarez.ferrero, Marta Sevilla Solis, Petra Szilagyi, Connor Stubbs, Joshua Worch, Yunping Huang, Christine...

本篇研究来自深圳大学周晔研究员课题组，本文介绍了基于二维有机晶体管在数据存储和神经形态计算方面的最新进展。总结了二维有机晶体的前景和合成策略。随后，讨论了2D有机晶体在铁电非易失性存储器、电路型光电突触和神经形态计算中的应用。最后，为该领域的未来前景和挑战提出了见解，对于推动二维有机突触晶体管在神经形态计算领域应用具有一定的指导和借鉴意义。 文章介绍 Evolutionary 2D organic crystals for optoelectronic transistors and neuromorphic computing 钱芳晟、卜晓波、王俊杰、吕子玉、韩素婷、周晔 通讯作者： ■  周晔，深圳大学   本文介绍了该新兴领域的代表性工作，重点关注二维有机晶体的应用前景，全面综述了具有高均匀性和结晶度的大规模二维有机晶体的高效合成策略，详细讨论了二维有机晶体在光电晶体管中的光电响应，与其他电子器件的集成以及高性能光电突触应用。 未来研究方向：1. 由于高度有序的分子构型和载流子各向异性传输特性，应优化二维有机晶体的晶向选择。2. 二维尺度下的有机晶体通常以缺陷和结构无序为主，这导致原子级晶体的特性与块状晶体有很明显差异。因此，二维有机晶体的精确分层生长对于探索人工突触的新奇功能至关重要。3. 水氧分子的表面吸附和较差的热稳定性会降低二维有机突触器件的均匀性和稳定性。需要开发稳定的有机单体和特定封装策略，从而将器件的可靠性和耐久性提高到所需水平。4. 构建高性能逻辑单元迫切需要开发具有良好稳定性的大规模n型二维有机半导体的策略。5. 对二维尺度下有机半导体结构与相关电学和光学特性之间关系的认识和理解还相当有限，需要进行系统的理论研究来揭示构效关系。 意义：具有独特光电响应和丰富材料体系的二维有机晶体可以作为突破其作为有机突触晶体管应用于神经形态计算发展瓶颈的一个良好平台，对帮助推进近传感器计算有重要意义。 研究背景 目前基于人脑仿生启发的神经形态计算范式利用当前不断增长的算力，海量数据的采集及算法优化已经得到了广泛的研究。高效的神经形态计算需要模拟可控的突触可塑性，从而实现近传感端计算。迄今为止，光电晶体管已被报道为基于多种材料体系的人造突触。其中，有机晶体管具有独特的优势，包括用于光电转换的宽光谱响应、可调谐分子结构、低成本制备工艺等。然而，在有机突触晶体管中，如何阐明和揭示材料微结构与性能之间的联系是此研究领域当前的主要问题。二维有机半导体因消除层间屏蔽效应和高度有序的分子结构可被视为揭示有机材料构型关系和实现性能控制的良好平台，有望为高性能有机突触晶体管带来新一轮变革。 作者介绍 周晔  研究员 深圳大学 ●周晔，英国皇家化学会会士、深圳大学高等研究院研究员、博士生导师。他是IEEE、Wiley、Springer Nature、Taylor & Francis、RSC、IOP旗下10余个国际期刊的编委会成员/专题编辑。主要从事后摩尔时代的存储器和传感器的研究，在Science、Chem. Rev.、Nat. Electron.、Nat. Commun.、Matter、Adv. Mater.、Appl. Phys. Rev.、Nano Lett.等期刊发表论文150余篇，被引用5600余次，H-因子39，获授权中国与美国发明专利19项。 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。目前，期刊已开放投稿，所有向NCE期刊投稿的开放获取文章的出版费用（APC）将由IOP出版社支付。到2022年之前，作者无需支付任何费用。

本篇文章来自华东交通大学刘志敏教授课题组，文章主要讨论了以下几点内容： 提出了一种可以实现三重等离子诱导透明现象的石墨烯超材料. 推导了四模式共振耦合CMT理论结果，并与三重等离子体诱导透明拟合较好。 对比了石墨烯和银超材料在实现三重等离子体诱导透明时的差异，石墨烯暗模共振谷表现出异常变化，得到结论“在实现等离子体诱导透明现象时石墨烯比银超材料有更好的吸收特性，这种吸收特性会随着费米能级的增加而减弱”。 文章介绍 Triple plasmon-induced transparency in graphene and metal metamaterials and its anomalous property 张箫，刘志敏，张镇斌，秦艺鹏，卓珊珊，罗昕，周凤麒，易早，王嘉伟，王雨晴 通讯作者： ■  刘志敏，华东交通大学   运用时域有限差分法（FDTD）计算模拟石墨烯在太赫兹光波的共振特性，实现三重等离子体诱导透明现象。