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大氣氣溶膠，即大氣中的懸浮顆粒物。通常所說的PM10（粒徑小于10微米，可吸入顆粒物）或者PM2.5（粒徑小于2.5微米，可入肺細粒子）是大氣氣溶膠的重要組成部分。從生成來源上看，大氣氣溶膠分為一次氣溶膠（Primary Aerosols）和二次氣溶膠（Secondary Aerosols）。一次氣溶膠指自然界或人類活動直接排放的氣溶膠粒子；二次氣溶膠指通過大氣中的物理、化學過程新生成的氣溶膠粒子。在大氣污染過程中，汽車尾氣以及人類其他燃燒過程中產生的氮氧化物、煤炭等含硫燃料燃燒產生的二氧化硫等氣體通過參與這些復雜的過程產生二次氣溶膠，即“氣-粒”轉化過程。二次氣溶膠是重度霾過程的氣溶膠污染物的重要來源。 大氣氣溶膠以固態、半固態或者液態幾種形式的相態而存在，其相態與上述大氣中的化學過程有著緊密的聯系。氣溶膠粒子可以作為大氣化學反應的“容器”，在氣溶膠表面或內部進行與二次氣溶膠生成有關的化學反應。氣相分子在不同相態的顆粒物中的傳輸速率差別很大，固態氣溶膠幾乎只有表面能發生氣相化學反應，而液態氣溶膠在顆粒內部也能發生化學反應。因此化學反應加速與液態氣溶膠表面積和體積的增大會形成正反饋過程，在液態氣溶膠上發生的異相化學反應生成二次氣溶膠，對霧霾過程中顆粒物爆發性增長有重要的貢獻。因此，對城市氣溶膠在邊界層內以什么相態存在的空間分布的探測，是研究二次氣溶膠生成、演化和擴散所迫切需要的一項技術，對于理解霧霾形成的機理有著重要的意義。 氣溶膠的相態與顆粒物的化學組分和環境的相對濕度有關。目前對于顆粒物相態的測量，通常僅限于地面采樣觀測，缺少垂直空間方向上顆粒物相態的探測手段。在顆粒物濃度相對較高的大氣邊界層內，垂直方向上相對濕度往往有很大的變化，氣溶膠的相態也一定存在很大差異。 北京大學物理學院大氣與海洋科學系李成才副教授研究組與北京大學環境科學與工程學院朱彤教授研究組、吳志軍研究員研究組共同合作，提出了一種新的利用偏振激光雷達獲得氣溶膠粒子相態垂直廓線的方法。氣溶膠粒子對入射電磁波的散射過程，會造成散射光偏振特性的改變，如果利用線偏振光照射，散射光的偏振度相對于入射光會減小，這種改變稱為氣溶膠的退偏振能力。利用激光雷達觀測的大氣退偏振比可以對氣溶膠粒子進行分類，例如非球形的冰晶和沙塵具有較大的退偏振比，而近于球形的城市氣溶膠細粒子具有較小的退偏振比，區分沙塵與城市細粒子氣溶膠的觀測技術在國內外已經比較成熟，通常也是激光雷達業務觀測的一項主要內容。但是把類似的觀測進一步應用于區分城市氣溶膠細粒子的特性，國際上尚沒有相應的研究結果。通常來說，固態顆粒物形狀不規則，而液態顆粒物更趨近于球型，不同相態的粒子退偏振能力存在差異。結合激光雷達垂直觀測以及地面顆粒物相態儀的測量，研究組發現，激光雷達觀測的城市氣溶膠細粒子后向散射退偏振比與氣溶膠粒子的彈跳率（與相態相關）具有很好的關系，從而建立了利用氣溶膠粒子后向散射退偏振比反演氣溶膠相態的參數化方案，并在國際上首次實現了長時間實時連續的氣溶膠相態垂直廓線的探測。偏振激光雷達反演氣溶膠粒子相態概念圖 該研究成果已在線發表在美國化學學會（ACS）主辦的環境與生態領域國際頂級期刊Environmental Science & Technology Letters（2018 IF=6.934）上。大氣與海洋科學系博士研究生檀望舒為論文第一作者，通訊作者為李成才副教授。北京大學為唯一通訊作者單位。論文評審人之一對論文成果基于高度評價：“......to my knowledge, it is the first time in field studies. Particle phase states have been a hot topic because they can potentially influence the rates of gas-particle partitioning and multiphase reactions. I think this is a timely paper on this topic. The use of lidar depolarization to detect the particle phase states is novel”。

