高维纠缠为量子通信、量子计算和量子光学相干层析等量子技术提供了宝贵的资源。更高的维度通常意味着在量子任务中获得的信息容量更大、计算能力更强、精度更好，所以研究如何获得高亮度和高维度的纠缠源具有重要意义。

本文提出和演示如何利用100 GHz自由光谱程的可调谐非对称马赫-曾德干涉仪耦合的硅基微环来获取高维纠缠。基于可调耦合器的策略，我们获得了宽调谐范围的微环品质因子，优化了双光子对的产率。通过从超过30对模式的双光子频率梳中选择和表征28对，获得至少23.4的施密特数和19.9 MHz/mW²的片上光子产率，该双光子在频率希尔伯特空间的维度为547 维。该微环结构设计还可以扩展到氮化硅和铌酸锂等其他材料中。本研究获得的低功耗高维频率纠缠将推动量子光频梳和片上高维量子信息处理的发展。

Fig. 1. (a) The relationship between the theoretical normalized PGR (color bar), Q_int,p/Q_ext,p, and Q_int,s(i)/Q_ext,s(i). The black dashed line is when Q_int,v/Q_ext,v are dependent, where v are signal, idler or pump. (b) The coincidence for 30 pairs of a total of 900 measurements when Q_int,v/Q_ext,v=1.8.

外尔费米子是由狄拉克方程所描述的零质量且成对存在并具有相反手性的费米子。外尔费米子自1929年被外尔提出以来，一直受到物理学家的瞩目。直到近年，实验上才发现了外尔半金属，并揭示了它一系列的新奇特征，包括外尔半金属具有拓扑非平庸性且其低能准粒子激发具有线性的色散关系。基于外尔半金属低能激发的特点，本文构造了冷原子平台下的第II类外尔费米子具有排斥S波相互作用的理论模型，通过计算体系的自旋密度磁化率，来求解体系的集体激发特性。

不同于第I类外尔费米子，第II类外尔费米子体系不具有洛伦兹对称性，且后者在零能量处具有有限的态密度。因其体能带结构的过度倾斜，使得第II类外尔费米子体系的费米面在本模型中呈现为一对双曲面，这种几何结构必然会带来不一样的物理。本文主要从理论上研究第II类外尔费米子体系的集体激发模式。通过数值计算得到了当相互作用g=0.1，g=1和g=5时，体系存在零声集体激发模；而当相互作用g=0.2，g=0.5时，激发模进入粒子空穴对激发的连续区间，即体系不存在集体激发模。本文的理论计算结果对外尔型费米子材料将来的应用有着重要的意义。

Fig. 6. The collective zero sound mode at g=1. Here we take the tilted parameter α=1.5 and the ultraviolet cut-off momentum Λ=15k₀ in numerical calculation.

固体材料的表面往往由于对称性破缺形成不同于体态的能带结构，各类表面态的存在极大地丰富了对固体材料的基础研究和对其表面特性应用的研究。角分辨光电子能谱（ARPES）是一种研究能带结构的直接手段，但是受电子穿透深度的限制，ARPES测得的体态和表面态往往混杂在一起。在常规的ARPES实验中，需要通过变光子能量测量才能区分体态能带和表面态能带，因此这种测量手段一般需要借助光子能量大范围连续可调的同步辐射光源才能进行。近年来，时间分辨的角分辨光电子能谱（trARPES）测量逐渐显现出超越传统ARPES测量的优势。在trARPES实验中，泵浦光与探测光分别被用于激发载流子和探测非平衡态电子态，通过调控两束光之间的延迟时间，研究者可以得到材料中超快电子结构演化的信息，使得能带结构的时域分辨成为可能。

本文报道了一种用trARPES区分表面态与体态的方法。由于在超快激光激发作用下，表面态与体态的非平衡载流子恢复机制不同，表面电子参与的多体相互作用过程往往较少，不具备能量耗散渠道上的优势，因此表面的激发态寿命可能比体态的长。基于这个原理，本工作可以从trARPES探测到的数条密集分布的能带中区分出表面态。

本工作使用具有113 fs时间分辨率和16.3 meV能量分辨率的trARPES探测了YbCd₂Sb₂材料的布里渊区中心费米面附近的四条能带，其中三条体能带与密度泛函理论计算的体能带结果吻合。在超快激光泵浦探测过程中，发现第四条表面态能带在泵浦光激发后出现明显的锥形结构，其激发态寿命远远大于邻近的体态能带激发态寿命。除此之外，本文还探测了YbCd₂Sb₂费米面附近的几条能带对圆偏振光的响应，发现激发光的手性对表面态的探测没有影响，但是费米面附近的体态能带对左右旋光的响应截然相反。考虑YbCd₂Sb₂的能带不存在自旋劈裂，这一结果说明在ARPES探测中实验装置的几何参数或许会引起体态能带对左右旋光截然不同的响应。这也表明以往研究中利用光电子能谱的圆二色性判断能带电子极化并不普遍适用，且不能作为能带极化的明确证据。本文的研究结果充分体现了超快时间分辨的ARPES相比于传统ARPES的探测优势，其对表面态和体态寿命的研究说明了激发态寿命可能可以作为一种表征和区分表面态与体态的参数，意味着超快泵浦探测或许能够成为一种判断表面态的方案。

Fig. 2. The trARPES measurement. (a)–(c) The photoemission images before (a) and after (b), (c) the pumping. (d) The intensity of the non-equilibrium quasiparticles in the dashed boxes in (e) (denoted by corresponding color) as a function of delay time. Solid curves are exponential fittings to the experimental data. (e) A zoomed-in measurement of the unoccupied states near the Fermi energy at the decay time δt = 0.2 ps. The pump fluence is 110 μJ/cm².

