1、芯片上的非线性波动力学
2、基于光学斯格明子的抗扰动整数运算
3、用于高效二次谐波产生的3R堆叠过渡金属二硫属化物非局域超表面
4、集成碳纳米管的电可调谐片上拓扑光子学
5、纳米超晶体到单层的热输运的反厚度依赖性
6、二维非晶材料的热传输
7、自旋气体中连续时间晶体与准晶体的观测
8、价态跃迁化合物 TmSe1-xTex中的极化子准粒子
1、芯片上的非线性波动力学
流体动力学在不同系统与尺度中展现出丰富而多样的非线性行为——从玻色–爱因斯坦凝聚体与细胞内传输过程，到地球物理流动乃至星际介质。近年来，这些流体动力学现象逐渐在微型化、片上系统中得到实现，如极化激元凝聚体、电子流体、超流涡旋流动以及微尺度混合器等，为以前所未有的精度探究非线性动力学开辟了新路径。在众多流体体系中，非线性浅水波尤为重要。它们支撑着一系列典型的自然现象——从海啸与潮汐激波到孤子、色散激波以及可积湍流。传统上，这些现象通常需要在长度可达数百米的大型波浪水槽中研究，但即便是最先进的实验设施，也难以再现自然界中极端强度的非线性行为。理论指出，非线性强度会随流体深度的减小而急剧增强。因此，尽管片上系统的尺寸极小，若采用超薄液膜，仍有望实现远超宏观水槽的非线性效应。然而，普通液体的高黏滞性会使得此类薄膜几乎无法流动；唯一的例外是超流氦——它在仅纳米级厚度下依然能够无耗散地流动。早在半个多世纪前，理论便预言超流氦中可能存在与浅水波相似的非线性波动。然而，由于这些波的振幅极小、时空尺度有限，长期以来未能被直接观测。
近日，澳大利亚昆士兰大学 Warwick P. Bowen 教授团队构建了一种微尺度超流氦波浪水槽，并利用纳米光子学腔体同时实现了波的激发与探测。该系统的流体非线性强度比传统地面水槽高出五个数量级，甚至超过海啸与极端潮汐所对应的非线性水平。借此，成功观测到完整的非线性波动谱系：从波形陡化到近乎不连续的冲击前缘，再到裂变成多达12个孤立波的孤子列。此外，实验还验证了长期理论预言的超流氦动力学特征，包括反向陡化与“热孤子”——其传播形态表现为液面下陷而非隆起。这种能够在可工程化的片上波浪水槽中进入极端流体动力学区间的能力，结合光机械相互作用、色散工程与毫秒量级的快速测量手段，为解决流体物理中长期悬而未决的问题、深化我们对复杂波动现象的理解，提供了前所未有的实验平台。相关内容发表于《Science》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1126/science.ady3042
2、基于光学斯格明子的抗扰动整数运算
近年来，结构光的发展使得能够生成光学斯格明子，其具有复杂的空间变化偏振场，并通过整数拓扑数携带信息。光学斯格明子具备三大关键特性：可与数字信息直接对应的离散拓扑数、对扰动的鲁棒性，以及在单一光场中存储任意大整数的潜力，使其成为高密度数据传输的理想载体。这些特性同样使其成为光子计算的天然候选，其整数拓扑数为突破传统比特框架的数字光计算提供了新途径。相比主要依赖振幅、相位或波长调制的光计算方式，斯格明子的空间偏振自由度可独立操控，极大提升信息带宽。其抗噪性源自拓扑整数性质，已在磁性及量子体系中得到验证，并在光学偏振场中展现出穿越多种介质的稳定性。当前光子计算多为模拟形式，易受噪声影响，如马赫–曾德干涉阵列的相位误差、微环权重阵列的热串扰及相变材料光矩阵的低对比度等均限制系统规模。尽管器件创新与校准算法持续进步，光子加速器仍难以大规模扩展。相比之下，基于光学斯格明子的计算凭借其拓扑鲁棒性，为实现高稳定性和高可扩展性的光计算提供了全新方向。