北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心沈波和楊學林課題組與俞大鵬、劉開輝課題組合作，成功實現了Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長，相關工作于2019年7月23日在Advanced Functional Materials上在線刊登 [doi.org/10.1002/adfm.201905056]。 GaN基寬禁帶半導體具有帶隙大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大等優異，能夠滿足現代電子技術對高溫、高頻、高功率等性能的要求，對國家的高技術發展和國防建設具有重要意義。由于缺乏天然的GaN單晶襯底，GaN基半導體材料和器件主要在異質襯底上外延生長。因具有大尺寸、低成本及易于集成等優點，Si襯底上外延GaN成為近年來學術界和產業界高度關注的熱點領域。 目前用于GaN外延生長的Si襯底主要是Si(111)襯底，其表面原子結構為三重排列，可為六方結構的GaN外延提供六重對稱表面。然而，Si(100)襯底是Si集成電路技術的主流襯底，獲得Si(100)襯底上GaN外延薄膜對于實現GaN器件和Si器件的集成至關重要。但Si(100)表面原子為四重對稱，外延生長時無法有效匹配；同時Si(100)表面存在二聚重構體，導致GaN面內同時存在兩種不同取向的晶疇。迄今國際上還未能實現標準Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長。圖 Si(100)襯底上單晶GaN薄膜的外延生長 沈波和楊學林課題組創造性地使用單晶石墨烯作為緩沖層，在Si(100)襯底上實現了單晶GaN薄膜的外延生長，并系統研究了石墨烯上GaN外延的成核機理和外延機制。該突破不僅為GaN器件與Si器件的集成奠定了科學基礎，而且對當前國際上關注的非晶襯底上氮化物半導體外延生長和GaN基柔性器件研制具有重要的指導價值。

原子核裂變數據的精確測量是很多核物理應用的先決條件，比如核能、國防、輻射防護、核廢料處理、產生稀有同位素等。核裂變物理在超重元素合成、反應堆中微子、中子星融合中的r-process等研究中也不可缺少。特別是走向新一代核能-快中子反應堆，急需錒系核區精確的不同能量中子誘發裂變數據。但是目前實驗和理論都無法提供可靠及完整的能量相關裂變數據。 由于涉及中子的實驗難度較大，國際上主要的核數據庫只有幾個能量點的裂變數據。理論上基于微觀模型去描述裂變過程非常復雜，是一個涉及多維位能面的大幅度、非絕熱的量子動力學過程。目前微觀理論對裂變可觀測量的描述還有較大誤差。 此外基于唯象裂變模型對未知核區和未知能區的外推往往不可靠。 北京大學物理學院裴俊琛研究員課題組首次采用貝葉斯神經網絡（Bayesian Neural Network）來評估不完整的裂變產物分布。此前貝葉斯神經網絡對原子核質量外推有一些成功的應用，并可以得出推斷的誤差，但是仍有量子殼效應的疑慮。核裂變過程涉及復雜的位能面，裂變產物分布具有統計特征，比較適合神經網絡。 貝葉斯神經網絡對不完整核裂變產物的評估 目前核裂變產物的實驗測量很難給出完整的產物分布，只能結合模型評估給出完整的裂變產物分布。人們通常基于唯象模型、通過調參數來擬合出產物分布。該工作通過對已有裂變數據庫的學習，當實驗測量給出不完整的裂變數據時能夠推斷出完整的裂變產物分布。結果表明，隨著中子能量增加，裂變模式逐漸從不對稱裂變演化成對稱裂變。這說明神經網絡能成功抓住部分物理圖像。當實驗數點很少時，唯象評估模型失效，神經網絡仍然可以給出有效的評估和合理的置信區間。貝葉斯神經網絡對核裂變產物的評估開辟了一個新的方向，展現了機器學習的一個實際應用范例，將對核數據的定量評估產生重要影響，有望更好地提供應用級的精確核數據。 不同能量的裂變模式演化

