拓扑量子物相在过去十年里已发展成为凝聚态物理及超冷原子量子模拟的主流研究方向。 相关研究大大加深了对量子物质的基本理解。依据拓扑物态的存在是否依赖于系统的对称 特性，可将拓扑相分类成内秉拓扑物态和对称保护拓扑物相。前者不依赖于对称保护，而 后者需有对称保护才可稳定存在。其中，在一维量子系统中，已有理论表明拓扑相的存在 总是需要相关对称性的保护。对于自由费米子体系，基于熟知的 Artland-Zirnbauer 十重分 类的拓扑理论告诉我们，得到一维拓扑物相需要有类似于粒子-空穴对称的对称保护。在 合作小组完成的该篇文章中，他们发现一种新的并非由传统熟知的粒子-空穴或子晶格对 称保护的一维拓扑物相。该拓扑态被证明由一种隐藏的滑移镜像对称和非局域手征对称保 护。这超出传统的基于 Artland-Zirnbauer 十重类的拓扑分类理论的范畴。另外，这项工作 部分基于刘雄军等人较早期基于拉曼光晶格体系提出的 AIII 类拓扑物态（2013 年 PRL 工 作）。进一步，基于所实现的拓扑体系，他们理论预测、且实验观测到与量子体系拓扑特 征相关的两类基本量子动力学行为。这对研究拓扑体系的非平庸量子动力学带来启发。

多体量子系统在强相互作用下会呈现出丰富多彩的新规律。当粒子间库伦势能远大于系统的其他能量时，我们无法再以微扰方式理解粒子间的互动。在特定条件下，多体系统通过粒子间的相互关联将材料能带结构的微小变化放大，从而产生实验可观测的宏观变化。 半导体异质结中的二维自由载流子是研究多体现象的极佳载体。该体系具有极低的晶格缺陷，使得0.1mm的宏观范围内的电子具有可观测的量子相干性。在强磁场环境中，粒子的动能被压缩到具有大量简并的分立朗道能级中。这时该系统的哈密顿算符中仅仅包含了粒子间的库伦相互作用。多体问题的复杂性瞬间呈现在我们眼前：具有相同哈密顿算符的自由电子系统可以自发地呈现出气态、不同固态、不同液态、甚至激子态。 应力应变是调控材料特性的常用方法。压力可以改变材料的晶格常数，从而改变材料的禁带宽度、改变载流子的有效质量、调节导带底在波矢空间的位置或者电子在不同能谷的分布。当前的角分辨光电子能谱（ARPES）实验能够分辨meV的能带结构，而基于多体理论的第一性原理计算能够达到0.1eV的精度。受限于分辨率，静液压对材料能带的精细作用并不为我们所了解。静液压改变了材料的晶格常数，但是并不改变材料的空间对称性、自旋属性、或者角动量属性，因而对物态调控有独特的价值。 2015年，普渡大学的Csathy教授的实验组首次报道了稀释制冷温区的静液压输运测量（Nature Physics 12, 191）。这一实验发现各向同性的静液压会引起GaAs/AlGaAs中的二维电子系统发生各向同性的分数量子霍尔态到各向异性的电荷密度波的相变。我们参考他的实验技术路线，成功实现了电子温度小于40 mK、压力最高20 kbar的极低温静液压测量环境。相比金刚石对顶砧技术，静液压技术尽管能获得的压力低，但是适用于大体积的样品，也便于开展极低温下的输运测量。 利用这一技术，量子中心研究生黄可研究了静液压下的GaAs/AlGaAs异质结二维空穴系统。实验观测到，在各向同性的静液压诱导下，朗道能级填充系数3/2附近的分数量子霍尔态出现了自旋相变。通过对相变规律的分析，作者发现两个由于自旋轨道耦合分裂的朗道能级在高压作用下发生简并，所以空穴具有不同自旋量子数的子能带在静液压作用下发生了相应的微弱变化。该工作利用多体量子态相变研究静液压作用下材料物性发生的10μeV量级的微小变化，高于其他已有的实验探测手段和计算方法。

通过使用铅的条状非公度相作为铅膜和硅衬底的界面，用超高真空分子束外延技术成功制备出一种宏观面积的、塞曼保护的新型二维超导体。系统的低温强磁场实验表明，该体系的超导电性可存在于超过40特斯拉的平行强磁场中，这一数值远超过体系的泡利极限，是塞曼保护超导电性的直接证据。第一性原理计算结果也表明，条状非公度相中特殊的晶格畸变会延伸至铅膜中，从而在该体系中引入很强的塞曼自旋轨道耦合。同时，新的微观理论也给出了强杂质情形下各种自旋轨道耦合及散射效应对二维超导临界场的影响并定量地解释了塞曼保护超导电性的物理机制。该工作表明，可以通过界面工程在中心反演对称性保护的二维超导中引入面内中心反演对称性破缺，也即在二维晶体超导体系中人工引入塞曼保护的超导电性机制。这一结果预示出人们有望在二维超导体系中，通过界面调制发现新的非常规超导特性。这种宏观尺度强自旋轨道耦合下的二维超导，也为拓扑超导的探索提供了新的平台，并为未来无耗散或低耗散量子器件的设计与集成奠定了基础。图 (a) 脉冲强磁场实验表明6个原子层厚铅膜的超导电性在高达40 T的水平强场下仍不被破坏。(b) 临界场随温度的关系与理论高度重合，有力地证明了超薄铅膜中的塞曼自旋轨道耦合保护的超导电性。 (c) 对外延生长于条状非公度相（SIC）界面上的超薄铅膜进行磁阻测量的示意图。