运用耦合模式理论（CMT），推导四重共振模的结果，并与三重等离子诱导透明现象拟合较好。 在实现等离子体诱导透明现象时石墨烯比银超材料有更好的吸收特性，并且石墨烯暗模共振谷表现出异常变化，它的吸收特性会随着费米能级的增加而减弱。因此，对基于石墨烯超材料的吸收器应用是有指导意义的，虽然石墨烯超材料相比于金属银有更好的吸收特性，然而更高的费米能级并不有利于石墨烯超材料对光的吸收。 研究背景 在石墨烯超材料中实现太赫兹波段的动态可调的等离子诱导透明现象受到很多科研人员的关注，太赫兹波段是有限的，如何利用单层石墨烯得到多重等离子诱导透明现象从而实现对有限波段的多频调制是研究的热点。另外，在实现等离子体诱导透明现象时，相比于金属超材料的静态调制，石墨烯除了动态可调还有哪些不同呢？在对应于吸收器的应用中，石墨烯的可调性是否是有利的呢，基于这些问题，我们做了这项研究工作。 ｜作者介绍｜ 刘志敏  教授 华东交通大学 ● 刘志敏，男，华东交通大学理学院院长，硕士生导师,中南大学理学博士，美国俄亥俄州立大学访问学者，江西省物理学会常务理事，江西省光学学会理事，江西省科技厅科技专家库成员。先后主持国家自然科学基金、江西省科技厅、教育厅基金等多个项目，发表SCI 高水平论文40余篇。 研究方向：微纳光子器件及应用，光波导，表面等离子亚波长光学、石墨烯表面等离子。 期刊介绍 Journal of Physics D: Applied Physics ● 2020年影响因子：3.207 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。

主题：Graphdiyne ｜客座编辑｜ 李玉良，中国科学院化学研究所，中国 鲁统部，天津工业大学，中国 ｜特刊涵盖主题｜ This focus issue addresses the latest progress in the synthesis, structural characterization, theoretical calculations, and various applications in catalysis, battery materials, biomedicine, separations, and photo/electro devices based graphdiyne, a family of emerging 2D carbon materials. ｜投稿流程｜ 特刊文章与2DM期刊常规文章遵循相同的审稿流程和内容标准，并采用同样的投稿模式。 有关准备文章及投稿的详细信息，可以参阅IOPscience页面的作者指南。 作者可登入期刊主页进行在线投稿，在“文章类型”中选择“特刊文章”，并在“选择特刊”的下拉框中选择“Focus on Graphdiyne”。 期刊介绍 2D Materials ●2020年影响因子：7.103 2D Materials（2DM）是一本重要的高质量交叉学科期刊，将基础研究与迅速发展的新材料及应用汇集在一起。期刊从多学科的视角出发，力争涵盖石墨烯研究的各个方面，及其它二维材料的相关研究。文章内容包括：石墨烯和石墨烯衍生材料；硅和锗/锗烷氮化硼；二维拓扑绝缘子；复合氧化物；复合材料；新型二维分层结构。

主题：Bandgap Engineering and Optoelectronic Applications of Low-Dimensional Nanostructures 截止日期：2022年05月01日 ｜客座编辑｜ 郭鹏飞，太原理工大学，中国 余健文，香港城市大学，中国香港 曾若生，广西大学，中国 何颂贤，香港城市大学，中国香港 Takeshi Yanagida，东京大学，日本 阙郁伦，国立清华大学，中国台湾 袁荃，湖南大学，中国 特刊涵盖主题 Low-dimensional nanostructures are of particular interest with respect to their potential applications in highly integrated devices and systems. On-structure synthesis of nanowires or 2D materials with radially or axially modulated compositions along a single structure by...

