物理学进展

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二维多铁性材料及其磁电性质的研究进展

郑鸿倩, 胡婷, 黄呈熙, 杜永平, 万逸

物理学进展 2025, 45 (3): 105-117. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.03.001

摘要（2358）

PDF （9286KB）（5073）

近年来，兼备铁磁性和铁电性的多铁性材料因展现出新颖且丰富的物理特性，以及在信息存储、传感技术等领域的广泛潜在应用，已吸引了众多研究者的密切关注。随着对多铁性材料性质理解的深化，研究者们开始致力于探索其在更小尺度上的行为表现，特别是针对二维材料的研究。相较于三维材料，二维材料凭借其独特的结构特征和显著的尺度效应，通常在力学、光学、热学及磁学性能上展现出更为优越的表现。然而，值得注意的是，当前关于二维多铁性材料的研究主要集中于理论预测层面，实验层面的进展相对滞后。鉴于此，本文首先简要回顾了多铁性材料的发展历程，随后详细阐述了二维材料的特性与优势，并对二维多铁性材料的潜在应用进行了讨论。接下来，本文综述了当前的研究现状，涵盖了相关的物理现象与机制、实验制备方法、性能调控技术以及表征手段等方面的内容。此外，本文还列举了理论预测中可能实现的二维多铁性材料，并在此基础上深入探讨了当前研究面临的挑战以及未来的发展方向。

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三维/二维卤化物钙钛矿异质结的制备及性能优化研究进展

贺圣荣, 邢军, 姚晓龙, 马小曼, 李鹏

物理学进展 2025, 45 (4): 169-194. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.04.002

摘要（1254）

PDF （8487KB）（4250）

卤化物钙钛矿材料因其在光电转换效率上的显著优势而成为新能源领域的研究热点，而三维 (3D)/二维 (2D) 钙钛矿异质结更因其独特的能带结构和灵活可调控的载流子行为的优势而备受关注。本文聚焦 3D/2D 卤化物钙钛矿异质结的可控制备及性能优化的研究领域，首先综述了 3D/2D 钙钛矿异质结的概念、优势及常规制备方法，包括固–液后旋涂法、固–气气相沉积法以及固–固反应等常规制备方法；然后探讨了通过界面工程、材料工程和器件结构优化等策略来提升 3D/2D 钙钛矿异质结性能的有效方法；接下来，概述并评估了 3D/2D 异质结在太阳能电池和光电探测器领域的最新研究应用进展；最后，我们讨论了 3D/2D 钙钛矿异质结当前面临的稳定性和环境适应性等挑战，并系统展望了 3D/2D 钙钛矿异质结研究的未来发展趋势，旨在为实现其在光电领域的广泛应用提供可行性思路和优化方案。

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自闭症谱系障碍与注意力缺陷多动障碍共病的潜在机制

余晨, 张小鹏, 王炜

物理学进展 2025, 45 (6): 261-280. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.06.001

摘要（1014）

PDF （817KB）（4192）

自闭症谱系障碍 (自闭症) 与注意力缺陷多动障碍 (多动症) 是儿童常患的神经发育障碍类疾病，二者表现出截然不同的症状，但却具有很高的共病概率。本文将从神经生物物理学角度梳理不同层次的研究进展，系统总结自闭症与多动症共病的生物物理机制。儿童共患两种疾病的机理可概括为以下几个方面：(1) 两种疾病均存在突触修剪异常，导致共病患者的脑结构异常加剧； (2) 脑网络功能障碍是二者共病的重要神经生物学证据；(3) 二者均涉及多巴胺、Wnt、γ-氨基丁酸、雷帕霉素靶蛋白和炎症相关信号通路的异常，这些通路与突触数量的稳定性紧密相关；(4) 突触修剪异常导致的突触兴奋性/抑制性失衡是共患两种疾病的基本原因。此外，借助计算神经网络建模和分子网络动力学建模，可促进对自闭症与多动症共病机制的深入理解。本文从不同层次分析了两种典型神经发育障碍出现共病的潜在机制，有望为共病患者的早期干预和精准治疗提供理论依据。

