1.中国科大揭示相互作用原子自旋的磁场量子放大机制；
2.半导体所朱礼军团队与合作者在磁性异质结反常磁阻的物理起源方面取得重要研究进展；
3.北理工团队在转角双层锑烯研究方面取得重要进展；
4.段兆云教授研究小组：从理论创新到工程落地，引领超构材料真空电子学发展
1.中国科大揭示相互作用原子自旋的磁场量子放大机制
中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授、江敏教授团队在极弱磁场量子精密测量领域取得重要进展，将原子自旋的相互作用作为量子精密测量的重要资源，首次揭示相互作用原子自旋的磁场量子放大机制。进而研究团队理论预言并实现了相互作用自旋气体的磁场放大（amplification）与磁场反放大（deamplification）这两种效应，为量子精密测量的发展开辟了新的研究方向。相关研究成果于5月8日以“Amplification mechanism with interacting atomic gases”为题发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊》。
极弱磁场探测技术是21世纪现代探测技术的重要组成部分，对于生产生活、国家安全以及基础研究均具有重要意义。如何进一步突破现有探测技术的灵敏度是当前国际研究热点。利用原子、分子和自旋等物理体系作为电磁场的量子放大器具有超低噪声干扰，可以超越经典传感器件的探测极限。例如，微波激射器可以放大108至1011Hz 频率范围内的微波（1964年获得诺贝尔奖），工作在更高频率的激光器在1014至1015Hz的可见光范围内有着至关重要的应用，而自由电子激光器已将测量能力扩展到紫外线和X射线波段，覆盖频率高达1016至1017Hz。这些工作显著推动了深空通信、射电天文学、医学成像、原子钟等重要应用。在2021年-2024年，彭新华教授团队首次发现惰性气体原子自旋对极弱磁场的量子放大现象，经过系列工作努力最终将磁场探测灵敏度提升到亚fT水平。上述研究仍局限于非相互作用自旋体系，在量子放大性能方面(包括磁场增益、带宽等)还有很大的提升潜力。
图（a）相互作用自旋气体系统与放大机制示意图，（b）静磁场对信号放大关键参数的影响
针对上述研究挑战，该工作从理论和实验上研究了相互作用原子气体的量子放大机制。该研究以碱金属（Rb原子）和惰性气体（129Xe原子）气体为研究体系，这两种原子自旋混合在同一个原子气室。在该放大系统中碱金属具有丰富的光学跃迁，而惰性气体寿命长但缺乏从基态的光学跃迁，这两种原子间会发生频繁的自旋交换碰撞，从而产生二者之间相干的相互作用。在该研究中，研究团队解决两个关键问题：一个是原子相互作用如何影响自旋气体的电磁响应，另一个是相互作用系统的哪些物理参数与信号放大相关。针对第一个问题，该工作发现相互作用导致了对磁场响应两种不同的效应：放大和反放大。在放大范围内，实验表明磁场放大可以超过两个数量级，所设计了原子放大器在低于100 Hz的低频段具有fT水平的超低噪声。此外，研究团队还提出了一种“反放大”的量子测量技术，它能够在特定频率范围内将磁噪声抑制10倍以上。针对第二个问题，研究团队深入研究了静磁场、放大系统空间方位以及相互作用强度等一系列物理参数对放大系统的影响，并给出了理论解释与实验验证。
研究团队进一步探索了碱金属和惰性气体自旋进入强相互作用区间时的放大效应，首次揭示了此前未曾触及的强相互作用自旋气体的放大效应。这些新发现对于显著扩展测量带宽、提升放大增益具有极为重要的应用价值，有望成为计量学领域极具价值的宝贵资源。以氦3惰性气体为例，在强相互作用区间，其性能有望突破现有SERF磁力计的极限，灵敏度有望达到1aT的水平。这一成果为从地球物理勘探到暗物质搜索等一系列精密测量领域带来了令人振奋的新机遇。
江敏教授、博士研究生秦毓舒为该文共同第一作者，彭新华教授为该文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等资助。（文章来源：中国科学技术大学）
2.半导体所朱礼军团队与合作者在磁性异质结反常磁阻的物理起源方面取得重要研究进展