本篇综述论文来自上海交通大学蔡伟伟特别研究员课题组和浙江大学吴学成教授课题组，文章系统综述了数字全息成像技术在复杂多相流动领域的最新研究进展及应用，为学术界和工业界全面了解各类复杂多相流动过程，进行各类故障诊断或状态评估，提供理论依据及参考价值。 文章介绍 Recent advances and applications of digital holography in multiphase reactive/non-reactive flows: a review 黄建青，蔡伟伟，吴迎春，吴学成 通讯作者： ■  蔡伟伟，上海交通大学   本文围绕全息技术在多相流领域的应用这一主题，从以下几方面总结并评述了近二十年来的研究进展： 在光路搭建方面，将全息成像技术和其他光学测量技术，如层析成像、拉曼散射、米氏散射、比色法测温（见图一）等，集成在同一套系统里，是该技术近年来的一个重要发展趋势，可提高测量精度或同步获得待测目标场的更多信息。 在图像后处理方面，更多全息重建算法和自动聚焦算法被提出（见表一），其中，数据驱动的算法（以深度学习为代表）表现出明显优于传统算法的计算效率，有望实现多相流场的在线诊断和实时调控。 在应用方面，全息技术已被用于极端环境下的颗粒场测量，如固体火箭推进剂的燃烧，金属粉末或煤粉的燃烧，以及超声速流场。 最后，本文也针对记录距离、颗粒浓度、火焰干扰等关键问题进行了详细讨论，为在实际应用中开展全息实验提供了重要 的参考价值。 图一：全息成像与比色法测温集成系统用于表征固体火箭推进剂的燃烧特性。 表1. Representative autofocusing methods in digital holography. 研究背景： 多相流场广泛存在于各类生产生活场景中，如电站煤粉燃烧，发动机燃油喷雾等，多物理化学过程及多相物质相互作用的耦合，使得多相流场的研究充满挑战。通过非接触式的光学测试技术，表征多相流场中粒子（如固体颗粒，液滴，气泡等）的形貌及运动特性，对研究粒子间的相互作用具有重要意义。数字全息成像技术在这方面具有独特优势：1）可显著拓展景深；2）同步获得目标光场的振幅和相位；3）多参数同步测量（如粒子形貌，粒径，三维分布，三维速度等），因此，全息技术广泛应用于各类多相流场。本篇综述将系统地介绍全息技术在光路和算法方面的最新进展，及在液滴，喷雾，推进剂燃烧，煤粉燃烧等领域的应用情况。 作者介绍 黄建青  上海交通大学 ● 黄建青（第一作者），上海交通大学机械与动力工程学院在读博士生，致力于先进光学诊断技术和金属粉末燃烧特性方面的研究，在Combustion and Flame, Journal of Fluid Mechanics等期刊发表SCI 检索论文16篇。 蔡伟伟  研究员 上海交通大学 ● 蔡伟伟（通讯作者），上海交通大学机械与动力工程学院特别研究员、博士生导师。致力于计算成像与燃烧诊断技术的交叉与融合，形成了具有特色的热物性与热物理测试研究方向。近年来，相继在Science、PECS等期刊发表论文90余篇。2016年入选国家高层次人才引进计划、2018年获得德国埃尔朗根高等光学研究院青年科学家奖。 期刊介绍 Measurement Science and Technology...