纳米尺度空间的干/湿性质在很多物理-化学-生物过程中都起着重要作用。其中，保持纳米尺度空间的干/湿状态以及控制纳米尺度空间水分子的流入和流出（干/湿状态的转变）是两个关键因素。研究控制纳米尺度空间干/湿状态的方法对于更好地理解亲/疏水相关的过程以及设计新型纳米尺度器件都具有重要意义。

本研究设计了一种浸于水中的、由两个平行排布的纳米尺度的平板组成纳米结构。通过分子动力学模拟方法，发现调节两个纳米尺度平板间的距离及纳米平板的大小可以让两个纳米平板之间的区域自动地保持干/湿的状态；此外，当向系统施加一个足够大、垂直/平行于纳米平板的电场时，两纳米平板间的区域会发生湿→干/干→湿状态的转变。此结构的功能类似于闪存器件（非易失性信息存储器件）：一方面，当不施加外电场时系统会自动保存其中存储的信息（干/湿状态）；另一方面，适当的外电场可以对系统中存储的信息进行改写。本文的研究可能会有助于设计新型的纳米尺度信息存储器件。

Fig. 3. The water molecule number n(t) between two medium grapheme sheets (a) and two large graphene sheets (b) as a function of simulation time for the system D = 6.26 Å with different external electric fields and with different initial conditions.

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)是一种极灵敏的磁通传感器，可以检测任意能转换成磁通的微弱信号。基于SQUID的低温放大器已被广泛应用于超导转变边沿探测器(Transition Edge Sensor, TES)、金属磁性量能器（Metallic Magnetic Calorimeter, MMC）等低温探测器读出电路。低温SQUID放大器作为低温放大读出电路关键器件，我国完全依靠欧美采购，成为了阻碍国内相关探测器发展的主要技术瓶颈之一。

本文主要面向高能量分辨率超导转变边缘（TES）探测器的读出电路需求，开展了SQUID array放大器的研发。通过引入片上集成低通滤波器设计，提高了SQUID单元器件之间的隔离度，能够确保在不同工作环境和温区条件下电压磁通曲线（V-φ）光滑而稳定工作。测试结果表明，本工作在100 mK温区实现了7 pA/Hz^1/2极低电流噪声水平，并成功应用于TES探测器单光子探测系统。本工作SQUID array放大器的成功研制，可为我国正在发展的基于TES探测器的应用需求提供相关技术保障。

Fig. 5. The current noise spectra of the TES detection system based on the series SQUID array (SSA) amplifier operating at mK-scale temperatures, where the optimized SSA amplifier operation point is presented in the inset.

体内微环境的模拟一直是人们重点关注的研究课题。微流体芯片技术的出现，为构建与体内微环境物理结构和生化梯度相似的体外模型提供了可能。本工作以癌症化疗患者体内的癌巢组织周围具有复杂生长因子和药物浓度梯度特征为出发点，采用微流体芯片和胶原蛋白软刻蚀技术，构建了一种集成有数百个包含侵袭性乳腺癌细胞MDA-MB-231和正常乳腺上皮细胞MCF-10A的细胞外基质(Extracellular matrix, ECM) 微室阵列芯片。利用芯片独特的结构设计和ECM能够渗透小分子化合物的特性，通过在芯片四周的通道内加载人表皮生长因子、盘状结构域结受体抑制剂7rh和基质金属蛋白酶抑制剂batimastat，可以形成多达四方的复合生化梯度，实现对癌症化疗患者体内复杂生化微环境的模拟。

基于该芯片，本文研究了复杂生化微环境下细胞增殖的时空动力学行为，发现每个微室中MDA-MB-231细胞和MCF-10A细胞历经独特的生化条件后，表现出不同的时空增殖行为。同时，我们基于实验数据开发了一个包含药物扩散的元胞自动机模型，并利用香浓熵探索了药物扩散系数对细胞增殖的动态影响。结果表明，细胞生长的空间差异与药物扩散系数有关，这说明复杂生化梯度的确在调控细胞增殖行为中起关键作用。本研究开发的高通量细胞共培养平台以及相应的计算模型，可以作为研究癌症发病机制和药物开发的有效工具。

Fig. 1. Effects of complex biochemical gradients on cell growth. (a) Schematic diagram of growth factor and drug screening scheme. (b) and (c) The representative fluorescence images of MDA-MB-231-RFP cells (red) and MCF-10A-GFP cells (green) at 0 h and 96 h in the presence and absence of complex biochemical gradients, respectively.