1.中国科大在一维金属纳米结构光学性质研究中取得进展
2.中国科大实现超快高保真度中性原子态探测
3.复旦大学沈健/何攀课题组发现零磁场下的非线性能斯特效应
4.深研院新材料学院郑家新团队打造国际水准材料模拟第一性原理计算平台Hylanemos
5.中国科学院在双向高导热石墨膜研究中取得进展
1.中国科大在一维金属纳米结构光学性质研究中取得进展
中国科大周蒙教授课题组与美国卡耐基梅隆大学金荣超教授课题组合作，揭示了一维生长金属纳米结构光学性质的演化。研究成果以“Evolution of coherent vibrations in atomically precise gold quantum rods with periodic elongation”为题，于6月11日在《科学进展》上发表。
纳米材料的激发态振动行为反映其力学与光学特性。传统金纳米棒的振动模式包括纵向和横向两类，振动频率与结构尺寸密切相关。然而，当尺寸缩小至原子级别（<2nm）时，传统弹性理论对其振动行为的描述面临挑战，尤其是电子结构、表面应力与配体耦合等因素在此尺度下更为显著。
本研究选取了一系列径向尺寸一致（3.15Å）、长度逐步增长的棒状金纳米团簇，并通过紫外-可见-近红外吸收光谱确认其具有共通的~400nm吸收峰与可调的近红外吸收特征（图1），体现出其各向异性电子结构。
图1.一维生长金纳米结构的稳态光谱
利用飞秒时间分辨瞬态吸收光谱，研究团队系统揭示了该系列金棒的激发态动力学过程。结果显示，所有体系在400nm激发下均出现快速的系间窜越（ISC）过程，且其速率随棒长增加而加快。更为重要的是，在带边激发条件下观测到清晰的相干振荡信号（图2）。频谱分析表明，这些相干振动主要包含两种模式：其一为与棒长呈线性关系的纵向振动，其二为与长度无关的横向振动。
图2.棒状金纳米团簇的相干振荡现象。
该系列棒状金纳米团簇的纵向振动频率相较于经典弹性模型表现出显著偏离，打破了频率与1/L成正比的线性关系（其中L为纳米棒的长度）。进一步的理论计算模拟了Au42至Au114的拉曼振动模式，结果与实验中获得的主振动频率（约1.7THz和2.6–2.9THz）高度吻合，验证了实验观测的可重复性。本工作系统揭示了原子级结构精确可调的金纳米棒中相干振动的起源与演化规律，为深入理解低维金属材料中的光-声相互作用奠定了基础。相关研究成果对相干振动的调控、能量传输及纳米光电子器件的设计具有重要参考价值。
中国科大张伟特任副研究员为论文第一作者，中国科大周蒙教授、孔洁特任副研究员和卡耐基梅隆大学金荣超教授为该论文的通讯作者。该研究工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委及中国科学技术大学相关项目的资助。
2.中国科大实现超快高保真度中性原子态探测
中国科大郭光灿院士团队在中性原子量子信息研究领域取得重要进展。该团队李传锋、王健研究组利用光纤微腔与中性原子的普塞尔（Purcell）区域耦合，实现了超快高保真度的原子态记录，其速度和保真度均创造公开报道最高记录。成果为“单中性原子的超快高保真状态读出” Atom”为题于6月20日发表在国际知名学术期刊《物理快评论报》上，并致编辑推荐论文（编辑建议），同时美国物理学会物理学网站以“Enhanced Light Emission Improves Atom Readout”为题对该工作进行报道，称赞本工作“已经展示了一种实现前所未有的速度和准确性的读出技术，该方法的关键创新是一种提高原子光子发射速率的技术”。
中性原子因的可扩展性、成熟的门操作和速度光纤接口，成为极具潜力的量子通信与量子计算平台。然而，态写入和态制作耗费了中性原子量子计算与量子网络协议的大部分时间，因此提升了写入与保真度时间与物理资源消耗至关重要。由于设定于浅势汲取深度、低光子汲取率及探测效率，自由空间原子态的汲取时间长最短为百微秒量级。即使已有研究利用强耦合光学腔提高光子采集效率，原子态的汲取仍需要至少几个微秒。