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电子发展简史

石锋, 刘金华, 张灵翠, 徐越, 娄有信, 沈燕, 赵金博

物理学进展 2025, 45 (2): 79-104. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.02.003

摘要（3027）

PDF （516KB）（2833）

电子是组成原子的不可分割的一部分。古人认为原子不可再分，直到 19 世纪末，汤姆逊才发现了电子的存在，证明原子是可再分割的。电子的波动性、电子自旋以及正电子的发现经历了一段复杂而曲折的历史，这些重大的科学突破最终促成了多项诺贝尔物理学奖的颁发。电子的发现，对量子力学的诞生起到了重要的促进作用。正是在探索原子结构模型的过程中，科学家们逐步发展出了量子力学和量子场论。电子的发现极大地推动了人们对材料的认识，催生了一系列重要理论，例如洛伦兹自由电子论、索末菲模型以及能带理论。特别是能带理论，它不仅阐释了金属、半导体和绝缘体的电子性质差异，还为现代电子技术的发展奠定了基础，引领人类步入了信息时代。

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卤化物钙钛矿单晶及光电探测器：研究进展和挑战

孙悦, 黄小芮, 贺圣荣, 邢军

物理学进展 2024, 44 (5): 209-242. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.001

摘要（3671）

PDF （15745KB）（2735）

近年来，由于金属卤化物钙钛矿材料展现出了优异的光学和电学特性 (如高吸收系数、长载流子扩散长度、小激子结合能、高缺陷容限、可调带隙等性质)，以及其具有低成本的溶液制备工艺，使其在光探测、光电转换和光发射等领域取得了巨大的科研进展。与钙钛矿多晶薄膜相比，钙钛矿单晶具有更长的载流子寿命、更高的载流子迁移率、更长的扩散长度、更低的陷阱密度等优势，从而促进了近十几年来钙钛矿单晶制备和优化的相关研究，并将高质量卤化物钙钛矿单晶广泛应用在光探测等重要应用领域。在这篇综述中，我们聚焦基于不同形式、不同化学组分卤化物钙钛矿单晶 (包括单晶块体和单晶薄膜) 的光电探测器技术领域的最新进展，首先系统综述了卤化物钙钛矿单晶的制备和优化进展，重点关注了三元阳离子杂化钙钛矿单晶的最新进展，然后全面介绍了基于钙钛矿单晶的各类型光电探测器研究现状，最后总结了卤化物钙钛矿单晶光电探测器研究领域目前面临的挑战并进行了展望，有望推动该领域的快速进步和发展。

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二维范德瓦耳斯反铁磁体系超快自旋动力学研究进展

李金阳, 武方亮, 张琦

物理学进展 2024, 44 (6): 293-308. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.003

摘要（2312）

PDF （4771KB）（2224）

反铁磁体具有太赫兹频段的高速自旋响应和对外磁场的鲁棒性，被视为下一代高速、高密度自旋信息器件的潜在材料。近年来，二维范德瓦耳斯磁性系统因其丰富的反铁磁基态和多样的物性调控手段而备受关注，成为探索低维反铁磁物理的理想平台。在这些二维反铁磁体系中实现超快自旋动力学的探测与调控对于推动高速自旋电子器件的应用至关重要。由于反铁磁体在宏观尺度上不表现出净磁矩，常规磁光探测技术难以直接观测其平衡态下的性质。然而，在非平衡状态下，通过时间分辨磁光克尔效应可以探测到由自旋动力学产生的瞬时磁化，从而揭示反铁磁自旋的相干运动。此外，线偏振二向色性光谱、太赫兹发射谱和二次谐波产生等技术也被广泛应用于二维反铁磁体系的动力学研究。本文综述了近期关于二维范德瓦耳斯反铁磁体系中超快自旋动力学的重要实验进展，并介绍了其中涉及的相干磁振子激发机制，包括逆磁光效应/受激拉曼散射、轨道共振激发以及激子耦合。此外，还探讨了自旋–晶格耦合导致的反铁磁自旋动力学的临界变慢现象，以及这种耦合对相干剪切声子模式的放大。

