电子自旋

一个国际研究团队首次成功测量了一类新型量子材料内的电子自旋，这一成就有望彻底改变未来量子材料的研究方式，为量子技术的发展开辟新途径，并在可再生能源、生物医学、电子学、量子计算机等诸多领域找到用武之地。相关研究论文已刊发于最新一期《自然物理学》杂志。左边是实验结果，中间和右边是理论建模。红色和蓝色表示电子的速度。图片来源：意大利博洛尼亚大学电子自旋是电子的基本性质之一，指电子在空间移动的曲率。在最新研究中，来自意大利、德国、英国和美国的研究人员，通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，并借助于对物质行为建模的现代技术，首次成功测量了一种新型的、颇具潜力的拓扑量子“笼目”（kagome）材料内电子的自旋，这也是科学家首次测量与拓扑概念相关的电子自旋。“笼目”指一种传统的编织竹纹，意指编织的孔眼图案。意大利博洛尼亚大学梅尼科迪桑特解释说，以足球和甜甜圈为例，这两个物体形状不同，决定其拥有不同的拓扑性质。同样，电子在材料中的行为也受到某些量子性质的影响，这些量子性质决定了电子在物质内的自旋。尽管很多年前科学家们就知道了电子存在自旋，但迄今还没有人能够直接测量量子材料内电子的这种“拓扑自旋”。在最新研究中，为测量“笼目材料”内电子的自旋，研究人员利用了被称为“圆二色性”的特殊效应，这是一种只能与同步加速器光源一起使用的特殊实验技术，利用了材料基于不同偏振吸收不同光的能力。理论研究人员使用强大的超级计算机，实现了复杂的量子模拟，实验团队则据此实现了测量。“笼目材料”相关研究结果有助人们更多地了解此类材料特殊的磁性、拓扑性和超导性质，为量子材料和量子力学研究开辟新道路。

“就像船在大海中遇到10米巨浪，但舱内桌子上水杯中的水却稳到没有一丝肉眼可见的细纹。”谈到团队研制的电子自旋和自旋极化电流时空演化成像系统的稳定性，复旦大学物理系教授沈健这样类比。在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目支持下，沈健团队挺进科研仪器研制“无人区”，将飞秒超快自旋显微技术、音叉式自旋结构显微技术、自旋极化电流显微技术相结合，研制出技术指标明显领先国际同类商用仪器的成像系统。目前，该项目已获国内、国际专利授权9项，在《科学》《自然》等期刊发表论文8篇，培养出大批优秀人才。项目组科研人员与第三方技术验收专家交流合影科学界的共同难题电子自旋是凝聚态和材料物理学中许多奇妙现象的根源。从凝聚态物理角度来说，几乎所有的重大现象，比如高温超导、庞磁阻、多铁效应、量子霍尔效应等都和电子自旋有关。“要理解这些重大现象，必须表征电子自旋结构和自旋动力学。”沈健对《中国科学报》说，“通俗点讲，就是要看清电子自旋如何在空间排列，并弄清其运动轨迹、运动状态，才能真正理解这些现象的本质。”理解电子自旋与量子材料物性的关联，并在自旋器件中做到高效自旋输运，是目前自旋相关研究的关键。而解决这个关键科学问题的最大技术瓶颈就是如何表征电子自旋及其动力学过程。沈健解释说，由于电子自旋之间的相互作用在空间上具有多尺度特征，在时间上具有超快响应频率，其本身又有静态（自旋结构）和动态（自旋动力学）的区别，尤其是在自旋器件中，自旋随电荷处于流动状态。“人们‘看清’电子自旋的难度，就像在太空中观察地球时，能够清楚地看见上面的一个足球。”沈健补充说，“而且，我们不仅要看见这个足球，还要弄清它在比赛中是怎么被传递的，甚至还要以十万亿分之一秒的时间精度，看清它的运动轨迹。因此，同时在单原子的空间尺度和飞秒的时间尺度看清电子自旋是目前国际科学界面临的重大挑战。”“到目前为止，科学家要么只能在单原子尺度看见静态的电子自旋，要么只能牺牲空间分辨率，在百纳米尺度研究电子自旋的超快动力学过程。”该团队成员之一、复旦大学教授吴施伟说，“我们就是要做一个显微镜或成像系统，它既能看见单独的电子自旋，又能在飞秒尺度上看清电子的自旋轨迹。”五级减震挑战2015年，该团队承担的科研仪器研制项目执行初期，一条来自上海市政方面的“大消息”让项目组忧心忡忡：上海市规划的地铁10号线延长线紧邻学校。地铁最近的地方，离该团队的地下实验室不足百米。此前，国内高校就曾传出学校附近的地铁震动影响科学实验的消息。而在原子尺度上看电子自旋，对背景噪声水平要求极高，任何外界极细微的扰动，都会影响该系统的成像效果。当时，能不能在这里建实验室、采取什么样的避震措施成为项目组讨论的焦点。经过多轮研讨，该团队制定出一套减震方案，虽然理论推算上能自洽，但实际上是否可行，大家意见并不一致。“上海处在一个冲积平原上，土质很软。”该团队成员之一、复旦大学教授殷立峰说，“地铁经过时的震动，对仪器影响会非常大。”最后，该团队和上海市政方面协调，找来几辆满载的重型土方车，沿着地铁线路行驶，尽可能模拟地铁运行所造成的恶劣环境，从而获得震动的一手数据。“当百米开外的满载土方车开过时，我们在实验室中测到了强烈的2.5赫兹震动，震动强度比平常高了一个数量级，所以地铁的影响非常明显，大概与我们无液氦制冷机所产生的震动相当。”吴施伟说。经过多次努力和尝试，该团队制定了一套特殊的“五级减震”方案。按照该方案，他们将仪器安放在实验室墙角一个特定位置，然后安装上能探测震动大小，并据此主动调节气压的“气浮”平台，再给扫描隧道显微镜镜头安装两级波纹管隔离制冷震动，最后通过扫描头的弹簧和探针不同的频率特性，阻断剩余的高、低频两种震动。经多轮评估，专家组认为这种“五级减震”方案在理论上可行，有机会使震动减少7个数量级，即达到“船在惊涛骇浪里剧烈颠簸，杯中水面纹丝不动”的效果。2021年6月，该项目进行正式验收时，上海的地铁10号线延长线已经投入运营半年多了。在这样的测试环境下，该系统测试的所有16项指标均达到或优于项目计划。“现在我们的减震效果完全达到最好的液氦制冷商业仪器的同一水准。”吴施伟补充说，“地铁经过或开关制冷压缩机完全看不出任何差别。”蹚出两条路“这套系统有两大亮点：一是减震系统；二是在减震条件下的无液氦制冷技术。”沈健介绍说，“除对稳定性要求极高外，该系统对温度条件要求也十分苛刻。”极低温制冷技术通常有两种：一是利用压缩机制冷；二是使用液氦制冷。国际上多采用液氦来制造极低温条件，但我国是贫氦国家，液氦供应受制于人。“液氦特别昂贵，大量使用液氦来做实验，成本也几乎到了难以承受的地步。”沈健说，“所以，无液氦制冷就成为一个新的技术发展方向。”但制冷压缩机本身就是巨大的震动源，用在对震动极其敏感的仪器上，影响自不必言。项目进行中，该团队再次陷入技术路线的巨大争议。经过反复的讨论与争论后，该团队决定采用两条技术路线，即尝试大幅减震条件下的无液氦制冷技术。“我们团队有个特点，每两周有全组（包括学生）的大讨论，讨论技术路线、审视各种方案。”该团队成员之一、复旦大学教授高春雷说，“之所以采取两条路线，实际上是因为当时谁也说服不了谁，干脆各选一条路向一起汇合。”该团队成员之一、博士后孙泽元说：“我们团队配备有数名设计、加工、焊接方面的专业技术人员，所以一些新的想法很快就能进行测试，这大大加快了研发进度。”就这样，该团队首次实现了2K（K氏温度）低温无液氦制冷，同时在低噪环境下成像的重大突破（最低1.2 K，远低于国际上无液氦制冷同类商业仪器9 K的技术指标）。目前，该系统在精度、时间分辨率和低温条件等方面均领先国际水平。“和液氦技术相比，我们这个系统的优势之一是可以长时间运行（液氦技术需要定期停机补充液氦）。”殷立峰说，“另一个优势是可以在1.2K到300K之间任意改变温度（液氦制冷仪器一般只能实现某几个固定温度）。”目前，国际上还没有类似指标的成像系统，这让沈健等人“有点踏入无人区的感觉”。同时，他们又非常幸运，该团队两条技术路线最后都“走通了”，这也为今后无液氦低噪制冷技术提供了更多选择。“说心里话，我们非常感谢国家自然科学基金对科研仪器研制项目非常大的支持力度，所以我们能做一些真正开创性的仪器研发，走进‘无人区’，挑战一些难度更大的事情。”沈健说，“对我们来说，它真正帮助我们在仪器研制上取得了长足的进步，同时，一批年轻科研人员也在这个项目中成长了起来。”《中国科学报》：您认为科研仪器在科研中起着怎样的作用？沈健：物理学是一门以实验为基础的科学，现代物理研究几乎离不开科研仪器。成像系统就像人的眼睛，在对物性的研究中，只有看得更清、研究得更细，对其中的物理才能理解得更加深刻，才能发现一些新现象。本项目在自主研发中产生的一些新范式，也会带来基础研究的突破。基于研发过程中产生的无液氦低温隔振平台和原位自旋极化扫描隧道显微技术，我们厘清了二维磁性材料中层间堆叠结构和磁性耦合的关系，为二维磁体在非线性光学器件、自旋电子学器件上的应用打开了新维度，为面向实际科学问题和科学应用研究奠定了扎实的基础。《中国科学报》：当前我国在该领域的科研仪器研制处于怎样的国际地位，面临怎样的挑战？沈健：单从技术指标上看，目前我们的仪器明显领先于国际上同类商用仪器，但并未真正商业化，还处于实验阶段。我们自己用起来得心应手的仪器，别人用其做同样的实验可能就不行，因为这里面有太多的细节，所以我们还有很多工作要做。《中国科学报》：下一步团队有哪些研究重点？沈健：下一步，我们将推进该成像系统商业化进程，把它做成别人拿来就很容易使用的仪器。但这样一个尖端仪器，不是简单靠某几个人或哪个团队就能实现商业化的，会面临很大挑战。但是，国家花了很多钱，我们不能满足于研制一个只是自己课题组能用的仪器。一方面，我们要让仪器更加成熟、稳定，能让同行拿来真正解决一些重大科学问题；另一方面，我们自己也有很多科学问题，需要借助尖端仪器来解决，这也是我们团队的努力方向之一。

随着摩尔定律接近极限，传统的晶体管器件已进入发展瓶颈期，探索新一代信息材料已成为当前信息领域的研究热点。低维量子材料具有谷电子自旋的独特性质，有望成为新一代信息材料在未来6G信息技术和产业中发挥重要作用。然而，如何实现低维量子材料的谷电子自旋极化调控是推动该材料实际应用面临的重大研究挑战之一。近期，在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项的支持下，我国科学家设计了结构对称的纳米天线与六方氮化硼/二硒化钨/六方氮化硼的金属/介质复合纳米结构，利用超高分辨电子束精准激发金属结构的圆偏振偶极电磁模式，通过近场相互作用在纳米尺度实现了对低维材料谷极化的调控。同时，研究人员发现电子束激发位点的移动（空间分辨率小于5纳米），能够在50纳米内实现谷极化的“开”和“关”，以及100纳米内的谷极化态反转。该研究提出的新型低维量子材料谷极化电子束操控方案，可指导谷电子器件纳米尺度集成，在逻辑运算、光电存储及未来量子信息研究方面具有重要意义。

第八届亚太地区电子自旋共振学术会议(8th Asia-Pacific EPR/ESR Symposium，APES2012)将于2012年10月11-15日在北京举行，由清华大学化学系承办。 　　自1997年以来，已先后在中国香港和杭州、日本神户、印度班加罗尔、俄罗斯诺沃西比尔斯克(新西伯利亚)、澳大利亚凯恩斯和韩国济州岛举办过七届APES会议。APES会议是EPR/ESR专家学者及厂家聚会交流的重要平台，它不仅仅吸引了亚太各国各地区的，而且还吸引了世界各地的EPR/ESR专家学者前来参加。APES会议将围绕各种EPR/ESR技术(CW EPR/ESR、pulsed EPR、high frequency 和 high field EPR, ENDOR、time resolved EPR、FMR、EPRI、CIDEP 和 ODMR等)在医药、环境、生物学、化学、材料学及纳米科学等各领域的应用及理论研究的最新进展与动态进行广泛的学术交流与讨论。 　　欢迎国内从事相关领域研究工作的专家学者踊跃报名参加。要了解更多有关会议情况，请参看http://www.apes2010.org。也可与主办者直接联系。 　　联系方式： 　　李勇 E-mail：hxxly@tsinghua.edu.cn 　　杨海军 E-mail：cyhj@tsinghua.edu.cn 　　北京市清华大学化学系 　　邮编：100084 　　电话/传真：010-62788971