北京大学物理学院肖云峰教授与龚旗煌院士领导的研究团队在微腔非线性光学研究取得重要进展：首次实现有机分子修饰的二氧化硅光学微腔的高效三次谐波产生，比此前报道的二氧化硅微腔转换效率提高了四个量级，接近晶体微环腔三次谐波的最高转换效率。成果被《物理评论快报》以封面及编辑推荐形式亮点报道：Phys. Rev. Lett. 123, 173902 (2019)。论文题为“Microcavity Nonlinear Optics with an Organically Functionalized Surface” (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.173902)。左图：二氧化硅微腔表面修饰有机共轭分子；右图：实验测得的激发光和三次谐波光谱图 三阶非线性光学效应是现代光学研究和应用中最重要的非线性光学过程之一，被广泛应用于实现光频梳、全光开关和量子光源等。二氧化硅回音壁微腔由于具有超高的品质因子和成熟的制备工艺，已经成为是现代光子学研究的重要器件。然而，由于材料的限制，二氧化硅三阶光学非线性响应较弱于多数晶体材料，这严重地制约了二氧化硅微腔器件的性能。另一方面，有机共轭小分子具有离域的电子系统，在光场激发下，离域电子表现出很强的非谐振动，从而具有很高的非线性响应系数。同时，回音壁微腔的表面倏逝场为微腔与外界物质相互作用提供天然的通道。因此，采用表面修饰技术，光学微腔和高非线性响应的有机分子形成连结；有机分子通过表面倏逝场作用，有效地调控微腔系统的非线性效应，从而提高微腔器件的性能甚至可能突破微腔材料的限制。 在该项工作中，研究团队通过采用两步反应法，实现了二氧化硅微腔表面均匀地修饰有机分子层，既有效增强了微腔表面三阶非线性系数，同时保持了腔的高品质因子特性。实验中，研究者采用最近发展的动态相位匹配技术，即基于腔克尔效应和热效应补偿非线性频率转换过程中本征的相位失配，实现泵浦光和谐波频率与热腔模频率的共振匹配，最终实验上观测到三次谐波转换效率达到1680%/W2，比之前报道的二氧化硅微腔的最高转换效率提高了四个量级，接近目前晶体微环腔转换效率的最高值。研究者进一步地在实验上揭示了三次谐波的增强来自表面修饰的有机分子：微腔三次谐波/合频转换效率显著依赖于泵浦光偏振，平均输出功率对比度达到50倍，这是由于有机分子偶极取向导致的偏振依赖响应。该工作采用的表面修饰技术和动态相位匹配方法可以普适地推广到其它微腔和光波导等体系中，在宽带可调谐非线频率转换和表面科学研究中发挥重要作用。

生成模型的研究重点是如何从给定的数据集合中学习到数据的联合概率分布，以及从学习到的概率分布中高效地生成新的样本。研究团队提出将数据的联合分布概率编码成量子多体态的概率幅的模平方。进一步地，他们提出在经典计算机上使用矩阵乘积态(Matrix Product States)来模拟学习的过程。矩阵乘积态的参数，即张量网络的张量元，可以通过类似密度矩阵重整化群(Density Matrix Renormalization Group)的算法进行学习，最终形成一个具有泛化能力的生成模型。这个学习算法结合了量子物理与机器学习各自的优点：它不仅可以利用GPU高效地学习到模型参数，还可以利用张量网络的灵活性动态地调节模型表达能力。此外，与传统的基于统计物理的生成模型（例如玻尔兹曼机）相比，玻恩学习机还具备直接生成无关联样本的强大能力，从而可以高效地生成新的数据。 基于量子态的概率生成模型融合了量子物理与机器学习的思想，是一个崭新的研究领域。玻恩学习机借助量子态内禀的概率解释及其强大的表达能力，意在为机器学习和人工智能提供更为先进的生成模型和学习算法。此外，这类模型在量子信息处理，量子计算以及多体物理中具有应用潜力。展望将来，最令人兴奋的前景应该会是在一台量子计算机上实现玻恩学习机，从而以全新的方法进行概率型的学习和建模。这项工作用使用张量网络模拟量子计算机的运行，向无监督量子机器学习迈近了一步。作用在一幅MNIST图片上的矩阵乘积态以及它的纠缠谱

