范德瓦耳斯材料相对扭转到特定角度时，会出现几乎零色散的莫尔平带，从而产生一系列关联电子物态，例如非常规超导、关联绝缘态和轨道磁性等。在转角双层-双层石墨烯(TDBG)体系中，能带带宽和拓扑性质可以通过栅极施加的电位移场原位调控，使该体系成为良好的研究拓扑相变和强关联物理的量子模拟平台。在一定的电位移场作用下，TDBG中C_2x对称性破缺，中性点附近的导带和价带会获得有限的陈数。能带的拓扑性质与强相互作用驱动的对称性破缺使得可以在低磁场下实现并调控陈绝缘态。本工作通过制备高质量TDBG器件，在有限磁场下，在莫尔原胞填充因子ν=1处发现了陈数为4的陈绝缘态。同时还发现纵向电阻出现电阻峰并随平行磁场或温度升高而增强的现象，这类似于³He中的Pomeranchuk效应，推测ν=1处的陈绝缘态或许源于同位旋的极化。

图1  TDBG器件的电输运测量 (a) 转角为1.48°的TDBG器件光学图；(b) 转角为θ 的TDBG示意图；(c) 转角为θ 的迷你布里渊区的示意图；(d)不同电势能作用下(U = 0 meV，U = 20 meV) TDBG的能带图；(e) T = 2 K时，纵向电阻R_xx 随载流子浓度n 和电位移场D 变化

拓扑态、电子关联是转角石墨烯中的重点研究对象，作者在精密的实验中细致的研究了转角双层-双层石墨烯在不同关联强度程度下的Landau 能级谱，得出了丰富的物理图像，是一个很好的工作。

拓扑无能隙系统作为不同量子相的连接，目前已经成为备受关注的前沿科学。超导量子电路作为一个重要的全固态量子器件是宏观调控量子效应的优秀平台。本文在超导量子电路中构建了双链的Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型并发现了拓扑非平庸的节点。首先设计了电容耦合的双链transmon比特，之后用两个交流微波驱动每一个transmon比特，从而实现比特间耦合强度的独立调控，最后通过选择比特间合适的耦合参数实现交错的双链SSH模型。接下来探索了交错双链SSH模型的拓扑性质，首先计算了k 空间中双链SSH模型的本征能量，并发现了两种类型的相边界。之后在参数空间中画出了拓扑相图，发现了两类拓扑绝缘相，其拓扑数分别为1和–1，对应有两类边界态。拓扑相图也进一步给出了两类相边界的分布以及它们两侧拓扑数的值。最后分析了两类相边界的拓扑性质，发现其中一类拓扑相边界对应的能带有两个拓扑非平庸的节点。本文的工作为探索链条型物理系统、拓扑物态以及节点型拓扑半金属提供了新的途径。

图1  双链SSH模型在参数空间t₁-t₂中的拓扑相图. 深绿色的区域是拓扑数N=−1的区域，浅咖色的区域是拓扑数N=1的区域，浅绿色的区域是拓扑数N=0的区域；红色的线标记的是第一类相边界，黑色的线标记的是第二类相边界

作者基于电容耦合的双链transmon比特设计实现了交错的双链SSH模型，并探索了交错双链SSH模型的拓扑性质，展示了两种类型的相边界，并发现了两类拓扑绝缘相，其拓扑数分别为1和-1，对应有两类边界态。最后分析了两类相边界的拓扑性质，发现其中一类拓扑相边界对应的能带有两个拓扑非平庸的节点。本文的工作为探索链条型物理系统、拓扑物态以及节点型拓扑半金属提供了新的途径，文章具有一定创意，为transmon比特模拟拓扑物理提供了新的方案。

单分子表面诱导荧光衰逝(single molecule surface-induced fluorescence attenuation，smSIFA)技术是一种基于二维材料受体、用于研究生物大分子法向运动的精密测量方法，该方法不受二维平面运动的干扰。作为受体的二维材料，其特征淬灭距离决定法向上探测的距离和精度。近年来以氧化石墨烯(graphene oxide，GO)和石墨烯作为介质受体的SIFA技术在生物大分子的研究中发挥了重要作用，但石墨烯和GO具有固定的特征淬灭距离，探测范围有限。调整探测范围需要更换介质材料，面临材料选择与制备的困难，亟需开发用于技术的可调控材料。本文改良了以GO为介质受体的单分子SIFA技术，利用热还原的方法对GO进行还原，通过控制还原温度，制备出了还原程度不同的还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)，调控特征淬灭距离，利用荧光标记的DNA测量rGO的特征淬灭距离。将rGO用于单分子SIFA技术，对Holliday junction构象变化的观察，论证了rGO的探测范围。

