聚变等离子体中快离子分布函数的速度空间层析反演(tomography)是研究磁约束核聚变装置中快离子分布和输运的重要手段。在东方超环(experimental advanced superconducting tokamak，EAST)中性束注入(neutral beam injection，NBI)与离子回旋共振加热(ion cyclotron range of frequencies heating，ICRF)协同加热实验中，快离子诊断测量信号以及TRANSP模拟获得的快离子分布函数中观测到协同效应产生的高于中性束注入能量的高能粒子。为了研究快离子分布行为，获得不同加热条件下诊断测量的快离子分布函数，采用不同的正则化方法，增加先验信息以及将快离子D_α光谱诊断(fast-ion D_α spectroscopy，FIDA)与中子发射谱仪(neutron emission spectrometers，NES)相结合等方式，有效提高快离子诊断信噪比以及在速度空间权重覆盖率，实现在单独NBI加热以及NBI和ICRF协同加热条件下基于诊断测量的层析反演，获得真实可靠的快离子分布函数。这为下一步提高NBI与ICRF协同加热效率，研究协同加热机制以及相关的快离子分布和输运行为奠定基础。 

图8  单独NBI时基于FIDA诊断测量的快离子分布函数层析反演 (a)零阶Tikhonov正则化；(b) 一阶Tikhonov正则化；(c) 一阶Tikhonov正则化，空值测量区域；(d) 一阶Tikhonov正则化，已知峰值位置

在聚变等离子体中，由于受到诊断精度的限制，通过速度空间层析反演来获得快离子的分布函数是一件比较困难的工作。该文在一阶Tikhonov正则化层析反演方法的基础，通过FiDA和NES诊断结合，引入相关的先验信号，获得了比较好的反演结果，并且研究了NBI和ICRF协同加热条件下的快离子的行为，为将来EAST快离子行为的研究打下了很好的基础。

基因转录调控是生命体调节基因表达的重要过程，是保证遗传信息可控传递和维持基因组稳定性的关键步骤。单分子技术的发展为分子水平上探索基因转录调控动力学机制提供了新的研究范式，有力地推动了基因转录调控规律方面的研究进展。本文着重介绍了依据单分子磁镊旋转操控技术发展起来的操控超螺旋DNA的技术，借助超螺旋DNA的“放大”特点，实现了对DNA双螺旋动态打开过程的高通量、单碱基精度的测量；随后，介绍了单分子磁镊旋转操控技术在基因转录调控动力学研究中的应用情况，通过实时监测转录泡结构，实现对转录起始、延伸和终止等阶段的动力学表征，建立了一系列新的转录调控模型；最后，介绍了单分子磁镊旋转操控和单分子荧光成像技术联用方案，为研究复杂体系中的基因转录调控动力学机制提供了新的范式和范例。 

图2  单分子磁镊旋转操控DNA超螺旋

本综述回顾了各研究组应用单分子磁镊技术对基因转录调控动力学的研究，特别是旋转操纵技术对转录起始、延伸和终止过程中的动力学行为的表征。更专注于总结磁镊旋转技术对基因转录的全过程的动力学表征，是对单一技术更全面的总结。

过渡金属磷硫化合物MPS (M为过渡金属)是一类新型二维范德瓦耳斯材料，因其独特的磁学、光学和光电性能而得到广泛关注。其中，Nb₄P₂S₂₁是具有准一维链状结构的层状材料，其各向异性的光学性质等物性仍缺乏深入研究。本文主要通过偏振Raman光谱和角度依赖的飞秒瞬态吸收光谱对Nb₄P₂S₂₁单晶的光学各向异性进行研究，Nb₄P₂S₂₁单晶的偏振Raman光谱表明在平行和垂直极化构型下，202 cm^–1处的Raman振动峰强度均表现出二重对称性，而489 cm^–1处的Raman振动峰强度均表现出四重对称性。而超快载流子动力学研究表明在平行极化构型下，Nb₄P₂S₂₁单晶在光激发后的热载流子数目和弛豫速率均表现出各向异性。这些结果有助于理解Nb₄P₂S₂₁单晶的面内各向异性光学性质，并将进一步促进其在角度关联的低维光电子器件中的应用。 

图4 (a) 飞秒瞬态吸收光谱测试示意图，θ表示Nb₄P₂S₂₁的面内旋转角；(b)，(c) θ = 0°和θ = 90°时，400 nm光激发后Nb₄P₂S₂₁在不同时间延迟(∆τ)下的瞬态吸收光谱，∆OD表示泵浦导致的光密度变化(m∆OD = 10^–3 ∆OD)；(d) 光激发后∆τ = 440 fs，θ = 0°和θ = 90°时的瞬态吸收光谱；(e) θ = 0°，30°，45°，70°，90°时，680 nm探测波长下的载流子动力学曲线；(f) ∆τ = 440 fs时，不同角度瞬态吸收信号强度的极图