本篇研究来自南京信息工程大学尹志聪教授课题组，研究概述了： “暖北极-冷欧亚”模态在2020/21冬季东亚破纪录寒潮中有很大贡献，其影响是单独的欧亚冷所不能比拟的。年际尺度上的关系也是如此。 “暖北极-冷欧亚”的次季节反转对前冬持续冷事件和后冬持续暖事件有显著的调控作用。 寒潮路径中的地表温度反转对随后春季中国北方的超级沙尘暴起到决定性作用。 文章介绍 2020/21 record-breaking cold waves in east of China enhanced by the ‘Warm Arctic-Cold Siberia’ pattern 张艺佳，尹志聪，王会军，贺圣平 通讯作者： ■  尹志聪 南京信息工程大学 2020年12月下旬，中高纬地表气温呈现显著的“暖北极-冷欧亚”模态（WACS）温度异常。1月3日，巴伦支海–喀拉海与西伯利亚的温度异常差值高达20°C，为2020/21冬季的峰值。随着经向温度梯度的减小，大气斜压性相应减弱。持续维持的乌拉尔山高压和贝加尔湖深槽有效地输送了强冷空气南下，入侵中国东部 （图1）。四天后，中国东部经历了8℃以上的强烈降温，60个站点气温创新低。同年冬季的2月中下旬，中高纬呈现显著的“冷北极-暖欧亚”模态，与前冬相反的大气环流异常带来的暖平流，造成中国东部发生持续的破纪录的暖事件（图1）。WACS显著的次季节反转对前冬持续冷事件和后冬持续暖事件有显著的调控作用。 图1.  2020/21冬季中国东部逐日气温变化及距平 WACS指数与滞后四天的中国东部气温相关性最强。在1月的冷事件和2月的暖事件中，中国东部气温的最大响应均发生在WACS达到最强的第4天。在WACS模态下，中国东部气温显著下降并延伸至最南端，其对中国东部温度的调控显著强于单独北极暖或欧亚冷的影响。在年际变化尺度上，中国东部的冬季平均地表气温同样对WACS有显著的降温响应。当北极和欧亚同一方向变化时，对冬季平均气温没有显著影响。中高纬温度差异在年际尺度上也是影响冬季中国东部温度变化更有效的信号， 并且在CMIP6模式中得到了验证。 研究背景 极端寒潮是灾难性的天气事件，严重危害农业、交通和人类健康。2020年12月28日，国家气象中心发布了近五年来首次寒潮橙色预警。整个东部气温急剧下降，1750000 km2的地表气温下降超过12°C，60个气象观测站的最低气温突破历史极值，促成了破纪录的寒潮。同年冬季2月，中国东部转为回暖， 气温上升6-10°C。至21日气温比气候平均显著增高7.5°C，导致494个气象观测站超过同期历史最高纪录。在破纪录冷事件和暖事件前，“暖北极-冷欧亚”及其相反的“冷北极-暖欧亚”模态作为显著的前兆信号出现。 作者介绍 尹志聪  教授 南京信息工程大学 ●尹志聪，南京信息工程大学大气科学学院教授，主要研究方向为中高纬气候系统变异影响灾害天气的机制、短期气候预测。发表学术论文52篇，其中30篇第一/通讯作者论文发表在National Science Review、Journal of Climate、Atmospheric Chemistry and Physics、Environmental Research Letter等SCI一区和二区期刊。 期刊介绍 Environmental Research Letters ● 2020年影响因子：6.793 Environmental...