5月10日，科学技术部发布国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”等“十四五”重点专项2021年度项目申报指南。“十四五”国家重点研发计划深入贯彻落实党的十九届五中全会精神和“十四五”规划，坚持“四个面向”总要求，积极探索“揭榜挂帅”等科技管理改革举措，全面提升科研投入绩效。有关事项通知详情点击此处链接。“大科学装置前沿研究”重点专项2021 年度项目申报指南本重点专项总体目标是：开展专用大科学装置的科学前沿研究，推动我国粒子物理、核物理、天文学等重要学科的部分研究方向进入世界先进行列；开展平台型大科学装置的先进实验技术和实验方法研究，提升大科学装置支撑科技创新、经济社会发展和国家安全的能力。继续支持我国具有特色和优势的大科学装置开展前沿探索研究，力争在世界上率先实现若干重大前沿突破。2021年度指南围绕粒子物理、核物理、强磁场、天文学、先进光源、交叉应用等6个方向进行部署，拟支持21个项目，拟安排国拨经费概算5.15亿元。同时拟支持8个青年科学家项目，拟安排国拨经费概算4000万元，每个项目500万元。本专项 2021 年度项目申报指南如下。1. 粒子物理1.1 CKM 矩阵参数与底强子非粲衰变CP破坏的精确测量研究内容：利用海量的底夸克实验数据开展CP破坏等重味 物理前沿课题研究，主要包括：精确测量CKM夸克混合矩阵参数，例如β和γ相角等；精确测量B介子非粲衰变的CP破坏，包括理解三体衰变复杂的CP破坏结构等；在底重子衰变中寻找CP破坏，包括衰变到三体或四体末态，并理解其中多体末态的CP破坏结构。考核指标：对γ相角相关的重要衰变道进行测量，并结合其他测量结果，将γ相角的测量精度提高到4度以内；在无圈图污染过程中完成sin2β测量，精度达到10%以内。若干B介子非粲衰变和底重子衰变的CP破坏的测量结果达到世界最好水平或为世界首次测量。1.2 基于中微子的反应堆监测新技术及相关物理研究研究内容：发展新型中微子探测技术，开展反应堆监测技术和物理研究，主要包括：发展极低阈值、极低本底双相氩时间投影室探测技术，寻找反应截面最大但尚未被探测到的反应堆中微子—原子核相干散射过程，以实现中微子探测器的小型化，用于反应堆监测，同时研究其相关物理；发展基于新型低温液体闪烁体的高能量分辨探测器技术，用于精确测量反应堆中微子能谱及核素谱。考核指标：发展小型化反应堆中微子探测技术，研制并运行一个极低阈值、极低本底的双相氩时间投影室探测器，采用低本底氩，有效质量不低于150kg，探测阈值达到1keV核反冲能；利用台山反应堆，成功探测到反应堆中微子—原子核相干散射信号；测量低能标下的弱混合角。研制并运行一个采用高量子效率硅光电倍增管的新型低温液体闪烁体探测器，有效质量不低于1吨， 能量分辨在3MeV时优于1%，比现有大型液闪探测器的最好水平（Borexino,~2.8%）提高2.5倍以上；利用台山反应堆，测量高精度反应堆中微子能谱和核素谱，为江门中微子实验提供有效谱形误差1%以内的数据依据，对U235和Pu239测量的有效谱形误差达到4%和8%。1.3 无中微子双贝塔衰变和太阳中微子实验关键技术研究研究内容：依托中国锦屏地下实验室，开展寻找无中微子双贝塔衰变、太阳中微子探测实验的关键技术和方法研究，并初步建立相关实验装置开展实验探测。考核指标：在无中微子双贝塔衰变实验领域开展先进高纯锗半导体探测器、极低温晶体量能器、基于Topmetal技术的高气压时间投影室等实验技术研究，确定具有中微子双贝塔衰变有效质量小于10meV灵敏度的探测器技术方案；建设百吨级太阳中微子探测平台，实现太阳B8中微子的探测，重建出太阳中微子方向，5MeV 能量区间，太阳角重建的角度分辨为35度（68%的置信区间）。1.4 依托大型国际合作装置阿尔法磁谱仪（AMS）的物理研究研究内容：依托大型国际合作装置AMS实验，开展暗物质和反物质寻找，宇宙线的起源加速和传播规律机制的物理研究工作。通过宇宙线正电子、反质子和反氘核的精确测量，进行暗物质寻找；通过宇宙线反氦核、反碳核和反氧核的测量寻找原初反物质；精确测量宇宙线各原子核的能谱以研究宇宙线的起源加速和传播规律。参与国际合作，研制满足空间环境要求的新型大面积硅探测器，应用于AMS02的探测器升级。考核指标：暗物质寻找的研究，分析AMS实验数据得到1GeV~1.4TeV的宇宙线正电子能谱测量结果700~1000GeV精度达到35%；得到1GV~500GV的宇宙线反质子能谱结果,反质子能谱500GV精度好于20%；得到宇宙线反氘研究结果。反物质寻找的研究，得到宇宙线反氦研究结果。宇宙线起源加速传播机制的研究，得到2GV~3TV的宇宙线Na、Al、S、亚铁（Z=21~25）等分析结果，100GV精度4%~5%，3TV精度20%~40%；研制成 满足空间条件的10cm×100cm硅探测器，位置分辨率好于5微米，优良通道占比超过 95%。2. 核物理2.1 STAR束流能量扫描实验中QCD相结构和临界点的实验研究研究内容：针对量子色动力学（QCD）的核物质相结构和QCD临界点的重大科学问题，依托相对论重离子对撞机（RHIC）的螺旋管径迹探测器（STAR）的第二期束流能量扫描实验，主要开展质心能量20GeV以下的重离子碰撞实验的物理分析。通过测量守恒荷的高阶矩、超子整体极化和矢量介子的自旋排列、多奇异强子的产生、同质异位核素的可能的手征磁效应分析等，建立系统的QCD相结构和临界点的实验探针与方法，研究QCD物质相结构和QCD临界点。考核指标：基于STAR实验第二期能量扫描实验数据,获得质心系7~20GeV不同能量点下的守恒荷的高阶矩的高精度实验数据，系统测量Λ、反Λ超子及矢量介子的整体极化及自旋排列的快 度依赖与能量依赖并揭示其物理起源，精确测量Ω粒子、φ粒子等 多奇异强子的产额分布并揭示其产生机制；通过测量分析同质异 位素碰撞中相关物理量给出QCD手征磁效应、手征磁波效应是否在夸克胶子等离子环境中被观测到的结论；利用以上分析得到的系统实验结果给出QCD相结构及QCD临界点的信息。2.2 低能区原子核结构与反应及关键天体核过程研究研究内容：针对 X 射线暴和超新星等爆发性天体环境中的关键核反应过程，依托北京放射性核束装置BRIF和相关核天体物 理研究装置等，在低能区开展高精度的原子核的基本性质、结构特性与反应机制及关键天体核过程研究，积极发展相关微观模型，在更广泛的同位旋和角动量维度上探索原子核有效相互作用新规律，探索宇宙元素起源和星体能量产生机制。考核指标：完善BRIF高精度核物理实验平台（带电粒子探测器阵列立体角覆盖达4Pi的40%以上，能量分辨好于50keV），测量3~5项奇特原子核的基本性质、反应截面和衰变过程，统计精度好于10%；发展结合人工智能的核理论分析方法，探索原子核有效相 互作用及其演化规律；完善BRIF和相关核天体物理实验平台（伽马探测器阵列立体角覆盖达4Pi的60%以上），发展天体核反应的 高精度实验方法，测量天体演化相关的3~5项核反应截面和放射性原子核半衰期，统计精度好于10%；结合天文观测，验证天体演化模型，理解宇宙元素起源和星体能量产生机制；建立相关微观模型，研究α团簇和核物质状态方程等在天体核过程中的关键作用。3. 强磁场及综合极端条件3.1 强磁场下的代谢性疾病发病机制及防控新方法研究研究内容：瞄准糖尿病和脂肪肝两种代谢性疾病，依托稳态强磁场大科学装置，发展高场生物磁共振波谱与成像新技术，深入研究糖尿病和脂肪肝发生发展和调控机理；探索不同参数稳态磁场对糖脂代谢、铁代谢和氧化还原等代谢性疾病关键过程的调控及机制，研究稳态磁场对肠道微生物代谢的影响，探索稳态磁场在糖尿病和脂肪肝诊疗中的新策略。考核指标：发展针对糖尿病和脂肪肝等代谢性疾病的新型核磁共振波谱与成像检测方法，开发1~2种治疗糖尿病和/或脂肪肝的候选药物；阐明稳态磁场对糖脂代谢、铁代谢和氧化还原的调控机制，明确稳态强磁场生物安全界限，开发磁场在糖尿病和脂肪肝的潜在应用，研发1~2种基于磁场防控糖尿病和脂肪肝的演示样机，血糖和脂肪肝改善达到20%。3.2 强磁场下零/窄带隙新型电子材料制备及其应用研究研究内容：依托稳态强磁场装置，针对下一代电子器件对零带隙/窄带隙新型电子材料的需求，围绕极端条件强磁场下电子材料制备的关键技术与关键科学问题，聚焦磁场对材料生长调控规律的获取，系统开展强磁场下窄带隙化合物半导体、零带隙低维碳基材料、高频碳/磁薄层材料、新型热电材料等新型电子材料制备与应用研究，开拓其量产应用。考核指标：开发出强磁场（≥18T）辅助布里奇曼单晶炉样机1台；在强磁场下研发出几种具有实用化前景的零带隙/窄带隙电子材料，包括大尺寸窄带隙化合物半导体（~1 英寸，带隙~0.62eV，霍尔电阻率2000cm2/Vs，位错密度2）、高性能碳基光热催化量子点与光电材料（吸收/发射波长1200nm，光热转换效率≥40%，纳米酶催化效率≥0.1μM/s，载流子迁移率~10cm2/Vs，光响应性~106A/W）、适应于GHz/THz 波段的轻质宽带高频吸收材料 （GHz波段：吸收20dB、带宽5GHz；THz波段：吸收20dB、 带宽1THz）、低成本高性能多元纳米复合热电薄膜（ZT 值≥2.0， 温差≥10K，成本降低 50%）；探索研发材料在器件中的量产应用。3.3 强磁场回旋管高功率太赫兹波源及电子自旋共振谱仪研究内容：依托脉冲强磁场装置，针对材料电子自旋与核自旋的关联、激发和弛豫过程等研究需求，开展THz回旋管理论与技术、高精度磁场位形和波形调控方法、THz高品质波束形成与瞬态测量技术、高功率THz波激励下的电子自旋共振谱仪研究，为探索关键材料结构、性能以及动力学变化提供先进测试平台。考核指标：建立基于强磁场的高功率回旋管太赫兹波源设计理论体系，解决磁场时空分布精确调控等关键技术问题，实现高功率太赫兹脉冲波和连续波输出。（1）脉冲波辐射源：磁场强度40T，频率1THz，功率300W；（2）连续波辐射源：磁场强度15T，频率800GHz，功率30W；（3）电子自旋共振谱仪：时间分辨≤10ns，带宽1GHz，DEER空间分辨2~50nm。4. 天文学4.1 依托LAMOST、FAST的恒星稀有天体和关键物理过程研究研究内容：瞄准恒星内部结构和关键物理过程，依托LAMOST、FAST大科学装置，搜寻和发现恒星关键/稀有天体， 探测恒星内部结构，识别Ia型超新星前身星；发展恒星对流模型，研究特殊元素的形成和输运、角动量转移过程；深入探讨双星演化的走向和结局，以及超新星等重要双星相关天体的形成和演化，结合黑洞观测，多方面提高宇宙测距精度。考核指标：发现几颗双星公共包层演化阶段天体；构建贫金属星和氦星的快速物质损失模型，系统建立双星演化的关键性判据；确定对流超射和星风在物质与角动量转移中的作用； 获得下主序恒星和红巨星表面存在磁场的星震学证据；通过FAST确定几颗超新星前身星；提高超新星等宇宙标尺的测距精度。4.2 第25太阳周重大爆发活动与空间天气研究研究内容：针对太阳爆发活动及空间天气形成的重大科学问题，充分利用我国自主观测设备，探索重大爆发活动中磁场时空演化、爆发机理、能量释放机制、空间天气形成机理及影响的全链路过程。诊断太阳活动中等离子体加热、粒子加速、激波形成与演化，获得对重大太阳活动产生机理及其空间天气效应新的可靠物理理解，并建立高精度的物理和数值预报模型。考核指标：确保我国自主观测新设备，如MUSER、NVST、AIMS、WeHot、FASOT等发挥科学效益；取得第25太阳活动周重大活动事件完整观测，建立数据库，涵盖国内外磁场、光学、 射电等多波段成像及光谱/频谱数据，开发新型大数据分析方法；发展三维（辐射）磁流体力学数值模拟，建立针对重大太阳爆发事件的理论和数值模拟模型；建立灾害性空间天气的高精确度预报模式和方法。5. 先进光源、中子源及前沿探索5.1 超高功率软 X 射线光源新原理及关键技术研究研究内容：针对能源科学、超导材料科学、超快物理化学和光刻等科学和应用领域对高功率EUV/软X射线光源的具体需求，依托软X射线自由电子激光大科学装置，开展超高平均功率和超 高峰值功率EUV/软X射线光源的新原理及核心关键技术研究，包括探索基于同步辐射和自由电子激光等产生高功率软X射线脉冲的新机制，发展高功率X射线光源所需种子激光、光学传输和诊断等关键技术。考核指标：完成基于角色散机制的高平均功率EUV/软X射 线光源（平均功率100W）和基于啁啾激光增强型自放大自发辐射的高峰值功率软X射线光源（峰值功率100GW）的物理机制研究；基于软X射线自由电子激光装置实验验证高功率X射线产 生的新机制，掌握其关键技术和实验方法，为用户提供峰值功率大于1GW、光子能量大于200eV的软X射线激光；掌握超高重复频率（1MHz）紫外波段种子激光和超大带宽红外波段种子激光等关键技术；掌握超高功率软X射线的光学传输、光学元件冷却（平均热负载100W，峰值功率100GW）和光学诊断（时间测量精度好于1fs）等技术。6. 交叉科学与应用6.1 超高真空平面微纳量子器件的分子束外延直接生长和原位表征技术研究研究内容：发展选区外延生长和片上掩模外延生长等技术，实现量子材料微纳结构和平面异质器件的超高真空分子束外延直接生长；开发极低温、强磁场原子力显微镜，实现绝缘基底上的微纳结构和器件的扫描隧道谱电子态表征；改进平台扫描微波显微镜、氧化物分子束外延生长等技术设备；基于这些新发展的技术研究拓扑-超导异质结构中的马约拉纳模相关物理机理等关键科学问题。考核指标：利用分子束外延在超高真空环境直接生长出超导电极间距6.2 粒子流、先进光源新实验技术研究研究内容：依托同步辐射光源、超快强激光、先进中子源、加速器等束流装置平台，针对材料科学技术、信息科学技术、生命健康和环境保护等领域的关键科学技术问题，发展急需的先进实验技术和方法。考核指标：在选定的研究领域和研究目标，通过研究平台与相关领域研究部门的密切合作，研发在同步辐射光源、超快强激光、中子源和加速器上为解决上述瓶颈问题急需的先进实验技术和实验方法，促进大设施在材料科学技术，信息科学技术、生命健康和环境保护等领域的交叉实验研究。有关说明：本方向拟支持不超过8个项目。附件：“大科学装置前沿研究”重点专项2021年度项目申报指南.pdf形式审查条件要求.pdf指南编制专家名单.pdf