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太赫兹波对神经递质突触传递过程影响的研究进展

陈晨, 丁泓铭, 马余强

物理学进展 2025, 45 (1): 32-46. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.01.002

摘要（1350）

PDF （2539KB）（1981）

太赫兹波是一种介于微波和红外波之间的电磁波，因其强穿透性、非电离性和强吸收性等物理特性，在非接触式调控突触传递过程中展现出巨大应用潜力。突触传递过程与神经退行性疾病密切相关，因此，深入了解太赫兹波对这一过程的影响，对于预防和治疗相关疾病具有重要指导意义。本文首先详细介绍了太赫兹波的物理特性、生物效应及突触传递的相关概念，随后重点讨论了太赫兹波在突触前、突触间隙和突触后三个阶段对神经递质传递的影响。最后，本文总结并展望了太赫兹波在未来突触传递过程中的潜在应用。

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二维过渡金属硫族化合物的激发态动力学研究

秦春博, 张春峰

物理学进展 2025, 45 (4): 195-207. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.04.003

摘要（670）

PDF （5372KB）（1929）

二维过渡金属硫族化合物 (TMDs) 展现出强光与物质相互作用以及显著的激子效应，针对其激发态动力学的研究无论是对相关的基础研究还是技术应用，都具有重要的意义。为此，本文总结了单层 TMDs 及其堆叠形成的范德瓦耳斯异质结中的激发态动力学研究。具体而言，我们介绍了单层中激子与异质结中层间激子的产生到复合动力学过程，期间着重介绍了异质结中层间电荷转移，以及层间转角和莫尔超级晶格相关激发态动力学的近期研究。最后总结了目前的研究中未解决的问题并以对未来的展望作为结尾。

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工作记忆的机制与建模方法

杨帆, 钱睿昕, 王涛

物理学进展 2024, 44 (5): 243-258. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.002

摘要（1666）

PDF （2967KB）（1861）

工作记忆是人类认知功能的重要组成部分，涉及在短时间内对信息的存储和加工。延迟响应实验是研究工作记忆的基本实验范式之一，通过在刺激信息与行为决策之间设置一段延迟期，人们可以探究工作记忆系统在延迟期间维持和操纵信息的神经机制。本文概述了延迟响应实验范式，介绍了作为工作记忆关键机制的吸引子动力学。文章系统介绍了两种常用的工作记忆网络分析方法：运动轨迹追踪法和势能景观与环流理论。最后，我们总结了两种动力学方法的特点，并对今后的工作记忆研究方向进行了展望。

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实验室天体物理中磁场的测量方法

施川奇, 袁大伟, 赵刚

物理学进展 2025, 45 (3): 151-159. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.03.004

摘要（965）

PDF （5979KB）（1728）

磁场在天体中是普遍存在的，如地球、太阳、超新星遗迹、星云、巨星、中子星和黑洞等。但是目前天体磁场还存在许多的未解之谜，例如种子磁场是如何产生的？磁场是如何被放大的？随着高功率、大能量激光装置的出现，实验室天体物理为研究这些问题提供了一种全新的方法，即在实验室产生和天体或周围环境类似的极端物理条件，对天体物理问题进行实验室研究，它具有近距、主动、条件可控和可重复性等优点。在相似定标率下，利用实验室激光等离子体可以研究天体中磁场的起源与放大问题。目前实验室研究中，常用的磁场测量方法包括磁探针、磁带、塞曼效应、法拉第旋光和质子成像等，熟悉并掌握这些方法的原理和特点有助于在实验中选择合适的方法进行磁场测量。

