物理学进展

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规范场与纤维丛：它的内容，方法和意义

赵松年, 路博, 陈肯, 黄旭

物理学进展 2023, 43 (1): 10-24. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.01.002

摘要（2459）

PDF （708KB）（3505）

从本质上讲，规范场是物理学中 (量子场论，基本粒子理论) 重要的研究领域 (1979 年、 1999 年和 2004 年共有六位物理学家获得诺贝尔奖，他们的研究工作直接或间接与规范场有关)，而纤维丛则是数学中 (微分几何、群论、李代数) 的热门课题 (1986 年唐纳森因研究纤维丛获得菲尔茨奖)。近年来，对杨–米尔斯方程、纤维丛和规范场的研究正在深入开展，因此，本文着重从物理概念出发，分别论述规范场在量子场论中，纤维丛在微分几何中相关概念的形成、发展，以及与杨–米尔斯方程之间的关系，特别是从电磁场、弱力和强力的统一方面，显示了规范场的重要性和深远意义，为了使更多的相关专业读者能在这一重要的领域中迅速获得必要的专业知识，产生探索和创新的热情，在综述中对阿贝尔规范场到非阿贝尔规范场，以及对称性自发破缺的基本概念和处理方法，进行了详细的论述，特别是初步探讨了杨–米尔斯方程的空间属性，目的是希望能更好地将规范场、纤维丛这二者与杨–米尔斯方程联系起来，加深对纤维丛的联络在更深层次的了解，由于这类问题是一个有意义的研究方向，值得有志者去深入探索。

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高压下氢基超导体的研究进展

杜明阳, 张子涵, 段德芳, 崔田

物理学进展 2022, 42 (5): 184-192. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.05.002

摘要（1360）

PDF （3042KB）（3264）

实现室温超导一直是人们长期追寻的梦想，寻找和合成出具有室温超导性的新材料已成为凝聚态物理学家和材料物理学家的“圣杯”。近年来，随着理论和实验相继发现超导临界温度高于 200 K 的 H₃S 和 LaH₁₀，氢基超导体已逐渐成为实现室温超导的最佳候选，成为物理学、材料科学等多学科研究的热点领域之一。在本文中，我们将概述超导材料的发展历史和几种典型超导材料，重点介绍当前高压下氢基超导体的研究进展及面临的挑战，详细讨论中低压力范围氢基高温超导体的设计思路，展望氢基超导体在低压甚至常压下实现高温乃至室温的可能性。

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回音壁激光的单模式调控方法研究进展

刘硕, 王宇琛, 王秀华, 侯睿

物理学进展 2023, 43 (4): 117-130. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.04.002

摘要（849）

PDF （483KB）（3136）

回音壁模式微腔因模式体积小、超高 Q 值和低阈值的优点得到了广泛的关注，但是在旋转对称的回音壁微腔中会产生多纵模激光辐射，并且辐射的方向性较差，在实际应用中受到限制，寻求有效方法实现回音壁激光的单模辐射是微腔激光器走向实际应用的关键问题。本综述重点阐述了近年来回音壁激光单模调控的几种方法，包括减小腔体尺寸、外加选模结构、基于游标效应、基于宇称时间对称性破缺、变形微腔等，并对单模回音壁激光的发展前景进行了展望。通过本综述以期为相关领域研究人员提供参考，深入理解回音壁激光单模调控的物理机理。

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能带反折叠方法研究进展

陈家鑫, 陈明星

物理学进展 2023, 43 (2): 25-40. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.02.001

摘要（2710）

PDF （58451KB）（2368）

基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为人们研究材料结构、性质以及进行新功能材料设计的重要手段。对于掺杂和界面体系，人们常常需要使用超胞来描述。超胞的使用导致能带折叠，从而掩盖能带结构的重要特征，为人们分析掺杂和界面效应对材料能带结构的影响带来困难。本文概述了超胞导致的能带折叠现象，重点介绍了基于平面波和原子轨道的能带反折叠方法、声子能带反折叠方法及相关计算工具，给出了该方法在掺杂和界面体系电子、声子能带结构方面应用的例子，并对该方法进行了展望。

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过渡金属硫族化合物二阶非线性光学效应的调控及应用

吴慧, 秦春博, 张春峰

物理学进展 2023, 43 (3): 84-95. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.03.003