一、项目基本情况项目编号：BMCC-ZC22-0660项目名称：北京师范大学珠海校区理工实验平台低温电子自旋共振波谱仪等设备采购项目预算金额：620.0000000 万元（人民币）采购需求：序号名称简要技术需求预算（万元）数量是否接受进口1低温电子自旋共振波谱仪磁体分辨率≦10 mG…5001套是2多相碳分析仪H2O：独立的H2O红外检测器一个…1201套是合计：620万元合同履行期限：自合同签订生效后开始至双方合同义务完全履行后截止。本项目( 不接受 )联合体投标。二、申请人的资格要求：1.满足《中华人民共和国政府采购法》第二十二条规定；2.落实政府采购政策需满足的资格要求：本项目是否专门面向中小企业采购：否3.本项目的特定资格要求：（1）单位负责人为同一人或者存在直接控股、管理关系的不同供应商，不得同时参加本项目；（2）为本项目提供整体设计、规范编制或者项目管理、监理、检测等服务的供应商，不得参加本项目；（3）通过“信用中国”网站（www.creditchina.gov.cn）、中国政府采购网（www.ccgp.gov.cn）和国家企业信用信息公示系统（www.gsxt.gov.cn）查询信用记录（截止时间点为投标截止时间），被列入失信被执行人、重大税收违法案件当事人名单或政府采购严重违法失信行为记录名单的供应商，没有资格参加本项目的采购活动。（4）投标人必须购买招标文件并登记备案，否则没有资格参加本项目的投标。三、获取招标文件时间：2022年11月15日 至 2022年11月22日，每天上午9:00至11:30，下午13:00至16:30。（北京时间，法定节假日除外）地点：北京市海淀区学院路30号科大天工大厦B座17层1709室（北四环学院桥东北角）。方式：电汇购买或现场购买（只接受现金）（具体方式详见“其他补充事宜”）售价：￥200.0 元，本公告包含的招标文件售价总和四、提交投标文件截止时间、开标时间和地点提交投标文件截止时间：2022年12月06日 09点30分（北京时间）开标时间：2022年12月06日 09点30分（北京时间）地点：北京市海淀区学院路30号科大天工大厦B座17层1706室第一会议室。（提示：楼层较高，请供应商预留递交文件时间提前到场）五、公告期限自本公告发布之日起5个工作日。六、其他补充事宜（1）详细报名及获取采购文件方式，请完整阅读以下全部内容：1）电汇购买招标文件请填写下表，连同电汇底单（网银转账页面或银行回单）扫描件发送至bjmdzx@vip.163.com（未按要求操作不予登记）。邮件主题请务必为“购买标书登记+项目编号（BMCC开头）+项目名称”。报名后我司将回复邮件告知报名结果，请关注邮件及相关附件。请注意：电汇或网银必须于标书销售截止日下午4:30前到账。投标人在购买招标文件时按照招标公告的要求提供相应材料，如实完整的填写出售标书记录，尤其须明确拟投标包号。本项目本次分包进行招标，投标人必须按所投包数缴纳购买招标文件的费用。投标人在购买招标文件后，如果决定变更登记的信息，应在购买文件截止时间前补交齐相关费用并书面通知项目负责人，否则变更信息将不予认可。项目编号BMCC-XXXX报名包号汇款金额公司名称统一社会信用代码公司，发票、纸质版文件邮寄地址项目联系人联系电话联系邮箱需要快递纸质版文件是(须加收快递费100元） √否汇款/转账凭证（汇款或转账的底单扫描件或截图） 2）银行账户信息，电汇购买采购文件、投标保证金及中标服务费收取的唯一账户：汇款或转账时请务必附言“项目编号+用途”，例如：BMCC+项目编号的标书款或保证金。公司名称：北京明德致信咨询有限公司开 户 行：中国工商银行股份有限公司北京东升路支行账 号：0200 00621920 0492 9683）采购文件的获取：1-电子版：明德致信公司网站“招标（采购）公告”频道：http://www.zbbmcc.com/node/119。无需注册，按项目名称或编号查找对应项目，点击标题下红色“下载”按钮即可；2-纸质版：若需纸质版采购文件请在报名表中注明，须加收快递费100元。3）问题咨询联系方式的说明：1-有关采购文件购买、中标通知书领取及服务费发票、保证金交纳及退还事宜的联系电话：（010）82370045；2-有关采购文件技术部分的问题咨询：请拨打公告“项目联系方式”中项目负责人的号码。（2）本项目的公告发布媒介：中国政府采购网发布。对其他网站转发本公告可能引起的信息误导、造成供应商的经济或其他损失的，采购人及采购代理不负任何责任。（3）需要落实的政府采购政策：促进中小企业和监狱企业发展、优先采购节能产品、环境标志产品等、扶持不发达地区和少数民族地区、支持监狱企业发展、促进残疾人就业、完善中央高校科研仪器设备采购管理等。（4）如本公告内容和招标文件内容不一致，以招标文件为准。（5）投标文件请于提交投标文件截止时间（开标时间）前递交至开标地点，逾期递交文件恕不接受。（6）评分方法：综合评分法注：为加强新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控工作，有效减少人员聚集，阻断疫情传播，保障大家的身体健康，把各项防控措施落细、落小、落实到位，采取以下措施：为有效减少人员聚集，建议电汇报名。七、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名称：北京师范大学地址：北京市海淀区新街口外大街19号联系方式：滕老师 zfcg@bnu.edu.cn2.采购代理机构信息名称：北京明德致信咨询有限公司地址：北京市海淀区学院路30号科大天工大厦B座17层1709室联系方式：张乐、王经理、吕绍山，010-82370045、186009602033.项目联系方式项目联系人：张乐、王经理、吕绍山电话：010-82370045、18600960203

项目编号：ZZ0220095项目名称：华南理工大学电子自旋共振-扫描隧道显微镜联合系统(ESR-STM)采购项目预算金额：1080.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：1080.0000000 万元（人民币）采购需求：包组号标的名称数量（单位）简要技术需求或服务要求（具体详见采购需求）最高限价万元（人民币）包组一扫描隧道显微镜系统1套实现二维表面纳米结构的变温制备和形貌表征，对分子结构进行精确成像和空间位移操纵；观察二维表面的各种物理、化学现象；可测量的对象为金属、半导体以及其上吸附的分子、原子等；可以与低温及强磁场结合，对样品的自旋性质进行研究；实现原子及分子在样品上的变温沉积。人民币480万元包组二低温强磁场系统1套为扫描隧道显微镜稳定提供0.4 K的超低温实验环境，以及面外方向高达9 T、面内方向2 T的三维矢量磁场。该系统配合扫描隧道显微镜使用，可以实现对单个自旋量子极化轴的人为控制和对自旋磁各向异性的表征，保证各类量子相干操控实验的顺利开展。人民币250万元包组三射频电子线路系统1套整套设备可用于对二维表面上的单个目标分子或原子的自旋进行电学调控，表征其自旋弛豫时间，实现量子相干操控等。人民币350万元 1.经政府采购管理部门同意，本项目（包组一：扫描隧道显微镜系统；包组二：低温强磁场系统；包组三：射频电子线路系统）允许采购本国产品或不属于国家法律法规政策明确规定限制的进口产品，具体详见采购需求。2.本项目多个包组兼投兼中。3.合同履行期限：国内供货：所有包组为在合同签订后（30）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用；境外供货：包组一、包组二为办理免税证明后（365）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用；包组三为办理免税证明后（120）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用。4.本项目（不接受）联合体投标。5.本项目采购标的所属行业为：工业最高限价（如有）：包组一：480万元（人民币）；包组二：250万元（人民币）；包组三：350万元（人民币）合同履行期限：国内供货：所有包组为在合同签订后（30）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用；境外供货：包组一、包组二为办理免税证明后（365）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用；包组三为办理免税证明后（120）天内完成供货、安装和调试并交付用户单位使用。本项目( 不接受 )联合体投标。

能实际应用的理想二维Rashba电子气（几乎所有的传导电子占据Rashba带）是应用半导体自旋电子的关键。研究证实，这样带有大Rashba劈裂的理想二维Rashba电子气可以在拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜上实现，该薄膜可在过渡金属硫化物MoTe2基板上按第一性原理计算结果指导生长得到。研究结果显示，Rashba带专处于MoTe2半导体带隙中一个较大的、约0.6? eV费米能级间隔中。如此宽幅的理想二维Rashba电子气具有大的自旋分裂，为实际利用Rashba效应提供了可能，之前从未做到。由于强自旋-轨道耦合，其Rashba分裂强度与重金属（如Au和Bi）表面的差不多，所引起的自旋进动距离小到10 nm左右。近Γ点的内（外）Rashba带平面内自旋极化最大约为70%（60%）。室温下相干距离至少数倍于自旋进动长度，为采用自旋加工设备提供了良好的一致性。这种二维拓扑绝缘体/过渡金属硫化物异质结构中的理想Rashba带，具有能量范围宽、自旋进动长度短、相干距离长的特点，为室温下制造超薄纳米自旋电子器件（如Datta–Das自旋晶体管）铺平了道路。该研究通过计算揭示了纳米自旋电子晶体管在室温下工作的可能性。来自中国台湾清华大学的T. H. Wang和H. T. Jeng通过第一性原理计算，证实了一种理想的二维电子气（半导体自旋电子实现应用的关键）可在硒化铋超薄膜绝缘体中实现，该超薄膜用半导体MoTe2作衬底、在室温下生长即可制备。超薄器件中形成的二维电子气表现出大的“自旋分裂”（两种状态的电子自旋间的分离），这正是晶体管之类的设备所需要的特性。采用电子自旋的电子器件来处理信息，用的是电子固有的自旋特性，而不象目前常规电子器件那样用的是电子的电荷特性。这会使设备在更小的空间内存储更多的数据，消耗更少的电能，使用更便宜的材料。据巨纳集团低维材料在线91cailiao.cn的技术工程师Ronnie介绍，异质结构是现在的研究热点,Bi2Se3/MoTe2异质结构,使得一种理想的二维电子气（半导体自旋电子实现应用的关键）可在硒化铋超薄膜绝缘体中实现，该超薄膜用半导体MoTe2作衬底,在室温下生长即可制备。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在二维范德瓦尔斯材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺研究组与匈牙利魏格纳物理研究中心教授AdamGali等合作，实验研究并理论解释了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中带负电硼空位（VB-）色心受磁场调制的自旋相干动力学行为，揭示了hBN中VB-色心电子自旋与核自旋之间的相干耦合和弛豫机制，这对发展基于二维范德瓦尔斯材料的相干自旋系统及低维量子器件具有重要意义。9月29日，相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。 近年来，研究发现，宽禁带范德瓦尔斯材料hBN是室温自旋色心的优秀宿主。范德瓦尔斯材料通过简单的机械剥离便可制备为原子厚度的二维结构，且可与多种微纳结构相耦合，在低维量子器件制备和近场传感探测等方面比三维体材料具有天然优势，因而hBN中的自旋色心成为固态自旋色心领域的研究热点。目前，研究最广泛的hBN自旋色心为VB-色心，且集中于VB-的电子自旋，而对VB-电子自旋周围的核自旋缺乏深入研究及观测。由于色心周围的核自旋是固态自旋维度扩展的主要途径之一，且是造成固态自旋弛豫的主要因素。因此，VB-色心的电子自旋与周围核自旋耦合形成的多自旋体系的相干动力学研究，对推动基于范德瓦尔斯材料的固态量子自旋技术至关重要。本工作中，研究组使用中子辐照技术在hBN中制备出高浓度的VB-色心样品，并利用ODMR（optical probing magnetic resonance）技术探测VB-自旋能级结构，观测到VB-色心中电子自旋与3个最近邻14N核自旋相互作用产生的超精细劈裂以及14N核自旋偏振随磁场增强的极化现象。同时，研究组对VB-进行多项室温相干操控和探测，包括Rabi振荡、自旋回波、Ramsey干涉探测等。探测结果表明，VB-自旋受到明显的核自旋相干调制，且核自旋调制效应会随磁场增加而变强。为进一步揭示相关现象的内在动力学机制，研究组理论构建了VB-电子与最近邻14N核自旋组成的4自旋系统，并对该4自旋系统的多种动力学性质进行无参数（parameterfree）的理论模拟。结合实验与模拟结果，研究组发现VB-色心中存在较强的电子与核自旋相互作用，同时最近邻14N核自旋极化也受到显著的驱动微波动态调制。此外，研究组还在理论模拟中引入了包含127个14N和11B的多体核自旋环境，并模拟了与之相互作用的开放4自旋VB-系统的动力学行为。通过对照实验和理论结果，研究组发现11B核自旋环境主导了VB-色心的自旋弛豫，而磁场能够减弱核自旋环境的弛豫效应并增强VB-电子与最近邻14N的相干耦合。（a）VB-色心的原子结构示意图；（b）VB-色心的电子自旋能级结构；（c）不同磁场下VB-色心的ODMR信号；（d）不同磁场下VB-色心的Rabi振荡信号。该研究从实验和理论上揭示了VB-色心中存在显著的电子和最近邻14N核自旋相干耦合，以及多体11B核自旋环境导致的VB-色心自旋弛豫。该工作为将VB-相干操控自旋拓展至核自旋以及发展相关低维固态量子系统奠定了基础。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院和合肥国家实验室等的支持。

