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。

高性能的相干光源是基础光物理研究和集成光子学应用的关键前提之一。近年来，具有超高品质因子的回音壁模式光学微腔已经成为研究各种新型高效光源的重要平台，实验上已经获得了包括宇称-时间反演对称激光、轨道角动量激光和微腔光学频率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征对称性导致腔中激光场通常是等强度相向传输的，严重阻碍了诸多光子学器件应用的发展，例如单向光发射、全光寄存器和非互易光传输等。迄今，要获得具有单向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光学谐振腔的几何手征对称性。这种方法得到的激光方向性是固定的，难以动态调控其出射性质，且对谐振腔的形状设计和工艺制备要求较高。

采用红外光谱和拉曼光谱技术，克服了GaN中强烈的剩余射线带相关反射区导致的测量难题，实验中观察到半绝缘GaN中与C有关的两个局域振动模，并结合第一性原理计算，给出了C杂质在GaN中替代N位的直接证据，解决了这一长期存在的争议问题。该成果对于理解和认识C杂质在AlN、BN、ZnO等其他六方对称化合物半导体材料中的掺杂行为亦具有重要的参考价值。

极端降雨天气常导致洪涝和泥石流等重大气象灾害，给人身安全、社会经济和生态环境带来极大影响。近年来在全球暖化的气候背景下，全球范围内很多区域的强降雨等极端天气的发生概率或强度也显著增加，对社会的灾害应对能力提出了严峻的挑战。极端降雨的气候响应有着很强的区域特征（图1），理解这些区域特征至关重要。 研究使用一种新颖的分析方法将极端降雨气候响应分解为干动力学部分（大尺度扰动强迫）和湿动力学部分（小尺度对流的潜热反馈），并且通过一个理论模型将干/湿动力学耦合起来。对多模式模拟结果的集成诊断分析发现：干动力部分在低纬度地区显著减弱、在中高纬度地区增强；湿动力部分则是低纬度增强，随着纬度的增加增幅减小。研究进一步为湿动力学部分构建了一个理论模型，使用一个简单的方程揭示了潜热反馈和大气水汽之间强的非线性关系。此理论模型很好的解释了全球增暖下大气水汽的增多和静力稳定度的变化导致的极端降雨中对流潜热反馈的变化（图2）。研究结果为极端降雨气候响应的区域特征提供了定量直观的解释，系统阐明了造成极端降雨气候响应分布特征的机制，有助于改进极端降雨的气候预测。

节能建筑外围护构件与被动设施优化方法研究，2007 年 12 月通过河南省教育厅鉴定。 建筑节能已成为建筑领域当前研究和实践的重点，我国建筑用能占当年全社会终端能源消费 量的 27.8%。《民用建筑节能管理规定》和《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》等强制 性法令法规的颁布无疑对建筑节能、改善室内热环境有极其重要的作用。但是我们也应该看 到，尽管新的城市住宅和上世纪 80 年代初期的住宅相比其隔热保温性能有了较大提高，但 与发达国家相比还有很大差距。由于建筑寿命一般在 50～100 年，加上人们对建筑热舒适的 要求不断提高，建筑能耗需求在今后较长时间内持续增长，必将对我国的能源使用模式产生 强烈冲击。因此，我们急需开展新的、更为节能的技术研究和实践。 本项目研究目的是研究节能建筑外围护构件与被动设施对建筑能耗的影响以及与 建筑的结合与优化配置问题，最终应用于建筑设计与选择，其技术要点如下： 1. 介绍了室内热环境的几个影响因素，受传统民居建筑外围护结构设计启示并考虑到现代 科技水平和生活方式，从而提出了现代住宅外围护结构设计策略。 2. 从能量角度论述了外围护结构如何通过设计来保持、阻止以及引入能量。 3. 利用计算机模拟能耗分析软件对工程实例的外围护结构设计进行了优化设计的方法实 证研究。 4. 借助高精度热成像仪的拍摄，使得外围护结构的实验调查更加准确和直观。清晰的呈现 出采暖条件下外围护结构的钢筋混凝土梁柱、窗户、窗框、缝隙等热工薄弱环节。 5. 利用能耗分析软件 DOE-2 对飘窗、空气渗透、遮阳方式、玻璃选用进行能耗分析，用数 据说明其存在的问题，并提出可行的解决方案。 

分析了由于早期资料短缺和观测抽样偏性、气候序列的非均一性以及城市化对温度变化的影响等因素导致的早期研究结果的不确定性。 在对上述偏差进行了充分评估后，研究团队利用更可靠的基准数据和更“鲁棒”的技术方法得出以下结论：20世纪以来，中国区域平均气温增暖幅度已达约1.5℃，这个数字高于同期全球平均升温（约为1.0℃）近50%；对逐年温度的排序显示，有观测记录以来中国最暖的24年出现在最近的25年中；该最新估计和地球系统耦合模式（CMIP5）集合模拟结果表现出较好的一致性。论文基于中国区域研究实践经验，系统地建立了“区域气候变化观测研究”理论与方法体系，进一步为科学认识关键区域气候变暖趋势提供参考。