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超越硅基器件的二维晶体管：从理论到实验

李鸿, 徐琳, 邱晨光, 吕劲

物理学进展 2025, 45 (3): 118-131. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.03.002

摘要（2384）

PDF （2085KB）（1716）

由于严重的短沟道效应，硅基晶体管在栅长小于 10 nm 的时候，不能很好地工作，摩尔定律面临失效的风险。比起体半导体材料，二维材料具有更好的静电特性和载流子迁移率。密度泛函理论和非平衡格林函数方法结合的第一性原理量子输运模拟是描述纳米尺度晶体管输运的最精确的理论工具。基于第一性原理量子输运模拟预测理想状态下的二维材料晶体管的性能优于硅基晶体管，能够满足国际半导体技术线路图及国际器件和系统线路图未来十年的需求，能延续摩尔定律到 10 nm 以下栅长。本文介绍了在二维晶体管领域近两年实验上取得的重大突破，包括将栅极长度缩小到埃米尺度，将电极接触电阻降低到接近理论量子极限，以及制备出高质量的超薄电介质。当良好的欧姆接触和超薄的介电层同时实现时，在 10 nm 栅长的 InSe 晶体管中观察到了理论预测的超越硅基晶体管的性能。

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宏量制备导电属性可控的高质量单壁碳纳米管

杨可汉, 王超, 袁国文, 高力波

物理学进展 2025, 45 (1): 47-54. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.01.003

摘要（1680）

PDF （3199KB）（1392）

单壁碳纳米管 (SWCNTs) 由于其优异的电导、机械和热学性能，具备广泛应用前景。目前，浮动催化剂化学气相沉积法 (FCCVD) 是大规模制备 SWCNTs 的常用方法。然而，利用该方法获得的 SWCNTs 的纯度和质量不足，并且样品的导电属性可控性差，金属单壁碳纳米管 (mSWCNTs) 与半导体单壁碳纳米管 (s-SWCNTs) 并存，限制了其进一步应用。为了连续化生长高质量、高纯度，具备单一导电属性的 SWCNTs，本论文提出了一种通过放置管塞将 SWCNTs 滞留在高温区以实现持续生长，并加入电场实现单一导电属性的 SWCNTs 选择性生长的方法，最终得到高纯度的半导体富集的 SWCNTs。我们通过光学、热重分析和扫描电子显微镜对 SWCNTs 进行系统的测量与分析，研究 SWCNTs 纯度与 s-SWCNTs 的占比。该工作为大规模制备高质量高纯度的 SWCNTs 提供了方案，有望加速其工业化应用。

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基于卤化物钙钛矿的图像传感器

张强, 董昊田, 包春雄

物理学进展 2024, 44 (6): 278-292. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.002

摘要（1660）

PDF （5446KB）（1248）

图像传感器在生产生活中被广泛使用，例如X 射线传感器被广泛应用于医疗影像和安全检查；可见光传感器可以应用于人脸识别和智能设备；近红外传感器在生物识别中不可或缺。目前上述的图像传感器主要使用基于硅、锗或者III∼V 族等半导体的光电探测器，这些传感器都存在一些不足之处，比如彩色图像传感器存在光利用率低、会产生摩尔纹等问题。金属卤化物钙钛矿作为一种优异的光电半导体材料，由于具有光吸收系数高、带隙可调、缺陷容忍度高等特点成为制备高性能光电探测器的选择之一。本文综述了基于金属卤化物钙钛矿图像传感器的研究进展，分析了目前其与商用器件的差距并提出一些改进建议。

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二维电子材料中的二阶拓扑绝缘体

冯晓冉, 牛成旺, 黄柏标, 戴瑛

物理学进展 2025, 45 (1): 1-31. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.01.001

