过渡金属二硫族化合物材料2H-TaSe2的电荷密度波形成机制一直以来都受到人们的密切关注，但仍是一个并悬而未决的问题。现在提出的多种理论猜测，如电声子耦合、费米面嵌套、鞍点散射、激子相凝聚等等，虽然能解释部分特征，但是都不能对这个材料中发生CDW相变作出令人信服的阐述。因此，研究此准二维材料的全空间布里渊区电子结构，对于理解这个相变发生具有重要意义。

利用角分辨光电子能谱技术，能够有效地研究材料的全部能带特征。在本文中，作者细致研究了2H-TaSe2的全空间电子能带结构，观测到了位于布里渊区中心一直以来未曾报道过的能带，并且发现这个位于费米能之下的能带由于表面化学式弯曲形成了量子限制效应，进而形成量子化的能带。通过变光子能量实验发现，这个量子化的能带具有很好的三维特征。区别于通常的量子阱态具有很好二维特性，这里的量子态特征只在色散比较快的kz方向比较明显，也就是只在具有很强的三维轨道特征能带上出现。进一步的变温实验发现这里量子化之后的能带在CDW转变附近有能量移动。本文的研究或许能够帮助理解2H-TaSe2家族材料一直以来的的CDW机制问题以及提出新的理解思路。

Figure 1. Electronic band structure of the TaSe2. (a),(b) Intensity plot and the corresponding second derivative plot along the M-Γ-M direction at T = 20 K, the black dotted-lines are guides to the eye. (c),(d) EDC plots in CDW and normal phase at the momentum marked by ’1’ and ’2’ in (a) and (d), corresponding to 2/3 (ΓM) ̅  and Γ ̅, respectively. (e) ARPES intensity plot along the Γ–A direction, taken with photon energies covering a kz range over 2 BZs. Inset shows a zoom-in second derivative plot at Γ point.

铜基和铁基高温超导体是至今发现的唯两类在常压下就出现高温超导现象的材料，这两种材料在很多方面都非常相似，但是它们的超导能隙结构却完全不同。在铜基超导体系中，超导能隙均存在节点，而在铁基高温超导体系中，FeAs基的超导体一般具有完全打开的能隙，而FeP基超导体的超导能隙被发现可能存在节点。为何在铁基超导体系中出现不同的超导能隙结构至今是一个悬而未决的问题。LiFeP是一种非常典型的FeP基超导体，但是因为其超导转变温度Tc较低，研究难度大，对其体超导态的研究非常少。在LiFeP中是否存在能隙节点和反铁磁涨落一直以来仍未完全确定。

为解决上述问题，本文作者使用极低温核磁共振技术，通过用核磁共振方法研究了London穿透深度λL随温度的变化。磁场在超导体中形成三角形或四角形的磁通格子，导致超导体内部磁场分布不均匀。空间不均匀的程度取决于London穿透深度，而核磁共振的谱展宽是探测不均匀磁场分布的有力手段。基于这个原理获得了λL随温度的变化，发现λL在温度降低到0.03 Tc时还未饱和，说明在超导能隙中出现了节点。此外，还通过测量不同磁场下自旋晶格弛豫时间1/T1随温度变化，发现在磁场小于0.5 T时，1/T1T在低温出现了明显的增大，证明了在低能区反铁磁自旋涨落的存在，这与其他FeP基超导体类似，意味着超导配对可能与自旋涨落相关。

Figure 4. Temperature-dependent line broadening ∆f and the London penetration depth λ⁻²L of LiFeP. The red solid curve is the theoretical calculation based on a d-wave model.

隧穿，是一种奇妙的量子现象，指的是微观粒子能以非零的概率穿过高于自身能量的壁垒或者势垒。在历史上，和电子隧穿相关的研究，曾两次获得诺贝尔物理奖 (1973年，江崎玲于奈 (Leo Esaki)，发明隧道二极管；1986年，Gerd Bining和Heinrich Rohrer，发明扫描隧道显微镜)。在研究电子运动时，大质量的原子核通常当作经典粒子来处理 (玻恩-奥本海默近似)。事实上，在很多情况下，轻元素（例如氢和氦）原子核运动的量子效应不可忽略。例如，质子的量子运动在液态水的结构、高压下固态氢的结构、金属材料的氢脆、燃料电池电极反应以及生物体DNA突变等方面扮演着重要角色。和质子相关的量子隧穿现象，正吸引着人们越来越多的关注。