摘要（1333）

PDF （5051KB）（1893）

二阶非线性光学效应源于电子势函数的非谐性，可实现激光的频率转换，被广泛应用于基础科学研究和现代激光技术。单层过渡金属硫族化合物具有极大的二阶非线性系数，作为基础单元实现高效的非线性光学响应潜力巨大。如何保持单层材料的极大非线性系数，扩展材料厚度及响应频段，提升非线性响应，是重要挑战。本文主要介绍了基于单层过渡金属硫族化合物的二阶非线性光学效应的调控，包括单层过渡金属硫族化合物的频率依赖及不同对称性相的多层堆叠等，并总结了过渡金属硫族化合物非线性光学效应的应用前景。

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粒子物理中量子纠缠的历史起源

施郁

物理学进展 2023, 43 (3): 57-67. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.03.001

摘要（2321）

PDF （1284KB）（1848）

本文系统深入地梳理了粒子物理中量子纠缠的历史起源。1957 年，玻姆和阿哈诺罗夫指出，1949 年吴健雄和萨克诺夫的实验实现了爱因斯坦–波多尔斯基–罗森关联。事实上，这是历史上第一次在实验中明确实现空间分离的量子纠缠。惠勒最早建议这个实验，作为对量子电动力学的检验，但是计算有误，正确的理论计算来自沃德和普赖斯，以及斯奈德、帕斯特纳克和奥恩博斯特尔，也符合杨振宁 1949 年的选择定则。1964 年贝尔不等式发表后，人们考虑，它是否可以通过吴–萨克诺夫实验检验。这推动了该领域的发展，吴健雄小组也做了新的实验。1957 年，李政道、厄梅和杨振宁确立了 K 介子的量子力学形式，并发现中性 K 介子是一个双态系统。 1958 年，基于与杨振宁 1949 年选择定则类似的方法，戈德哈贝尔、李政道和杨振宁最早写下 K 介子对的纠缠态，其中单个 K 介子可以带电，也可以电中性。这首次给出光子以外的高能粒子的内部自由度纠缠。1960 年，作为没有发表的工作，李政道和杨振宁又讨论了中性 K 介子对的纠缠态。本文也顺便介绍了几位物理学家，特别是沃德。

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临界温度高于 110 K 氧化物超导体的种类和特性

童淑云, 蔡传兵

物理学进展 2023, 43 (3): 68-83. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.03.002

摘要（1655）

PDF （4571KB）（1527）

氧化物超导体是非常规超导体最重要的表现形式之一，其中铊系、汞系和铜碳系列超导体的超导临界转变温度 (T_c) 都可达到 110 K 及以上，高的超导转变温度和液氮温区较高的不可逆磁场，以及广泛应用潜能备受人们关注。显然，高的超导临界温度使超导应用的冷却介质选择增多，经济实用的冷却剂可望扩大这些高超导转变温度超导体的应用领域和增加长期运行可行性。本文对 110 K 超导临界温度超导材料包括铊系、汞系和铜碳系超导体的发展历程和超导性能进行介绍和总结，并从理论上去分析超导转变温度的影响因素，定性解释高温超导体高 T_c的原因。特别关注分析了它们不可逆场的差异，展望这些高临界温度超导体的可能新型应用。

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金属卤化物钙钛矿半导体中的自陷激子

张清凯, 王宇箫, 张春峰

物理学进展 2023, 43 (6): 161-177. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.001

摘要（1236）

PDF （9908KB）（1385）

在极性晶体中，由于强电子–声子耦合，激发的电子–空穴对可以被晶格畸变产生的形变势场所俘获，形成自陷激子。金属卤化物钙钛矿半导体作为一种离子晶体已经被证实具有高效的自陷激子发光，成为制备新一代高质量白光光源的理想候选材料。然而，对于金属卤化物钙钛矿中自陷激子发光机制的理解仍然较为匮乏，远远落后于器件方面的发展。为此，本文主要从自陷激子的基础物理角度出发，总结了近年来关于金属卤化物钙钛矿半导体中自陷激子的形成条件、形成机制以及相关激发态动力学的研究进展，并对未来基于该体系中自陷激子机理方面的研究做出展望，从而为该体系中自陷激子的研究提供更加清晰的物理图像。

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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（1379）

PDF （15745KB）（1374）

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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基于可拉伸有机晶体管的高性能生理信号传感器

