物理学进展

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光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

刘硕卿, 陈世祯, 罗海陆

物理学进展 2022, 42 (2): 35-53. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.02.001

摘要（1841）

PDF （8674KB）（2653）

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时，自旋角动量相反的光子在垂直于入射面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光子扮演自旋电子的角色，折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互作用，和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位；另一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感，结合量子弱测量技术，在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析光子自旋霍尔效应的物理根源，回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展，介绍光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后，展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成像等领域的可能发展方向。

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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（1301）

PDF （708KB）（1913）

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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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（1811）

PDF （58451KB）（1882）

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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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（783）

PDF （3042KB）（1804）

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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超冷原子中拓扑超流的发展现状

冯鉴, 张伟伟, 林良伟, 蔡启鹏, 张义财, 刘超飞

物理学进展 2022, 42 (3): 67-95. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.03.001

摘要（623）

PDF （1246KB）（1598）

拓扑超流态是一种奇异物质态，它的内部受能隙保护，而在其系统边缘却可以容纳无能隙的Majorana 费米子。由于该粒子满足非阿贝尔统计，并且受拓扑保护具有良好的稳定性，用它们携带量子化的信息，可以用于拓扑量子计算的研究。近年来，理论工作预测了各类系统中可能存在的拓扑超流态。我们首先介绍了在各类光晶格模型中的拓扑超流, 光晶格的超冷原子具有良好的可控性与普适性，是实现拓扑超流的理想模型系统。接下来我们介绍了自旋轨道耦合调控下的拓扑超流，自旋轨道耦合效应是诱导拓扑相的重要条件，并且人们已经在实验上合成了人工自旋轨道耦合，这为实验上观测拓扑超流取得了突破性的进展。随着近年来实验技术的提高，曾经难以在实验中观测的，被人们所忽略的拓扑Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 超流相也成为了人们研究的热点，因此我们接下来介绍了拓扑的FFLO 超流。此外，我们还介绍了拓扑超流其他方面的进展，包括孤子引诱的拓扑超流、三组分的拓扑超流、大陈数的拓扑超流以及拓扑超流临界温度的提高。在实验中，如何检测与实现拓扑超流，是其研究的目的及意义所在，因此我们在文章的最后介绍了拓扑超流的识别与实现。

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二维钙钛矿太阳能电池光电流成像研究

赵晓霞, 田文明, 孙中皋, 金盛烨

物理学进展 2022, 42 (2): 54-60. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.02.002

摘要（817）

PDF （751KB）（1366）

深入了解钙钛矿太阳能电池中微纳空间形貌特征、光电特性与光伏参数之间的关系，对于指导高效钙钛矿太阳能电池器件的构建至关重要。本文通过将时间分辨共聚焦荧光显微镜与光电流检测模块相结合，实现了二维（2D）层状钙钛矿太阳能电池在实际工作条件下微纳空间的光电流、荧光强度和荧光寿命成像检测。发现在钙钛矿多晶膜中同一个晶粒的不同区域，光电流与荧光强度和荧光寿命成像之间存在明显的负相关性，在微纳空间尺度上建立了光伏参数与材料光电性质和形貌之间的相互关联，为钙钛矿太阳能电池的性能优化提供了理论指导。

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Ce 基重费米子材料的电子态研究与维度调控

吴毅, 李鹏, 吴中正, 方圆, 刘洋

物理学进展 2022, 42 (3): 96-120. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.03.002

摘要（640）

PDF （2002KB）（1335）

重费米子材料作为一类典型的强关联电子体系，蕴含着非常规超导、奇异金属、量子临界、磁有序、重电子态、关联拓扑态等新奇的量子态，而4f 电子在其中扮演着重要的作用。随着高分辨角分辨光电子能谱和薄膜生长技术的发展，精确探测重费米子材料中4f 电子在能量/动量空间的色散和谱权重成为了可能，这为从微观上理解这类材料中的电子关联效应和新奇量子现象提供了重要的基础。本论文总结了几个典型的重费米子单晶和薄膜体系的电子态研究，包括Ce-115 体系、CeCu ₂Si ₂、CeRh ₆Ge ₄ 以及单晶 Ce 膜等。这些结果为理解重费米子体系中重电子态的形成和温度演化、近藤杂化的能带/动量依赖、重电子能带与超导的关系、近藤效应与磁性和其它量子态的竞争、4f 电子的维度调控等重要物理问题提供了谱学证据。

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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（1198）

PDF （1284KB）（1242）

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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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（529）

PDF （483KB）（1100）

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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基于提高精度的量子雷达方案及其进展