图1  调控d₀的SIFA方法 (a) SIFA方法示意图；(b) 荧光供体光强衰减和表面距离的关系；(c) SIFA探测灵敏度和荧光供体距表面距离的关系

生物膜上生物大分子的动力学研究是兼顾生命物质基本过程分子机制和复杂系统桥联协作的重要领域，是物理学与生命医学结合的关键前沿方向。论文采用热还原方法制备了不同还原程度的还原氧化石墨烯，弥补了石墨烯与氧化石墨烯的探测局限，实现了更具有生命意义的动力学行为连续可控高分辨观测，具有重要的基础研究意义和检测应用潜力。

长程里德伯分子由一个里德伯原子与一个或多个基态原子组成，此类分子通过里德伯电子与基态原子间的低能电子散射相互作用束缚形成。本文采用双光子光缔合的实验方案成功制备了由一个铯里德伯原子与一个铯基态原子形成的31D_5/2+6S_1/2(F = 4)双原子长程里德伯分子。实验采集的光缔合光谱在原子共振线负失谐–162.8 MHz和–66.6 MHz处有两个明显的分子信号，分别是由s-波纯三重态散射和s-波单重态-三重态混合散射形成。使用Fermi赝势理论对实验结果进行模拟，计算得到分子的绝热势能曲线，并由分子哈密顿理论获得了v = 0 分子振动基态波函数和束缚能。理论计算与实验测量值符合得很好，并由此得到s-波纯三重态和单重态零能散射长度为a_s^T(0)=−19.16a₀和a_s^S(0)=−1.92a₀。此类分子具有尺寸大、振动能级丰富和永久电偶极矩大等优良性质，是研究低能碰撞极好的候选介质。对此类分子的研究将进一步加深和丰富对长程里德伯分子特殊束缚机制和奇异性质的认识。

图1 (a)双光子光缔合激发示意图，第1个852 nm的光子完成|6S_1/2,F=4⟩→|6P_3/2,F′=5⟩ 的原子跃迁，第2个510 nm光子将|6P_3/2,F′=5⟩态的原子激发到|31D_5/2⟩态，使用双通声光调制器(AOM)将852 nm激光频率从|6P_3/2,F′=5⟩能级向蓝失谐方向频移360 MHz，510 nm激光频率从31D_5/2里德伯原子能级共振线向红失谐方向扫描，当激光能量与分子能级匹配时就形成了长程里德伯分子；(b)时序图，MOT光和ODT光关断后，打开852 nm和510 nm激发光来制备里德伯原子和长程里德伯分子，随后施加斜坡电离电场使得里德伯原子和分子自电离产生的离子加速到达MCP进行收集探测；(c)实验制备长程里德伯分子示意图，852 nm(红色光束)和510 nm(绿色光束)激发光反向传播通过装载于偶极阱(黄色光束)中的铯冷原子团中心，并将基态原子激发形成里德伯原子和分子

里德伯基态分子是一种特殊的由同核原子构成且具有永久电偶极矩的分子，具有尺寸大和振动能级丰富等优良特性。对它的研究不仅具有重要的基础意义，也对量子信息等应用有重要应用价值。这其中最基础的研究就是在实验上制备这种特殊的分子，并测量其基本物理性质。作者使用双光子光缔合的实验方案成功制备了由一个铯里德伯原子与一个铯基态原子形成的31D_5/2+6S_1/2(F=4)双原子长程里德伯分子，并直接从光缔合光谱在原子共振线负失谐–162.8 MHz 和–66.6 MHz 处观察到了两个明显的分子信号，分别对应 s-波纯三重态散射和 s-波单重态-三重态混合散射。并由此得到 s-波纯三重态和单重态零能散射长度。这些研究增加和丰富了人们对里德伯分子特殊的束缚机制和奇特的性质的认识，具有重要意义。

