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北京大學量子材料科學中心的韓偉研究員和謝心澄院士，以及日本理化學研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在國際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰寫綜述文章，介紹“自旋流--新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領域的前沿進展。 自旋電子學起源于巨磁阻效應的發現，在當時而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學的蓬勃發展，與相關研究的不斷深入，新的自旋流現象與機制不斷被拓展，相關研究證明一系列的粒子或者準粒子攜帶的自旋都能夠形成自旋流，比如磁性絕緣體中的磁振子、超導體中自旋三重態和準粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導態等。尤其是對于量子材料而言，由于其往往具有獨特的自旋性質，基于自旋流探針的研究方法就成為了表征量子材料物性的有效手段。 量子材料都是凝聚態物理與材料科學領域的研究前沿之一，其量子性質起源于諸多量子效應，包括低維尺寸效應，量子限域效應，量子相干效應，量子阻挫效應，能帶結構的拓撲性，自旋軌道耦合，對稱性限制等等。量子材料包括石墨烯，高溫超導體，拓撲絕緣體，外爾半金屬，量子自旋液體，自旋超流體等等。量子材料可以表現出諸多與自旋相關的量子性質，如二維過渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓撲絕緣體當中的自旋-動量鎖定等。因為量子材料的自旋屬性在下一代的量子信息存儲和量子計算科學當中的應用潛力，所以研究量子材料的自旋相關性質得到了廣泛關注。 為了研究量子材料的自旋性質，發展一種易于實現和操控的高效工具顯得尤為迫切與關鍵。幸運的是，在實驗物理學家和理論物理學家的不懈努力下，成功的證實了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測手段。一系列激發和探測自旋流的方法被提出并得以實現，從而證實了基于自旋流探針的量子材料物性研究的廣泛適用性。 迄今為止，相關實驗已經證實自旋流能夠以超導體系中的自旋三重態庫珀對和超導準粒子、量子自旋液體中的自旋子、磁性絕緣體和自旋超流體中的磁振子為載體進行傳播，相關物理圖像被總結在表1中。本篇綜述文章著重介紹了在五類主要的量子材料體系中的基于自旋流探針的物性研究。第一類是超導材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋三重態的存在以及自旋動力學的演化過程。第二類是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋子攜帶的自旋角動量的有效傳播過程。第三類是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當中的集體激發行為。第四類是雜化量子激發體系，自旋流以磁振子-聲子雜化模式（磁振子-極化子）或磁振子-光子雜化模式（磁振子-極化激元）為載體進行傳播。第五類是自旋超流體系，自旋流以玻色愛因斯坦凝聚中的自旋量子數為1的玻色子為載體進行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。 這些重要的研究進展已經充分證實了基于自旋流探針的物性表征對于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會極大的推動新穎量子材料的發現和相關物理性質的研究。例如量子霍爾和量子自旋霍爾材料，量子鐵磁體和反鐵磁體，六角晶格體系中的量子手征聲子，自旋和力耦合的量子系統，超導體中的自旋動力學和鐵磁與超導界面的超導能隙，自旋三重態超導體中的超導對稱性，強耦合自旋系統中的雜化激發，拓撲磁振子材料，量子自旋液體中的自旋子，自旋超流體約瑟夫森效應，以及其他任何作為自旋流載體的量子態。另外，這一領域的進展還將推動自旋成像技術的發展，如利用自旋極化掃描隧道顯微鏡和氮空位色心顯微鏡技術對量子材料體系中自旋流的原位探測。