2013年，人们在磁性异质结中发现了反常磁阻（UMR，unusual magnetoresistance）效应——磁性材料的磁矩在垂直电流平面内的旋转会导致其异质结电阻发生变化。作为自旋电子学领域的重要发现，该效应对很多自旋电子学效应的理解和应用产生了重大影响。反常磁阻效应的微观物理机制最初被归结为自旋霍尔磁电阻（SMR，Spin Hall magnetoresistance），即重金属产生的自旋流受到磁矩取向相关界面反射重新进入重金属后，通过逆自旋霍尔效应产生了纵向电导，改变了其电阻。这一模型被广泛应用于处理磁阻、自旋扭矩铁磁共振、谐波霍尔电压、磁场传感、铁磁/亚铁磁翻转和反铁磁Néel矢量翻转等一系列自旋电子学实验中的反常磁阻和平面霍尔效应，但其难以解释重金属自旋霍尔效应强度，也无法解释无自旋霍尔效应体系广泛存在的反常磁阻现象。应解释不同实验结果的需求，人们又先后提出了Rashba 磁阻（无明显自旋霍尔效应但存在界面自旋轨道耦合的体系）、轨道磁阻（既无明显自旋霍尔效应也无明显自旋轨道耦合）、反常霍尔磁阻（认为磁性材料反常霍尔效应产生了可以在界面发生不对称旋转和反射的自旋流）、晶体对称性磁阻（认为单晶体系晶体对称性导致的各向异性磁阻）等一系列模型。寻找反常磁阻效应最本质的物理起源，为不同材料体系、不同外在表现的实验观测建立一个简单、统一、普适的物理图像具有重要意义。
近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室朱礼军研究员团队与香港中文大学王向荣教授合作，在磁性单层金属薄膜中观测到了巨大的反常磁阻效应及其高阶效应（cos2n θ，n ≥ 1）和磁矩在xy、xz和yz三个正交平面内旋转时反常磁阻满足的加和关系（sum rule）。这一观测与王向荣此前基于对称性分析提出的双矢量磁阻模型（two-vector UMR，Sci. Rep. 13, 309（2023））完美吻合，可通过磁矩（宏观矢量m）和界面电场（宏观矢量n）引起的电子散射理解，而无需涉及任何自旋流、轨道流或晶体对称性。研究人员通过系统地复现文献数据发现：现有文献中用于支撑SMR及其他反常磁阻模型观点的实验数据的所有特征，均可以通过双矢量磁阻模型解释，无需考虑任何自旋流、Rashba效应或轨道流。同时，该研究还系统列举并讨论了反对自旋流相关磁阻模型（如SMR等）而支持双矢量磁阻的诸多实验和理论结果。
该研究成果首次实验证实了双矢量磁阻模型，说明反常磁阻效应不能作为特定微观自旋流、轨道流等存在的判据，为理解不同自旋器件中反常磁阻效应提供了简单、统一、普适的物理图像。该研究成果以“Physics Origin of Universal Unusual Magnetoresistance”为题发表在《国家科学评论》， 朱礼军研究员为第一作者，朱礼军研究员和王向荣教授为共同通讯作者。
图1.（a）普适反常磁阻效应及其三大特征，（b）铁磁单层膜CoPt和Fe体系的反常磁阻及其高阶效应，（c）反常磁阻和自旋轨道矩（spin-orbit torque）缺乏直接关联，说明自旋流不是反常磁阻的起源。
（文章来源：中国科学院半导体研究所）
3.北理工团队在转角双层锑烯研究方面取得重要进展
近日，北京理工大学物理学院的姚裕贵教授、肖文德研究员团队与北京科技大学潘斗星副教授合作，在转角电子学方面取得了重要进展，首次成功制备了转角双层锑烯，并发现其具有转角依赖的电子结构转变。研究成果发表于物理学国际顶级期刊《Nano Letters》。
转角丰富了材料结构和物性的调控维度。例如，魔角石墨烯(magic-angle twisted bilayer graphene)呈现出多种奇异的物理性质，包括非常规超导、关联绝缘态等。此外，在转角过渡金属硫族化合物中也观察到转角依赖的电学和光学性质，如平带、谷激子等。值得注意的是，转角电子学并不局限于平面六方结构的材料。近年来，由于转角堆叠和各向异性晶格之间的相互作用可以导致奇异的输运性质，转角的翘曲四方结构材料也引发了广泛关注。比如，有计算工作预言转角双层黑磷中的的摩尔条纹具有非凡的“杂质”效应，导致其输运方向和载流子类型具有显著不对称性。但是由于黑磷空气稳定很差，双层黑磷很难制备得到，遑论应用。作为黑磷的姊妹材料，α相锑烯(α-Sb)具有很好的空气稳定性，并且其电子结构可由应力调控，因而成为理想的转角翘曲结构研究的候选材料。然而，迄今为止转角双层锑烯还未被成功制备。
北京理工大学姚裕贵教授、肖文德研究员团队长期致力于低维翘曲单元素烯的理论预测和实验制备，在锑烯的可控制备和物性研究方面取得了一系列重要进展[J. Phys. Chem. C (2023)；J. Phys. Chem. Lett. 15 (24), 6415-6423 (2024)]。最近，该研究团队选择TiSe2作为衬底，首次成功外延制备具有39°转角的双层锑烯，并用低温扫描隧道显微镜对单层锑烯、AB堆垛的双层锑烯和39°转角的双层锑烯的结构进行了细致的表征。他们在分子动力学模拟中设置不同初始角度的转角双层锑烯和不同的环境温度。一系列的模拟结果表明，除了常规AB堆垛外，还有四种转角双层α-Sb在能量上是稳定的，其中39°转角的双层α-Sb出现的频率最高，表明39°转角的双层α-Sb是这四种转角双层α-Sb中是最稳定的。此外，扫描隧道谱和密度泛函理论（DFT）计算表明，39°转角的双层α-Sb具有金属特征，而常规AB堆垛的双层α-Sb具有半导体特征。从DFT优化模型可知，转角使得39°转角双层α-Sb中的上层原子发生重构，并且其层间距与AB堆垛双层α-Sb相比会略微缩小。这种重构和层间距的减小有利于增强pz轨道的层间电子跃迁，从而解释了39°转角双层α-Sb中半导体到金属性的电性转变。该工作成功合成了转角双层α-Sb，并发现转角依赖的电学特性，表明褶皱四方结构单元素烯在转角电子学领域具有广阔的应用前景。
