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。

研究小组首先利用激光分子束外延技术生长了具有原子级别平整度的反铁磁Cr2O3薄膜，是电荷的绝缘体。采用非局域自旋输运的技术，用热方法在铂电极和Cr2O3薄膜界面注入自旋流、产生自旋压，在另外一个铂电极处利用铂的自旋霍尔效应测量自旋流的输运（图A）。实验数据显示在低温下自旋输信号出现饱和现象，对应着自旋导的饱和，也就是零自旋阻效应；即自旋超流基态的最重要基本性质之一（图B）。在此基础上，该研究小组又系统研究了不同自旋输运距离下自旋超流的输运现象，证明了自旋在该自旋超流基态可以进行长距离的输运，并且其随输运距离的关系与自旋超流态输运理论预言一致（图C）。该工作是是自旋超导态领域研究的一项重大突破，势必推动自旋超导态的快速发展，为研究基于自旋玻色子的玻色爱因斯坦凝聚的基础物理研究提供了实验平台，并为新型量子自旋器件，如自旋流约瑟夫森结等，奠定了实验基础。图：自旋超流基态的重要实验证据。（A）非局域自旋输运测量示意图。用热方法在左边铂电极和Cr2O3薄膜界面注入自旋流，在右边铂电极处利用铂的自旋霍尔效应测量自旋流的输运。（B）自低温下自旋输信号出现饱和现象，反映出自旋超流基态的零自旋阻效应。（C）自旋信号随其随输运距离的关系与自旋超流态输运理论预言一致。

简单、实用，低成本实验仪器做前沿物理学研究。

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展，首次提出和验证了Floquet自旋量子放大技术，该技术克服了以往只在单个频率处量子放大的局限性，实现了多频段极弱磁场信号的量子放大，灵敏度达到了飞特斯拉水平。

适用于中学物理新课程中关于运动学、动力学的实验教学。 仪器主要由铝合金轨道和小车等组成。                                                                                                        轨道长120cm、宽10cm、厚2cm，表面氧化处理，表面有两条凹形轮轨，轮轨间距50mm，轨道一侧有100cm（最小刻度1mm）长的刻度指示。 轨道一端安装有可以用来安装电磁打点计时器或电子火花计时器的固定座；轨道另一端安装有带粘滞条的小车挡板和可调节的定滑轮。 小车的主要材质为工程塑料，一端可用来拖拽纸条，且内部隐藏钕铁硼磁铁；另一端可用来牵引绳线，且装有粘滞条。

准备了高效红、绿、蓝量子点和纳米材料，无机量子点材料在发光、显示、太阳能 电池、生物医学领域都有广泛的应用前景。如下图为蓝光量子点材料的图谱。 利用制备的 ZnO 纳米阵列首次得到了色纯度较高的有机复合/无机紫外 LED，实现了室温下 ZnO 纳米棒在 380nm 附近的电致发光。并利用所制备的 ZnO、TiO 量子点和纳米材料，实现在太阳能电池领域的应用，提高了有机太阳能电池的效率。

采用可聚合的甲基丙烯酸月桂酯为溶剂，以热注射法制备钙钛矿量子点，直接与低聚物和引发剂混合，通过紫外光聚合原位制备高质量的量子点-高分子复合薄膜。与经典的十八烯体系纯化后制备的量子点-高分子复合薄膜相比，甲基丙烯酸月桂酯体系制备的薄膜具有更优异的光学性能，绝对荧光量子产率超过90%，超过了传统镉基量子点薄膜。该课题组采用高绝对荧光量子产率的绿光发射的复合薄膜和红色发射荧光粉（KSF）作为液晶背光中蓝光发光二极管（LED）的下转换荧光材料所制备的原型显示器件，在国际照明委员会（CIE）1931颜色空间中的色域覆盖率为115%，超过传统的镉基量子点显示器件10%以上，同时还具有优异的低蓝光健康护眼的特性。此外，该显示器件具有很好的耐高温高湿和耐强光老化性能。这些为发光量子点材料在新一代广色域显示器件中的应用奠定了基础。

准备了高效红、绿、蓝量子点和纳米材料，无机量子点材料在发光、显示、太阳能电池、生物医学领域都有广泛的应用前景。如下图为蓝光量子点材料的图谱。  纳米材料的透射电子显微镜图谱，其中右下角的插图分别为各自在紫外灯照射下的数码照片 利用制备的ZnO纳米阵列首次得到了色纯度较高的有机复合/无机紫外LED，实现了室温下ZnO纳米棒在380nm附近的电致发光。并利用所制备的ZnO、TiO量子点和纳米材料，实现在太阳能电池领域的应用，提高了有机太阳能电池的效率。

刘奇航及其合作者以最近由中科院物理所领衔的研究团队发现的ZnCu3(OH)6BrF为例，采用修正后的单体平均场密度泛函理论方法，对这一体系的本征和掺杂行为进行了详尽的模拟。研究发现，ZnCu3(OH)6BrF掺杂后，掺入的电子并没有成为期待的“自由载流子”，而是局域在一个铜原子周围，引起了局域形变。这种电子与束缚它的晶格畸变的复合体称为极化子（如图一所示）。本征材料的带隙中形成新的电子态。因此，电子掺杂后，ZnCu3(OH)6BrF并没有实现半导体到导体的转变。相比之下，具有类似CuO4局部环境的铜氧化物高温超导体的母体材料Nd2CuO4显现除了不同的随掺杂浓度变化的导电性。研究发现，低掺杂浓度时，铜原子附近形成较为扩展的极化子，因此在高掺杂浓度时，这些极化子之间的跃迁可以使系统导电性大大增加，实现半导体到导体的转变，与实验观测很好地吻合。 该研究圆满地解释了最近实验上观测到的Kagome晶格的锌铜羟基卤化物在掺杂后并不导电的现象，指出要在量子自旋液体实现超导，仅仅找到量子自旋液体体系是远远不够的，还必须实现有效掺杂，注入一定浓度的“自由载流子”，为耕耘在该领域的实验工作者提出了新的挑战和实验方向。

在应变的InAs/GaInSb量子阱中，量子阱中的应力使其能带发生改变，从而使得体态杂化能隙得以增大，这直接导致了边缘态电子费米速度的增加，因而螺旋边缘态中的相互作用效应变弱。实验上测量得到的边缘态电导以及其对外加磁场的响应清楚地表明该系统中的量子自旋霍尔态是一种Z2拓扑绝缘体，其性质受到时间反演对称性的保护。而且，InAs/GaInSb量子阱中螺旋边缘态的相干长度最长可达10微米以上，远大于之前所有有关量子自旋霍尔态研究工作中报道的数值。另外，螺旋边缘态的相干长度还可以被栅极调节，这显示了边缘态电导与边缘态电子费米速度，也即边缘态相互作用强度密切相关。