近日，牛津大学何超教授团队，基于光学斯格明子在计算中的潜力，提出了一类新型结构化介质，该介质在特定类型的输入斯格明子下可实现加法或减法运算，并通过实验验证了其可行性。虽然这种介质本身并不具备拓扑保护，但通过精心设计可有效操控斯格明子数，同时保持对材料参数扰动的功能鲁棒性，即使介质参数存在波动，其算术性能仍不受影响。这种特性对于光子计算尤为关键。该结构化介质可由具有特定边界结构的连续变化延迟器实现，无需外部能量输入即可稳定地进行拓扑运算。此外，引入广义斯格明子数不仅提高了信息的维度，也放宽了边界条件限制。该研究为以光学斯格明子为基本运算单元的光子计算提供了一种全新的思路，开启了构建高鲁棒性、可扩展的数字光计算体系的新方向。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41566-025-01779-x
3、用于高效二次谐波产生的3R堆叠过渡金属二硫属化物非局域超表面
非线性光学是光放大、波长可调以及通过下转换生成纠缠光子的关键工具，广泛应用于激光工程、量子通信与量子模拟等领域。随着光子学的发展，全光集成电路正成为信息处理与通信的新方向。近年来，范德华材料因其低维特性和优异的光学性质，被视为集成非线性光子器件的理想平台。其中，过渡金属二硫属化物（TMDs）如二硫化钼（MoS₂），具有极高的二阶非线性极化率（χ²），远超传统晶体，并可被剥离至单层厚度。然而，单层材料因厚度原子级而导致光-光转换效率极低。传统2H相TMD因中心对称性，厚度增加并不能提升非线性效应。近年来，非中心对称的3R相TMD（如3R-MoS₂）打破了这一限制，实现了显著增强的二次谐波产生（SHG）与光学下转换，但其效率仍受相位失配和相干长度限制。为克服这一瓶颈，有研究者将TMD与纳米光子结构结合，通过亚波长尺度设计增强局域电场，实现非线性光学效应的显著放大。尤其是以介电材料为基础的超表面，可在无损条件下大幅提升二次谐波效率，为亚波长厚度、高效、可集成的量子光子器件奠定了基础。
近日，哥伦比亚大学P. James Schuck、Chiara Trovatello团队与罗切斯特大学的Michele Cotrufo团队以及纽约城市大学的Andrea Alú团队合作，提出并实验验证了一种利用亚波长厚度的3R堆叠二硫化钼（3R-MoS₂）非局域超表面以显著提升二次谐波产生（SHG）效率的新方法。该结构通过局域共振光模实现SHG增强，不再依赖传统的相位匹配条件，而是通过优化基频与二倍频模式之间的场分布重叠，实现高效非线性转换。研究团队直接在3R-MoS₂薄片上刻蚀超表面结构，通过调控周期阵列几何参数，最大化模式重叠与场强分布。凭借3R-MoS₂高折射率（4–5.5）及高品质因数（Q因子）共振，实验实现了相较未图案化样品高达140倍的SHG增强。在160纳米厚的纳米结构中实现了约0.01%的单程转换效率。该设计采用改良的CMOS兼容工艺实现，可大规模制造，展现出优异的非线性光学性能。研究成果为利用低维晶体实现亚波长、高效率的非线性光源与片上量子光子集成器件开辟了新途径。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1038/s41566-025-01781-3
4、集成碳纳米管的电可调谐片上拓扑光子学
太赫兹波因其高数据速率与超低延迟特性，在第六代及未来无线通信中具有重要应用前景。实现微型化、高性能的太赫兹集成电路是当前研究的关键挑战。传统电子器件在太赫兹频段损耗显著，而常规光子波导易受制备误差与弯曲结构影响，导致传输性能下降。拓扑光子学为解决该问题提供了新途径，其能够实现鲁棒的光传输，尤其基于谷霍尔光子晶体的拓扑波导可在无外磁场条件下支持边界态传输，并有效抑制辐射损耗。然而，现有拓扑光子器件通常缺乏可调谐能力，限制了其在动态信号处理中的应用。因此，开发可与硅基工艺兼容、并能实现电控重构的拓扑器件具有重要意义。