张晨鸿, 陈彦平, 王刚 ∗, 张青红, 李耀刚, 王宏志

物理学进展 2023, 43 (1): 1-9. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.01.001

摘要（1264）

PDF （1055KB）（1368）

近来，以共轭聚合物为沟道材料的有机电化学晶体管 (OECT) 因其易于制备、具有离子–电子转换能力和生物界面相容性而成为研究热点。然而，已报道的用于 OECT 沟道材料的大多是 p 型共轭聚合物，而基于 n 型共轭聚合物开发的 OECT 则很少，而不平衡的发展阻碍了复杂互补电路的实现。最近被报道的新兴 n 型共轭聚合物半导体 Poly (benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) OECT 为解决上述问题提供了一个有效的方案。但 BBL 薄膜本身具有脆性无法拉伸，无法满足柔性器件的使用需求，大大阻碍了其应用及发展。本工作中，我们提出了一种器件可拉伸的 n 型 BBL OECT 器件的制备方法，并验证了其在汗液传感方面的可行性。

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卤化物钙钛矿金属位铋离子掺杂的调控研究进展

黄小芮, 孙悦, 贺圣荣, 邢军

物理学进展 2024, 44 (2): 73-95. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.002

摘要（939）

PDF （8816KB）（1187）

高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池目前正从实验室研发向工业生产转型，并在未来全球能源领域展示了其不可估量的应用价值。为了实现高性能的金属卤化物钙钛矿太阳能电池，钙钛矿材料作为有源工作层，其性能的提高和优化过程经过了十几年，并已取得巨大的进步。本文以高性能卤化物钙钛矿中金属位铋离子掺杂的调制研究为重点，系统总结了卤化物钙钛矿薄膜的发展和常规制备工艺。研究表明，三元阳离子钙钛矿可以抑制黄相的形成、改变晶粒尺寸、提高稳定性等特点，成为未来高性能钙钛矿光电器件的首选。文章还对铋离子 (Bi3+) 掺杂钙钛矿体系进行了讨论，研究发现 Bi3+ 的特殊电子结构和无毒化学性质，不仅能够提高钙钛矿的稳定性，还能灵活调控钙钛矿的光电性能，从而实现铋离子掺杂的高性能钙钛矿太阳能电池。结合目前卤化物钙钛矿太阳能电池的研究现状，我们可以预见在未来的器件优化过程中，可以将铋离子掺杂策略与三元混合阳离子钙钛矿相互结合。最后，我们展望了实现高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池的几个潜在研究方向。

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二维过渡金属硫族化合物的环境稳定性

周振佳, 徐洁, 高力波

物理学进展 2023, 43 (4): 97-116. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.04.001

摘要（1050）

PDF （837KB）（1134）

二维过渡金属硫族化合物具有独特、优异的电学和力学性能，已被广泛应用于基础研究以及电子、自旋电子、光电子、能量收集捕获和催化等领域当中。然而，二维过渡金属硫族化合物在苛刻的条件下不稳定，并且在环境中极易降解，这限制了其在大多数领域的应用。在本篇综述中，我们总结了二维过渡金属硫族化合物环境稳定性研究的最新进展，包括最新的生长方法、稳定性的基本机制以及保护二维过渡金属硫族化合物材料免受老化和性能衰退的方法。通过从生长过程中分析影响二维过渡金属硫族化合物稳定性的关键因素，我们对优化生长方法以提高其稳定性进行了回顾。最后，我们展望了生长稳定二维过渡金属硫族化合物的指导方法，这也为制备、设计其他先进功能材料以及相应异质结结构带来可能。

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基于活性网络模型的细胞组织模拟

李诸钦, 雷群利, 马余强

物理学进展 2023, 43 (2): 41-55. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.02.002

摘要（842）

PDF （9233KB）（1130）

在过去的十年中, 由于细胞生物学的进步, 将细胞组织作为活性物质的理论研究已经成为软物质物理学的一个新领域。本文综述了近年来基于细胞组织活性网络（AN）模型的理论进展。在介观尺度上, 细胞组织的非平衡动力学主要由细胞的自我推进和其他非推进活动驱动, 如主动收缩力或细胞张力/体积振荡。自推进细胞的 AN 模型可以再现体内细胞组织的复杂动力学, 如活性/黏附驱动的固液转变、集群和活性湍流。结合细胞张力波动的 AN 模型还可以模拟果蝇胚胎细胞中的体积振荡波, 并预测张力波动驱动的细胞组织固液转变。利用 AN 模型研究细胞组织的结构相变和密度涨落, 加深了我们对这一独特的非平衡软物质系统的认识。

