北京大学量子材料科学中心的韩伟研究员和谢心澄院士，以及日本理化学研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在国际著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰写综述文章，介绍“自旋流--新颖量子材料的灵敏探针”这一新兴领域的前沿进展。 自旋电子学起源于巨磁阻效应的发现，在当时而言，自旋流指的仅仅是电子自旋的传播。随着自旋电子学的蓬勃发展，与相关研究的不断深入，新的自旋流现象与机制不断被拓展，相关研究证明一系列的粒子或者准粒子携带的自旋都能够形成自旋流，比如磁性绝缘体中的磁振子、超导体中自旋三重态和准粒子、量子自旋液体中的自旋子、自旋超导态等。尤其是对于量子材料而言，由于其往往具有独特的自旋性质，基于自旋流探针的研究方法就成为了表征量子材料物性的有效手段。 量子材料都是凝聚态物理与材料科学领域的研究前沿之一，其量子性质起源于诸多量子效应，包括低维尺寸效应，量子限域效应，量子相干效应，量子阻挫效应，能带结构的拓扑性，自旋轨道耦合，对称性限制等等。量子材料包括石墨烯，高温超导体，拓扑绝缘体，外尔半金属，量子自旋液体，自旋超流体等等。量子材料可以表现出诸多与自旋相关的量子性质，如二维过渡金属硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓扑绝缘体当中的自旋-动量锁定等。因为量子材料的自旋属性在下一代的量子信息存储和量子计算科学当中的应用潜力，所以研究量子材料的自旋相关性质得到了广泛关注。 为了研究量子材料的自旋性质，发展一种易于实现和操控的高效工具显得尤为迫切与关键。幸运的是，在实验物理学家和理论物理学家的不懈努力下，成功的证实了自旋流探针能够作为量子材料的有效探测手段。一系列激发和探测自旋流的方法被提出并得以实现，从而证实了基于自旋流探针的量子材料物性研究的广泛适用性。 迄今为止，相关实验已经证实自旋流能够以超导体系中的自旋三重态库珀对和超导准粒子、量子自旋液体中的自旋子、磁性绝缘体和自旋超流体中的磁振子为载体进行传播，相关物理图像被总结在表1中。本篇综述文章着重介绍了在五类主要的量子材料体系中的基于自旋流探针的物性研究。第一类是超导材料体系，自旋流探针可以被用来验证自旋三重态的存在以及自旋动力学的演化过程。第二类是量子自旋液体材料体系，自旋流探针可以被用来验证自旋子携带的自旋角动量的有效传播过程。第三类是磁性绝缘体体系，自旋流以磁振子的形式传播，描述了磁有序材料当中的集体激发行为。第四类是杂化量子激发体系，自旋流以磁振子-声子杂化模式（磁振子-极化子）或磁振子-光子杂化模式（磁振子-极化激元）为载体进行传播。第五类是自旋超流体系，自旋流以玻色爱因斯坦凝聚中的自旋量子数为1的玻色子为载体进行传播，这种玻色子可以为电子-空穴激子或者是磁振子。 这些重要的研究进展已经充分证实了基于自旋流探针的物性表征对于量子材料而言是一种行之有效的研究手段。因此，这一方法将会极大的推动新颖量子材料的发现和相关物理性质的研究。例如量子霍尔和量子自旋霍尔材料，量子铁磁体和反铁磁体，六角晶格体系中的量子手征声子，自旋和力耦合的量子系统，超导体中的自旋动力学和铁磁与超导界面的超导能隙，自旋三重态超导体中的超导对称性，强耦合自旋系统中的杂化激发，拓扑磁振子材料，量子自旋液体中的自旋子，自旋超流体约瑟夫森效应，以及其他任何作为自旋流载体的量子态。另外，这一领域的进展还将推动自旋成像技术的发展，如利用自旋极化扫描隧道显微镜和氮空位色心显微镜技术对量子材料体系中自旋流的原位探测。

有机发光二极管（OLED）显示技术具有低成本、柔性化、可大面积生产等显著特点，将引领显示和照明两大产业领域。未来市场对涉及OLED的所有材料的需求将呈现飞跃式增长。根据国际知名的产业咨询公司IDTechEx提供的市场调查报告，2016年全球有机发光二极管(OLED)市场是160亿美元，2026年将迅速增加至570亿美元。因此，发展OLED关键材料，对于抢占OLED市场份额，具有重要的意义。    本项目开发了一系列环金属铱/铂配合物、稀土金属配

2、有机光电功能共轭聚合物的合成、纳米化及其复合材料在传感器、超滤 膜和纳滤膜等领域的应用研究3、在 Nano Letters, ACS Nano, J. Phys. Chem. C, Dalton Trans.等发表相关论文 30 余篇; 授权发明专利 2 项，申请发明专利 4 项，其中国际专利 1&nb

提出了一种通过调节卤素的取代位置以引入分子内卤键来提高UOP材料QE的新策略。其中，CzS2Br的磷光效率高达52.10％，这是迄今为止报道的单组分有机长余辉效率最高值。通过系统地研究发现，作者指出分子内卤键（intramolecular halogen bonding，分子内卤氧相互作用）是获得高效率UOP材料的关键所在。分子内卤键不仅能够通过促进自旋-轨道耦合以提高分子系间窜跃效率，还可以抑制激发态分子的振动和转动，从而限制分子的非辐射跃迁。

