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北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心的韓偉研究員和謝心澄院士，以及日本理化學(xué)研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在國際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰寫綜述文章，介紹“自旋流--新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領(lǐng)域的前沿進展。 自旋電子學(xué)起源于巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，與相關(guān)研究的不斷深入，新的自旋流現(xiàn)象與機制不斷被拓展，相關(guān)研究證明一系列的粒子或者準(zhǔn)粒子攜帶的自旋都能夠形成自旋流，比如磁性絕緣體中的磁振子、超導(dǎo)體中自旋三重態(tài)和準(zhǔn)粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導(dǎo)態(tài)等。尤其是對于量子材料而言，由于其往往具有獨特的自旋性質(zhì)，基于自旋流探針的研究方法就成為了表征量子材料物性的有效手段。 量子材料都是凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿之一，其量子性質(zhì)起源于諸多量子效應(yīng)，包括低維尺寸效應(yīng)，量子限域效應(yīng)，量子相干效應(yīng)，量子阻挫效應(yīng)，能帶結(jié)構(gòu)的拓撲性，自旋軌道耦合，對稱性限制等等。量子材料包括石墨烯，高溫超導(dǎo)體，拓撲絕緣體，外爾半金屬，量子自旋液體，自旋超流體等等。量子材料可以表現(xiàn)出諸多與自旋相關(guān)的量子性質(zhì)，如二維過渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓撲絕緣體當(dāng)中的自旋-動量鎖定等。因為量子材料的自旋屬性在下一代的量子信息存儲和量子計算科學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用潛力，所以研究量子材料的自旋相關(guān)性質(zhì)得到了廣泛關(guān)注。 為了研究量子材料的自旋性質(zhì)，發(fā)展一種易于實現(xiàn)和操控的高效工具顯得尤為迫切與關(guān)鍵。幸運的是，在實驗物理學(xué)家和理論物理學(xué)家的不懈努力下，成功的證實了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測手段。一系列激發(fā)和探測自旋流的方法被提出并得以實現(xiàn)，從而證實了基于自旋流探針的量子材料物性研究的廣泛適用性。 迄今為止，相關(guān)實驗已經(jīng)證實自旋流能夠以超導(dǎo)體系中的自旋三重態(tài)庫珀對和超導(dǎo)準(zhǔn)粒子、量子自旋液體中的自旋子、磁性絕緣體和自旋超流體中的磁振子為載體進行傳播，相關(guān)物理圖像被總結(jié)在表1中。本篇綜述文章著重介紹了在五類主要的量子材料體系中的基于自旋流探針的物性研究。第一類是超導(dǎo)材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋三重態(tài)的存在以及自旋動力學(xué)的演化過程。第二類是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋子攜帶的自旋角動量的有效傳播過程。第三類是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當(dāng)中的集體激發(fā)行為。第四類是雜化量子激發(fā)體系，自旋流以磁振子-聲子雜化模式（磁振子-極化子）或磁振子-光子雜化模式（磁振子-極化激元）為載體進行傳播。第五類是自旋超流體系，自旋流以玻色愛因斯坦凝聚中的自旋量子數(shù)為1的玻色子為載體進行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。 這些重要的研究進展已經(jīng)充分證實了基于自旋流探針的物性表征對于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會極大的推動新穎量子材料的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)物理性質(zhì)的研究。例如量子霍爾和量子自旋霍爾材料，量子鐵磁體和反鐵磁體，六角晶格體系中的量子手征聲子，自旋和力耦合的量子系統(tǒng)，超導(dǎo)體中的自旋動力學(xué)和鐵磁與超導(dǎo)界面的超導(dǎo)能隙，自旋三重態(tài)超導(dǎo)體中的超導(dǎo)對稱性，強耦合自旋系統(tǒng)中的雜化激發(fā)，拓撲磁振子材料，量子自旋液體中的自旋子，自旋超流體約瑟夫森效應(yīng)，以及其他任何作為自旋流載體的量子態(tài)。另外，這一領(lǐng)域的進展還將推動自旋成像技術(shù)的發(fā)展，如利用自旋極化掃描隧道顯微鏡和氮空位色心顯微鏡技術(shù)對量子材料體系中自旋流的原位探測。

高性能的相干光源是基礎(chǔ)光物理研究和集成光子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵前提之一。近年來，具有超高品質(zhì)因子的回音壁模式光學(xué)微腔已經(jīng)成為研究各種新型高效光源的重要平臺，實驗上已經(jīng)獲得了包括宇稱-時間反演對稱激光、軌道角動量激光和微腔光學(xué)頻率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征對稱性導(dǎo)致腔中激光場通常是等強度相向傳輸?shù)模瑖?yán)重阻礙了諸多光子學(xué)器件應(yīng)用的發(fā)展，例如單向光發(fā)射、全光寄存器和非互易光傳輸?shù)?。迄今，要獲得具有單向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光學(xué)諧振腔的幾何手征對稱性。這種方法得到的激光方向性是固定的，難以動態(tài)調(diào)控其出射性質(zhì)，且對諧振腔的形狀設(shè)計和工藝制備要求較高。