开发具有预期稳定性、规则结构和精确组分的功能材料是化学研究的重要内容之一。高自旋磁性团簇由于电子结构与几何构型、自旋态以及原子间相互作用区别于块体材料，展现出奇异的物理化学性质，为自旋电子学材料和微器件的设计开发提供了新思路。 　　中国科学院化学研究所分子动态与稳态结构实验室研究员骆智训课题组利用自主设计搭建的质谱与光电子能谱仪器，在金属团簇与超原子研究方面取得了系列进展。 　　近日，骆智训课题组、姚建年课题组，联合清华大学教授李隽理论团队，在探究阴离子Rhn-(n=3-33)簇与几种典型气体(包括O2、CO2、CH4和CH3Br)的反应中发现，Rh19-是具有特殊稳定性的幻数团簇，并结合光电子能谱确定了其高对称性与铁磁性的超八面体结构(S=10/2)。Rh元素本身并非磁性。研究表明，强磁性团簇Rh19-的特殊稳定性主要来源于其独特的电子结构与成键方式，且具有特殊的超原子轨道特征1S2|2S22P6|3S23P6。基于此，研究进一步提出了金属团簇“电子自旋态异构体”(Electron-spin state isomers，ESSIs)的新概念，剖析了Rh19-团簇光电子能谱热带(Hot-bands)。 　　该工作发现了一种高对称的、尺寸在1nm的Rh19-团簇，对应于面心立方晶体铑的一个片段，诠释了从金属原子到可调控磁/电性质固体材料的结构演变规律，为剖析过渡金属光电子性质提供了原子精准的范例，并为材料基因的原子构造提供了新思路。 　　相关研究成果发表在《科学进展》(Science Advances，DOI：10.1126/sciadv.adi0214)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。南方科技大学科研人员参与研究。图1. 铁磁性超八面体Rh19-团簇的发现图2. (a)基于自主研制仪器(TOF-MS)制备的阴离子Rhn-团簇与CO2反应前后的质谱图；(b)Rh19-团簇分别在355 nm和266 nm激光下的光电子能谱；(c)金属团簇电子自旋态异构体(Electron-spin state isomers，ESSIs)机制；(d)由全局搜索确定的Rh19-的最低能量结构及范德华半径；(e)Hirshfeld电荷布居；(f)Rh19-的自旋密度布居。

科技日报北京8月15日电 据15日发表在《自然材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。研究人员使用光和电子自旋量子位来控制二维材料中的核自旋。图片来源：Second Bay工作室/美国科学促进会网站

杜江峰院士团队利用金刚石中氮-空位色心作为固态自旋量子传感器，在微观尺度对于一系列新奇自旋相互作用展开实验搜寻并给出新的实验限定。相关研究成果分别发表在《国家科学评论》[National Science Review 10, nwac262 (2023)]、《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 131, 071801 (2023)]和《美国国家科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2302145120 (2023)]。探索超越标准模型的新物理现象能够有助于解答一些不能用标准模型解释的基本问题，例如强CP疑难以及暗物质与暗能量的物理本质。近年来对一些新玻色子诱导的新奇自旋相互作用进行实验搜寻成为研究重点。2018年杜江峰团队在国际上原创提出将金刚石氮-空位(NV)色心的单电子自旋构筑为量子传感器，可用于搜寻电子与核之间的新奇自旋相互作用，并成功将实验搜寻的力程拓展到亚微米尺度[Nature Communications 9, 739 (2018)]。随后对一系列自旋相互作用在微观尺度实现了高精度的实验搜寻[Physical Review Letters 121, 80402 (2018),Physical Review Letters 127, 010501 (2021)]。为了进一步提升搜寻能力，团队向两个方向推进：1、发展更高灵敏度的传感器，用于实现更高精度的实验检验；2、发展新形态的传感器，打开更短力程的探测窗口。为了实现更高灵敏度的传感器，团队实现高品质金刚石NV系综电子自旋生长工艺，将单自旋探测器升级为系综自旋传感器，使得更多NV色心能够被同时用于测量，极大提升了探测精度，从而实现对一系列新奇自旋相互作用的实验搜寻[National Science Review 10, nwac262 (2023),Phys. Rev. Lett. 131, 071801 (2023)]。另一方面，团队充分利用单NV色心作为原子尺度传感器的优势，结合微机电技术和硅基纳米工艺，实现可扩展的自旋-力学量子芯片。实验表明该芯片在力程小于100 纳米处将观测约束提升2个数量级[PNAS120,e2302145120 (2023)]。这些成果展示了利用金刚石NV色心自旋量子传感器来研究各种超出标准模型的新物理有独特优势，有望激发宇宙学、天体物理和高能物理等多个基础科学的广泛兴趣。论文信息（†为共同一作，*为共同通讯作者）：1.Hang Liang†, Man Jiao†, Yue Huang†, Pei Yu, Xiangyu Ye,Ya Wang, Yijin Xie, Yi-Fu Cai, Xing Rong*,and Jiangfeng Du*,National Science Review 10, nwac262 (2023).https://doi.org/10.1093/nsr/nwac2622.Diguang Wu†, Hang Liang†, Man Jiao*, Yi-Fu Cai, Chang-Kui Duan, Ya Wang, Xing Rong*, and Jiangfeng Du*,Phys. Rev. Lett. 131, 071801(2023).https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.0718013.Longhao Wu†, Shaochun Lin†, Xi Kong, Mengqi Wang, Jingwei Zhou, Chang-Kui Duan, Pu Huang, Liang Zhang*and Jiangfeng Du*, Proc. Natl. Acad. Sci. 120,e2302145120 (2023)https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302145120

利用手性与自旋极化的相互转换产生自旋流是近年来自旋电子学领域的研究热点，相关现象被称之为“手性诱导自旋选择性”（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）。CISS在自旋电子学器件中具有潜在的应用价值和丰富的物理内涵，但是手性与自旋极化相互转换的微观机理一直是激烈争论的科学问题。佛罗里达州立大学熊鹏教授团队与中国科学院半导体研究所赵建华研究员团队合作，以“磁性半导体/手性分子/非磁性金属”为核心构建自旋阀器件（图1），系统研究了具有不同自旋轨道耦合强度的金属电极对器件磁电导的影响，揭示了手性与电子自旋极化的转换机理。具体而言，当非磁性金属为具有强自旋轨道相互作用的Au电极时，能观察到显著的类自旋阀信号；而当非磁性金属为Al电极时，类自旋阀信号则减小了约一个数量级（图2）。魏茨曼科学研究所颜丙海教授从理论上指出，手性分子的结构不对称性使得电子产生轨道极化，而具有强自旋轨道耦合的非磁性金属电极进一步将电子的轨道极化转换为电子的自旋极化。在此基础上，该合作团队发展出一个势垒可调的隧穿模型，很好地对实验数据进行了定量解释。值得指出的是，高质量的磁性半导体(Ga,Mn)As薄膜在这项工作中发挥了关键作用。实际上，前期的类似工作未能给出令人信服的实验数据，其主要原因在于自组装的手性分子隧穿势垒层不可避免地存在孔洞等缺陷，从而导致“磁性金属/手性分子/金属”自旋阀器件短路失效。而在分子和金属电极间加一层薄的氧化绝缘层的方法又会增加器件本身的复杂性。将磁性金属换成磁性半导体(Ga,Mn)As，由于金属/半导体肖特基势垒的存在，上述问题得到了有效解决。此外，(Ga,Mn)As可以通过应变将其调控为垂直各向异性材料，为观测到清晰可靠的自旋阀信号提供了保障。该工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”为题近日发表于Nature Communications。佛罗里达州立大学Yuwaraj Adhikari博士生和柳天寒博士为论文的共同第一作者，半导体所赵建华研究员、魏茨曼科学研究所颜丙海教授和佛罗里达州立大学熊鹏教授为共同通讯作者，半导体所王海龙副研究员也为本工作做出重要贡献。这项工作建立在该合作团队前期构建“手性分子/半导体”自旋阀器件的基础上。他们通过系统研究自旋阀信号对电流和电压的依赖行为，为建立合理的物理模型提供了实验基础。相关工作以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”为题发表于ACS NANO14, 15983 (2020)。上述工作得到了科技部、中国科学院和国家自然科学基金委的项目经费资助。图1 (a) 手性分子产生电子自旋极化的机理示意图。(b,c) 垂直自旋阀的器件结构示意图和扫描电镜图。图2 非磁性金属为 (a) Au和 (b) Al 对应的类自旋阀信号。

中国科大郭光灿院士团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人与匈牙利魏格纳物理研究中心Adam Gali教授合作，在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。这是继金刚石氮空位（NV）色心后第二种在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子发光亮度的固态色心，该成果对发展基于碳化硅这种成熟半导体材料的量子信息技术具有重要意义。该成果于2021年7月5日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）杂志上。固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台，金刚石NV色心是其突出的代表。自从1997年德国研究团队报道了室温下单个金刚石NV色心的探测以来，金刚石NV色心在量子计算、量子网络和量子传感等方面都取得了重要进展。近年来，为了利用更加成熟的材料加工技术和器件集成工艺，人们开始关注其他半导体材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一个硅原子）和双空位色心（缺失一个硅原子和一个近邻碳原子），因其优异的光学和自旋性质引起了人们广泛的兴趣。其中室温下单个硅空位色心的相干操控虽然已经实现，但其自旋读出对比度只有2%，而且天然块状碳化硅材料中单个硅空位色心的单光子发光亮度每秒仅有10 k个计数，如此低的自旋读出对比度和单光子发光亮度极大的限制了其在室温下的实际应用。而室温下单个双空位色心的相干操控还未见报道。李传锋、许金时研究组利用之前所发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术[ACS Photonics 6, 1736-1743 (2019) PRL 124, 223601(2020)]制备了双空位色心阵列。进一步利用光探测磁共振技术在室温下实现单个双空位色心的自旋相干操控，并发现其中一类双空位色心（称为PL6）的自旋读出对比度为30%，而且单光子发光亮度每秒可达150k个计数。这两项重要指标相比碳化硅中硅空位色心均提升了一个数量级，第一次展现了碳化硅自旋色心在室温下具有与金刚石NV色心相媲美的优良性质，并且单色心电子自旋在室温下的相干时间长达23微秒。研究团队还实现了碳化硅色心中单个电子自旋与近邻核自旋的耦合与探测，为下一步构建基于碳化硅自旋色心体系的室温固态量子存储与可扩展的固态量子网络奠定基础。实验结果图：室温下单个PL6色心的光学与自旋性质。（A）单色心阵列荧光成像图，橙色圈内为单个PL6色心；（B）单光子发光特性；（C）荧光饱和行为；（D）光探测磁共振（ODMR）谱；（E）Rabi振荡；（F）自旋相干时间。由于高读出对比度和高单光子发光亮度在量子信息的许多应用中至关重要，该成果为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。审稿人高度评价该工作：“该论文的发现解决了碳化硅色心量子技术应用中的一个关键问题，该发现将会立即促进许多工作的发展（The discovery reported in this paper addresses a key issue in the quantum technology applications of color centers inSiC. The discovery will stimulate many works immediately）”；“其中一些结果，例如对一些色心30%的读出对比度是相当了不起的（Some of these results such as the 30% readout contrast from some of the centers are quite remarkable）”。中科院量子信息重点实验室博士后李强、王俊峰副研究员为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和中国科学技术大学的资助。李强得到博士后创新人才支持计划的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab122

成果简报基于量子特性，电子自旋传感器具有高灵敏度，可以广泛应用于探测各种物理化学性质，如电场、磁场、分子或蛋白质动力学以及核或其他粒子等。这些独特的优势和潜在应用场景，使基于自旋的传感器成为当前热点的研究方向。Sc3C2@C80具有由碳笼保护的高度稳定的电子自旋，适用于多孔材料内的气体吸附检测。Py-COF是一种最近出现的具有独特吸附性能的多孔有机框架材料，它使用具有甲酰基和氨基的自缩合构建块制备，其理论孔径为1.38 nm。因此，一种金属富勒烯Sc3C2@C80单元（尺寸约0.8 nm）可以进入Py-COF的一个纳米孔。中国科学院化学研究所王太山研究员开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。将顺磁性金属富勒烯，Sc3C2@C80嵌入基于芘基的共价有机框架(Py-COF)的纳米孔中。使用EPR技术(国仪量子EPR200-Plus)记录嵌入Sc3C2@C80自旋探针的Py-COF内吸附的N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8。研究表明，嵌入Sc3C2@C80的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。研究结果以“Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks”为题，发表在Nature Communications上。利用 Sc3C2@C80 的分子自旋探测 Py-COF 的气体吸附性能在研究中，作者使用一种具有顺磁性金属富勒烯，Sc3C2@C80(尺寸约0.8 nm)作为自旋探针嵌入到基于芘基的COF(Py-COF)的一个纳米孔，检测Py-COF内的气体吸附。然后，通过记录嵌入的Sc3C2@C80 EPR信号，研究了Py-COF对N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8气体的吸附性能。研究表明，Sc3C2@C80的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。并且与传统的吸附等温线测量不同，这种可植入的纳米自旋传感器可以通过原位实时监测来探测气体的吸附和解吸。所提出的纳米自旋传感器还用于探测金属-有机框架(MOF-177)的气体吸附性能，证明了其多功能性。气体吸附性能与EPR信号的关系气压对EPR信号的影响EPR信号线宽分析用Sc3C2@C80的分子自旋法探讨MOF-177的气体吸附过程摘要Nature Communications：嵌入式纳米自旋传感器用于原位探测多孔有机框架内气体吸附Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks. Nature Communications (2023)自旋传感器因其高灵敏度而备受关注。在此，我们开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。为此，我们选择了顺磁性金属富勒烯Sc3C2@C80，并将其嵌入芘基共价有机框架（Py-COF）的纳米孔中。使用电子顺磁共振波谱（EPR）技术检测了Sc3C2@C80在Py-COF中吸附N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8后的信号。结果表明，嵌入Sc3C2@C80后EPR信号有规律变化，这与Py-COF的气体吸附性能有关。与传统的吸附等温线测量方法不同，这种植入式纳米自旋传感器可以对气体的吸附和解吸进行原位实时监测。所提出的纳米自旋传感器还被用于探测金属有机框架(MOF-177)的气体吸附性能、证明了它的多功能性。因此，该纳米自旋传感器适用于量子传感和精密测量。国仪量子EPR用户奖励政策细则1.IF 提及国仪量子仪器型号的方法：要求在实验方法中提及仪器品牌型号：国仪量子EPR200-Plus，国仪量子EPR200M等，英文参考如下：Electron paramagnetic resonance spectroscopy spectra were measured on Chinainstru&Quantumtech (Hefei) EPR200-Plus with continues-wave X band frequency.奖励实施流程：1.用户申请：需为测试申请者及文章作者，直接联系CIQTEK应用中心应用专家、登录CIQTEK官方网址http://www.ciqtek.com、拨打CIQTEK官方服务热线400-0606-976；2.资格审核：身份审核、对相应文章发表情况、提及仪器情况及影响因子进行审核（提供相应证明：发表论文的接收函及论文原文，或已发表论文的网上版本链接）；3.审核通过后由公司统一发放奖励，发放形式协商确定。奖励申请说明：1.奖励后我司内部备注，每篇文章原则上只奖励一次；2.作品获得奖励后，即默认为作者授权主办方可以使用作者名及成果名称进行宣传推广活动，包括但不限于媒体宣传、现场展示、网络推广等；3.本政策有效期自2023年6月30日至2023年12月31日（如有变化会另行通知）；4.本奖励政策最终解释权归国仪量子（合肥）技术有限公司所有。国仪量子电子顺磁共振波谱仪近年来，国家大力支持国产高端科学仪器发展，推进高水平科技成果自立自强，国产高端科学仪器迎来了长足进步。国仪量子电子顺磁共振波谱仪为直接检测顺磁性物质提供了一种非破坏性的分析方法。可研究磁性分子、过渡金属离子、稀土离子、离子团簇、掺杂材料、缺陷材料、自由基、金属蛋白等含有未成对电子物质的组成、结构以及动力学等信息，能够提供原位和无损的电子自旋、轨道和原子核等微观尺度的信息。在物理、化学、生物、材料、工业等领域具有广泛的应用。国仪量子EPR系列