极端降雨随气候变化的物理过程研究目前尚很不足。一般来说，当气候变暖时，空气中水汽的（绝对）含量也会增多，那么降雨发生时产生的雨量也会增多。由此可以推断，如果只考虑大气水分增加，那么极端降雨强度随温度的增幅应为约7％每度（即遵从饱和水汽压的克劳修斯－克拉珀龙方程）。然而，在实际天气过程中，大气运动对降雨的影响也至关重要。 使用一个新颖且简化的模型，聂绩等通过模拟美国德克萨斯州2015年5月的一次灾害性极端降雨过程，模拟并量化分析了大气大尺度运动和小尺度对流之间的耦合，同时模拟了在工业化增温前（较于现在气温低1.5度）和本世纪末（较于现在增温4.5度）的情景下，发生在同一地区的极端降雨事件产生的降雨量差异（图1）。结果表明，在更暖的气候下的背景下，由于大气中的水汽增多（7％每度），凝结释放的潜热也会增多，导致更强的大气抬升运动；另外，潜热释放也将改变大气垂直层结。其结果是，极端降雨事件随气温的增加可能会是单纯水汽增多的效果的两倍左右（～14％每度）。 该研究为理解极端降雨事件对全球变暖的响应提供了新的认识，所使用的模拟和分析方法为理解极端降雨气候响应的区域特征提供了新的思路。图1: 观测和模拟的德克萨斯州极端事件的日降雨量；横轴是日期，纵轴是降雨量（毫米每天）。(a): 当前气候态下的模拟（黑色直方图）。各蓝色直方图是三套观测数据，蓝色粗线条是观测值的平均。数值模拟和观测结果较为吻合。(b): 工业化增温前（较于现在气温低1.5度；蓝色）和本世纪末（较于现在增温4.5度；红色）气候下，模拟的该地区极端降雨事件的雨量。通过和当前气候态模拟结果（黑色）的比较，可见极端降雨量随升温的增强非常显著（～14％每度）。

在活体内实现肿瘤选择性的蛋白功能调控，对生命科学研究和临床药物开发都有着非常重要的意义，但目前仍是化学生物学领域一个长期存在的挑战。该研究工作一方面展现了基于三氟化硼脱硅反应的“双靶向激活”策略效率高、生物正交性好的优势，揭示了将探针改造为激活剂（Probing-to-Perturbing）这一设想在活体蛋白激活上的巨大潜力。利用这个新颖的生物正交技术，该研究揭示少部分的肿瘤细胞发生焦亡，就足以有效调节肿瘤免疫微环境，进而激活很强的T细胞介导的抗肿瘤免疫反应，该发现为肿瘤免疫治疗药物研发提供了新的思路，Gasdermin家族蛋白也成为潜在的肿瘤免疫治疗的生物标志物，这类蛋白的激动剂则很有可能成为抗肿瘤药物研发的新方向。

利用等强度的偏振正交的双色飞秒光场（800nm + 400nm），深入研究遂穿电子干涉的干涉动力学，提出了利用新型的“时空电子干涉仪”，探测电子在遂穿过程中获得势垒下相位，揭示电子隧穿的动力学信息。该工作利用先进的冷靶反冲离子电子动量成像谱仪（所谓COLTRIMS），清晰地测量了正交双色光场下的光子周期内干涉图案。通过与理论模拟的对比 [强场近似（SFA）,库仑修正的强场近似(CCSFA)和数值求解含时薛定谔方程（TDSE）]，揭示出了光电子势垒下相位的对干涉图案的贡献。研究结果表明势垒下相位蕴藏着的电子隧穿动力学信息，对光电子干涉和光电子全息起着不可或缺的作用。

本研究利用氧气对非骨架掺杂选择性刻蚀的效应，首次在Cu衬底上实现了石墨烯的完美骨架掺杂生长，氮掺杂后的石墨烯迁移率高达13000 cm2/Vs，比其他工艺制备的掺杂石墨烯要高出数个量级。同时，石墨烯的面电阻也降低到130 oh/sq，掺杂的稳定性显著提高。

化学交联结合质谱技术 (chemical cross-linking coupled with mass spectrometry, CXMS) 是近年来迅猛发展的一种检测蛋白质结构和蛋白质相互作用的方法。随着质谱仪器以及交联数据搜索软件的发展，CXMS技术已经获得了长足的进步，但在该技术中能够应用的交联剂类型却并不丰富。目前商业可购买的交联剂主要是针对蛋白质N端和赖氨酸残基，还有少量针对半胱氨酸残基。精氨酸在蛋白质中含量丰富 (>5%)，而且经常出现在蛋白质相互作用界面中。但目前还没有成熟的针对精氨酸残基选择性的交联剂被开发出来。 为了进一步丰富交联剂的种类，该研究开发了靶向精氨酸的交联剂。该系列交联剂在不同长度的聚乙二醇单元两端连接芳基取代甲酰甲醛结构(aromatic glyoxal)，分别命名为ArGO1-3交联剂。此外根据甲酰甲醛结构的相对位置、苯基取代情况、交联剂臂长情况以及化学连接方式的情况，还开发出meta-ArGO1-2、ortho-ArGO1、MeO-ArGO1-2、HP-ARGO1以及amide-ArGO1-2等一系列ArGO交联剂。