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钙钛矿太阳能电池的稳定性因素及封装提升性能

戴加祺, 章东, 吴小山

物理学进展 2024, 44 (1): 19-48. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.01.003

摘要（2034）

PDF （5083KB）（1062）

钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池，具有光电转换效率高、成本低和加工灵活等优点，近年来发展迅速，虽然其光电转换效率逐渐可与硅电池相媲美，已接近工业应用水平，但钙钛矿太阳能电池工业应用核心问题是其稳定性。如何使钙钛矿太阳能电池长期保持高效率是研究人员需要解决的最大问题。目前，封装作为解决钙钛矿太阳能电池外部稳定性问题的手段之一已经被广泛研究，良好的封装不仅可以解决器件的稳定性问题，还可以保证器件的安全性，延长使用寿命。本文简要介绍了影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素及稳定性测试的条件。最后介绍了钙钛矿太阳能电池的不同封装结构、封装工艺和封装材料对封装性能的影响。随着封装研究的不断深入，研究人员将不断优化和解决存在的问题，最终实现钙钛矿太阳能电池的大规模产业化应用。

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一维自旋轨道耦合费米气体的研究进展

蔡启鹏, 张伟伟, 林良伟, 许益广, 陈紫轩, 王小生, 于海鹏, 方小红, 张义财, 刘超飞

物理学进展 2024, 44 (4): 157-182. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.001

摘要（595）

PDF （3164KB）（1060）

在超冷费米气体中，通过调节自旋轨道耦合的强度，使其与费米能量相当，可以产生许多新奇的量子效应。在过去几十年里，学者对于一维自旋轨道耦合诱导的费米气体进行了大量的理论和实验研究。与高维自旋轨道耦合相比，一维自旋轨道耦合虽然显得比较简单，但它是实验上探索基本量子物理现象的最可靠和最易行的工具。本文系统地整理了理论工作中一维自旋轨道耦合下费米气体的有趣物理现象。包括动力学振荡和孤子效应、拓扑超流、Majorana 边缘态、铁磁相变和量子相位方面的理论研究。在实验中，如何实现自旋轨道耦合并且观测奇异现象，是研究的热点和难点问题。我们梳理了几种常见的实验方案和检测方法，最后对一维自旋轨道耦合诱导下费米气体方面的研究进行展望。一维自旋轨道耦合可以为初学者提供借鉴，有助于研究自旋轨道耦合调控的多体系统。本文期望为冷原子物理初学者深入理解自旋轨道耦合下多体系统的物理机制提供参考。

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空间认知的吸引子动力学

王子群, 王涛, 刘锋

物理学进展 2023, 43 (6): 188-201. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2023.06.003

摘要（829）

PDF （3411KB）（1037）

哺乳动物的导航系统包含多种类型的神经元，负责位置感知和空间路径规划，涉及多信息整合。吸引子动力学理论作为一个能统一解释记忆、决策等复杂认知功能的脑理论，可以解释导航系统中神经元的特异性放电和路径整合机制。本文综述了空间认知领域吸引子动力学的最新研究进展。首先，概要介绍了计算神经科学和吸引子动力学的一般理论。接着，以哺乳动物导航系统的连续吸引子动力学为核心，深入探讨了头朝向细胞和网格细胞的放电动力学特征及其功能意义。在此基础上，对导航系统吸引子理论进行了拓展与展望。

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Ru X ₂ ( X=P、As、Sb) 家族化合物中的压力诱导的超导和拓扑相变

陈群, 吴珏霏, 王晓梦, 丁弛, 黄天衡, 鲁清, 孙建

物理学进展 2022, 42 (6): 195-206. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.06.001