针对这个问题，研究组利用在普塞尔区域的光纤微腔-中性原子腔量子电动力学系统的工作，在提高光子收集效率的同时，极大地增强了原子的光子辐射速率。该系统的良好因子达到了4.7，原子的自发辐射时序提升了约10倍，表现出作为压电中性原子-光子量子接口和量子网络节点的焦点。接着，研究组利用这一特点，在同类系统上首次初始化到原子荧光中的双光子光子电位缠[Phys.莱特牧师。 134, 053401 (2025)]。
在此基础上，研究组利用对闭循环跃迁的强焦点驱动，结合低动量转移的激发策略，将腔内光子的探测计数率提升至18M/s。凭借极高的荧光亮度，他们在200纳秒的时间窗口内实现了保真度99.1(2)％的原子态表征，并在9微秒的时间窗口内把保真度提升到了99.985(8)％，两项指标均创造公开报告纪录。同时，在状态写入过程中丢失原子的概率始终低于3‰，执行了无损探测的特性，可兼容需要“线路中测量”（中电路）该超快高保真写入技术首次使原子态写入速度超越光泵浦态生产速度，通过采用实时的方法，研究组修改原子态生产时间较传统光泵浦方法每年工作4倍。因此，这为理解多技术良好机制、优化量子协议性能等提供了新的思路。
该成果实现了超快高保真度的原子态读取，对于降低量子计算中的时间和物理资源消耗，以及实现长程可扩展量子网络具有重要意义。审稿人对该工作给予了高度评价：“这项工作的重要性在于实现了令人印象深刻的高状态读出速度和保真度，因为这是中性原子量子网络的一个进步……及时且可能激发量子信息科学领域的兴奋。” （本研究的重要意义在于实现了极高的态写入速度与保真度，这引起了中性原子量子网络研究的重要突破……该成果不仅恰逢其时，更有望在量子信息科学领域引发广泛关注）”，“这里的新颖之处在于作者能够高保真地读出原子态的记录时间窗口......该结果提供了两种对于基于中性原子的量子技术可能非常重要的应用，并将具有广泛的应用前景兴趣（本研究的创新性依靠实现了创纪录的时间窗口，拐点可在此时间范围内以高保真度读取原子态……该成果不仅为中性原子量子技术提供了两个旋转潜力的应用方向，更将引发该领域的广泛关注）”。
量子网络实验室特任副研究员王健和研究生黄冬郁为论文的共同第一作者。该工作得到了合肥国家实验室、国家科学自然基金委以及中国科学技术大学的支持。
图1：实验系统示意图
3.复旦大学沈健/何攀课题组发现零磁场下的非线性能斯特效应
近日，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/何攀课题组在能斯特效应的非线性响应研究上取得进展。相关成果以“Nonlinear Nernst effect in trilayer graphene at zero magnetic field”为题，于2025年6月23日发表在Nature Nanotechnology杂志上。
能斯特效应是一种重要的热电现象，它描述了在材料中施加温度梯度时，产生横向电压的现象。它不仅在基础物理研究中具有重要意义，还在热电能量转化应用中展现了巨大的潜力。传统能斯特效应需要外加磁场或磁性材料来打破时间反演对称性，这限制了其在微型化和电路集成中的应用。近年来，理论预测了一种非线性能斯特效应，即使在没有外加磁场和磁性材料的情况下也能产生横向电压。然而，此前这一效应尚未得到实验验证。
在此背景下，微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/何攀课题组通过在ABA构型三层石墨烯中进行实验，首次成功观测到了零磁场下的非线性能斯特效应。实验中，研究人员利用交变温度梯度下的电学谐波测量技术，探测到在低于12开尔文的温度下，三层石墨烯中出现了显著的非线性能斯特效应。该效应与温度梯度呈二次方关系，并且在能带电荷中性点附近显著增强，其等效能斯特系数高达300微伏/开尔文，远超传统磁性材料中的最高能斯特系数。当温度梯度方向反向时，非线性能斯特效应产生的电场方向保持不变，这与二阶非线性效应的理论预期完全一致。
进一步，该实验团队与复旦大学理论物理与信息科学交叉中心谢心澄院士/江华教授团队合作，建立了非线性能斯特效应与线性塞贝克效应之间的标度律，确认了斜散射机制在高迁移率材料中驱动非线性能斯特效应起主导作用。这一发现不仅验证了理论预测，还为实现和利用巨大非线性热电响应进行能量收集和制冷应用提供了新的途径。