本文对制备的高质量Nb₄P₂S₂₁单晶进行了丰富表征，并通过角分辨拉曼光谱和角度依赖的瞬态吸收光谱技术研究了该材料的光学各向异性，实验数据详实可信，为理解具有准一维链状结构的Nb₄P₂S₂₁单晶中面内光学各向异性提供了新的思路，对该材料在光电器件中的进一步应用具有重要意义。

托卡马克装置内，建立和维持内部输运垒结构是提高等离子体约束的重要保障。本文简单概述了EAST反磁剪切q_min ≈ 2实验条件下建立和维持内部输运垒的关联物理过程：“离轴锯齿”和双撕裂模不稳定性；快离子激发的阿尔芬波不稳定性；热粒子激发的低频模不稳定性等。首先，“离轴锯齿”是判断实验条件q_min ⩽ 2的重要依据。文中详细介绍了“离轴锯齿”的激发条件、分类方式和先兆模结构等基本特征，其崩塌事件由m/n = 2/1双撕裂模磁重联诱发产生。其次，在“离轴锯齿”振荡期间，快离子很容易激发比压阿尔芬本征模和反剪切阿尔芬本征模。这两类阿尔芬本征模的环向模数为1⩽ n ⩽5，径向位置为环向区域1.98 m ⩽ R ⩽ 2.07 m (磁轴R₀ ≈ 1.9 m，归一化小半径0.2 ⩽ ρ ⩽ 0.45)。简述阿尔芬波的激发条件和3种不同物理量(热压力梯度、快离子分布函数和环向流速剪切)等之间的关系。第三，在“离轴锯齿”振荡期间，热压力梯度可以诱发低频模不稳定性。利用一般鱼骨模色散关系很容易得出EAST上低频模的基本特征：1)离子抗磁漂移频率大小；2)阿尔芬波极化方向；3)反应型动理学气球模特征。低频模不稳定性的激发不依赖快离子，主要发生在高的压力梯度区α∝(1+τ)(1+η_i)，τ = T_e/T_i，η_i = L_ni/L_Ti，也即是足够高的τ和η_i。最后，“离轴锯齿”不稳定性的抑制和内部输运垒结构的建立。EAST内q_min ≈ 2条件下内部输运垒建立过程中包括3个重要过程：1)切向(NBI1L)注入比垂直方向(NBI1R)注入的中性束更容易缓解“离轴锯齿”的爆发周期；2)存在“离轴锯齿”的情况高效缓解微观不稳定性，且此位形更有利于内部输运垒结构的建立；3)内部输运垒建立过程中伴随阿尔芬波(1 ⩽ n ⩽ 5)不稳定性的激发，内部输运垒维持期间存在热离子温度梯度激发的中尺度微观不稳定性(5 ⩽ n ⩽10)等。因此，理解和掌握“离轴锯齿”实验条件的建立和抑制、阿尔芬波的激发和快离子的再分布、热压力梯度相关不稳定性等物理过程，对于内部输运垒形成机制的理解具有重要的借鉴意义。

图1  EAST托卡马克装置反磁剪切q_min ⩽ 2条件下双撕裂模(DTM)和离轴锯齿(OAS)、快离子激发低频阿尔芬波(BAEs，RSAEs)、热压力梯度激发低频模(LFMs)和内部输运垒(ITBs)等物理过程之间的相互关系

本文针对EAST托卡马克装置在q_min约等于2的条件下的反磁剪切平衡位形，讨论了快离子和热粒子激发的相关不稳定性，分析了相关不稳定性对内部输运垒建立和维持的影响。此文的结论对托卡马克装置高约束模式运行时内部输运垒结构形成机制的理解具有重要的物理意义。

采用自主开发的本征值程序MAS，基于朗道流体-漂移动理学混合物理模型，针对近期实验上观测到的高能量电子激发比压阿尔芬本征模(e-BAE)开展动理学模拟研究。通过在全域环几何位形下非微扰求解e-BAE色散关系，得到了e-BAE实频率、增长率和模结构随环向模数的变化特征，并发现e-BAE在高能量电子密度-温度参数空间下存在不稳定岛，而在传统微扰理论下则不存在不稳定岛。进一步分析了高能量电子非微扰效应对e-BAE模结构对称性破缺的影响，结果表明：增大高能量电子温度可以引起显著的极向对称性破缺；移动高能量电子密度剖面使其驱动强度关于有理面不对称时，e-BAE模结构产生径向对称性破缺，并且扰动幅度在平行波数谱空间下分布不对称，从而引起等离子体自发旋转。本文研究结果为理解实验上e-BAE的激发与传播特征具有参考意义。

图5  e-BAE (a)实频率和(b)增长率随高能量电子密度和温度的依赖关系。A—E为参数空间下的5个代表算例，用于下一步模结构分析。青蓝色实线为e-BAE临界不稳定边界(γ=0)，五角星为激发e-BAE需要的最小高能量电子比压对应的密度和温度值

本文应用自主开发的程序MAS对托卡马克等离子体的e-BAE现象进行了模拟分析，得到的结果有趣新颖，其模拟结果经得起推敲，发现增加快电子温度可以显著增加极向不对称性结构，而改变快电子不同的径向分布情况，引起径向不对称性破缺。