在本项工作中，基于转移矩阵方法，作者研究了质子在一维模型势场中迁移过程的量子效应，并且在数值上计算了质子穿透单势垒、单势阱和双势垒的量子概率。对单势垒，当质子的入射能量高于势垒高度，透射系数的量子振荡行为依赖于势垒的形状。特别地，我们关注一种特殊的量子隧穿现象：共振透射 (Resonant Tunneling)。发生共振透射的时候，微观粒子以百分之百的概率穿越遇到的势阱或者势垒。本文研究发现，原子级别的共振透射 (Atomic Resonant Tunneling, ART) 不仅存在于预期之中的方势阱和矩形双势垒，还存在于其他形状的势阱及双势垒 (三角形、抛物线形、正弦形状)。对于异构双势垒，在经典禁区，即入射能量 (Ei) 低于势垒高度 (Eb) 时，没有共振透射现象。我们还进一步对矩形异构双势垒的透射系数特征作了具有普遍意义的分析。本项工作将为研究一维或者准一维势场中质子迁移过程的核量子效应提供新的思路和方法。

Figure 7. (a) Schematics of scattering and transmission of a quantum particle by a potential barrier V(x). (b) Translation of V(x) by a distance.

宽带调谐飞秒激光产生技术是激光科学研究领域最重要的研究前沿之一。其研究的重要意义在于不仅可有效解决太赫兹低辐射效率、低相干性及调谐范围窄等瓶颈难题，更重要的是其可作为探索和揭示人脑功能奥秘的强有力工具。例如，在eGFP，tdTomato，mCherry等多类增强型荧光蛋白激发的活体组织实时观测中，900―1300 nm波段近红外宽调谐飞秒激光由于大的穿透深度与高的激发效率优势，被认为是脑科学神经组织双光子显微成像的理想光源。因此，研究宽带调谐飞秒激光技术新思路新方案，具有重要的科学意义与应用价值。但由于受到激光增益介质发射谱线的限制，其输出激光波长通常被限定在几个离散的区域或仅仅能在某一光谱区域内进行小范围调谐，很难满足人们对宽带可调谐飞秒激光的迫切需求。

鉴于此，作者基于光谱相关的双折射效应形成光谱可整形的可饱和吸收机制（可提高光谱带宽，缩短脉冲宽度）与全光纤大功率包层泵浦技术，首先开展了高性能双包层亚百飞秒光纤激光产生技术研究。实验研究了脉冲光谱整形带宽、输出耦合率、泵浦增益等参数对高功率、短脉宽飞秒激光输出参数的影响，通过优化增益/损耗率、正交偏振相位差、非线性光谱加宽阈值等参数，获得了平均功率>3 W，脉冲宽度亚百飞秒的激光产生。

在此基础上，本文基于上述自主研发的高功率飞秒激光在非线性光纤中的非线性光谱加宽机制，并采用可调谐光谱滤波技术，实验获得了调谐范围390 nm（900―1290 nm）的宽调谐飞秒激光输出，有效突破了现有激光介质有限增益带宽与调谐范围受限等瓶颈。采用大功率激光振荡器泵浦非线性光子晶体光纤产生宽带调谐飞秒激光输出的技术手段为结构紧凑且性能稳定可靠的宽调谐飞秒激光源的发展提供了新的研究途径，并对于提升这类激光源在基础科学和应用领域中的应用性能具有重要意义。

Figure 1. Tunable spectra output for the presented wideband tunable femtosecond source. 

在开发高性能锂离子电池时，其高容量从来都是关键指标之一。近十年来，二维(2D)材料的蓬勃发展为提升锂离子电池的储存容量提供了新的机会。基于第一原理计算方法，本文预测了最近提出的含有金属元素Mn的二维节环半金属MnN单层可以作为超高容量锂离子电池负极。其理论容量在1554 mAh/g以上，是石墨的4倍以上。它同时还满足作为良好负极材料的其他要求。具体来说，本文证明了MnN在力学、动力学和热力学上都是稳定；锂吸附前后的构型表现出良好的导电性；锂在其表面的扩散研究揭示了一个非常低的扩散壁垒( 0.12 eV)，表明其速率性能优异；计算出的满电时相应半电池的平均开路电压也很低( 0.22 V) ，有利于提高工作电压。此外，在嵌锂的过程中，材料的晶格变化非常小( 1.2%-4.8%)，这意味着良好的循环性能。这些结果都表明，2D MnN可以成为一种非常有前途的锂离子电池负极材料。

值得一提的是，MnN的高容量与以下两方面的因素有关：(1)单原子厚度允许暴露更多的吸附位点；(2)空心位点顶部的位点和N位点对Li的吸附能量非常接近。本文不仅预测了一种有前景的超高容量的锂离子电池负极材料，而且在储能应用方面为设计制造新材料提供了新的思路。

Figure 6. Side view of the considered multilayer model: (a) Li8Mn4N4, (b) Li16Mn4N4, (c) Li24Mn4N4, and their corresponding side view: (d) Li8Mn4N4, (e) Li16Mn4N4, (f) Li24Mn4N4.

SPECIAL  TOPIC —  Quantum computation and quantum simulation