IOP出版社旗下IOP SciNotes是一本经过同行评审、采用开放获取出版的期刊，允许研究人员分享和发现新的研究方法、数据集和计算代码，以及小规模研究的初步结果。这些对青年研究人员又有什么帮助呢？ 最近刊登在《物理世界》（Physics World）的一篇采访文章中，两位研究人员Emily Grubert和Rebecca Peer分享了自己的观点和经历。   在采访中，IOP SciNotes执行编委之一Rebecca Peer透露，该期刊可以让其他研究人员免费获得可引用及经过同行评议的研究成果，从而让他们在先前研究工作的基础上继续努力，改进实验方法，并使用重要的研究成果丰富自己的科研工作。Peer说：“IOP SciNotes有能力通过分享学术项目的内部工作原理，并允许其他研究人员重复和改进实验技术来加速科学进步”。 采访中她也清晰地表明，公开研究是期刊的主要优势之一。如果研究不公开，其他研究人员就很难进行复制，这将可能导致研究最后不被出版。与把研究发布到数据存储库或预印本服务器不同，IOP SciNotes能够快速发布特定研究结果，并对研究进行双向匿名同行审查。期刊内容涵盖工程、计算、生物医学及物理学的跨学科研究。 IOP SciNotes于2019年创刊，它将研究过程中涉及研究材料的各个部分集中起来，并进行发表。显然，IOP SciNotes是一个发表简要研究笔记的平台，提供对新方法、数据集或计算方法的严格解释，以及对试点或小规模研究得出的有趣结果的描述。

主题：Quantum Emitters and Spin Defects 截止日期：2022年7月31日 特刊介绍 特刊客座编辑 李统藏 普渡大学，中国 陆朝阳，中国科学技术大学，中国 Nick Vamivakas, 罗彻斯特大学，美国 特刊涵盖主题 Quantum emitters are essential resources for quantum communication, quantum computing, and quantum sensing. Many quantum emitters have intrinsic electron spins, which are helpful for nanoscale quantum sensing and provide spin-photon interfaces for building quantum networks. In recent years, there have...

本篇综述论文来自武汉大学唐炬教授课题组和湖北工业大学张晓星教授课题组，文章系统综述了面向气体绝缘输配电装备的环保绝缘气体分解特性研究进展，为学术界和工业界全面了解各类环保绝缘气体应用过程中的安全性、稳定性及产物特性提供数据基础，同时，为基于分解组分分析(Decomposition Component Analysis, DCA)的环保气体绝缘设备在线监测、故障诊断和状态评估相关理论和技术的发展提供理论依据。该综述被选为J. Phys. D. Appl. Phys.封面文章（Vol. 54 No. 37）。 文章介绍 Review of decomposition characteristics of eco-friendly gas insulating medium for high-voltage gas-insulated equipment 肖淞，石生尧，李祎，叶凡超，李亚龙，田双双，唐炬，张晓星 ■  第一作者：肖淞，武汉大学 ■  通讯作者：李祎，武汉大学   针对环保绝缘气体应用可靠性的评估不仅涉及环保和绝缘特性，也包括稳定性、分解特性、材料相容性、生物及环境安全性等诸多方面。理想的气体绝缘介质应当具备优良的稳定性，即在复杂运行工况甚至故障条件下气体绝缘介质不易发生大量分解。气体绝缘介质的灭弧性能、绝缘复原特性也与其稳定性和放电分解特性息息相关。另外，设备内部存在各类金属、非金属材料，且开关触头、载流母线等金属由于温升效应长期工作于100-120℃温度区间内，因此气体绝缘介质可能与高温金属材料发生气-固界面反应，导致设备内材料腐蚀并引发绝缘气体分解，对设备服役寿命及运行安全性构成威胁。 因此，对环保绝缘气体分解特性的考察及评估是判断其应用可行性的重要组成部分。