这一突破性的成果展示了非线性能斯特效应在热电能量转换中的巨大潜力。与传统的线性能斯特效应相比，非线性能斯特效应无需外加磁场和磁性材料，避免了磁场对设备微型化和集成化的限制。此外，三层石墨烯中的巨大能斯特系数表明，基于非线性能斯特效应的热电器件在效率和性能上具有一定优势。研究团队还指出，非线性能斯特效应有望在更广泛的非中心对称材料中实现，且可工作于随空间和时间波动的温度梯度下，甚至可能在室温下应用。这一发现为未来开发高性能热电材料和器件提供了新的方向，有望在能源回收、制冷等领域实现新的突破。
该研究团队表示，下一步将致力于探索在更高温度下实现非线性能斯特效应的可能性，并进一步优化材料性能以提高其实际应用价值。此外，他们还将探索如何通过磁场调控非线性能斯特效应，以及研究不同机制的非线性能斯特效应，以拓展其在不同应用场景中的潜力。这些研究将为热电领域带来了新的理论和实验突破，也为未来开发新型高性能热电器件提供重要的科学依据和技术支持。
复旦大学博士生刘昊，李静如和博士后张志帆为论文的共同第一作者。复旦大学何攀青年研究员，江华教授和沈健教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金和上海市面上项目的资助。
图：在ABA三层石墨烯中观测零磁场下的非线性能斯特效应。a,传统线性能斯特效应的示意图。B为磁场，M代表磁性材料中的磁化强度。b，非线性能斯特效应的示意图。其特征是不需要外加磁场和磁性材料。c，放置在硅片上的h-BN封装的三层石墨烯结构示意图。d，热电效应测量器件的光学显微镜照片。e，不同载流子浓度下非线性能斯特电压随温度梯度的变化数据。f，在正反温度梯度下非线性能斯特效应产生的电场随载流子浓度的变化数据。
4.深研院新材料学院郑家新团队打造国际水准材料模拟第一性原理计算平台Hylanemos
近期，北京大学深圳研究生院新材料学院郑家新副教授课题组与深圳屹艮科技合作，基于高性能Julia语言，成功研发出具有完全自主知识产权的DFT计算软件Hylanemos。该研究实现了从算法到代码的全面自主可控，彻底摆脱对国外软件的依赖，为新材料、新能源等关键领域的底层创新构筑安全屏障。作为首款达到工程应用级的国产DFT软件，Hylanemos的突破不仅在于技术工具的替代，更标志着我国在计算材料学领域从“跟跑模仿”到“自主创新”的历史性跨越，对推动产业高质量发展、培育新质生产力、实现新型工业化具有重要意义。相关研究成果以“Hylanemos: an integrated solution for materials simulations based on Kohn-Sham DFT”为题，发表于中国科学院一区top期刊Science China Technological Sciences。
密度泛函理论（DFT）计算软件是材料科学、化学、物理等领域的核心工具，其意义在于通过理论模拟揭示材料的电子结构、能量状态和物理化学性质，避免大量试错实验，提高研发效率，缩短新材料研发周期。然而，我国在该领域长期依赖VASP、Quantum Espresso（QE）等国外软件，面临技术封锁风险、高昂授权费用及复杂操作门槛等多重制约，严重掣肘本土科研创新与产业安全。
研究团队开发的Hylanemos计算软件在底层架构、计算性能和功能模块等方面均取得了重要进展和显著突破，分别是：
底层架构创新。通过分层解耦架构，实现了计算任务的分层式流程优化，各层通过标准化接口交互，避免了传统软件依赖状态跳转以实现复杂算法的冗余设计，显著提升新算法开发效率。软件原生支持多种不同类型计算，无须依赖VTST、VaspSol等第三方库，大幅降低了部署复杂度。
Hylanemos的分层式程序框架设计
计算性能领先。Hylanemos充分发挥Julia语言的优势特性，在48/96个原子的LiCoO2体系测试中展现出优于VASP和QE的计算速度，在300个原子的较大体系计算中仍保持卓越的性能表现，验证了软件的高效并行计算能力。此外，自主开发的超软赝势（Eacomp PP）将传统USPP在锂电池正极材料计算中的截断能从24Ha降至18Ha，在保持精度的同时减少了30%的计算量。
