物理学进展

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X 射线晶体学的百年辉煌

马礼敦

物理学进展 2014, 34 (2): 47-117.

摘要（432）

PDF （9236KB）（4068）

自1912 年劳厄发现X 射线晶体衍射现象，小布拉格开创X 射线晶体学以来，已经过去了100 年。这一发现，对人类科学的发展，特别是微观科学的影响至为巨大，具有里程碑的意义。在这100 年中，X 射线晶体学发展迅速，成果累累。本文按主要实验技术的发展将100 年大致分为四个阶段，从单晶体衍射、多晶体衍射和X 射线光谱三个方面简述其主要进展和影响。并简单概括了她对物理学、晶体学、化学和生物学等基础学科和材料、医药、环境等多个应用学科的重大影响。最后，还预期了晶体学领域的一些可能发展，包括无比强大的光源–硬X射线自由电子激光、多维晶体学、电子晶体学、数学晶体学、三维X 射线衍射显微学等领域。

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固体物理学发展简史

石锋, 韩秀君, 张灵翠, 徐越, 张川江

物理学进展 2021, 41 (4): 170-187. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2021.04.002

摘要（2385）

PDF （446KB）（4831）

固体物理学研究多体问题，是物理学的重要分支，涉及面极其广泛，也是包括材料科学等在内的多个技术学科的基础。本文论述了固体物理学的发展简史，包括初期发展史、对热性质研究、魏德曼–弗兰兹定律、晶体微观几何结构的研究历程、自由电子气体模型、固体能带论、对固体磁性的研究、信息时代、中国固体物理学的发展、固体物理学教材等多个部分，简述了固体物理学发展中的大事件和具有较大影响力的科学家及其贡献。

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光催化二氧化碳还原研究进展

唐兰勤, 贾茵, 朱志尚, 吴聪萍, 周勇, 邹志刚

物理学进展 2021, 41 (6): 254-263. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2021.06.002

摘要（2893）

PDF （3681KB）（4313）

21 世纪以来，随着CO₂ 为主的温室气体排放量不断增加，寻求新型能源来构建低碳型社会的诉求越来越迫切。其中以太阳能驱动转化CO₂ 为碳氢燃料的技术，可将CO2 转化成甲烷、甲醇、甲酸或C₂₊等高附加值的碳氢燃料，是实现全球碳平衡的有效途径之一，具有巨大潜力。半导体材料是决定光催化还原CO₂ 过程进行的重要因素之一，因此探索和开发高效光催化功能材料是当今研究的主要方向。本文综述了近几年来作者课题组在光催化还原CO₂ 为碳氢燃料方面的重要研究进展，主要涉及TiO₂ 基系列光催化材料，V、W、Ge、Ga、C₃N₄ 基等系列光催化材料的结构组分调控。

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正反重强子对构成的强子分子态能谱

董相坤, 郭奉坤, 邹冰松

物理学进展 2021, 41 (2): 65-93. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2021.02.001

摘要（755）

PDF （1088KB）（5155）

近二十年来，世界上众多高能物理实验发现了大量超出传统夸克模型的共振结构。为了理解这些性质奇特的共振结构，科学家们提出了很多方法和模型。其中，因为实验上发现的这些奇特态大多处在一对强子阈值附近，强子分子态的观点得到了很多关注。本文我们将以粲{反粲强子对为例来探究哪些系统可以形成分子态，进而给出粲{反粲强子分子态的能谱。我们考虑了所有由 S 波粲介子、粲重子以及窄的 P 波粲介子构成的粲{反粲强子对。我们假定它们之间的相互作用由介子交换主导，在最低阶近似下可简化为常数。通过求解常数相互作用的 Bethe---Salpeter 方程，我们可以找到振幅的极点进而确定该系统分子态的质量。最终我们发现，那些通过轻矢量介子交换在阈值附近产生吸引力的系统，会存在一个靠近阈值的极点。不同的系统，由于其相互作用强度不同，极点可能会处于能量复平面的第一黎曼面或者第二黎曼面，分别对应于束缚态或者虚态。我们总共发现了 229 个强子分子态。很多实验上发现的那些位于粲---反粲强子对阈值附近的共振结构可以很好地与我们的结果吻合。另外，我们需要强调所预言的一个 ΛcΛc 分子态，这个态可以很好地解释北京正负电子谱仪 (BESIII) 上测量的数据。

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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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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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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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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（260）

PDF （4278KB）（362）

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（194）

PDF （6131KB）（323）

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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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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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（453）

PDF （3411KB）（593）

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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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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钙钛矿反铁电氧化物的研究进展

田野，靳立，冯玉军，庄永勇，徐卓，魏晓勇

物理学进展 2017, 37 (5): 155-181.