李勇强, 任昌亮

物理学进展 2022, 42 (2): 61-65. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.02.003

摘要（722）

PDF （199KB）（1077）

定位测量一直是人们关注的问题，将量子技术应用于定位任务有望展示出经典定位方案无法达到的优势。目前，已有部分量子雷达方案被提出，展示了科研工作者从量子信息角度对定位测量的新思考。本文总结了部分已有的量子雷达方案，介绍了相关方案的概念和分类，并着重对量子定位、量子照明和三维增强雷达三种方案的基本原理进行论述，同时分析了各方案的优势以及亟待解决的问题。

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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（776）

PDF （5051KB）（1022）

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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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（548）

PDF （9233KB）（985）

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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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（1255）

PDF （4571KB）（966）

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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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（637）

PDF （837KB）（873）

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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非富勒烯受体有机光伏体系的激发态动力学

张圣兵, 张春峰

物理学进展 2022, 42 (1): 27-33. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.01.003

摘要（625）

PDF （826KB）（834）

受益于非富勒烯受体的不断发展，近年来有机光伏器件的性能得到长足进步。传统富勒烯受体有机光伏体系下建立起来的电荷拆分和能量损耗模型，不完全适用于非富勒烯受体体系。我们利用超快光谱学方法，发现在模型体系中，非富勒烯受体畴内非局域激发态代替界面电荷转移态介导了电荷拆分的空穴转移通道，在很小的驱动能下实现高效电荷拆分。非富勒烯体系中双分子复合过程在能量损耗中扮演重要角色，分子氟化设计可以改变能级排列，抑制双分子复合产生的三线态，从而抑制损耗。分子间相互作用调控关键能级位置，可用以调控非富勒烯光伏体系光电流产生机制，有效抑制损耗通道，进一步提升有机光伏体系的效率。

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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（578）

PDF （9908KB）（775）

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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强关联材料霍尔热导率实验测量综

徐豪, 承舒凡, 鲍嵩, 温锦生

物理学进展 2022, 42 (5): 159-183. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.05.001

摘要（722）

PDF （7225KB）（732）

在材料中输入热流并在垂直于热流的方向上施加磁场时，热载流子将可能被磁场偏转，获得横向速度，从而导致材料在横向出现一个温度梯度。这种效应被称为热霍尔效应 (THE)。与电霍尔效应类似，热霍尔效应被预言将在一些拥有非平庸贝利曲率的材料中出现，因此它可以揭示材料的拓扑性质。然而，热霍尔效应并不像电霍尔一样，只局限于载流子带电的体系；相反，任何种类的准粒子都可以导热。因此，热霍尔效应也可以用来探索强关联电子体系材料 (尤其是绝缘体) 的奇异性质。因此，热霍尔效应更具有普适性，并日益成为探测电中性激发，如声子和磁振子的强有力手段。不仅如此，有如手性声子这样超越一般非平庸贝利曲率图像的因素仍可导致热霍尔效应；探查其中的热霍尔效应将为理解材料中复杂的微观机理指明方向。但是，热信号比电信号要微弱得多。尤其是测量热霍尔效应，往往要在较大背景噪音中提取微弱的有效信号，这使霍尔热导的测量极具挑战性。但是得益于科研工作者大量的努力，该领域在近几年发展迅速，得到了许多十分有趣的结果。在本文中，我们将简要总结现有的一些令人兴奋的在霍尔热导率测量方面的成果，指出尚未解决的问题，并提出未来可能的方向。

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钙钛矿薄膜钝化策略的研究进展

赵敏, 张伟婷, 边红涛

物理学进展 2022, 42 (1): 1-16. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2022.01.001

摘要（948）

PDF （43954KB）（730）

钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电转化效率及成本低等优点被引入作为一种新的光伏器件。在过去的十几年内，钙钛矿太阳能电池的研究及发展尤为迅速，性能有了显著提高。然而，要使其进入光伏市场，研究者还需要做出巨大努力。这主要是由于钙钛矿薄膜自身制备的局限性，使其缺陷的存在是不可避免的，这严重影响了钙钛矿太阳能电池中载流子的数目及迁移率，从而制约了钙钛矿太阳能电池效率及稳定性的提升。本综述在对钙钛矿及其缺陷分类简单介绍的基础上，总结了近些年来钙钛矿薄膜钝化的不同策略，希望可以对钙钛矿材料领域的研究人员在选择合适钝化剂方面提供一定的参考。

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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（821）

PDF （1055KB）（729）

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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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（508）

PDF （9142KB）（658）

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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