近日，浙江大学的谢丽娟教授、美国圣母大学的Ranjan Singh教授研究团队设计并制备了碳纳米管集成的电可调拓扑太赫兹器件，包括宽带调制器与窄带滤波器。研究通过将碳纳米管片精准转移至硅基拓扑芯片的特定区域，施加偏置电压可引发焦耳热效应，局部改变硅介质折射率，从而动态调控太赫兹波传输。在宽带拓扑波导中，器件在33 GHz带宽内实现71%的平均调制深度，最高可达90%，并保持良好的弯曲鲁棒性。在波导-腔耦合系统中，实现了0.54 GHz的共振频移，同时维持高Q值稳定。该器件展现出优良的循环稳定性与热稳定性，经过多次电压切换后性能保持不变。该工作首次将碳纳米管与拓扑光子结构结合，不仅验证了电热调谐在太赫兹拓扑器件中的可行性，也为开发多功能可重构太赫兹集成系统——如调制器、滤波器和开关等——提供了新方案。该方法兼具工艺兼容性强、结构紧凑与调控简便等优势，对推动未来太赫兹通信与片上信号处理技术的发展具有重要意义。该研究成果发表于《Advanced Functional Materials》（刘梦洋）
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https://doi.org/10.1002/adfm.202514656
5、纳米超晶体到单层的热输运的反厚度依赖性
在传统热传导理论中，材料越薄、热导率越低几乎是“铁律”。从金属薄膜、半导体纳米线到二维层状晶体，随着厚度降低，声子平均自由程与材料尺度相当，边界散射增强，使得热导率普遍随厚度减小而显著下降，这一现象被称为“热尺寸效应”。然而，当研究对象进入由纳米晶体自组装形成的超晶体（nanocrystal supercrystal, SC）时，这条经典规律或许不再成立。纳米晶超晶体是一类通过胶体纳米晶（NC）“自下而上”构筑的人工固体，其内部由纳米级晶粒和有机配体组成，既具可调的结构有序性，又能实现从光学、电学到热学等多重物性调控。尤其在热管理、热电转换、光电器件和纳米催化等领域，热输运机制直接影响其性能。然而，要在单层乃至少层超晶体中探测本征热传导特性极具挑战：传统的稳态或接触式测量往往受制于基底效应与接触热阻，无法分辨纳米晶–配体界面的真实热传递过程。过去的研究多聚焦于多层薄膜体系，对单层极限下的热输运行为几乎一无所知。
针对这一核心问题，法国索邦大学纳米科学研究所James K. Utterback教授课题组联合德国汉堡大学开展了系统研究。该研究首次在单层到八层金纳米晶超晶体中实现空间–时间分辨热反射显微成像（spatiotemporally resolved thermoreflectance microscopy），直接观测横向热扩散的动力学过程。研究团队利用光脉冲在局部区域产生高时空分辨的热激发，通过高精度原子力显微镜确定每个区域的层数，实现了单层、双层乃至多层超晶体的逐层热扩散测量。令人惊讶的是，与传统薄膜的热尺寸效应相反，他们发现当超晶体厚度减小至单层时，其横向热扩散率反而提高了30–60%，呈现出一种“反向厚度依赖”（inverted thickness dependence）的异常现象。而在多层区域中，热扩散率几乎与厚度无关，显示出极弱的厚度敏感性。为揭示机制，作者结合有限元模拟与蒙特卡洛准弹道热传输模型，指出该现象源于配体分子间的准弹道声子输运：在厚度极薄时，配体层中的声子可沿平行界面方向形成“通道式”传输，减少散射，从而增强热扩散。相反，当层数增加、结构更加曲折时，声子路径被阻断，扩散过程转向更强的散射主导。研究由此提出，纳米晶–配体界面的声子散射才是决定其热输运特性的核心因素，而非整体厚度。该发现不仅颠覆了传统热尺寸效应的认识，也揭示出纳米晶体超晶体中一种独特的准弹道热输运机制。相关内容发表于《Advanced Functional Materials》上。（张琰炯）