p 　　近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员孙向南和西班牙巴斯克纳米科学中心教授Hueso等合作，在分子自旋电子学研究方面取得重要进展，提出并报道了全新的分子自旋光伏器件。相关研究成果于8月18日在《科学》(Science)杂志在线发表，并已申请国家发明专利(申请号:201611011759.5)。 br/ /p p 　　分子半导体材料由于具有丰富的光电性质，被广泛应用于分子电子器件的研究中，如光伏电池、发光二极管和场效应晶体管等。此外，由于分子材料较弱的自旋轨道耦合作用，其自旋弛豫时间可以达到毫秒级，使之成为极具吸引力的自旋输运材料。将分子半导体材料丰富的光电性质与优异的自旋输运性质有效结合，是探索构建全新功能性分子自旋电子器件，并实现分子自旋电子学研究领域突破的新途径。 /p p 　　分子自旋光伏器件(MSP)是基于自旋阀器件结构和富勒烯(C60)分子材料构建的一种新型器件。该器件可在外部光、磁复合场作用下实现电子自旋和电荷输出信号的相互耦合，进而实现全新的器件功能，包括：磁场调控太阳能电池开路电压，室温下利用特定操控模式实现可控完全自旋极化电流输出、磁控交流电信号输出、磁控电池开关等。 /p p 　　MSP器件在自旋阀工作模式下，一个铁磁电极(Co)用于向C60半导体层中注入自旋极化载流子，另外一个铁磁电极(NiFe)用于自旋检出，自旋极化的载流子通过C60薄膜实现输运。在恒定偏压下，该器件输出电流随两个铁磁电极的相对磁化方向变化(即自旋阀效应)，受该效应影响的输出电流百分比称为磁电流(MC)。另外，MSP器件在7.5Mw/cm2白光照射下可观察到微弱的光伏效应。在短路的条件下，C60层中的光生载流子受内建电场的驱动扩散到两个铁磁电极产生输出电流，这些载流子因为通过磁性电极输出后在极短的时间内完全自旋弛豫，因此并不会产生自旋阀效应。该器件在开路时，外加电压将驱动电子从Co电极输运到NiFe电极实现电荷复合，因为C60优异的自旋输运性质，此时复合电流将会受自旋阀效应的影响。如上所述，MSP器件在光、磁复合场作用下，输出电流与复合电流相异的自旋相关性是实现全新自旋器件功能性的关键。 /p p 　　该研究提出的分子自旋光伏器件作为一种新型器件，在高灵敏度光、磁复合场传感器、单器件磁控电流转换器等方面具有潜在的应用价值，并且相较于传统的分子自旋阀，该器件获得相同磁电流响应信号的运行功率降低至1%以下。同时，该器件还可以应用于分子半导体材料自旋输运和自旋光电子学等研究领域的探索中。 /p p 　　孙向南为文章第一作者，Hueso为通讯作者，国家纳米科学中心为第一完成单位。该工作得到了中科院“率先行动”百人计划、国家自然科学基金委面上项目和科技部重点研发计划的资助。(来源：中国科学院国家纳米科学中心) /p p 　　 a href=" http://science.sciencemag.org/content/357/6352/677" target=" _self" title=" " 论文链接 /a /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/noimg/1aa584a7-5115-423c-9fd4-a5ada8709ab2.jpg" title=" 1.png" width=" 532" height=" 253" style=" width: 532px height: 253px " / /p p style=" text-align: center " 分子自旋光伏器件示意图 /p p br/ /p

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振的一种方案是通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，但这会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，从而降低自旋量子比特的退相干时间，同时降低自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基自旋量子比特单元的二维扩展。另一种有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。硅基锗量子点中的空穴载流子处于P轨道态，因而天然具有较强的本征自旋轨道耦合效应和较弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，仅通过单个交变电场即可实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子比特单元的二维扩展。鉴于此，近几年硅基锗空穴体系中的自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为该领域关注的热点。自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率及比特初始化与读取的保真度。因此，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是实现高保真度自旋量子比特的首要任务。研究组在2021年首次在硅基锗量子线空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择共振谱中所展示的不同自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献来自于该体系的强自旋轨道耦合效应（超短的自旋轨道耦合长度）。研究结果表明硅基锗空穴自旋量子比特是实现全电控量子比特操控与扩展的重要候选体系，为实现硅基半导体量子计算奠定了重要研究基础。图1. (a)硅基锗量子线空穴双量子点和自旋比特操控示意图，(b)自旋比特翻转速率随微波功率增加而增加， (c)微波功率为9dBm时，自旋比特操控速率可达542MHz。中科院量子信息重点实验室博士后王柯和博士研究生徐刚（已毕业）为论文共同第一作者。中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员和中科院物理所张建军研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

p 　　近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员孙向南和西班牙巴斯克纳米科学中心教授Hueso等合作，在分子自旋电子学研究方面取得重要进展，提出并报道了全新的分子自旋光伏器件。相关研究成果于8月18日在《科学》(Science)杂志在线发表，并已申请国家发明专利(申请号:201611011759.5)。 /p p 　　分子半导体材料由于具有丰富的光电性质，被广泛应用于分子电子器件的研究中，如光伏电池、发光二极管和场效应晶体管等。此外，由于分子材料较弱的自旋轨道耦合作用，其自旋弛豫时间可以达到毫秒级，使之成为极具吸引力的自旋输运材料。将分子半导体材料丰富的光电性质与优异的自旋输运性质有效结合，是探索构建全新功能性分子自旋电子器件，并实现分子自旋电子学研究领域突破的新途径。 /p p 　　分子自旋光伏器件(MSP)是基于自旋阀器件结构和富勒烯(C sub 60 /sub )分子材料构建的一种新型器件。该器件可在外部光、磁复合场作用下实现电子自旋和电荷输出信号的相互耦合，进而实现全新的器件功能，包括：磁场调控太阳能电池开路电压，室温下利用特定操控模式实现可控完全自旋极化电流输出、磁控交流电信号输出、磁控电池开关等。 /p p 　　MSP器件在自旋阀工作模式下，一个铁磁电极(Co)用于向C sub 60 /sub 半导体层中注入自旋极化载流子，另外一个铁磁电极(NiFe)用于自旋检出，自旋极化的载流子通过C sub 60 /sub 薄膜实现输运。在恒定偏压下，该器件输出电流随两个铁磁电极的相对磁化方向变化(即自旋阀效应)，受该效应影响的输出电流百分比称为磁电流(MC)。另外，MSP器件在7.5Mw/cm2白光照射下可观察到微弱的光伏效应。在短路的条件下，C sub 60 /sub 层中的光生载流子受内建电场的驱动扩散到两个铁磁电极产生输出电流，这些载流子因为通过磁性电极输出后在极短的时间内完全自旋弛豫，因此并不会产生自旋阀效应。该器件在开路时，外加电压将驱动电子从Co电极输运到NiFe电极实现电荷复合，因为C sub 60 /sub 优异的自旋输运性质，此时复合电流将会受自旋阀效应的影响。如上所述，MSP器件在光、磁复合场作用下，输出电流与复合电流相异的自旋相关性是实现全新自旋器件功能性的关键。 /p p 　　该研究提出的分子自旋光伏器件作为一种新型器件，在高灵敏度光、磁复合场传感器、单器件磁控电流转换器等方面具有潜在的应用价值，并且相较于传统的分子自旋阀，该器件获得相同磁电流响应信号的运行功率降低至1%以下。同时，该器件还可以应用于分子半导体材料自旋输运和自旋光电子学等研究领域的探索中。 /p p 　　孙向南为文章第一作者，Hueso为通讯作者，国家纳米科学中心为第一完成单位。该工作得到了中科院“率先行动”百人计划、国家自然科学基金委面上项目和科技部重点研发计划的资助。 /p p style=" text-align: center " img title=" W020170818634585794445.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/5d19d7fb-2aaa-4c75-80fe-e46866ef0a9f.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 分子自旋光伏器件示意图 /strong /p p br/ /p

全空域、全时域的无缝定位导航是未来定位导航产业的技术制高点。随着量子精密测量技术的快速发展，基于量子精密测量的陀螺及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势，将对无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。　　“十二五”863计划地球观测与导航技术领域主题项目“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪关键技术”由北京自动化控制设备研究所承担，项目研究开展一年半取得突破性进展。项目组攻克了核自旋-电子自旋耦合极化与检测等精密量子操控技术，完成了小型化磁共振气室、高效磁屏蔽等元件的精密设计与制造，并研制成功我国首个基于磁共振的原子自旋陀螺仪原理样机。样机零偏稳定性优于2° /h，成为世界上第二个掌握该技术的国家，与美国技术差距从10年缩小到7年。　　项目所取得的研究成果为进一步提高基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪的精度与集成度，为支撑我国量子导航领域的发展打下了坚实的技术基础。原子陀螺仪的技术突破使现有应用于高端装备的无缝定位导航系统的体积、质量、功耗、成本等下降约两个数量级，将应用于大众定位导航市场，可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。