采用紅外光譜和拉曼光譜技術(shù)，克服了GaN中強烈的剩余射線帶相關(guān)反射區(qū)導(dǎo)致的測量難題，實驗中觀察到半絕緣GaN中與C有關(guān)的兩個局域振動模，并結(jié)合第一性原理計算，給出了C雜質(zhì)在GaN中替代N位的直接證據(jù)，解決了這一長期存在的爭議問題。該成果對于理解和認(rèn)識C雜質(zhì)在AlN、BN、ZnO等其他六方對稱化合物半導(dǎo)體材料中的摻雜行為亦具有重要的參考價值。

極端降雨天氣常導(dǎo)致洪澇和泥石流等重大氣象災(zāi)害，給人身安全、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境帶來極大影響。近年來在全球暖化的氣候背景下，全球范圍內(nèi)很多區(qū)域的強降雨等極端天氣的發(fā)生概率或強度也顯著增加，對社會的災(zāi)害應(yīng)對能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。極端降雨的氣候響應(yīng)有著很強的區(qū)域特征（圖1），理解這些區(qū)域特征至關(guān)重要。 研究使用一種新穎的分析方法將極端降雨氣候響應(yīng)分解為干動力學(xué)部分（大尺度擾動強迫）和濕動力學(xué)部分（小尺度對流的潛熱反饋），并且通過一個理論模型將干/濕動力學(xué)耦合起來。對多模式模擬結(jié)果的集成診斷分析發(fā)現(xiàn)：干動力部分在低緯度地區(qū)顯著減弱、在中高緯度地區(qū)增強；濕動力部分則是低緯度增強，隨著緯度的增加增幅減小。研究進一步為濕動力學(xué)部分構(gòu)建了一個理論模型，使用一個簡單的方程揭示了潛熱反饋和大氣水汽之間強的非線性關(guān)系。此理論模型很好的解釋了全球增暖下大氣水汽的增多和靜力穩(wěn)定度的變化導(dǎo)致的極端降雨中對流潛熱反饋的變化（圖2）。研究結(jié)果為極端降雨氣候響應(yīng)的區(qū)域特征提供了定量直觀的解釋，系統(tǒng)闡明了造成極端降雨氣候響應(yīng)分布特征的機制，有助于改進極端降雨的氣候預(yù)測。

已有樣品/n羅非魚的品質(zhì)評價與加工技術(shù)研究?！　〕晒喗椋罕境晒治雠c評價湖北、廣東兩地區(qū)羅非魚的營養(yǎng)、揮發(fā)性成分的差異，研究暫養(yǎng)階段的營養(yǎng)、成分的變化及干燥條件下的營養(yǎng)、感官特性；在營養(yǎng)、質(zhì)地、風(fēng)味的理論基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代先進的食品加工技術(shù)開發(fā)出營養(yǎng)、安全、方便的即食食品—風(fēng)味羅非魚片，實現(xiàn)羅非魚加工與高效利用的目標(biāo)?！　?yīng)用前景：本成果豐富了羅非魚的產(chǎn)品形式，滿足人們對健康食品的要求，改善羅非魚的貿(mào)易結(jié)構(gòu)、開拓國內(nèi)市場，促進羅非魚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要的意義。可以全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

以某商務(wù)車為研究對象，將理論研究、仿真分析和實車試驗結(jié)合，研究了汽車虛擬 試驗場技術(shù)，并基于該技術(shù)，建立汽車整車的虛擬樣機，用于部件特性、NVH、疲勞耐 久及碰撞安全性能等的研究。主要完成以下的工作： 1）研究汽車虛擬試驗場技術(shù)的建模理論與方法，并建立某商務(wù)車整車虛擬樣機； 2）采用動態(tài)的、非線性有限元方法，對整車在時域內(nèi)的平順性及其影響因素進行 研究； 3）采用聲-振耦合有限元法和聲輻射邊界元法，對輪胎和乘坐室內(nèi)的低頻噪聲進行 分析預(yù)測； 4）應(yīng)用多軸疲勞理論，采用三種典型的可靠性路面計算了車身及后懸架的疲勞壽 命； 5）依據(jù) GB11551-2003 正面碰撞安全法規(guī)和 GB20071-2006 側(cè)面碰撞安全法規(guī)對汽 車進行碰撞安全性的仿真研究，并提出可行的優(yōu)化措施。