发展出一种能够有效克服上述两个问题的新型隐写术——彩色图像中的纳米隐写术。该团队在此前发展出的全彩等离激元彩色印刷理论与技术（Nat. Commun. 6: 8906, 2015）的基础上，将等离激元彩色印刷品作为信息隐藏的载体，其纳米级别的像素大小带来了接近100,000d.p.i.的超高分辨率（达到光学衍射极限），极大的扩充了可隐藏的信息容量。另一方面，该团队发展出了利用结构微扰（即不对结构显示颜色造成可见影响的微小结构变化）来隐藏信息的新型隐写策略。其实验结果表明，利用此策略隐藏的信息无论在光谱上还是在扫描电镜中都不能被发现，这就对信息实现了几近完美的隐藏，具有极高的安全性。  该团队利用两步微扰的方法提出了具有自我反监察功能的纳米隐写术（如上图所示）。首先，信息发送者利用微扰1将重要信息近完美地隐藏在彩色图形中。在目标接收者收到信息载体后，他们需要先对其加载微扰2使得隐藏信息与背景之间出现微小的光谱偏移，然后才能利用特定的光学滤波片将信息读取出来，而微扰2的加载过程将对作为伪装的彩图带来不可逆的图形变化，这就使得信息伪装载体同时能够作为自我反监察的指示器，即当接收者在收到信息载体时，如果伪装图形发生变化，则说明隐藏的信息已经被人窃取。       以上研究成果将隐写术推进到了纳米尺度,这赋予了物理隐写术更大的应用与发展潜力，具有重要的革新作用。研究中提出的近完美隐藏和自我反监察功能的概念，对于发展新型的信息安全防护方法也具有重要的启发意义。此外，结构微扰能够被“变废为宝”地用于信息隐藏，这为微纳光学领域揭示了一个新的结构调控维度——微扰，为新型光学微纳结构的设计提供一种新的思路。

应用于机电装备主控系统程序控制部分，实现机电装备主控系统故障的自我检测、预报、恢复，提高机电装备运行的稳定性和安全性，具有一定的市场前景。关键技术：自愈技术，多Agent技术，检测技术产品应用领域：机电装备的控制系统中● 应用前景： 应用于机电装备主控系统程序控制部分，实现机电装备主控系统故障的自我检测、预报、恢复，提高机电装备运行的稳定性和安全性，具有一定的市场前景。

西北工业大学物理科学与技术学院赵建林教授研究团队在全光纤光波长转换方面取得重要进展。提出了一种二维材料辅助的全光纤波长转换方案，利用该方案制备的波长转换器，仅需百微瓦量级光功率（远小于一支普通激光笔的输出光功率）即可将近红外光稳定地转换为可见光。该技术在全光纤中实现光波长的高效转换，兼容现有成熟的光纤通信和传感系统，也为其他高性能全光纤非线性器件的实现开辟了新的途径。利用全光纤的二阶非线性效应不仅可以拓展光纤激光器的工作波段，还有望实现全光纤的线性电光调制器、缠绕光子对等，可极大拓展业已成熟的光纤通信、传感技术在信息处理与感知领域的应用范围。然而，石英光纤的中心反演对称性阻碍了其二阶非线性效应的产生和利用。目前，基于二阶非线性效应实现光波长转换，需要对光纤进行特殊掺杂、极化等复杂工艺处理，以及高功率脉冲激光泵浦等苛刻条件，因此如何降低光纤中波长转换的实现条件，成为困扰科学家们的一个难题。针对此问题，研究团队创新性地提出一种层状二维材料硒化镓辅助的全光纤波长转换器，利用微光纤导波模式的强烈倏逝波与硒化镓的相互作用，利用百微瓦级连续光即可实现倍频、和频等非线性参量转换过程，进而将近红外光稳定地转换为可见光。相关研究成果以“High-efficiency second-order nonlinear processes in an optical microfibre assisted by few-layer GaSe”为题，已在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》发表。论文第一作者为团队姜碧强副教授，通讯作者为甘雪涛教授和赵建林教授，西北工业大学为唯一作者单位。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-020-0304-1

FeSe超导体是铁基超导家族中结构最简单的材料。无论是在超导态还是正常态（四方-正交的结构相变温度之下），FeSe中的低能量自旋激发是完全c方向极化的，即没有ab面内的分量。这一奇特的自旋激发各向异性表明：一是FeSe中自旋轨道相互作用很强；二是FeSe中的自旋轨道相互作用会显著地影响电子库珀对的形成。