1945年，物理学家Zavoisky首次提出了检测电子顺磁共振信号的实验方法，经过70多年的发展，电子顺磁共振（EPR）技术已经在物理学、化学、生物与医学等许多领域获得了越来越广泛的应用。我国的电子顺磁共振研究起步较早，卢嘉锡、裘祖文、徐元植等教授为该领域在我国的发展付出了巨大的努力。浙江大学徐元植教授从1960年开始从事电子顺磁共振波谱学研究，是我国在该领域研究的开拓者之一。为促进我国电子顺磁共振学科的发展，徐先生在浙江大学教育基金会设立顺磁共振发展专项奖励基金。华南理工大学自旋科技研究院的蒋尚达教授在使用电子顺磁共振技术研究磁性分子量子相干性方面做出了创新性的贡献，荣获2021年度“徐元植顺磁共振波谱学优秀青年奖”。近期，蒋尚达教授接受了仪器信息网的采访，分享了他的科研经历与科研成果，以及他利用电子顺磁共振仪器开展的一系列工作。远离“舒适圈” 填补知识空白蒋尚达在博士阶段主要从事单分子磁体合成方面的研究，但苦于缺乏先进的表征手段去研究磁性分子的电子结构，因此博士毕业后他并没有继续博士阶段更为熟悉的研究，而是选择门槛较高、难度更大的电子顺磁共振技术作为博士后的主要研究内容。蒋尚达就这样进入了顺磁共振研究的研究领域。蒋老师起初并不熟悉顺磁共振的相关知识，花费大量时间阅读基础书籍、查找原始文献，巩固基础知识，后来深入了解搭建EPR谱仪的基本原理和技术方案，再到使用商用顺磁共振仪器开展科学研究。从频域到场域再到时域顺磁共振，从“EPR小白”到“优秀青年专家”，顺磁共振的相关技术，蒋尚达都能够娓娓道来。而正是在理论知识足够扎实的基础上，才有了后面相对“平坦”的科研之路。但当他已经清晰掌握系综电子顺磁共振波的相关技术和研究范式之后，蒋尚达再次选择退出“舒适圈”，继续去探索新的研究方向：光探测单分子顺磁共振。蒋尚达提到，现在这个研究方向是基于几年的调研工作，经历了选定-推翻-再选定这样不断反复的过程最终选择出来的，创新的科研工作不会是凭空想出来的，是需要通过大量阅读文献、长期积累的过程。这无疑是一条艰难的道路，但对蒋尚达来说却是极具吸引力并充满乐趣的。九篇文章申基金 不靠数量靠深度当被问到自己引以为豪的科研成果时，蒋尚达戏称自己的文章少的可怜，但提到每篇文章都是自豪的语气。他分享了发表在npj Quantum Information上的工作，他和课题组成员使用脉冲激光将富勒烯分子激发至三线态，并在该三线态上制备了三能级叠加态，进而观测到新奇的量子相位干涉现象。蒋尚达说，这篇工作具有比较强的代表性，因为这是他们课题组在多能级磁性分子中观测到新奇物理现象的第一篇工作。与传统的量子比特不同，磁性分子往往具有更多的可调控能级，因此一个磁性分子的希尔伯特态空间也就更大，具有更多的量子相位，物理内涵也就更加丰富，量子拓展性更强，但其缺点是量子相干性较差。蒋尚达的研究团队提出化学分子的笼状结构保护方案可以很好的延长磁性分子的量子相干时间，比较典型的分子就是内嵌富勒烯。例如蒋尚达研究团队报道的Gd2@C79N分子的自旋基态为S=15/2，其相干时间可达5微秒，是可以观测到量子相干行为的最高自旋分子。此外，蒋尚达团队还搭建了五族元素内嵌富勒烯分子的合成和纯化装置，他们制备的N@C60分子浓度可达5000 ppm，相干时间在液氮温度下则有上百微秒，是目前报道的最长相干性的高自旋分子（S=3/2）。基于这类高自旋分子的较长量子相干时间，蒋尚达团队还发现了电子能级中的几何量子相位，并实现了具有纠错功能的量子算法演示。蒋尚达的研究成果可以用“少而精”来概括。今年3月，他参加国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金的结题答辩，专家对蒋尚达的研究工作评价很高，认为他的研究更加深入、透彻和系统。蒋尚达在该项课题中仅有9篇文章，但他提出的笼状结构保护磁性分子量子相干性的学术思想，以及高自旋分子拓展量子态空间的研究思路极具创新性。经过评审专家的考评，蒋尚达的优秀青年基金项目结题被评为优秀。蒋尚达说：“做基础研究的最大乐趣就是满足求知欲和好奇心。”把每一个课题都研究透彻，进行更深层次的挖掘，确保每一篇文章的产出都能够清晰地说明一个问题，而非单纯的追求发文速度与数量。当被问及科学研究的初心时，蒋尚达说：“我做科研的初心是为了填补科学认知的空白。”电子顺磁共振波谱仪是实验室里的“生命线”蒋尚达之前在北京大学工作时使用的是布鲁克E580电子顺磁共振波谱仪，现在来到了华南理工大学自旋科技研究院，又采购了一台E580，由于疫情原因暂未安装，对于课题组来说，电子顺磁工作波谱仪就是实验室里的“生命线”。“应该说，我们课题组是E580的重度使用客户”，蒋尚达在采访中这样说道。布鲁克的顺磁共振谱仪开发也有二十余年了，特别是脉冲式顺磁共振波谱仪，国内外的用户很多，这是比较成熟的商业化产品，设置的应用场景能够满足99%以上的用户对于仪器的使用。以E580为例，一个主要功能是进行电子-电子双共振实验，E580对于该类测试已经做的比较成熟了。但是对于蒋尚达而言，课题组研究则会更多的关注涉及商业产品之外一些其他的应用，例如外部脉冲电场的使用、复杂任意波形的应用、多频率、高带宽谐振腔的设计等等。蒋尚达提到，自己的团队对于仪器内部的功能已经非常的熟悉，当需要对仪器功能进行进一步开发时，常常会与布鲁克国内外的技术人员沟通，布鲁克的工作人员响应非常积极，在联系过程中双方建立了深厚的友谊。在交流过程中，布鲁克工作人员会深度详细地介绍仪器的拓展性，蒋尚达团队则基于这些介绍，对其进行新功能的开发。电子顺磁共振技术应用领域及未来发展前景电子顺磁共振技术在化学、材料、生命科学中的应用十分广泛：在无机化学反应领域，电子顺磁共振可以很好的研究研究产物微观电子态，南京大学王新平教授、大连化物所叶生发教授、国科大的李剑锋教授在该领域都有很好的研究成果；在有机化学领域，顺磁共振技术可以研究自由基的机理，武汉大学雷爱文教授在该方向有很好的成果；在材料科学中的应用，华东师范大学胡炳文教授开辟了很重要的方向，探究锂电池里氧化还原反应的机理；在生物领域，通常使用脉冲式电子顺磁共振研究生物大分子的构象，清华大学的方显杨教授做出了重要的研究；蒋尚达教授的研究方向也是基于脉冲电子顺磁共振技术的重要应用，即研究磁性分子作为电子自旋载体在量子信息科技中的应用。关于电子顺磁共振技术的未来发展，蒋尚达认为自旋微观态在化学反应和催化中的作用有较大的发展潜力，这涉及到原位电子顺磁共振波谱与超快光谱等的联用。蒋尚达认为，电子顺磁共振技术具有不可替代性和技术门槛较高的特点，尽管很多人需要该技术，但能够熟练使用该技术的科学工作者较少。华南理工大学自旋科技研究院就是一个具有交叉学科背景的新型科研创新平台，成立于2021年。研究院以磁性分子为主要研究对象，探索自旋相关的化学反应和物理效应，突破单分子自旋操控和读出技术，发展自旋相关量子材料和器件，开发相关分子诊疗技术与药物。研究院涵盖自旋化学、自旋操控、自旋材料与器材、自旋生物医学等多个研究方向，旨在解决自旋国际科学前沿的重大科学问题，研发自旋关键技术，建设国际自旋创新交流平台。后记：蒋尚达要求学生在选择的研究领域中理解应当力求深刻，只有在自己的小方向上的认知超过了导师才算一名合格的研究生。对待每一个学生，课题团队都会对学生进行非常详细地仪器培训，要求学生们在较高的科学素养基础上，了解研究的目的，清楚实验设置的含义，预设有可能出现的问题以及对应的解决方案。蒋尚达分析道：对待在研究上没有锐气的学生，应当给予鼓励和帮助，和他共同解决困难，找到新的方向；对待相对浮躁的学生，则应要求他做充分的文献调研，将不断涌出的新想法成熟化。蒋尚达说：学生应当打好基础，切忌盲目追求热点，务必要把研究做得更有深度！

p style=" text-align: justify " span style=" text-align: center " 　　单量子态的探测 /span span style=" text-align: center " 与 /span span style=" text-align: center " 调控 /span span style=" text-align: center " 及分子尺度的成像技术是精密谱学仪器发展的重要方向。随着对磁探测技术的深入探索，国仪量子公司生产研发的量子钻石单自旋谱仪，基于掺杂金刚石中的氮-空位体系的谱学技术，具有超高的磁探测本领，在物理、化学、生物、材料、医学等不同的学科具有广泛而重要的应用前景 /span sup style=" text-align: center " [1-11] /sup span style=" text-align: center " 。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 355px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/725600d0-5eee-420d-a2d4-fb3d0cc6a79e.jpg" title=" 微信图片_20191128151302.png" alt=" 微信图片_20191128151302.png" width=" 500" height=" 355" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图1 各种测磁技术的指标对比 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　自旋磁共振技术是目前为止发展最为成熟、应用最广泛的传统技术之一。磁探测相关谱仪具有悠久的发展历史，而实现磁共振探测也具有不同的方法，并且有各自的优缺点。图1直观的展示了霍尔传感器、SQUID探测器和自旋磁共振等几种通用技术手段在灵敏度和分辨率上的分布 sup [12] /sup ，相较传统的测磁技术，基于金刚石的磁共振方法在这两个核心指标上都有较大的提升，这为我们研发量子钻石单自旋谱仪提供了有力参考。 /p p style=" text-align: justify " 　　20世纪50年代，霍尔传感器已经在实验室磁场测量中普遍使用，这类探测器是基于霍尔效应对外界磁场直接测量 sup [13] /sup 。当磁场方向与回路中电流方向不同时，由于洛伦兹力的作用，导体内的电子发生偏转而产生电势差，通过电势差来直接测量磁场大小。磁场探头主要有由半导体晶体组成，能够被制成单片集成电路，抗震性好，易于使用，但是精度不够。 /p p style=" text-align: justify " 　　超导量子干涉仪(SQUID)是基于约瑟夫森结的磁通传感器 sup [14] /sup ，利用约瑟夫森结两端的电压随闭合环路中外界磁通量的变化，可以测量微弱的磁信号。20世纪60年代，Robert 等人研制成功了SQUID。此类测磁技术磁探测灵敏度较高，但是仪器需要在低温环境下工作，且价格昂贵。 /p p style=" text-align: justify " 　　基于钻石体系的微观磁探测是新兴的磁共振探测方法。该技术结合了光探测磁共振技术(ODMR)和金刚石中氮-空位(NV)色心的点缺陷，其工作原理是将NV色心制备成量子干涉仪，利用双共振技术实现高灵敏高空间分辨的磁信号探测。这种技术不需要低温及高真空极端化学条件下就可以正常工作，相比前面几种测磁技术，其具有更高的商业应用价值。 /p p style=" text-align: justify " 　　对磁场进行高分辨率、高灵敏度的测量在工程技术领域有着重要的价值。当前已有的探测手段已经不能满足微观磁共振对高分辨率、高灵敏度技术发展的需要，例如在微观尺度的成像方面，原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)等技术空间分辨率和探针尺寸相当，因此，要实现高空间分辨率，单原子是最佳的选择，而利用量子干涉仪，将弱磁信号转化成相位，可以实现高灵敏度的磁信号探测。 /p p style=" text-align: justify " 　　根据文献报道，NV色心单自旋体系空间分辨率可达5 nm以下 sup [15] /sup ，测磁灵敏度最高能达到 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b52f8ecb-6013-43a0-8446-a5fe7839d92e.jpg" title=" 微信图片_20191128144820.png" alt=" 微信图片_20191128144820.png" width=" 66" height=" 24" border=" 0" vspace=" 0" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% width: 66px height: 24px " / sup style=" text-align: center " [16] /sup span style=" text-align: center " ，这使得NV色心体系成为高分辨磁探测的有力候选者。由于金刚石NV色心室温下相干时间可以长达ms量级，可以被定位至小于10 nm的精度，电子自旋对外界磁场非常灵敏，以及NV色心与样品之间距离可以小于5nm等优点，因此，NV色心可以做成一种非常强大的单量子传感器。 /span /p p style=" text-align: justify " 　　NV色心具有多电子态能级结构 sup [17] /sup ，处于激发态能级的NV色心有两个竞争的退激发路径：自发辐射跃迁回到基态及系间穿越弛豫到基态。而这两条反应路径的发生概率取决于NV色心基态的自旋状态，因此可以通过收集荧光信号读出自旋态m sub s /sub = 0的概率，并且通过光共振激发能够对NV色心进行初始化。更为重要的是，当电子自旋处在叠加态时，在外界磁场下的动力学演化会积累相对相位，如此便将收集的荧光信号和磁场大小关联起来。 /p p style=" text-align: justify " 　　2008年，Lukin研究组和Wrachtrup研究组几乎同时发现了NV色心具有优良的磁场感应能力，提出NV色心体系可用于高分辨率高灵敏度的磁测量 sup [18-19] /sup 。2012年，Wrachtrup 等人实验验证了单核自旋探测的原理性 sup [20] /sup 。2013年，文献报道了利用金刚石NV色心作为探针对有机样品质子探测，实现了5 nm的微观核磁共振 sup [21] /sup 。因此，金刚石NV色心单自旋体系在传感和探测的应用逐渐发展来，作为磁探测史上的新兴技术具有现实可行性，研制相关的谱学仪器迫在眉睫。 /p p style=" text-align: justify " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 396px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/55ebdb4f-651f-44ed-8124-c24c35fa1570.jpg" title=" 微信图片_20191128143746.png" alt=" 微信图片_20191128143746.png" width=" 600" height=" 396" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图2 商业化仪器现状 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　图2所示，市场上全球领先的技术公司，像布鲁克、西门子、飞利浦等研发生产的相关磁共振产品均基于传统磁共振技术，例如NMR(核磁共振)、EPR(电子顺磁共振)、MRI (核共振成像)等磁共振谱仪。然而，基于钻石NV单自旋体系为原理的磁共振谱仪，市场上还未有商业化仪器出现。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 292px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b08c92c0-2b61-46eb-a956-fa8a45c29f38.jpg" title=" 微信图片_20191128153605.png" alt=" 微信图片_20191128153605.png" width=" 400" height=" 292" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 量子钻石单自旋谱仪实物图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　目前，国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术，并具备成熟的制造工艺，成功研制了量子钻石单自旋谱仪，谱仪实物图外貌如图3所示。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位(NV色心)发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，谱仪具有以下特点: /p p style=" text-align: justify " 　　1. 初态是量子纯态，易于初始化、操控和读出 NV色心的基电子自旋态可以通过光跃迁进行量子态的初始化和读出，利用微波进行量子态的操控。 /p p style=" text-align: justify " 　　2. 自旋量子相干时间长,长相干时间能够保证较长的相干操控及光信号积累。 /p p style=" text-align: justify " 　　3. 超高灵敏度与超高分辨率 由于NV色心的光学性质及其电子波函数特性，制备的单量子干涉仪测量磁场灵敏度可达10 sup -9 /sup T量级，NV色心系综甚至达到了10 sup -13 /sup T量级，其磁场测量空间分辨率可达到亚纳米。 /p p style=" text-align: justify " 　　4. 可以在室温大气条件下运行，对于生物样品有良好的兼容性。 /p p style=" text-align: justify " 　　5. 具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50 ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。图4为装置拓扑图，谱仪配套了高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 321px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/6186f9ed-0f30-44b0-94bc-2c7f5e4d919d.jpg" title=" 微信图片_20191128143903.png" alt=" 微信图片_20191128143903.png" width=" 500" height=" 321" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图4 仪器系统架构示意图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　国仪量子研发团队同时具有完善的高品质金刚石探针制备工艺，可以自主制备长相干时间、高稳定度的金刚石探针，能够达到比同类产品更高的技术指标。 /p p style=" text-align: justify " 　　基于以上NV固态体系的各种优势，此技术已在量子计算、磁探测、电探测及生物探测有较为成熟的应用。在量子计算领域，NV色心可以作为非常好的量子信息存储和调控的室温固体单自旋材料 sup [1-5] /sup 。例如利用NV色心体系，演示了D-J算法，大数分解算法等，为计算效率的提高带来极大帮助。在精密测量领域，基于金刚石氮-空位色心的精密测量技术，能够实现对电场、磁场、温度、应力等物理量的精密测量，并且赋能于科研、教育、能源、安全、健康、工业等各行各业。例如在生物医学领域，对活体细胞磁场 sup [6] /sup 、温度探测 sup [7] /sup ，以及对神经单元电位探测 sup [8] /sup 等 在材料科学领域，利用ODMR技术实现对不同材料光学性质和几何结构的研究 sup [9-11] /sup 。 /p p style=" text-align: justify " 　　金刚石NV色心为核心的量子钻石单自旋谱仪在磁探测领域崭露头角，满足未来磁共振成像对高分辨率高灵敏度的商业化需求。随着微纳加工技术的发展、谱仪性能的进一步提升，越来越多学科交叉领域的相关应用得到深入挖掘。相信不久的未来NV色心的量子精密测量技术将在国内外得到大范围的推广，前景令人期待。 /p p strong 　　参考文献： /strong /p p style=" margin-top: 5px margin-bottom: 5px text-align: justify " span style=" font-size: 12px " 　　[1] Rong, X., J. Geng, F. Shi, Y. Liu, K. Xu, W. Ma, F. Kong, Z. Jiang, Y. Wu and J. Du (2015). & quot Experimental fault-tolerant universal quantum gates with solid-state spins under ambient conditions.& quot Nature Communications 6. /span /p p style=" margin-top: 5px margin-bottom: 5px text-align: justify " span style=" font-size: 12px " 　　[2] Waldherr, Gerald, et al. & quot Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register.& quot Nature 506.7487 (2014): 204. /span /p p style=" margin-top: 5px margin-bottom: 5px text-align: justify " span style=" font-size: 12px " 　　[3] Xu, Kebiao, et al. & quot Experimental adiabatic quantum factorization under ambient conditions based on a solid-state single spin system.& quot Physical review letters 118.13 (2017): 130504. /span /p p style=" margin-top: 5px margin-bottom: 5px text-align: justify " span style=" font-size: 12px " 　　[4] Lai, Y.-Y., G.-D. Lin, J. Twamley and H.-S. 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电子顺磁共振 (Electron Paramagnetic Resonance， EPR) 波谱技术是一种研究含有未成对电子物质的结构，动力学以及空间分布的谱学方法，能够提供原位和无损的电子自旋、轨道和原子核等微观尺度的信息。当含有未成对电子的物质置于静磁场中时，如果对样品施加一定频率的电磁波信号，会观测到物质对电磁波能量的发射或者吸收。通过对电磁波信号的变化规律进行分析，可以简析出电子以及其周围环境的特性，从而可以进行物质结构的分析以及其他应用。电子顺磁共振可以用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息。含有未成对电子的物质分布广泛，如孤立单原子、导体、磁性分子、过渡金属离子、稀土离子、离子团簇、掺杂材料、缺陷材料、生物自由基、金属蛋白等；许多物质本身不含有未成对电子，在受到光激发后也会产生未成对电子。因此电子顺磁共振(EPR)技术广泛应用于物理、化学、生物、地质、考古、材料科学、医药科学和工业等重要领域。产品特点：产品参数：欢迎下载样本了解更多产品信息。创新点：1.微波脉冲时间分辨率达50 ps，提高了脉冲模式下的谱线分辨率；高性能固态功率放大器：500 W输出功率，高相位稳定性；不限脉冲个数的序列发生器，适用于极多脉冲的动力学去偶技术。 2.功能综合，适用于通用的连续波和脉冲EPR测量，实验场景多样化，满足光照、低温、转角等实验需求。 3.自带的EPR-Pro是国仪量子电子顺磁共振谱仪的上位机操作软件，提供快捷的实验操作流程和科学的数据分析功能。 电子自旋磁共振能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息，广泛应用于量子计算、自由基研究、材料科学、生物结构分析等领域。 脉冲式电子顺磁共振谱仪