利用相对论组态相互作用模型势方法计算了B²⁺和B⁺离子的波函数、能级和振子强度，进一步得到B²⁺离子2s_1/2，2p_1/2，2p_3/2，3s_1/2态的电偶极极化率和基态2s_1/2的超极化率，以及B⁺离子2s²¹S₀与2s2p ³P₀态的电偶极极化率。B²⁺离子2p_1/2和2p_3/2的偶极极化率为负值，基态2s_1/2的超极化率的贡献主要来自于与极化率相关的α¹β₀项。对于B⁺离子，钟跃迁2s2p ³P₀ → 2s²¹S₀在室温下的黑体辐射频移是0.01605 Hz，该黑体辐射频移比碱土金属原子的钟跃迁黑体辐射频移小1—2个数量级。

文章利用相对论组态相互作用模型势方法计算了B离子的波函数、能级和跃迁振子强度，计算结果与NIST数据库及前人的结果进行了细致对比，整体比较符合。该理论工作对于离子光钟及少体精密测量等研究领域具有重要意义，可以为相关的实验测量提供指导。

在光力学系统中，辐射压力引起的非线性可导致系统产生混沌等多种丰富的动力学行为。从有序转变到混沌有各种各样的途径，本文研究了回音壁式耦合光力系统中两种不同途径通往混沌的现象——倍周期分岔道路和准周期道路。两个全同的光力学子系统通过光学倏逝波进行耦合，调控子系统间的耦合强度，可以有效地改变系统的动力学行为。采用分岔图、李雅普诺夫指数以及相空间轨迹的变化分析系统从有序到混沌的转变。研究表明，较强的耦合强度会迫使两个子系统的振荡产生完全同步，子系统间相互耦合的作用可等效于子系统光学模频率与外加控制场频率失谐量的增加，耦合光力学系统的动力学行为等效于单个光力学系统的动力学，可实现倍周期分岔道路通往混沌的转变。而对于相对较弱的耦合，耦合系统的动力学将在高维相空间展开，极限环发生Hopf分岔，形成环面吸引子。选取合适的失谐量，耦合系统可实现从准周期道路进入混沌的现象。

图1  回音壁式耦合光力学系统示意图

本文揭示了全同耦合腔光力系统中的动力学演化以及混沌行为，且证明了系统向混沌转变的方式密切依赖于泵浦的对称性。全文结构完整、组织清晰、对相空间轨迹演化的分析数据充分且有条理，同时创造性地从对称性角度提供了对耦合腔光力系统中复杂动力学和混沌现象新的理解方向。

采用基于格林函数的GW方法计算发现：孤立二维单层硒化铟(InSe)和碲化铟(InTe)具有吸收可见光的理想带隙，高的电子迁移率以及适合光解水的电子能带结构，电子自旋轨道耦合(SOC)效应使单层InTe从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。在准粒子能级计算的基础之上，通过求解Bethe-Salpeter方程 (BSE)发现，孤立单层InSe和InTe的激子结合能远大于常温下激子的自发解离能。另一方面，实际应用的二维半导体为了维持其力学稳定性，大都需要依附在衬底上，另外，不同实验室样品自身原子层厚度也各异，这些因素必然改变二维半导体的介电环境。进一步的计算发现，二维InSe和InTe的激子结合能随自身原子层厚度以及衬底厚度的变大而减小，这说明可以通过调控二维半导体自身原子层以及衬底厚度的方式实现对激子结合能的精确调控，本文结果能够为将来精确调控二维InSe和InTe的激子结合能大小提供重要的理论依据。

图1  InSe (a)和InTe (b)的激子结合能随自身原子层数量的变化关系

本文采用密度泛函理论和GW方法较为系统的研了单层硒化铟(InSe)和碲化铟(InTe)的能带和光学性质，特别是衬底对激子结合能的介电屏蔽效应。该研究为精确调控二维InSe 和InTe 中激子结合能大小提供了理论依据，对这类材料在太阳能电池等应用中具有一定指导作用。