摘要（1804）

PDF （11565KB）（1178）

高阶能带拓扑不仅丰富了我们对拓扑相的理解，还揭示了新奇的低维边界态，这在下一代器件应用中具有巨大潜力。二维材料独特的电子结构和可调控特性使其成为实现二阶拓扑绝缘体（SOTIs）的理想平台。本文概述了二维电子材料领域中 SOTIs 的研究进展，重点介绍了高阶拓扑特性的表征以及理论研究中提出的众多候选材料。这些研究不仅增强了我们对高阶拓扑态的理解，还丰富了实验中可行的候选材料。

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p53 介导的基因表达调控及其机制解

陈云翔, 周邦彦, 赵沛燚, 吴人杰, 刘锋

物理学进展 2025, 45 (6): 281-292. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.06.002

摘要（793）

PDF （6113KB）（1046）

作为最重要的抑癌因子之一，p53 蛋白通过调控数百个靶基因的表达，调节细胞生理活动，维持基因组的稳定性和完整性。尽管大量研究已揭示了 p53 的结构特征和翻译后修饰对其功能的调控，但对于 p53 在激活过程中所展现出的动态行为及其精准调控靶基因表达的机制，仍缺乏系统性的理解。近年来，单细胞成像与时空组学技术的发展为解析 p53 的时变调控提供了全新视角。本文综述了 p53 调控网络的多层次结构，从分子修饰、亚细胞定位、DNA 结合、染色质重塑到下游靶基因的表达动力学，系统探讨了各调控层之间的信息整合与协同作用机制。通过动态信号解码和精细调控，p53 实现对细胞命运的精准调节。深入理解 p53 调控机制，对阐明癌症发生发展机制及开发精准干预策略具有重要意义。

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非厄米系统对称性与拓扑分类研究进展

李冠良, 赵宇军

物理学进展 2025, 45 (5): 209-222. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.05.001

摘要（1391）

PDF （742KB）（1034）

近年来，非厄米系统的研究突破了传统量子力学中厄米算符的框架，揭示了复数本征值与非厄米对称性所蕴含的新的物理规律。相较于厄米体系，非厄米系统通过复本征值的实–虚二元结构实现了对动力学演化的统一描述，并涌现出临界点、非正交本征态等新概念和非厄米趋肤效应等独特现象。这些特性源于其哈密顿量的非厄米性，如伪厄米性对实数谱的约束、Jordan 块结构的代数–几何重数分离，以及广义布里渊区理论对体边关联的重构。Hatano-Nelson 模型和非厄米 Su-Schrieffer-Heeger 模型展示了非互易跃迁与复能谱的拓扑响应，为理解非厄米趋肤效应和能带奇异性提供了范例。在对称性与拓扑分类方面，非厄米系统扩展了传统 Altland-Zirnbauer 十重分类，形成 Bernard-LeClair 38 类对称框架，涵盖伪厄米性、手性对称性及复共轭/转置操作的组合效应。拓扑分类通过 K 理论和同伦理论双轨推进，前者将非厄米系统映射至厄米框架，后者则解析能带复流形的连续形变特性。未来研究需攻克高维系统普适理论、晶体对称性对分类的影响及实验平台实现等挑战，推动非厄米拓扑理论在开放量子系统、非平衡态物理和新型器件设计中的应用。

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BiCuXO (X = S、Se、Te) 晶体的电输运与热输运性质研究

田浩, 董松涛, 李伊驰, 吕洋洋, 周健, 陈延彬, 姚淑华

物理学进展 2024, 44 (6): 259-277. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.001

摘要（1801）

PDF （10894KB）（983）

BiCuXO (X = S、Se、Te) 作为层状氧化物，具有良好的电输运性能以及低的热导率，是一种潜在的性能优异的热电材料。材料物理性能的优化离不开对晶体本征性能的研究。本文首先详细介绍BiCuXO 晶体的生长工艺，通过生长方法和元素掺杂调节载流子浓度，改善其电输运性质，并与文献报道的陶瓷样品进行了对比。其次介绍BiCuXO 晶体的电输运性能和热输运性能，电输运性能主要包括导电行为、散射机制及磁阻演化；热输运性能主要是通过非弹性中子散射和拉曼实验研究，并结合第一性原理计算研究其极低热导率的物理机制。最后介绍了基于热电效应 BiCuSeO 晶体在光热电领域的应用。本文总结了BiCuXO 晶体的生长方法，研究其电学、热学以及光热电性能，希望为BiCuXO 性能的优化提供思路。