傳統的光學顯微系統受到阿貝衍射極限原理的限制，無法分辨尺度小于~200nm的事物，為了突破衍射極限，超分辨熒光顯微技術應運而生，在生物成像等領域得到廣泛應用。根據成像采集過程，超分辨方法主要可分為兩類。一種是單分子定位顯微方法（SMLM），通過熒光分子的光開關特性，孤立每個發光分子進行單獨定位。此類方法具有不受衍射極限限制的特點，可以得到10-40nm的超高分辨率，但由于分子激活漂白的循環步驟使得采集速度和成像時間較慢。另一種是如結構光照明等寬場成像的超分辨顯微技術，可以通過獲得相鄰區域/熒光分子間一定程度的響應差異來實現分辨率的提升。寬場成像的方法具有較高的時間采集效率，但由于同時激發視野內的全部分子，使得其分辨能力往往在100nm以上。目前還缺乏一種方法在理論上可以有效的兼顧寬場成像的時間采集效率和單分子定位方法的空間分辨率，因此亟需提出一種基于寬場成像對熒光分子高效調制的技術方案。 超分辨方法其本質都是通過識別單個熒光分子的獨立的發射特性獲得該分子的空間定位。如果可以對寬場成像中衍射極限以內各個發光分子熒光發射差異實現主動控制，則有可能獲得更好的超分辨顯微結果。近期，物理學院介觀物理國家重點實驗室極端光學研究團隊提出了基于量子相干控制原理主動調制分子熒光發射而獲得超分辨熒光顯微的方法（SNAC），在寬場成像下實現了分辨率的提升。課題組在ZnCdS量子點體系下獲得衍射極限范圍內各個量子點的差異化激發。通過設計多個整形脈沖，單個ZnCdS量子點的熒光差異性會得到增強。課題組通過周期性改變整形脈沖和傅立葉增強提取熒光響應的差異。同時，主動控制的圖像采集方案可以有效的抑制系統中不隨調制周期變化的泊松隨機噪聲和CMOS工藝導致的固定噪聲，極大的提升了信噪比。接著，利用獨立開發的混合周期（Combination-FFT）和多高斯擬合定位算法獲得最終的超分辨重建結果。研究模擬了鄰近雙點熒光發射的超分辨定位，其結果可以很好的分辨出低至50nm的相鄰熒光分子。對于密集標記的線性結構，SNAC的分辨能力同樣有顯著性的提高，獲得了30nm左右的徑向定位精度。在量子點標記的COS7細胞樣品的維管結構區域清晰的觀測到了維管的平行取向和姿態排布以及纖維交叉區域的95.3nm的鄰近雙峰，顯示出了比已有多種寬場超分辨方法更好的重建結果。這個研究將脈沖整形作為新的控制維度引入熒光超分辨，并將寬場超分辨成像技術的分辨率提升到了與單分子定位方法接近的50nm的水平。

量子照明雷達是新興的研究方向，是量子信息技術與雷達技術相結合的新興產物。而量子信息技術又是古老的量子力學與信息技術相結合的交叉學科，不少研究者因晦澀的量子力學而望而卻步。為了降低量子照明雷達的神秘感，打破抽象壁壘，我們創造性地發展了量子照明雷達的高效仿真技術，對于未來實現量子雷達的普及與推廣具有重要意義。 截止目前，尚未見到關于量子照明雷達仿真平臺的相關報道。而該成果基于MATLAB這一易于上手的計算機數值平臺，溝通了抽象的量子力學與具體的量子目標探測之間的橋梁，具有創新性和國內領先的技術先進性。 經過近五年的研究和近兩年教學實踐的檢驗，該成果不斷豐富和完善，通過可視化的工作界面，可以給出量子信號源的關鍵物理參數分析、量子態演化過程、多份量子態條件下量子照明雷達的虛警概率分析等多個方面的圖形化界面，具有較強的推廣應用價值。鑒于量子雷達技術是未來新體制雷達的重要技術途徑之一，本成果將有望在空間、水下目標探測方面取得應用，市場應前景廣闊。截止到目前，該成果已經應用于高年級本科生的培養與實訓和北京某研究所的新體制目標探測項目研發中。

在化學反應中，量子干涉現象普遍存在。但是，想要準確理解這些干涉產生的根源非常困難，因為這些干涉圖樣復雜，且在實驗上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。H+H2及其同位素的反應，是所有化學反應中最簡單的。該體系只涉及三個電子，因此比較容易精確計算出這三個原子在不同構型時的相互作用力。在此基礎上，通過求解相應的描述化學反應過程的薛定諤方程，就能夠實現分子反應動力學過程的計算機模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學反應過程。研究團隊在2019年先期理論研究