Hylanemos的性能对比测试
精度与功能双轮驱动。经与VASP、QE等主流软件进行跨平台对比验证，Hylanemos在能带结构、声子谱、迁移能垒等常用性质上展现出了与主流软件相当的精度表现。Hylanemos在多种功能的持续研发与精度保证上展现出显著优势，通过算法创新与模块扩展，软件将持续提升功能覆盖范围与计算稳定性和精度。
Hylanemos在多种性质上展现出了可靠的高精度表现
Hylanemos作为国产DFT计算软件的创新代表，将继续肩负“顺时代之势、应国家之需、答产业之盼”的使命担当，围绕技术深化、开放共享、生态共建、产业赋能四大方向持续突破，构建具有全球竞争力的计算材料学生态系统，努力成为连接学术界与产业界的“数字桥梁”，推动我国从“实验试错主导”向“计算驱动创新”转型，促进未来产业“人工智能+”的协同联动，在全球新材料革命中树立“中国方案”，为“双碳”目标下的能源技术突破、高端制造升级提供核心算法支撑。
郑家新及深圳屹艮科技核心算法工程师揭鉴澍、许明为本文的通讯作者，揭鉴澍为本文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金数学天元重点专项和北大深研院-屹艮科技电池材料仿真联合实验室的支持。
5.中国科学院在双向高导热石墨膜研究中取得进展
随着电子器件向高性能、小型化发展，芯片功率密度提升带来的热管理问题成为制约器件稳定性的关键瓶颈。碳基高导热材料在面内热导率超过1500 W/m·K时，面外热导率普遍低于8 W/m·K，甚至只有4-5 W/m·K，难以满足高功率器件三维热传导需求。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧、何朋团队联合宁波大学王刚团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，提出以芳纶膜为前驱体通过高温石墨化工艺制备低缺陷、大晶粒、高取向的双向高导热石墨膜，在膜厚度达到40微米的情况下实现面内热导率Kin达到1754 W/m·K，面外热导率Kout突破14.2 W/m·K。
图1. 双向高导热石墨膜的导热性能及其在电子热管理中的应用
传统石墨膜制备以氧化石墨烯或聚酰亚胺为原料，面临气体逸散导致的结构缺陷难题。该研究提出选用芳纶膜作为前驱体，利用其低氧含量（~11%）和氮掺杂特性（氮含量~9%），在3000 ℃高温处理时实现缺陷自修复、晶粒定向生长及气体逸散优化。芳纶中氮原子促进晶格缺陷修复，退火后双向高导热石墨膜缺陷指标ID/IG低至0.008；芳纶分子中有序苯环为石墨晶格提供生长模板，使面内晶粒尺寸（La）达2179 nm、面外有序堆叠尺寸（Lc）达53 nm。双向高导热石墨膜通过结构调控展现出优异的双向导热性能：面内热导率1754 W/m·K，较同条件下氧化石墨烯衍生膜提升17%；面外热导率14.2 W/m·K，提升118%，突破碳基薄膜面外热导率瓶颈；乱层堆垛比例仅1.6%，接近理想石墨AB堆叠结构。与传统导热膜相比，双向高导热石墨膜在面内和面外热导率及缺陷控制上均表现出显著优势。在智能手机散热模拟中，搭载双向高导热石墨膜的芯片表面最高温度从52 ℃降至45 ℃；在2000 W/cm²热流密度的高功率芯片散热中，AGFs使芯片表面温差从50 ℃降至9 ℃，实现快速温度均匀化。
图2. 双向高导热石墨膜制备机制示意图
该研究揭示了芳纶前驱体在石墨膜制备中的独特优势，证明了氮掺杂与低氧含量前驱体可提升石墨膜结晶质量和双向导热特性，其双向导热性能突破可为5G芯片、功率半导体等高功率器件热管理提供关键材料和技术支撑。相关成果以“Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics”为题发表于Advanced Functional Materials. 2025, 2425824.，论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生郑豪龙、杨舒景，研究获国家自然科学基金等项目支持。