图1. 两类双层锑烯岛，N为AB堆垛（Normal AB-stacked）的双层锑烯岛,T为39°转角（Twisted）的双层锑烯岛。
图2. 39°转角双层锑烯的原子结构和DFT模型。
图3. 不同初始角度和环境温度的转角双层锑烯的分子动力学模拟结果。
图4. 单层锑烯、AB堆垛双层锑烯和39°转角双层锑烯的STS谱和DFT计算能带图。
北京理工大学为该研究工作的第一完成单位。北京科技大学潘斗星副教授和北京理工大学肖文德研究员为本文的通讯作者。北京理工大学物理学院博士研究生肖佩瑶为论文第一作者，李骥博士为论文的共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划(No. 2020YFA0308800)、国家自然科学基金(Nos. 12274029, 11802306, 12321004)、以及北京理工大学物理学院先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室、北京理工大学纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室的支持。
Peiyao Xiao#,Ji Li#,Douxing Pan*,Yongkai Li,Kejun Yu,Xu Zhang,Lu Qiao,Xianglin Peng,Lin Hu, Dongfei Wang,Zhiwei Wang,Wende Xiao*,Yugui Yao “Twist-dependent semiconductor-to-metal transition in epitaxial bilayer α-antimonene” Nano Lett. 25, 3166–3172 (2025) (#为共同一作，*为通讯作者)
URL: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05713（文章来源：北京理工大学物理学院）
4.段兆云教授研究小组：从理论创新到工程落地，引领超构材料真空电子学发展
什么是“超构材料”？通俗地说，“超构材料”就是一类由人工设计的亚波长结构材料，具备天然材料所不具备或难于实现的物理特性。将“超构材料”创造性地引入真空电子器件，可以充分利用其亚波长、强局域谐振等特性，为器件实现小型化、高功率、高效率提供了一种新路径。
自2007年起，电子科学与工程学院段兆云教授研究小组在王文祥教授、宫玉彬教授、巩华荣教授团队的大力支持和帮助下，深耕超构材料与真空电子学交叉前沿，聚焦超构材料基础理论及其在真空电子器件中的应用研究，历经18年攻坚克难，取得了一系列原创性成果，实现了从机理研究、实验验证到工程应用的关键突破，开辟了我国在小型化高功率真空电子器件领域的自主创新之路，标志着由“并跑”向“领跑”的重大跨越。
从物理机理到实验观测：反向切伦科夫辐射首次“显露真容”
在超构材料基础理论研究方面，段兆云教授研究小组聚焦反向切伦科夫辐射这一新奇电磁特性，系统开展了各向异性超构材料在无界、半无界及有界环境中激发反向切伦科夫辐射的理论分析。
围绕其辐射条件、色散特性、辐射方向及相干调控机制，研究小组建立了精确的物理模型，在Journal of Applied Physics（104(6), 063303, 2008）等期刊发表多篇研究论文。
为了观测反向切伦科夫辐射，研究小组创造性地提出了两种适用于真空环境的全金属超构材料单元结构——圆形与平板型互补电开口谐振环，分别适应于圆形注和带状注真空电子器件。
相较传统介质加载型超构材料单元结构，该设计具备强导热、较低损耗、高真空度等优势，为实验观测反向切伦科夫辐射奠定基础。
圆形（左）、平板型（中）超构材料单元结构示意图和传统介质加载型超构材料（右）
据了解，国内外已有多个研究单位在开展反向切伦科夫辐射的实验验证工作，其中包括美国阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室。但是，由于他们未能提出适用于高真空环境的全金属超构材料，实验工作均未取得突破性进展。