近日，上海科技大学物质科学与技术学院陆卫教授课题组在光子-磁子相互作用及强耦合调控方向取得重要进展。研究团队首次在铁磁绝缘体单晶中发现了一种全新的磁共振，命名为光诱导磁子态，此项发现为磁子电子学和量子磁学的研究打开了全新的维度。研究中揭示的新型磁子强耦合物态，能极大改变铁磁单晶的电磁特性，为光子与磁子的纠缠提供新的思路，这对推动磁子在微波工程和量子信息处理中的应用具有重要作用。该成果发表于物理学领域旗舰期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。 　　芯片的研发主要遵循着摩尔定律，即每18个月到两年间，芯片的性能会翻一倍。然而，随着人类社会逐渐步入后摩尔时代，一味降低芯片制程受到了“极限挑战”。处理器性能翻倍的时间延长，“狂飙”的发展势头遇到了技术瓶颈。在市场需求驱动下，人们迫切需要“新鲜血液”的注入，来激活低功耗、高集成化、高信息密度信息处理载体的出路。基于磁性材料发展建立的自旋电子学以及磁子电子学发展迅猛，为突破上述限制提供了出路。 　　宏观磁性的起源主要是材料中未配对的电子。电子有两个基本属性：电荷与自旋。前者是所有电子器件操控的对象。利用电子电荷属性发展的微电子器件，已经引发了信息产业的革命。 　　然而，面对难以抑制的欧姆损耗，以及信息产业对更高密度存储和先进量子计算的渴求，人们迫切希望进一步利用电子自旋作为信息载体，发展自旋电子学器件，进而继续推动信息技术的发展。 　　尤其是磁性绝缘体中的自旋，它们能够完全避免传导电子的欧姆损失，充分发挥自旋长寿命、低耗散的优势，因此对于开发自旋电子学器件意义重大。 　　磁子态是电子自旋应用中的核心概念，它是磁性材料中的自旋集体激发。它不仅可以高效传递自旋流，还可以与不同的物理体系，例如声子、光子、电子等，发生相互作用，进而重塑材料的声光电磁等物性。 　　此外，磁子还可以与超导量子比特相互作用，在量子信息技术中发挥重要作用。正是由于这些性质与应用潜力，近年来关于磁子的研究引起国际学界的高度关注，磁子电子学、量子磁电子学等新兴领域相继诞生。 　　铁磁绝缘体单晶球中的磁子态，最早于1956年由美国物理学家Robert L. White和Irvin H. Slot Jr.在实验中发现。根据他们的实验结果，同一年L. R. Walker给出了磁性块体空间受限磁子态的数学描述，称为Walker modes。 　　在随后长达70年中，块体磁性材料中研究的磁子态几乎都属于Walker modes范畴。陆卫教授团队的发现突破了这一范畴，发掘了新的磁子态。在低磁场下，铁磁绝缘体单晶球在受到强微波激励时，内部的非饱和自旋会获得一定的协同性，产生一个与微波激励信号同频率振荡的自旋波(图(a))，该自旋波可被称为“光诱导磁子态(pump-induced magnon mode, PIM)”。 　　光诱导磁子态如同一种“暗”态，无法按传统探测方法直接观测，但可通过其与Walker modes强耦合产生的能级劈裂被间接观察到(图(b))。 　　光诱导磁子态的有效自旋数受激励微波调控，因此当改变激励微波的功率时，耦合劈裂的大小会按照功率四分之一次方的关系变化(图(c))，展现出和常规Autler-Townes劈裂不一样的功率依赖关系。 　　此外，研究团队还发现光诱导磁子态具有丰富的非线性，这种非线性会产生一种磁子频率梳(图(d))。相较于微波谐振电路中产生的频率梳，这一绝缘体中产生的新型频率梳不存在电子噪声，因此有望在信息技术中实现超低噪声的信号转换。图(a)光诱导磁子态原理示意图，(b)光诱导磁子态的强耦合色散图，(c)强耦合劈裂随微波激励功率的幂次关系， (d)光诱导磁子非线性效应引发的纯磁子频率梳 　　“常规磁子强耦合态依赖于谐振腔才能构建，当谐振腔换成开放器件，众所周知强耦合特征会悉数消失。我们则摆脱了这一依赖，通过外加微波诱导，即可产生磁子强耦合态。这样的开放边界下的耦合态有望像乐高一样有序组合，获得丰富的功能性。”团队负责人陆卫教授表示，“频率梳就像是一把游标卡尺，能够精准的测量频谱上的风吹草动。利用这个原理，光频梳在原子钟、超灵敏探测中展现了令人惊叹的精度。我们发现的频率梳在微波频段，这是雷达、通讯、信息无线传输使用的频段，可以预测我们的频率梳必然能在这些领域中发挥作用。” 　　本项研究工作由上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所和华中科技大学三家单位共同完成，上海科技大学为第一完成单位。论文第一作者是上科大物质学院助理研究员饶金威，通讯作者是上科大物质学院陆卫教授、中科院上海技物所姚碧霂副研究员和华中科技大学于涛教授。

生物启发脉冲神经网络架构有望通过模拟人脑的高算力、高并行度、低功耗等特性，解决冯诺依曼架构存储墙和能效瓶颈等问题。然而，面向构建脉冲神经网络的神经形态硬件的研究尚处于探索阶段，基于传统CMOS的神经形态芯片通常需要数十个晶体管和若干电容；基于新型存储器等新原理神经元器件亦需集成额外电容或复位操作电路，且耐久性受限，难以满足高频神经元器件的信息整合处理需求。自旋电子器件具有高能效、高耐久性及更丰富的物理特性，成为神经形态硬件开发最具潜质的载体之一。 　　近日，中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队基于合成反铁磁异质结构，通过界面工程有效调控磁畴壁动力学特性，在无需电容和复位电路的情况下实现了具有积累-泄露-放电-自复位特性的神经元器件及阵列。该团队提出并验证了体系焦耳热依赖的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida交换作用和内建磁场相互竞争驱动磁畴壁往复运动物理机制，有望实现高放电率(17 MHz)、低能耗(486 fJ/spike)神经元集成器件。该工作结合负微分电阻器件特性构建了“winner-takes-all”的神经元电路模块，提升了脉冲神经网络性能的同时可大幅降低网络功耗。该研究基于所开发的器件磁畴壁动力学物理模型模拟神经元行为特性，进一步构建了两层脉冲神经网络(兴奋性神经元+抑制性神经元layer)。这一体系架构对Modified National Institute of Standards and Technology(MNIST)手写数字集的基准识别率达到88.5%，为神经形态计算领域提供了硬件开发的新思路。 　　相关研究成果以Spintronic leaky-integrate-fire spiking neurons with self-reset and winner-takes-all for neuromorphic computing为题，在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上，并被选为“编辑亮点推荐工作”。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等的支持。　a、b：自旋电子神经元器件磁光显微镜磁-电输运测试与磁光克尔数据图像；c、神经元器件磁滞回线；d、磁光克尔与霍尔电压信号LIFT特性。

电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR)，或称电子自旋共振 (Electron Spin Resonance 简称ESR)，是研究电子自旋能级跃迁的一门学科，是直接检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质的现代分析方法。即将召开的第六届磁共振网络会议（iCMR2022）中的顺磁共振（EPR/ESR）专场，仪器信息网共邀请了四位来自不同高校及科研机构的专家，为大家深度解析顺磁共振技术及其应用。 （点击报名）清华大学高级工程师 杨海军《电子顺磁共振波谱仪6K超低温系统的自主研发和应用》 （点击报名）杨海军，博士，高工，北京理化分析测试技术学会波谱分会理事长。1994年至2011年先后在清华大学化学工程系和化学系分获工学学士、理学硕士和理学博士。长期致力于开发顺磁共振新技术和展开其在探究有机反应机理方面的研究，并在国产磁共振仪器应用推广方面展开工作。多次获得“清华大学实验室创新基金”资助，2019年获得全国电子顺磁波谱会“徐元植顺磁共振波谱学奖”优秀青年奖等。主持并参与国自然科学基金项目7项，发表SCI收录论文100余篇，参与编写著作1部，已经授权专利9项。论文它引2500余次，H Index为30。本次会议中，杨海军高工将就《电子顺磁共振波谱仪6K超低温系统的自主研发和应用》进行报告，分析相关研究的主要优势。中国科学院化学研究所项目研究员 李骥堃《半导体催化材料机理研究中的顺磁共振》 （点击报名）李骥堃于2008年在北京大学取得物理学学士学位，2014年在美国伊利诺伊大学香槟校区取得生物物理学博士学位，2015年至2020年在卡内基梅隆大学化学系从事博士后研究。主要应用各种和分子磁性质相关的波谱学，如电子顺磁共振（EPR）、穆斯堡尔（Mössbauer）,表征催化过程中的中间体，探究反应机理。相关工作发表科研论文与专著章节20余篇。2021年6月起在中国科学院化学研究所光化学实验室任项目研究员，主要研究方向为电子顺磁共振波谱学，及其在光催化与环境光化学中的应用。李骥堃研究员本次将就《半导体催化材料机理研究中的顺磁共振》进行报告。布鲁克（北京）科技有限公司EPR应用工程师 方勇《布鲁克顺磁共振新进展》 （点击报名）方勇毕业于南京大学化学化工学院，博士期间主要从事具有新颖结构及性质的(元素)有机双自由基物种的合成及表征，并负责课题组内一台布鲁克EMXplus电子顺磁共振波谱仪的常规测试、简单维护及谱图解析。2020年年底博士毕业以后，随即加入布鲁克担任EPR应用工程师一职，目前主要致力于向具有不同行业基础和学术背景的顺磁用户推广EPR的多方面应用，同时针对用户各异的研究需求协助提出基于顺磁共振的高效解决方案，助力于他们的研究工作和生产活动。方勇博士本次报告将介绍布鲁克顺磁共振近期在软硬件方面的一些技术革新和功能完善，主要包括具有提高谱图信噪比及时间分辨率优势的Rapid Scan-EPR技术，以及面向不同动态机制下的液体样品CW-EPR谱图的模拟/拟合的SpinFit Liquids软件模块，展示应用实例，进行功能说明。杭州师范大学副研究员 蒋敏《基于EPR的LMCT反应机理研究》 （点击报名）蒋敏，理学博士，硕士生导师。2007年毕业于北京化工大学，获理学学士学位， 2018年毕业于清华大学，获理学博士学位，导师为付华教授。2007年至2014年就职于清华大学分析测试中心磁共振实验室，负责电子顺磁共振、核磁共振等仪器的维护，谱图解析等。2018年8月至今，以副研究员身份加入杭州师范大学材料与化学化工学院。现阶段主要致力于利用顺磁共振探索反应机理，有机合成方法学，自由基化学，有机化学反应机理等方面的研究。相关文章发表在 J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem.Int.Ed., Org.Lett., Chem.Eur.J., J.Org.Chem., Chem.Commun., RSC Adv., Adv. Synth.Catal., Sci. Rep.,等期刊上。本次蒋敏研究员将深度解析《基于EPR的LMCT反应机理研究》。会议报名链接： https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/icmr2022/