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https://doi.org/10.1002/adfm.202504949
6、二维非晶材料的热传输
与有序晶格截然相反的“无序体系”——非晶材料，却长期被认为是“低热导、弱相干”的代表，其热输运行为更多依赖随机的原子振动。数千年来，从玻璃到高分子，非晶材料在科技与生活中扮演着重要角色，但科学界对其在二维极限下的热学规律却几乎一无所知。尤其当三维非晶体被压缩至单层原子厚度时，其热传导还是否遵循传统玻璃模型？二维结构中的无序是否会带来全新的热物理机制？这些问题的答案，不仅关乎基础物理的延伸，更可能为新一代微纳热管理、热电器件及柔性电子提供新的材料体系。近年来，随着实验合成手段的突破，单层二维非晶碳（Monolayer Amorphous Carbon, MAC）这一“原子级玻璃”终于成为现实。它由100% sp²键构成，既具石墨烯的平面网络，又缺失周期性长程有序，形成介于晶体与玻璃之间的独特结构。
近日，北京大学工学院宋柏教授团队联合上海交通大学周林教授团队，首次系统揭示了MAC的热输运规律及其维度效应。该工作首次实现了MAC的可控制备与全方位热学表征，揭示出与三维非晶体截然不同的热输运行为：其面外导热率极低，而面内导热率却异常之高，颠覆了人们长期以来对无序材料热导的传统认知。研究团队利用频域热反射（FDTR）和悬臂微桥测量技术，分别测得二维非晶碳在垂直和平行方向的热导率：面外热导率仅约0.08 W/m·K，接近固体材料导热的下限；而面内热导率高达5.47 W/m·K，远超同成分的三维非晶碳。这一反常现象的成因在于二维极限下的结构维度效应——当体系仅由单层原子构成时，非晶中的原子振动不再完全随机，而表现出类似晶体的低频传播模。分子动力学与格点动力学模拟进一步证实，二维非晶碳中存在独特的低频面外振动和弱非谐性，使其热传导部分恢复“波动特征”，形成兼具晶体相干与玻璃散射特征的中间态热输运机制。更令人意外的是，研究还发现即便引入额外的结构无序，二维非晶碳层间堆叠的面外导热依然与随机堆叠石墨相当。这表明在二维材料体系中，层间弱范德瓦耳斯相互作用已成为限制热流的主要因素，而内部无序对垂向热输运的影响反而被显著削弱。通过系统的分子动力学与准谐Green-Kubo计算，研究团队揭示了“无序+二维性”共同导致的热导极限机制，为理解低维非晶体系的热学规律提供了新的物理图像。相关内容发表于《Physical Review X》上。(张琰炯)
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https://doi.org/10.1103/fjww-9pm3
7、自旋气体中连续时间晶体与准晶体的观测
时间晶体作为一种新型物态，其核心特征在于时间平移对称性的自发破缺，类似于空间晶体中空间平移对称性的破缺。自该概念提出以来，时间晶体的研究经历了从理论设想到实验实现的重要发展。早期研究聚焦于封闭量子系统中的连续时间晶体，但因受到“不可行定理”的限制而难以实现。随后，研究者们转向周期驱动系统，成功实现了离散时间晶体，并在多个实验平台中观察到其特有的次谐波振荡行为。近年来，基于开放系统的研究路径为规避上述限制提供了新思路，使得连续时间晶体得以在玻色-爱因斯坦凝聚态、超材料、半导体等多种体系中实现。然而，在不同物理系统中探索时间晶体的多样性与复杂动力学行为仍是当前研究的前沿课题。