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激光驱动磁重联实验中质子成像技术诊断电磁场的研究进展

韩波

物理学进展 2025, 45 (2): 71-78. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.02.002

摘要（833）

PDF （9202KB）（819）

磁重联过程是一种非常重要的等离子体物理过程，激光驱动磁重联实验是现在研究磁重联过程的一个重要手段。质子成像技术能够精确地诊断等离子体的磁场结构，被广泛应用于激光驱动磁重联实验中。现在主要发展出流量分析和粒子追踪两种方法通过实验中的质子成像结果重构磁重联区域的磁场结构。研究人员从开始定性地分析实验结果，现在能够较精确地反演出磁场的大小和结构分布，这对研究磁重联过程的物理性质提供了很大的帮助。本文回顾了质子成像技术应用于激光驱动磁重联实验的一些重要结果，并对相关技术的发展进行展望，期望为研究人员继续相关研究时提供参考。

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非线性光子晶体中二次谐波光学涡旋的产生与优化

刘世强, 张鑫宇, 陈琰, 李世凤, 赵刚, 祝世宁, 胡小鹏

物理学进展 2025, 45 (4): 191-168. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.04.001

摘要（839）

PDF （951KB）（786）

二阶非线性系数空间调制的非线性光子晶体 (NPC) 可以用于产生光学涡旋，从而拓展涡旋光束的工作波长与拓扑荷数，为众多应用提供了新方法。在本工作中，我们研究了基模高斯光束在非线性叉形光栅中非线性倍频产生的二次谐波 (SH) 涡旋光束的过程。分析了不同结构拓扑荷和衍射级次下，远场 SH 光束的强度分布、位相分布及轨道角动量 (OAM) 谱。结果表明，当衍射阶次和结构拓扑荷增大时，SH 光束呈现出角向干涉条纹和非均匀强度分布，偏离标准涡旋光束的环形特性。为优化 SH 涡旋光束质量，进一步研究了基波光束腰半径、晶体厚度及光栅占空比对倍频光场的影响。结果显示，增大基波光束腰半径、优化叉形光栅的厚度及占空比可有效抑制不同衍射阶次间的干涉，从而改善 SH 光束质量。本研究为基于 NPC 的非线性光学器件性能优化提供了理论指导。

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轴子绝缘体及其输运特性

李思晴, 丁悦然, 陈垂针

物理学进展 2025, 45 (3): 132-150. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2025.03.003

摘要（1142）

PDF （5137KB）（757）

近年来，凝聚态物理学中的轴子绝缘体研究引起了广泛关注，因为它具有类似于高能物理中假想基本粒子---轴子的电磁响应，从而导致体系中出现半量子化的表面霍尔电导或拓扑磁电效应性质。最近，在三维磁性拓扑绝缘体异质结和本征磁性拓扑绝缘体 MnBi₂Te₄ 的输运实验中发现了轴子绝缘体存在的迹象，然而，精确测量轴子绝缘体的半量子化电磁响应仍具有挑战性。在这篇综述中，我们回顾了磁性拓扑绝缘材料中轴子绝缘体研究的理论和实验进展。讨论了由于体边对应关系导致的轴子绝缘体的半量子化棱电流激发，以及一种基于半磁性拓扑绝缘体的半量子化霍尔电导的输运理论。最后，我们探讨了轴子绝缘体中的无序诱导相变，包括表面存在的二维类量子霍尔电导平台相变的普适类，并提出了利用这种相变的普适特征来探测轴子绝缘体的方案。

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