来自美国麻省理工学院、加拿大渥太华大学等机构的科学家，利用一种名为三元碲铋矿（ternary tetradymite）的晶体材料研制出一种新型超薄晶体薄膜半导体。据介绍，这种“薄膜”厚度仅 100 纳米，其中电子的迁移速度约为传统半导体的 7 倍从而创下新纪录。这一成果有助科学家研发出新型高效电子设备。相关论文已经发表于《今日材料物理学》杂志。据介绍，这种“薄膜”主要是通过“分子束外延技术”精细控制分子束并“逐个原子”构建而来的材料。这种工艺可以制造出几乎没有缺陷的材料，从而实现更高的电子迁移率（即电子在电场作用下穿过材料的难易程度）。简单来说，当科学家向“薄膜”施加电流时，他们记录到了电子以 10000 cm² /V-s 的速度发生移动。相比之下，电子在“硅半导体”中的移动速度约为 1400 cm² /V-s，而在传统铜线中则要更慢。这种超高的电子迁移率意味着更好的导电性。这反过来又为更高效、更强大的电子设备铺平了道路，这些设备产生的热量更少，浪费的能量更少。研究人员将这种“薄膜”的特性比喻成“不会堵车的高速公路”，他们表示这种材料“对于更高效、更省电的电子设备至关重要，可以用更少的电力完成更多的工作”。科学家们表示，潜在的应用包括将“废热”转换成电能的可穿戴式热电设备，以及利用电子自旋而不是电荷来处理信息的“自旋电子”设备。科学家们通过将“薄膜”置于极寒磁场环境中来测量材料中的电子迁移率，然后通过对薄膜通电测量“量子振荡”。当然，这种材料即使只有微小的缺陷也会影响电子迁移率，因此科学家们希望通过改进薄膜的制备工艺来取得更好的结果。麻省理工学院物理学家 Jagadeesh Moodera 表示：“这表明，只要能够适当控制这些复杂系统，我们就可以实现巨大进步。我们正朝着正确的方向前进，我们将进一步研究、不断改进这种材料，希望使其变得更薄，并用于未来的自旋电子学和可穿戴式热电设备。”

2023年夏季（第八期）电子顺磁共振波谱高级研讨班开始报名会议背景作为波谱学的重要分支，电子自旋的直接表征工具，顺磁共振波谱学具有不可替代的重要作用。近年来，我国电子顺磁共振波谱学在物理、化学、材料科学、生命科学、医学和环境科学等研究领域，取得了许多令人瞩目的最新研究成果，并保持着良好的发展势头。为培养本领域高水平专业人才，中国科学技术大学、中国科学院微观磁共振重点实验室、中国科学院自主研制科学仪器应用示范中心、无锡量子感知研究所等单位，将于2023年7月21日–31日在无锡举办2023年夏季（第八期）电子顺磁共振波谱高级研讨班。诚挚邀请相关领域单位的科研人员和研究生参加培训和研讨。会议介绍为培养国内电子顺磁共振领域的专业后备人才，中国科学技术大学、中国科学院微观磁共振重点实验室已成功举办了7届电子顺磁共振波谱高级研讨班。一如既往，本届研讨班将由国内电子顺磁共振领域知名专家苏吉虎老师进行授课，研讨内容为EPR的基本原理、大量详实的实验范例、EPR谱图解析和模拟等，涵盖物理、化学、材料、生命科学和医学等学科，如过渡金属配合物的结构解析、化学合成、原位催化、高分子、磁性材料、自由基化学、自由基生物学和毒理学、自旋标记和俘获、生物催化、辐射医学等。本届研讨班将继续由国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科学院磁共振技术联盟、《波谱学杂志》协助承办，并获得同仁化学大力支持。培训教材学习资料以苏吉虎和杜江峰著的《电子顺磁共振波谱-原理与应用》（科学出版社，2022年3月出版）为主。本书是面向实验的EPR专著。全书立足于实验，强调谱图解析和归属及其所需基础知识，不拘泥于严格地数学推导，是一部基于电子自旋地物理、化学、生物、材料等学科交叉的专著。欢迎各位老师和同学，携带实验素材来共同探讨、共同学习、共同进步，享受解谱过程的茅塞顿开、豁然开朗的感受。培训内容授课安排根据实际进度而临机调节，内容含EPR基本概念、基本理论、应用范例、谱图解析和模拟、谱仪操作注意事项等。为保证学员能基本掌握EPR的理论和应用，在整个过程中，大量穿插各种EPR数据处理和模拟软件的学习和使用。此次培训全程是以Matlab 2019a或更新版本为平台的EPR谱图解析、模拟等。尚未有谱仪实际操作经验的老师和同学们，请提前一至两天到达，国仪将提供免费学习连续波和脉冲EPR的实际操作和学习，以更好的掌握学习进程。（需先自费前往合肥市国仪量子应用中心进行学习。请在报名表备注中填写是否提前实地学习，组委会将根据备注信息与您联系确认）7月21日（星期五）：报道，领取学习资料，Matlab安装及兼容性检查等7月22日（星期六）：引言，谱仪的原理、结构、操作，和学习EPR数据处理、模拟软件g张量初步 范例：根据未成对电子所占据的轨道，分成s、p、d、f四类，如p中心过氧自由基或者有机自由基、3d/4d过渡金属子EPR等7月23日（星期日）：上午：g张量，自由基、配合物等范例分析，和基于Matlab的模拟下午：集体个性化学习和讨论7月24日（星期一）：A张量范例：自由基、配合物、化学配位等分析，生物和有机合成中的自由基跟踪，化学反应中的磁性同位素效应7月25日（星期二）：A张量——自旋捕获专题下午：集体个性化学习和讨论7月26日（星期三）：D、J等与磁性有关的张量范例：应用EPR研究磁性材料的电子结构，无机顺磁中心与有机自由基间的磁性相互作用，光合作用原初电子传递，兼集体个性化学习连续波模式具体操作及注意事项7月27日（星期四）：连续波模式具体操作及注意事项 测试参数的优化脉冲EPR基本概念和主要应用7月28日（星期五）：EPR范例7月29日（星期六）：脉冲EPR基本概念和主要应用EPR范例7月30日（星期日）：上午脉冲EPR基本概念和主要应用下午：集体个性化学习和讨论7月31日（星期一）：学员返程滑动查看详细日程电脑配置请务必自带电脑，用于软件的学习和使用操作系统：Windows XP、7或10。为提高运行效率，请及时更新成固态硬盘，并预留至少足够的硬盘空间。Windows 8、10和苹果等，尚无法保证可运行学习所需的全部软件。如一定坚持使用，请自行检查软件的兼容性，但学习效果可能无法保证。a） Easyspin 5.2.35：支持Matlab各个版本；b） Kazan viewer 2.2.0：支持Matlab各个版本。以上两款软件是开源软件，在网络上均有下载；安装和试用，请参考课件《11 g、A、D等张量的解析和拟合》。时间地点一、具体授课时间：2023年7月22日至7月31日上午：8：30–12：00，下午14：30–18：30二、会议地点：无锡长广溪宾馆江苏省无锡市滨湖区太湖新城缘溪道1号(江南大学蠡湖校区西北门)无锡长广溪宾馆 江苏省无锡市滨湖区缘溪道1号三、住宿地点：无锡长广溪宾馆（可自行选择）酒店为参会学员提供协议价。单间/标间（双早）340元/晚；单间/标间（单早）310元/晚。报名事项扫描二维码，填写报名信息！注册费：3500元（含会务费、资料费等）。食宿自理，可代为联系住宿酒店。*注册费的转账支付，将根据报名情况，另行通知。报名时间：即日起可以报名。收到确认通知的报名者，请于7月21日缴纳现金（如需要转账的，请注明，在回执中会注明所转入的指定账户）。主办单位主办单位：中国科学技术大学、中国科学院微观磁共振重点实验室、中国科学院自主研制科学仪器应用示范中心、无锡量子感知研究所协办单位：国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科学院磁共振技术联盟、《波谱学杂志》*注：以上均为初步安排，若有不可抗拒因素临时调整，以第二轮通知为准。关注我，了解更多行业资讯

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 近日，国仪量子（合肥）技术有限公司在合肥高新区召开发布会，宣布国内首台脉冲式电子顺磁共振波谱仪诞生。该产品具有自主知识产权、填补国内空白，在微波脉冲产生、高精度时序控制器、任意波形发生器、探头设计等核心技术上达到国际领先水平，并在科研和产业等方面具有广泛应用前景。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 电子顺磁共振是当代重要的物质科学研究手段。对于自旋标记的生物分子样品，可通过顺磁共振技术获取分子的动力学、结构等重要信息。这些信息主要源于电子自旋的精细和超精细结构，它们均可以从顺磁共振谱中提取。国仪量子发布的国内首台脉冲式电子顺磁共振波谱仪，具有国际领先的微波脉冲产生技术，原创性的复杂脉冲调制功能，可实现多种复杂的脉冲实验，能产生500瓦高功率、高相位稳定性的微波脉冲，微波脉冲的时间分辨率为50皮秒。该产品具有个性化、可定制、易扩展、高集成度、高稳定性等特性，且具有灵活的波形产生和数据处理方式。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 科学仪器装置，被誉为“国之重器”。国仪量子源于中科大中科院微观磁共振重点实验室，是一家以量子精密测量为核心技术的高新技术企业，今年已获批国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项。该公司专注大型科学仪器平台的研制开发，发展全球领先的量子精密测量技术，瞄准突破极限指标的仪器，为各行各业物质科学研究提供尖端科学装置平台。 /p

2010年6月16日，巴西标准化协会(ABNT)发布两项新标准：ABNT NBR 15851:2010——电子顺磁共振波谱法(electron paramagnetic resonance spectrometry，EPR)检测含结晶糖的辐照食品 以及ABNT NBR 15852:2010——电子顺磁共振波谱法(electron paramagnetic resonance spectrometry，EPR)检测含骨肉类和鱼类辐照食品。 　　这两项标准给出了通过观察电子自旋共振谱检测辐照食品的电离辐射剂量的方法。标准由巴西标准化协会食品安全专项研究委员会(ABNT/CEE-104 Comissã o de Estudo Especial de Seguranç a de Alimentos)归口管理，自7月16日正式实施。

7月22日-31日，由中国科学院微观磁共振重点实验室和中国科学技术大学主办，国仪量子和中国科学院磁共振技术联盟协办的2021年夏季（第六期）电子顺磁共振波谱高级学术研讨班成功举行，来自全国各地30多所高校、科研院所和企事业单位的专家学者们参加了学习和研讨。作为波谱学的重要分支，电子自旋的直接表征工具，顺磁共振波谱学具有不可替代的重要作用。近年来，我国电子顺磁共振波谱学在物理、化学、材料科学、生命科学、医学和环境科学等研究领域取得许多瞩目最新研究成果，并保持着良好的发展势头。一如既往，本届研讨班由国内电子顺磁共振领域知名专家苏吉虎老师进行授课。苏吉虎老师是中国科学技术大学教授、博士生导师，主要从事电子顺磁共振在物理、生物、化学等领域的应用研究，并作为主要负责人，连续组织了2011-2020年的《全国电子顺磁共振波谱学学术研讨会》年度会议，具备丰富的教学经验。“电子顺磁共振波谱技术（以下简称EPR）是一个相对成熟的方法，这种方法曾经在国内得到比较好的发展，但改革开放以后因为各种原因造成了国内人才、学术交流等方面的断层，也导致了国内在这个领域的基础知识不够扎实，人才缺失等情况，因此开展该领域的学术交流及授课的工作也相对而言比较困难，不过目前这种现象已经得到了很大的改善。”苏吉虎表示，2010年以后，在中国科大的支持下，已连续举办了多年的学术会议，将这个领域带入一个新的高潮，经过10多年努力，国内电子顺磁共振波谱技术在应用、人才培养、学术交流、科研成果等方面都得到很大的提升，希望可以再经过10年的努力，通过学术会议、开设课程、人才培养、结合仪器的开发和推广，将该领域向前更推进一步！本次研讨课程内容包含EPR的基本原理、大量详实的实验范例、EPR谱图解析和模拟等，涵盖物理、化学、材料、生命科学和医学等学科，如过渡金属配合物的结构解析、化学合成、原位催化、高分子、磁性材料、自由基化学、自由基生物学和毒理学、自旋标记和俘获、生物催化等。研讨会期间，学员们除了学习最专业的EPR知识，还参观了国仪量子科学仪器应用中心，学习并操作国仪量子电子顺磁共振波谱仪。这种实践加理论的教学方式让学员们更加直观地感受到EPR技术的魅力，在课程结束后纷纷表示本次学习收获满满，期望能够为日后研究的开展提供指导意义。许多学员表示感受到了课程难度的同时，也推翻了之前错误的认知，有了许多新的设想，同时也对国产电子顺磁共振波谱仪发展之迅速由衷地赞叹。还有许多学员对此次国仪量子组织安排的会议服务感到非常暖心，让学员们找到了“回家”的感觉。 下面小编带您走入电子顺磁共振波谱高级学术研讨班课堂，一起来听听苏吉虎老师和学员们的感受吧！