國際上第一個鈮酸鋰有源光量子芯片 一、項目分類 重大科學前沿創新、關鍵核心技術突破 二、成果簡介 南京大學物理學院祝世寧院士的科研團隊，研制出國際上第一個鈮酸鋰有源光量子芯片。該芯片集成了微型化光學超晶格糾纏光源、波導量子干涉器、波分復用器及電光調制器等不同功能器件,實現了糾纏光子的高效產生、高速電光調制并完成相應的信息處理功能。該芯片由光纖耦合輸入輸出,能在室溫穩定工作，工作電壓低于3.55V，調控速率可達40GHz。芯片的多項核心指標如糾纏光子產率、調諧速率、調諧帶寬等創下當時國際最高水平，為光量子集成光學和信息處理開辟了一條和硅基芯片不同的技術路線。 成果以編輯推薦形式發表在物理學頂級期刊《物理評論快訊》(Phys. Rev. Lett. ,2014)上，被國際Physics、IEEE Spectrum等科技媒體重點評述。成果也成功入選中國光學十大進展(2014)，以此為主要成果之一的“光學超晶格中糾纏光子的產生、調控和應用”獲2020年高等學校自然科學獎一等獎。以此成果為基礎，團隊成功獲批和完成基金委重大科研儀器研制項目，研制出多種高性能量子光源。

簡單、實用，低成本實驗儀器做前沿物理學研究。

成果描述：納米碳材料在人類的生產生活中正顯示出越來越多的重要作用，具有廣闊的市場空間。碳納米材料生產由于成本高及部分技術上的瓶頸制約了大規模生產，市場拓展減緩。我們團隊經過十余年的研究和開發，采取研發創新的高新技術，可廉價高效地生產高附加值碳納米材料（納米碳管，納米碳纖維）。目前技術路線可行，實驗室小試階段已完成；團隊急需通過有實力企業的誠意投入，共同完成納米碳材料新產品的放大生產；快速擴大工業化規模生產和市場銷售，形成品牌。市場前景分析：可用于多個高技術產品市場，附加值高；例如：可強化鋰電池電極材料性能和鋰電池的整體性能；可用于超級電容器儲存電能；可用于隱身吸波材料；以及飛機、汽車等輕質配件材料，輕質合金鋼，強化鋼化高分子材料等。其中納米碳纖維年用量4萬噸，納米碳管年產能數千噸；而且每年都在明顯增長。與同類成果相比的優勢分析：目前本團隊創新研發的新技術的指標主要有催化劑性能指標和碳納米管純度指標。碳納米管 CVD 制備過程中催化劑的性能將直接影響所生產的碳納米管的性能。碳納米管的技術指標主要有反應溫度、制備 CNTs 單位質量產量、及原料固碳率等。本技術中催化劑反應溫度低于800 ℃, 催化劑的產碳能力可達CNTs 60 - 120 kg/kg cat, 原料單程固碳率為 15%-50%；納米碳材料純度高，在85%-98%。碳納米管的純度高，制備的碳納米管純度超過85%；有的達到 98%。國際先進,國內先進。

近日，國際學術期刊Small刊載了華中農業大學理學院梁建功教授課題組和動科動醫學院肖少波教授課題組合作發表的題為“Glycyrrhizic‐Acid‐Based Carbon Dots with High Antiviral Activity by Multisite Inhibition Mechanisms”的研究論文，該研究合成了具有高生物相容性及高抗病毒活性的甘草酸碳點，并揭示了碳點的抗病毒機制。中草藥在抗病毒領域具有廣闊的應用前景，在最近爆發的新型冠狀病毒肺炎的治療過程中，中草藥的參與度超過80%。然而，單一成分的中草藥抗病毒效果往往不高，且存在一定的毒副作用，如何進一步提高中草藥的抗病毒效果，降低其毒副作用，成為該領域需要解決的一個關鍵科學問題。甘草酸碳點抗病毒機制示意圖該研究利用水熱合成技術，成功將中草藥甘草的活性成分——甘草酸轉化為具有良好生物相容性及高的抗病毒活性的甘草酸碳點（Gly-CDs）。研究發現，Gly-CDs不僅可與病毒多靶點結合從而抑制病毒的入侵過程，還可通過刺激細胞天然免疫信號通路、抑制活性氧、調控細胞內宿主限制性因子等途徑抑制病毒的復制過程，其對病毒的最大抑制效果可達5個滴度以上。Gly-CDs對豬繁殖與呼吸綜合征病毒（動脈炎病毒科）、豬偽狂犬病毒（皰疹病毒科）及豬流行性腹瀉病毒（冠狀病毒科）均具有良好的抑制效果。華中農業大學理學院/資環學院博士研究生童婷為論文第一作者，梁建功教授、肖少波教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(31490602, 31772785)及國家重點研發計劃(2016YFD0500105)等基金的資助。