節(jié)能建筑外圍護構(gòu)件與被動設(shè)施優(yōu)化方法研究，2007 年 12 月通過河南省教育廳鑒定。 建筑節(jié)能已成為建筑領(lǐng)域當(dāng)前研究和實踐的重點，我國建筑用能占當(dāng)年全社會終端能源消費 量的 27.8%?！睹裼媒ㄖ?jié)能管理規(guī)定》和《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等強制 性法令法規(guī)的頒布無疑對建筑節(jié)能、改善室內(nèi)熱環(huán)境有極其重要的作用。但是我們也應(yīng)該看 到，盡管新的城市住宅和上世紀(jì) 80 年代初期的住宅相比其隔熱保溫性能有了較大提高，但 與發(fā)達國家相比還有很大差距。由于建筑壽命一般在 50～100 年，加上人們對建筑熱舒適的 要求不斷提高，建筑能耗需求在今后較長時間內(nèi)持續(xù)增長，必將對我國的能源使用模式產(chǎn)生 強烈沖擊。因此，我們急需開展新的、更為節(jié)能的技術(shù)研究和實踐。 本項目研究目的是研究節(jié)能建筑外圍護構(gòu)件與被動設(shè)施對建筑能耗的影響以及與 建筑的結(jié)合與優(yōu)化配置問題，最終應(yīng)用于建筑設(shè)計與選擇，其技術(shù)要點如下： 1. 介紹了室內(nèi)熱環(huán)境的幾個影響因素，受傳統(tǒng)民居建筑外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計啟示并考慮到現(xiàn)代 科技水平和生活方式，從而提出了現(xiàn)代住宅外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。 2. 從能量角度論述了外圍護結(jié)構(gòu)如何通過設(shè)計來保持、阻止以及引入能量。 3. 利用計算機模擬能耗分析軟件對工程實例的外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化設(shè)計的方法實 證研究。 4. 借助高精度熱成像儀的拍攝，使得外圍護結(jié)構(gòu)的實驗調(diào)查更加準(zhǔn)確和直觀。清晰的呈現(xiàn) 出采暖條件下外圍護結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土梁柱、窗戶、窗框、縫隙等熱工薄弱環(huán)節(jié)。 5. 利用能耗分析軟件 DOE-2 對飄窗、空氣滲透、遮陽方式、玻璃選用進行能耗分析，用數(shù) 據(jù)說明其存在的問題，并提出可行的解決方案。 

分析了由于早期資料短缺和觀測抽樣偏性、氣候序列的非均一性以及城市化對溫度變化的影響等因素導(dǎo)致的早期研究結(jié)果的不確定性。? 在對上述偏差進行了充分評估后，研究團隊利用更可靠的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和更“魯棒”的技術(shù)方法得出以下結(jié)論：20世紀(jì)以來，中國區(qū)域平均氣溫增暖幅度已達約1.5℃，這個數(shù)字高于同期全球平均升溫（約為1.0℃）近50%；對逐年溫度的排序顯示，有觀測記錄以來中國最暖的24年出現(xiàn)在最近的25年中；該最新估計和地球系統(tǒng)耦合模式（CMIP5）集合模擬結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性。論文基于中國區(qū)域研究實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)地建立了“區(qū)域氣候變化觀測研究”理論與方法體系，進一步為科學(xué)認(rèn)識關(guān)鍵區(qū)域氣候變暖趨勢提供參考。

發(fā)展出一種能夠有效克服上述兩個問題的新型隱寫術(shù)——彩色圖像中的納米隱寫術(shù)。該團隊在此前發(fā)展出的全彩等離激元彩色印刷理論與技術(shù)（Nat. Commun. 6: 8906, 2015）的基礎(chǔ)上，將等離激元彩色印刷品作為信息隱藏的載體，其納米級別的像素大小帶來了接近100,000d.p.i.的超高分辨率（達到光學(xué)衍射極限），極大的擴充了可隱藏的信息容量。另一方面，該團隊發(fā)展出了利用結(jié)構(gòu)微擾（即不對結(jié)構(gòu)顯示顏色造成可見影響的微小結(jié)構(gòu)變化）來隱藏信息的新型隱寫策略。其實驗結(jié)果表明，利用此策略隱藏的信息無論在光譜上還是在掃描電鏡中都不能被發(fā)現(xiàn)，這就對信息實現(xiàn)了幾近完美的隱藏，具有極高的安全性。?  該團隊利用兩步微擾的方法提出了具有自我反監(jiān)察功能的納米隱寫術(shù)（如上圖所示）。首先，信息發(fā)送者利用微擾1將重要信息近完美地隱藏在彩色圖形中。在目標(biāo)接收者收到信息載體后，他們需要先對其加載微擾2使得隱藏信息與背景之間出現(xiàn)微小的光譜偏移，然后才能利用特定的光學(xué)濾波片將信息讀取出來，而微擾2的加載過程將對作為偽裝的彩圖帶來不可逆的圖形變化，這就使得信息偽裝載體同時能夠作為自我反監(jiān)察的指示器，即當(dāng)接收者在收到信息載體時，如果偽裝圖形發(fā)生變化，則說明隱藏的信息已經(jīng)被人竊取。       以上研究成果將隱寫術(shù)推進到了納米尺度,這賦予了物理隱寫術(shù)更大的應(yīng)用與發(fā)展?jié)摿?，具有重要的革新作用。研究中提出的近完美隱藏和自我反監(jiān)察功能的概念，對于發(fā)展新型的信息安全防護方法也具有重要的啟發(fā)意義。此外，結(jié)構(gòu)微擾能夠被“變廢為寶”地用于信息隱藏，這為微納光學(xué)領(lǐng)域揭示了一個新的結(jié)構(gòu)調(diào)控維度——微擾，為新型光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一種新的思路。