摘要（395）

PDF （8012KB）（1396）

反铁电材料，因其电场诱导的反铁电–铁电相变行为，而在当代电子技术中有着潜在的应用价值。然而，自然界中存在的反铁电材料是相当稀缺的，人们对它的认识与理解有限，其亚晶格极化、有序结构、局域结构及其对性能的影响依然是目前学术争辩的热点话题。为应对全球日益剧增的大气污染状况和人类健康所面临的潜在威胁，“环境友好”的无铅材料已然成为近些年来全球科学家与工程师们关注的焦点。本文介绍了“反铁电”的概念、定义、结构与电学性质特点以及反铁电体的应用。综述了自1951 年“反铁电”概念被提出以来，人们在钙钛矿结构中陆续发现的反铁电氧化物及其晶体结构和电学性质的研究进展，从晶格动力学角度对钙钛矿氧化物反铁电性起源问题做了评论。期望通过微观结构设计的角度为无铅反铁电材料的开发提供新的思路。

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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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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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光磁相互作用及自旋极化的光学调控

金钻明，马红，马国宏

物理学进展 2015, 35 (5): 212-239.

摘要（426）

PDF （8890KB）（1532）

近年来，超短激光脉冲的发展为人们在极端时间尺度上研究光与物质的相互作用提供了有效工具。皮秒时间尺度上研究磁有序材料中的自旋动力学过程已经成为凝聚态物理研究的热点，促进了自旋电子学的发展。本论文基于飞秒激光抽运–探测技术，介绍了半导体及其纳米结构中光注入自旋极化及其弛豫过程；综述了铁磁性薄膜中的超快退磁，激光诱导磁阻尼进动和逆法拉第效应；利用太赫兹脉冲的磁场分量，研究了反铁磁晶体中自旋共振模式的激发，相干控制以及自旋重取向的探测；最后介绍了超快光谱用于研究多铁性材料中电子、晶格和自旋间的耦合。了解不同材料在超快时间尺度上的磁光、光磁效应的最新进展，有助于在磁有序的超快光控制研究领域做出原创性的工作。

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室内光伏的应用前景与挑战

杨文樊, 李萌, 王照奎

物理学进展 2020, 40 (6): 175-187. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2020.06.001

摘要（1585）

PDF （3237KB）（1979）

社会的发展离不开能源的发现与创造，光伏能源的多形式运用在能源领域大放异彩，室内光伏器件逐渐成为大家所关注的热点。室内光伏IPV (Indoor photovoltaics) 作为低照度条件下的电源，可以满足低功率电子器件的工作要求。本文主要比较了基于硅、染料、III-V 族半导体、有机化合物和卤化物钙钛矿这些不同类型的IPV 器件。得益于卤化物钙钛矿活性层具有优异的光物理特性，钙钛矿光伏具有成为高性能室内光伏器件的潜力。与此同时也讨论了室内光伏的局限性。最后，提出了制备生产高效率、无毒、稳定的钙钛矿室内光伏器件的解决方案以及未来应用展望。

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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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额外维与厚膜模型简介

刘玉孝，钟渊，杨科

物理学进展 2017, 37 (2): 41-74.

摘要（452）

PDF （652KB）（1024）

额外维概念的提出已有近百年的历史，但直到最近二十余年，人们对额外维物理的认识才发生了实质性的转变。例如，人们开始注意到额外维的尺度可以达到TeV ??1 量级甚至是无穷大的，而不与当前的实验观测相违背。一些额外维模型还可以对粒子物理学中的规范层次问题以及宇宙学中的暗物质问题给出全新的解释。此外，如果将我们所处的四维世界看成是更高维时空中的拓扑缺陷，例如五维时空中的一个四维畴壁，则可以通过场论的方法得到局域在畴壁上的各种四维物质场。如果进一步要使四维牛顿引力也能被局域在畴壁上，一般需要假设五维时空按照某种方式弯曲。这种弯曲时空中的畴壁称为厚膜。最简单的解析厚膜解可以在广义相对论中通过引入最小耦合的背景标量场得到。随着宇宙学的发展，越来越多的扩展引力理论和非最小耦合的标量场相继被提出并被应用于宇宙学和高能物理的各种问题中。因此研究各种扩展引力和非最小耦合标量场理论中的解析厚膜解和各种场的局域化机制就成了一个重要而又有趣的方向。目前国内外对厚膜模型的研究已经取得了一系列的研究成果，我们将对这一领域的相关研究进行简单的介绍。本文先对几种常见的额外维模型包括Kaluza-Klein 理论、大额外维模型、Randall-Sundrum 模型和标准的厚膜模型进行简单介绍，并分析线性涨落和引力场的局域化。然后介绍厚膜背景下各种物质场的局域化机制。最后以非正则标量场论和几种常见的扩展引力理论为例，介绍厚膜模型的相关研究进展。

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采用双核模型研究超重核合成机制

王艺澎, 郭树青, 包小军, 邓军刚, 张鸿飞

物理学进展 2021, 41 (4): 157-169. DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2021.04.001

摘要（655）

PDF （1138KB）（1398）

本文首先介绍了两种描述低能重离子核反应的理论，然后基于这些理论发展了一个描述超重核合成的理论模型，即双核模型(dinuclear system model)。不同于Adamian 的处理，本文的模型采用数值求解主方程的方法来描述重离子的熔合过程，重点讨论了熔合过程中主方程的发展演化，选择一维至三维不同的宏观自由度说明重离子熔合机制，为今后进一步发展模型与预言新核素提供理论依据。

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