在对蓝光分子的设计与合成中，通过对LUMO轨道的空间限制，发现了窄光磷光发光效应，并且设计出红绿蓝三种窄光磷光材料。其中绿光现证明器件使用寿命在100cd/m2光强下可达70000小时，外量子效率25.8%。首次报道了高效率的超纯蓝光的器件，CIE (0.14,0.09)，最高量子效率达17.6%。后续工作将在此基础之上，增加蓝光分子稳定性设计考虑，将能级降低0.1eV，并探索此类蓝光磷光分子的极限寿命或者稳定性。

南开大学孟继本、庞美丽课题组与天津孚信科技有限公司合作以 产学研联合体的模式相结合，把光致变色材料推向军工和民生领域的 应用开发和生产。2013 年已建成我国第一条光致变色材料生产线和 应用实验基地，具有生产 5000KG 光致变色 MC 粉的能力。可以生产 十多个新品种，是世界上生产光致变色材料品种最多的基地。已在网 上和实体店开始销售光致变色材料产品和制品。 项目特色： 1）采用铜络合物作为中间体的新的合成工艺，合成了紫罗兰、 兰、紫、第一代紫品到第四代紫红、粉红等十几种新品种，产率由 20- 30%提高到 50-80%。 2）提高了产品的耐疲劳度，采用微胶囊技术、高分子纳米颗粒 技术、添加物技术等对光致变色材料进行保护，使耐疲劳度由 3000 次左右提高到 1 万次以上，产品性能和使用效果有显著变化。 3）建立了光致变色材料相互之间或与其他彩色体系的配色方法， 使眼色品种更加齐全，色彩更加丰富，总数量已超过 100 多种。 4）分子结构创新：生产光致变色产品大部分都是首次合成的新 化合物，并申请专利进行保护。

通过氯原子的Cl-S、Cl-π等超分子相互作用调控有机光电材料分子的排列方式，构筑更加适合有机太阳电池器件的材料体系；同时利用共轭聚合物的π-π相互作用作为驱动力控制材料在不同维度上的生长速度，成功制备了二维方块胶束，并积极探索这些二维材料的电学行为响应。氯原子卤键等非共价相互作用对控制有机分子的排列和形貌具有决定性作用，不但可获得高度有序的材料体系，同时相应材料性能也可得到大幅提高，例如和本研究相关的氯取代给体聚合物效率就曾达到了富勒烯类太阳电池的世界一流水平，而且器件稳定性也得到了极大改善，引领了有机太阳电池领域对氯取代的重视和广泛研究。

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自激光问世以来，各种激光器在军用武器与装备、民用等领域得到了广泛的发展和应用，激光致盲武器、防空激光武器、大型激光攻击武器、激光制导、激光测距仪、激光目标指示器、激光瞄准仪、激光雷达等各种激光武器和激光军用设备在现代高科技战争中，发挥着重要的作用。其中激光致盲武器是目前各种军事装备（如飞机、坦克、舰艇）和步兵已普遍实用的一类攻击型武器，由于激光的能量

李源和合作者所关注的材料是Cu3TeO6，在这个材料中，每个原胞内有12个具有磁性的Cu2+离子。在61K以下，Cu3TeO6成为反铁磁体，原胞中6个Cu2+离子磁矩方向大致平行，而另外6个Cu2+离子与它们反向。利用线性自旋波理论，李源和合作者发现，Cu3TeO6中的自旋波具有线性的能带交叠，而进一步的分析表明这种能带交叠具有拓扑性质：具有纯数形式的拓扑电荷，它们不依赖于模型的细节，而只和体系的对称性有关。李源和合作者证明了，只要材料中具有PT对称性（时间反演和空间反演），那么，自旋波的线性能带交叠总是存在。如果同时也存在整体的自旋旋转对称性U(1)，这种拓扑能带交叠具有狄拉克点的形式（图1a），而将U(1)对称性移除，则狄拉克点将拓展为结线（图1b）。狄拉克点和结线都是在特定材料新预言的拓扑能带交叠类型。Cu3TeO6具有很高的晶体对称性（第206号空间群，图1c）,由此保证了在U(1)对称性存在的前提下，布里渊区P点位置的自旋波总是狄拉克点。图1：（a）基于J1-J2模型的自旋波色散（b）布里渊区以及布里渊区中的狄拉克点，同时展示了U(1)对称性移除后狄拉克点演化为结线的过程（c）材料中Cu2+离子J1-J2交换网络。 为了在实验上研究上述自旋波的拓扑能带，李源和合作者又对Cu3TeO6晶体阵列样品进行了非弹性中子散射实验。在实验中，李源和合作者观测到了四维空间中清晰的自旋波信号。为了将实验结果和理论计算进行对照，李源和合作者在模拟材料中磁交换作用方面做了大量工作，他们认为：Cu2+离子之间最主要的磁交换作用是最近邻和第九近邻的交换作用，前者由于距离最近，后者由于离子之间相对笔直的交换路径。从图2a和b可以看到实验和计算结果符合得相当好：数据不仅表明在布里渊区的P点存在狄拉克锥型的色散（图2c），而且散射信号的强度与计算也几乎是一致的（图2d和e）。散射信号的强度反映了动力学结构因子S(Q,w)，其中包含了自旋波波函数的重要信息，所以实验和理论的一致性可以认为是材料中自旋波拓扑属性的直接验证。图2：（a和b）沿着图1（b）高对称路径的实验和计算的自旋波信号强度图，布里渊区中心是(1, 1, 2)（c）布里渊区P点的狄拉克锥型色散（d和e）a和b虚线框中自旋波的细节，虚线包络表明了P点的狄拉克锥型色散。