二维碳/氮化物MXene近年来受到了越来越多的关注，其优异的导电性和表面丰富的官能团可对电磁波吸收有着积极的作用。然而作为仅有介电损耗的非磁性材料，MXene存在着阻抗不匹配等问题，极大地限制了实际应用。因此，将磁性材料与MXene结合成为了目前微波吸收领域的研究热点，而降低MXene堆叠现象与调控磁性材料所占比例成为实现良好微波吸收性能的关键因素。本文通过简单的静电吸附作用将水热法制备的Fe₃O₄纳米微球锚定在大尺寸单层二维Ti₃C₂T_x表面，并在该Fe₃O₄@Ti₃C₂T_x复合结构中实现了–69.31 dB的最小反射损耗值(频率为16.19 GHz)，且此时的双峰吸收带宽可达到3.39 GHz。另外，雷达截面(RCS)模拟计算表明，该样品也具有优异的RCS值，表现出对雷达波优异的衰减能力。本研究对二维材料和磁性材料在微波吸收领域的性能改善与实际应用提供了新的思路。

图1  二维Fe₃O₄@Ti₃C₂T_x复合材料制备过程示意图

本文采用水热法和静电吸附法制备了单层大尺寸二维Fe₃O₄@Ti₃C₂T_x复合材料，制备方法简单且实现了双峰吸收，在频率为16.19 GHz时可以达到-69.31 dB的最小反射值，此时带宽可达3.39 GHz，具有优异的性能。另外这项研究还进行了雷达散射模拟，进一步对比了不同样品对雷达波的衰减能力，对后续继续探索MXene与磁性金属氧化物的复合材料在微波吸收领域的应用提供了参考方案。

研究了液态Zr₃₅Al₂₃Ni₂₂Gd₂₀合金在深过冷快速凝固条件下的亚稳相分离和双非晶相形成机理。实验发现，在平衡条件下其凝固组织由3种晶体相构成，诱发亚稳相分离的临界过冷度约为516 K (0.37T_L)。当过冷度达到624 K (0.45T_L)时，分离后的富Zr液相发生非晶转变，形成非晶AM-Zr相；当过冷度进一步增大到714 K (0.52T_L)时，富Gd液相发生非晶转变形成非晶AM-Gd相。同时，过冷度和冷却速率的增大导致亚稳相分离机制由形核长大型转变为调幅分解型，双非晶相的组织形貌由球状向网状转变。双相非晶合金的平均硬度和杨氏模量由自由体积、相体积分数和双非晶相结构共同支配，呈现出先减小后增大的变化规律。双非晶相的形成有利于合金应力加载过程中的能量耗散，促进了多重剪切带的产生，提高了非晶合金的塑性。

图6  四元Zr₃₅Al₂₃Ni₂₂Gd₂₀合金的热力学性质

本文研究了液态Zr₃₅Al₂₃Ni₂₂Gd₂₀合金在深过冷快速凝固条件下的亚稳相分离和双相非晶合金的形成机理。实验发现过冷度达到一定阈值时将发生显著的相分离，形成不同形态的双相非晶合金。双非晶相的形成有利于多重剪切带的产生，提高了非晶合金的塑性。该项研究工作具有创新性，对非晶合金和相分离合金两个领域的研究具有重要意义。

利用超快瞬态吸收光谱，针对氧化镓(β-Ga₂O₃)晶体中本征缺陷诱导的载流子俘获和复合等动力学进行研究。实验发现，由本征缺陷诱导的宽带吸收光谱具有很强的偏振依赖性，特别是从不同探测偏振下的瞬态吸收光谱中可以提取出两个缺陷态吸收响应。该缺陷诱导的吸收响应归因于从价带到本征缺陷(镓空位)不同电荷态的光学跃迁，利用基于单缺陷的多能级载流子俘获模型拟合得到缺陷俘获空穴的速率远快于俘获电子，且缺陷态的吸收截面相较于自由载流子吸收截面大至少一个数量级。本文的研究结果不仅能明确本征缺陷与光生载流子动力学之间的关系，而且为β-Ga₂O₃在超快宽带光电子器件中的应用提供科学指导。

图2  在不同的延迟时间下，沿(a) [010]和(b) [102]晶轴探测下UID β-Ga₂O₃晶体的瞬态吸收光谱；沿(c) [010]和(d) [102]轴探测下提取的不同波长吸收衰减动力学。泵浦脉冲固定为沿[102]轴偏振

本文使用瞬态吸收光谱对β-Ga₂O₃晶体中本征缺陷诱导的载流子捕获和复合动力学进行研究，指出缺陷诱导的吸收响应归因于从价带到本征缺陷不同电荷态的光学跃迁，并对不同缺陷态的偏振依赖性进行研究，通过速率方程拟合给出光激发后缺陷态动力学模型，为β-Ga₂O₃晶体在光电子器件中的应用提供了理论基础。