本文围绕环保绝缘气体分解特性这一主题，从以下几方面总结并评述了近五年来的研究进展： （1）     总结了针对环保绝缘气体电、热及气固界面分解特性的研究方法，包括密度泛函理论、过渡态理论、反应分子动力学、化学动力学模型、等离子体数值模拟等，分析了不同方法的适用场景及特点； （2）     介绍了环保绝缘气体分解特性的试验评估方法，包括平台组成、测试要点及注意事项；同时，介绍了用于气体组分分析的色谱法、光谱法等技术； （3）     综述了以全氟异丁腈(C4F7N)、全氟酮(C5F10O、C6F12O)、CF3I、HFO1234ze(E)等主流环保绝缘气体局部放电、火花、电弧放电分解特性、热稳定性、气-固界面分解特性及机理； （4）     总结了现阶段针对环保绝缘气体分解特性研究中发现的问题、技术瓶颈，展望了未来研究重点及趋势以及环保气体绝缘设备工程应用中需监测的分解组分等。 研究背景 目前广泛应用于气体绝缘输配电装备中的六氟化硫(SF6)是一种极强的温室气体，其温室效应潜在值(Global Warming Potential, GWP)是CO2的23500倍，大气寿命长达3200年，全球大气环境中的SF6含量已由1994年的3.67 ppt (part per billion, 十亿分之一)增加到2020年的10.41 ppt，增长了265%。目前，全球电力行业SF6的使用量占其年产量的80%以上，2018年中国仅GIS设备SF6气体的使用量接近7000吨，相当于1.65亿吨CO2。因此，研发环保绝缘气体并应用于电气设备符合绿色、低碳的发展理念，也是解决输配电制造业对强温室气体SF6使用依赖和实现产业“双碳”目标的根本之策。 作者介绍 肖淞  副教授 武汉大学...

本篇研究来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所李浩研究员、中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星研究员和中国科学院理化技术研究所刘彦杰副研究员研究团队。该研究在面向空间应用的超导单光子探测器（SNSPD）技术领域取得突破，打破自身2018年创造的纪录，首次实现了通信波段最大探测效率93%的可空间应用的超导单光子探测系统，为我国开展基于超导单光子探测器的深空通信、空间量子信息等应用奠定了基础。 文章介绍 Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application-compatible cryocooler 胡鹏，马跃学，李浩，刘子尧，余慧勤，全加，肖游，尤立星，刘彦杰，梁惊涛，王镇 通讯作者： ■ 李浩  中国科学院上海微系统与信息技术研究所 ■ 尤立星  中国科学院上海微系统与信息技术研究所 ■ 刘彦杰  中国科学院理化技术研究所   为了进一步提升空间应用SNSPD系统性能，中科院上海微系统所与北京理化所在SNSPD高性能器件及制冷技术方面开展了系列工作。上海微系统所李浩、尤立星等人创新性提出多层纳米线SNSPD（如图1），利用多层纳米线间新型触发机制解决了器件光吸收与光子响应的制衡问题，大幅提升了器件成品率和效率，实现SNSPD器件最优 98%的效率纪录【Optics Express 28: 36884 (2020)，专利授权号：CN 111947778 B】。 图1 上海微系统所超导纳米线单光子探测器示意图 与此同时，中科院理化所依托在空间制冷领域的持续技术创新，对制冷机进行了进一步的优化，制冷机的体积和最低工作温度得到了进一步降低。新一代制冷机总重量约44kg，真空腔尺寸高度32cm, 直径23cm（如图2），较上一代制冷机重量和体积减小约20%和50%。制冷机总功耗约321.3W,最低无负载工作温度可达到2.2 K。 图2 第一代（左）与第二代（右）制冷机真空腔尺寸对比 双方在此基础上，成功实现了最大探测效率93%的可空间应用的超导单光子探测系统，刷新了我国保持了两年多的系统探测效率纪录。该成果对于SNSPD的空间应用具有广泛而深远的意义。 研究背景 超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。然而，迄今为止，所有的SNSPD都只在地面实现了应用验证，包括美国NASA 2013年的月地激光通信（LLCD）项目，也仅是在地面接收站使用了超导单光子探测器。如果能够在空间应用中采用SNSPD，有望推动空间光学天文观测、深空光通信、空间量子信息等技术的跨越式发展。瞄准该应用需求，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD结合以实现可空间应用的高性能SNSPD系统。2017年1月，美国NIST首次报道了一个基于三级脉管加JT节流技术的小型制冷机，然而其JT的压缩机尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405...