摘要（785）

PDF （9142KB）（999）

作为热电材料 FeSb₂ 的姊妹材料，RuSb₂ 被广泛研究，但以前的工作主要集中在与 FeSb₂ 的比较上，尚未对 RuSb₂ 在压力下的性质进行深入研究。在本文中，我们研究了 RuSb₂ 在压力下的性质，并探讨了其与 Ru 的磷族化合物 RuP₂ 和 RuAs₂之间晶体和电子结构的异同。我们用晶体结构搜索方法结合第一性原理计算，发现该族化合物经历了一系列结构相变：（I）RuSb₂： Pnnm → I4/mcm → I4/mmm；(II) RuP₂：Pnnm → I4₁/amd → Cmcm；(III) RuAs₂： Pnnm → P-62m。新发现的五个相在高压下都是热力学和动力学稳定的，并表现出金属性。RuSb₂ 和 RuP₂的四个高压相在泄压到零压后动力学依旧稳定。我们计算得到 RuSb₂ 的 I4/mcm 和 I4/mmm 相以及 RuP₂ 的 I4₁/amd 和 Cmcm 相的超导转变温度在 0 GPa 时分别约为 7.3 K、 10.9 K、13.0 K 和 10.1 K。另外，RuSb₂ 的 I4/mcm 和 I4/mmm 相以及 RuP₂ 的 I4₁/amd 相还具有拓扑非平庸的表面态。我们的研究表明，压力是调节 Ru 的磷族化合物结构、电子和超导性质的有效方法。

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双层过渡金属三卤化物层间磁性研究现状

司君山, 杨志雄, 张卫兵

物理学进展 2022, 42 (4): 147-157. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.04.002

摘要（962）

PDF （2445KB）（992）

二维磁性材料是当前凝聚态物理的研究热点。近来的实验发现双层CrI3 存在与三维块体不同的层间反铁磁序，表现出独特的量子限域效应和潜在的器件应用，受到了人们的广泛关注。大量的研究表明层间磁序跟堆垛密切相关，但仍存在争议。本文主要综述双层磁性材料层间磁序及其应用的研究进展，重点介绍了磁性与堆垛方式之间的关联，指出了密度泛函理论在层间磁性机理研究中存在的挑战，阐述了层间磁序相关的器件应用，并对未来可能的研究方向进行了展望。

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压电材料中表面声波的波速测量与调制

王任飞, 刘萧, 吴蒙蒙, 林熙, 刘阳

物理学进展 2024, 44 (3): 103-111. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.001

摘要（705）

PDF （4278KB）（906）

三维固体中除了存在人们熟知的体声波传播模式，还存在能量集中在二维界面的表面声波传播模式。我们利用砷化镓衬底的压电和逆压电效应，通过平面叉指实现了射频电磁波和表面声波之间的相互转化，并搭建超外差电路完成了在边长仅 4 mm 的样品上表面声波波速的测量，结果为 (2.9±0.1) km/s。我们还制作了基于压电陶瓷的单轴应力腔，可以对样品施加最大约为 10 ⁻⁴ 的单轴应变，并观测到了应变对表面声波波速的影响。我们还测量了重要半导体砷化镓在应力下的表面声波波速，演示了该波速测量技术原位探测固体内部力学性质的能力。基于平面叉指换能器的波速测量克服了传统的时差法和驻波法对样品宏观尺寸的要求。本文建立的超外差的测量方法代替了使用商用矢量网络分析仪测量表面声波波速，为以后推广到低功率输入、高相位稳定度的应用场景提供了可能。由于测量装置也可以被用于固体物理相关的前沿实验教学，工作提供了表面声波器件和自制应力腔的细节参数和制作过程。

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磷及磷化物高压结构与性能研究进展

黄叶铧, 郭振源, 李俊凯, 杨欣, 缑慧阳

物理学进展 2024, 44 (3): 123-135. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.003

摘要（650）

PDF （6131KB）（903）

磷作为第五主族非金属元素，具有独特的电子结构和优异的光、电、力学等特性，展现出广泛的应用前景。近年来，研究表明磷及磷化物具有极易受到外场影响和调控的特点, 且在高压条件下具有丰富的物理化学性质。此外，磷及磷化物的独特结构和电子性质使其具有许多不同于传统材料的物理特性。因此，利用高压在磷和磷化物中实现结构转变、超导转变，已然成为高压领域的研究热点。本文以黑磷、锗磷和砷磷等多种典型的磷和磷化物为例，概述了磷和磷化物在高压调控下的结构、电学、光学等方面的响应，讨论其结构与物理性质之间的构效关系，并对未来在高压下磷化物的研究进行展望。

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