基于热中子探测器实验模拟数据，使用决策树(decision tree，DT)、随机森林(random forest，RF)和BP神经网络(back-propagation neural network，BPNN)构建了宇宙线粒子鉴别机器学习模型，对每种粒子分别使用不同的机器学习算法基于模拟数据进行模型训练，并针对算法进行超参数调整，将每种算法的AUC值和Q品质因子作为粒子成分鉴别的评价指标。实验结果表明，不同机器学习模型对粒子预测精度影响很大。在测试检验中，经过交叉网格搜索方法调参后的决策树鉴别模型对中成分(碳氮氧和镁铝硅)比较敏感，鉴别模型AUC值均在0.95以上，Q品质因子均大于6；经交叉网格搜索方法调参后的随机森林鉴别模型对于宇宙线粒子鉴别的效果最好，所有粒子鉴别模型的AUC值均大于0.92且Q品质因子均在4以上；BP神经网络算法只对质子和铁核比较敏感。本研究对宇宙线粒子鉴别和筛选提供了新的方法和选择，可为热中子探测器后续开展宇宙线能谱测量提供新思路。

图1  本文BP神经网络结构示意图

甚高能宇宙线由于流强太低，只能通过广延大气簇射实验进行测量，但大气簇射实验中宇宙线成分分辨一直是瓶颈。本论文基于1-10PeV能段的宇宙线模拟数据，研究利用人工智能进行宇宙线成分分类，对推进大气簇射宇宙线研究具有重要科学意义和应用价值。本论文重点讨论了不同算法对宇宙线成分的整体分辨能力（Q因子），并对研究过程进行了较全面介绍。

有限温度下自旋半经典系统的随机动力学行为通常由随机Landau-Lifshitz方程描述。本文在朗之万随机微分方程的框架内，推导出有效朗之万方程的一般形式，及其对应的Fokker-Planck方程的表达式。该有效朗之万方程能正确描述正则系综下自旋半经典系统的统计物理性质，并且在阻尼项和随机项消失时能退化到自旋半经典运动方程，因此是随机Landau-Lifshitz方程的一种推广。在笛卡尔坐标系和球坐标系中，分别给出有效朗之万方程的一般形式和对应的Fokker-Planck方程的显式表达式。在球坐标系中，讨论了朗之万方程中的纵场效应，并从方程采取的形式中给出是否包含纵场效应的判断依据。最后，有效朗之万方程在一个单自旋、定值外磁场的体系中进行应用。对方程采取特定的形式进行简便的求解，并成功得到玻尔兹曼稳定分布，该结果也检验了有效朗之万方程的准确性。

作者在郎之万方程随机微分方程的框架下，推导出自旋半经典有效的郎之万方程及其对应的福克-普朗克方程。这个有效的郎之万方程能够正确描述正则系综下自旋半经典系统的统计物理性质。作者同时还分别给出了笛卡尔坐标系和球坐标系中有效郎之万方程及其对应的福克-普朗克方程的形式。论文的结果可以拓宽朗之万随机微分方程作为一种理论和计算工具的应用范围，还可以为自旋半经典系统的动力学和统计力学研究提供理论工具层面的参考。

采用了Herriott型多通腔对高平均功率皮秒激光进行非线性压缩产生飞秒激光的脉冲宽度压缩系统，并通过ABCD矩阵对腔内本征模式分布进行了求解计算。实验上通过利用多通腔脉冲压缩装置将100 W钕离子激光器输出的脉冲光谱宽度从0.20 nm展宽到2.75 nm，光谱展宽比为13.75，B积分累积总量接近15.6。利用透射光栅将补偿色散后脉冲宽度从12.5 ps压缩到了780 fs，脉冲压缩比为16，最终输出功率为71.3 W，装置整体效率为71.3%。该装置提供了一种更加结构简单，成本廉价的高平均功率飞秒激光产生方式。

图1  基于Herriott型多通腔的脉冲非线性压缩装置示意图

作者基于MPC多通腔对高功率皮秒激光进行脉宽压缩，获得了高平均功率的飞秒激光。利用多通腔的类波导结构使皮秒脉冲多次经过融石英介质，通过激发自相位调制效应实现光谱展宽，将锁模光谱光谱从0.2 nm展宽到了2.75 nm，脉冲宽度从12.5ps压缩到780fs，实现了压缩比为16。该工作将100 W的皮秒激光经过压缩光路，输出71.3 W，整体效率71.3%。证明了利用脉宽非线性压缩获得高平均功率飞秒激光的可行性，该工作在实现高平均功率窄脉冲宽度激光有一定的启发性，数据可信详实。