本篇研究来自中国科学技术大学胡伟研究员和杨金龙教授课题组。研究通过采用信息传递接口(MPI)与开放式多进程(OpenMP)结合的二级并行计算策略，将复杂度超高的计算成本和内存消耗进行合理调配，使得复杂的平面波线性响应密度泛函（LR-TDDFT）激发态电子结构模拟计算可以在现代异构超级计算机上扩展到数万个处理核心，使其能用于模拟数千原子体系的激发态电子结构性质。 文章介绍 Hybrid MPI and OpenMP parallel implementation of large-scale linear-response time-dependent density functional theory with plane-wave basis set 万凌云，刘小峰，刘杰，秦新明 通讯作者： ■ 胡伟  合肥微尺度物质科学国家实验室，中国科学技术大学 ■ 杨金龙  合肥微尺度物质科学国家实验室，中国科学技术大学   研究内容：本文首先对计算过程中出现的所有矩阵大小和相应的计算复杂度进行了计算和估计，在复杂度相对较小的情况下确定计算的基本流程。 图1 LR-TDDFT方法并行实现流程图 然后对于LR-TDDFT的具体并行采用信息传递接口(MPI)与开放式多进程(OpenMP)结合的二级并行策略来处理哈密顿矩阵的构造和对角化，其中MPI并行编程处理数据在不同进程之间的通信，并利用多线程共享内存OpenMP 并行编程处理矩阵运算。 图2 LR-TDDFT 计算中的数据模式和OpenMP布局 理论方法：我们采用信息传递接口(MPI)与开放式多进程(OpenMP)结合的二级并行策略来处理哈密顿矩阵的构造和对角化，并对其中的矩阵操作和数据通信进行了负载的平衡。 研究结果与意义：我们的工作提供了数值证据，证明第一性原理激发态计算可以在现代异构超级计算机上扩展到 24,576 个处理核心来研究包含数千个原子的半导体系统的激发态特性 (4,096原子）。这种对大规模系统的激发态响应性质进行准确有效预测的方法可能会在半导体材料科学和光催化领域得到一些新的结果。 图3：LRTDDFT的并行强扩展性能 图4：LRTDDFT的并行弱扩展性能 研究背景 在现代材料的计算模拟中，激发态的计算模拟占据了越来越重要的地位，但是第一性原理激发态计算以其高精度和算法复杂著称，长期以来，其计算的空间尺度和时间尺度受算法和算力限制，数千个原子系统的激发态性质模拟仍然是一个具有挑战性的任务。同时近年来，现代异构超级计算机的快速发展 使得高性能计算 (HPC) 作为一种强大的工具来加速大规模系统的 KS-DFT 计算，将大规模并行计算技术应用到激发态计算中，使得大规模系统的激发态计算成为可能。 基于以上事实，基于局域原子基组的大规模激发态电子结构计算在NWChem、QChem 和 ONETEP等软件中都有相应的实现。但是标准平面波基组的情况始终没有突破，这使得包含数千原子的大规模周期系统的激发态计算存在一定的问题。 我们通过MPI与OpenMP结合的二级并行计算策略，将复杂度超高的计算成本和内存消耗进行合理调配，在自主开发的平面波密度泛函理论软件PWDFT，实现了大规模线性响应密度泛函LR-TDDFT激发态电子结构模拟计算，并行规模可以在现代异构超级计算机上扩展到24,576核，计算体系高达4,096原子，使其能用于模拟大规模体系的激发态电子结构性质。 作者介绍 胡伟 研究员 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心...