2015年，段兆云教授研究小组联合麻省理工学院和伦敦大学玛丽女王学院，终于构建出基于平板型超构材料单元的新颖互作用结构和与之适配的同轴型高效信号耦合结构，首次在实验中直接观测到反向切伦科夫辐射，验证了V. G. Veselago于1967年提出的理论。
该工作于2017年在Nature Communications期刊发表，填补了该领域长达半世纪的实验空白，标志着该机理从理论走向实证。
反向切伦科夫辐射实验观测平台和测试结果
新机理走进新器件：反向切伦科夫辐射器件的跨越式突破
2015年，研究小组在Applied Physics Letters上提出反向切伦科夫振荡器概念模型，并完成优化设计，2022年成功研制样管，并在Applied Physics Letters发表研究成果。
该器件采用圆形全金属超构材料单元构建互作用结构，横向尺寸仅为自由空间波长的1/3，在2.221GHz下实现10.16kW输出功率，这标志着超构材料真空电子器件技术体系初步形成。
反向切伦科夫辐射振荡器样管和测试结果
2023年，研究小组提出首支具备双端口同频输出能力的反向切伦科夫辐射放大器。模拟结果显示，器件在2.286GHz下分别在两个输出端口实现307W与5.48kW功率输出，总电子效率33.84%。该工作拓展了反向切伦科夫辐射机制在放大器方向的应用维度，为构建高效率多端口输出的新型器件提供了思路。
从实验室走向实用化：全球首支S波段超构材料速调管的华丽“首秀”
2020年，研究小组在IEEE Electron Device Letters期刊发表研究成果，提出并验证了S波段超构材料扩展互作用速调管互作用结构。该器件兼具结构小型化与高增益特性，腔体体积为传统结构的一半，在输出功率56kW下实现电子效率62%。
三腔超构材料扩展互作用速调管模型和模拟结果
2022年，研究小组与昆山国力电子科技股份有限公司紧密合作，成功研制出全球首支S波段兆瓦级超构材料速调管，成果发表于IEEE Electron Device Letters，并被选为该期封面论文。器件在2.852GHz下输出功率达5.51MW，电子效率57.4%，从实验上验证了超构材料在实现大功率速调管小型化与高效率方面的显著优势，标志着超构材料真空电子器件技术体系正在迈向实用化阶段。
全球首支S波段兆瓦级超构材料速调管样管和测试结果
赋能“国之重器”：全球首支P波段超构材料速调管整装待发
研究小组聚焦中国散裂中子源（CSNS）工程中速调管体积大、重量重、效率低等技术瓶颈，力求在保障输出功率的同时实现小型化与高效化运行，依托在S波段超构材料速调管研制中的成功经验，与中国科学院高能物理研究所和昆山国力电子科技股份有限公司相关团队通力合作，经过4年多的技术攻关，掌握P波段超构材料速调管的制造、调试与高功率验证核心技术，成功研制出全球首支紧凑型P波段大功率超构材料速调管样管。
2025年6月7日，该器件在中国科学院高能物理研究所东莞研究部的中国散裂中子源园区完成测试并通过验收，峰值功率超3.0MW，脉宽650μs、重复频率25Hz，在2.5MW条件下稳定运行48小时，关键指标达国际先进水平。中国科学院高能物理研究所副所长、中国散裂中子源二期工程总指挥王生高度评价：“P波段大功率速调管技术实现质的飞跃”。
目前，该成果被新华社、央视网、新华网、中国新闻网等国家级主流媒体重点报道，全网累计点击量超过1200万次；《中国科学报》《科技日报》《南方日报》等权威报纸在头版刊发相关成果，《澳门日报》等港澳媒体亦广泛关注。该成果成为近年来真空电子器件领域最具代表性的技术突破。
全球首支紧凑型P波段大功率超构材料速调管（左）；央视新闻客户端报道截图（右）
段兆云作为第一作者与MIT、新墨西哥大学、威斯康星大学麦迪逊分校以及印度理工学院的学者共同在IEEE Transactions on Electron Devices等期刊发表综述论文，总结了超构材料在真空电子器件和加速器领域的研究进展。研究小组共获得相关授权中国发明专利6件，美国发明专利4件。
为系统梳理研究成果、加强学术传播，段兆云教授还出版了中文专著《超构材料及新颖电磁辐射》（科学出版社，2023）与英文专著《Metamaterial-Based Electromagnetic Radiations and Applications》（Springer, 2024），全面涵盖超构材料基本原理、反向切伦科夫辐射与增强渡越辐射机理及器件设计方法，为该领域学术研究与工程实践提供了理论支撑与技术参考。
（文章来源：电子科技大学电子学院）