近日，中国科学技术大学的彭新华教授、江敏教授，中山大学的罗智煌副教授研究团队，利用氙-129核自旋与铷-87原子气体耦合的系统，通过光学泵浦与反馈磁场诱导非线性相互作用，成功观测到连续时间晶体与连续时间准晶体的存在。实验结果表明，系统在特定参数下可呈现出三种不同的动力学相：极限环相、准周期相和混沌相。极限环相表现为持久且稳定的周期振荡，其傅里叶谱呈现单一窄峰，标志着连续时间平移对称性的自发破缺；准周期相则表现出由两个不可公约频率叠加而成的有序非周期振荡，对应着时间准晶体的特征；而混沌相则伴随着频谱的宽化与噪声增强。通过系统调节反馈强度与磁场梯度，研究揭示了这些相之间的复杂转变关系，并发现时间晶体在较宽参数范围内具有鲁棒性，能够抵抗一定强度的外部噪声扰动。此外，研究还观察到从混沌相再次向时间晶体相转变的反常现象，这一行为可通过非线性系统中的同步理论予以解释。该工作不仅丰富了时间晶体的实验实现平台，还展示了其在精密测量领域的应用潜力。该研究成果发表于《Nature Communications》。（刘梦洋）
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-64413-y
8、价态跃迁化合物 TmSe1-xTex中的极化子准粒子
自从混合价化合物 SmB6 被提出是一种强关联拓扑绝缘体以来，其独特的电子性质激发了人们对混合价体系中拓扑态与强关联效应耦合机制的广泛兴趣。围绕 SmB6 的研究揭示出其体态中存在奇异的热力学和输运特性，并引发了对一系列中性准粒子态的探索，如激子、分数化准粒子以及Majorana费米子等等。此后，研究者将类似的工作拓展到其他重费米子体系，发现混合价体系的低能电子性质与4f电子占据数变化密切相关。理论上已有研究指出，对于经历价态变化的重费米子体系，传统的周期性Anderson模型（PAM）难以完全描述其实验现象，需要引入超出该框架的新理论，从而可能产生新型的准粒子态。TmSe1-xTex 体系因其独特的价变和可控的化学压效应，成为研究电子结构演化的理想平台。该体系中，Tm离子处于 Tm2+ (4f13) 与 Tm3+(4f12) 之间的混合价态，随着 Te 掺入比例增加，晶格膨胀并发生半金属—绝缘体转变，同时伴随4f电子杂化性质的显著变化。已有的输运和磁学研究表明该转变对应着价变过程，但缺乏系统的光谱学研究来揭示其微观电子结构演化。
近日，德国基尔大学的Kai Rossnagel教授团队通过基于同步加速器的硬X射线和极紫外光电子能谱（HAXPES和XUV-PES）证实了上述TmSe1-xTex的电子结构演化。晶体结构与输运性质的实验结果表明，其在xc = 0.29 发生明确的体相电子结构转变，对应半金属—绝缘体相变与非整数价态的变化。特别是在半金属相（x ≤ 0.11）中，研究者观察到靠近费米能级的非对称 Tm 4f 发射峰，呈现出典型的“峰—谷—肩”结构，并利用Holstein 极化子模型成功对齐进行了解释。该模型可以简单理解为，当一个电子在晶格中运动时，会由于与局域声子（主要是光学声子）的相互作用，使得周围晶格发生畸变，这种电子与其诱导的晶格畸变共同形成的复合体称为极化子准粒子。这一发现超越了传统周期安德森模型，说明多体作用（特别是电子–声子耦合）在混合价体系中起到了关键作用，为理解其他混合价态或强关联体系中的奇异准粒子激发提供了新的实验依据和理论方向。相关内容发表于《Physical Review Letters》上。（侯玥盈）
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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/72dv-ynm2
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