李源和合作者所關注的材料是Cu3TeO6，在這個材料中，每個原胞內有12個具有磁性的Cu2+離子。在61K以下，Cu3TeO6成為反鐵磁體，原胞中6個Cu2+離子磁矩方向大致平行，而另外6個Cu2+離子與它們反向。利用線性自旋波理論，李源和合作者發現，Cu3TeO6中的自旋波具有線性的能帶交疊，而進一步的分析表明這種能帶交疊具有拓撲性質：具有純數形式的拓撲電荷，它們不依賴于模型的細節，而只和體系的對稱性有關。李源和合作者證明了，只要材料中具有PT對稱性（時間反演和空間反演），那么，自旋波的線性能帶交疊總是存在。如果同時也存在整體的自旋旋轉對稱性U(1)，這種拓撲能帶交疊具有狄拉克點的形式（圖1a），而將U(1)對稱性移除，則狄拉克點將拓展為結線（圖1b）。狄拉克點和結線都是在特定材料新預言的拓撲能帶交疊類型。Cu3TeO6具有很高的晶體對稱性（第206號空間群，圖1c）,由此保證了在U(1)對稱性存在的前提下，布里淵區P點位置的自旋波總是狄拉克點。圖1：（a）基于J1-J2模型的自旋波色散（b）布里淵區以及布里淵區中的狄拉克點，同時展示了U(1)對稱性移除后狄拉克點演化為結線的過程（c）材料中Cu2+離子J1-J2交換網絡。 為了在實驗上研究上述自旋波的拓撲能帶，李源和合作者又對Cu3TeO6晶體陣列樣品進行了非彈性中子散射實驗。在實驗中，李源和合作者觀測到了四維空間中清晰的自旋波信號。為了將實驗結果和理論計算進行對照，李源和合作者在模擬材料中磁交換作用方面做了大量工作，他們認為：Cu2+離子之間最主要的磁交換作用是最近鄰和第九近鄰的交換作用，前者由于距離最近，后者由于離子之間相對筆直的交換路徑。從圖2a和b可以看到實驗和計算結果符合得相當好：數據不僅表明在布里淵區的P點存在狄拉克錐型的色散（圖2c），而且散射信號的強度與計算也幾乎是一致的（圖2d和e）。散射信號的強度反映了動力學結構因子S(Q,w)，其中包含了自旋波波函數的重要信息，所以實驗和理論的一致性可以認為是材料中自旋波拓撲屬性的直接驗證。圖2：（a和b）沿著圖1（b）高對稱路徑的實驗和計算的自旋波信號強度圖，布里淵區中心是(1, 1, 2)（c）布里淵區P點的狄拉克錐型色散（d和e）a和b虛線框中自旋波的細節，虛線包絡表明了P點的狄拉克錐型色散。

量子隧穿是微觀世界的基本現象，它是指粒子可以像波一樣地穿過有阻礙的區域（即勢壘），是微觀粒子的波粒二象性的一個具體表現。如今，量子隧穿的概念已經滲透到物理學的方方面面，比如廣泛使用的掃描隧道電子顯微鏡、半導體異質結等。然而，關于量子隧穿卻有一個基本問題充滿著爭議，那就是隧穿的過程是否需要時間？如果需要時間那又該如何測量呢？自量子力學誕生以來，這個問題一直伴隨著量子力學的發展而爭論至今。 隨著超短激光脈沖的問世，人們一直努力、希望在強場隧道電離的范疇來解決這個的重要爭議問題。隨即，學術界提出了可以通過阿秒鐘方案測量隧道電離的發生時間（即時間延遲），阿秒鐘巧妙地將隧穿時間延遲轉化為光電子發射角的偏移，然而對于實驗結果，大家一直未取得一致的看法。學術界通過十多年的研究，基本上形成了兩種對立的觀點，即瞬時隧穿（隧穿幾乎不需要時間）與延時隧穿（隧穿需要百阿秒量級的時間），各自都有相應的理論與實驗支持。似乎這兩種觀點充滿矛盾、不可調和！量子隧穿的示意圖量子隧穿可以看作是微觀粒子的“穿墻術”增強型阿秒鐘的原理。（a）線偏振的二次諧波打破了圓偏振的基頻光的對稱性，標記了最大值激光電場的方向與時刻。（b）不加二次諧波時測量的光電子動量譜。（c）加入標記光場后測量的光電子動量譜。 傳統的阿秒鐘是采用單個橢圓偏振或近圓偏振的激光脈沖，因此傳統阿秒鐘的校準依賴于少周期激光的載波包絡相位和橢偏率的確定，它們的噪聲抖動會給阿秒鐘的測量帶來很大的誤差。日前，北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”劉運全教授和龔旗煌院士領導的研究小組，提出并實現了一種全新改進型阿秒鐘，在一束圓偏振飛秒激光場中加入了另一束線偏振的倍頻光來校準阿秒鐘，使得光電子發射角的偏移量的定標更加精準。這種增強型阿秒鐘使得隧穿時間的測量更加準確可靠。理論上還證明了上述兩種看似對立的隧穿圖像可以被統一在同一個理論框架下進行描述。在強場近似理論框架下，他們分別建立了瞬時隧穿圖像以及基于Wigner表象的延時隧穿圖像，對于增強型阿秒鐘的實驗結果，這兩種隧穿圖像的理論結果都與實驗結果相符合。因此，這是第一次使用同一個理論框架和同一個實驗完美地統一了這個長期的學術爭議，為隧穿時間研究提供一種思路。

在高晶體質量的狄拉克半金屬Cd3As2納米線中觀測到手征反常導致的負磁電阻效應（Nat. Commun. 6, 10137 (2015)）；并借助于納米線比表面積大的優勢，測量到起源于拓撲表面態輸運的π A-B效應(Nat. Commun. 7, 10769 (2016); Phys. Rev. B 95, 235436（2017）)。 最近，他們通過輸運測量首次在狄拉克半金屬Cd3As2納米線中觀測到連續體態和離散表面態耦合產生的Fano共振現象。研究表明直徑約為60 nm的Cd3As2納米線的表面態能帶會發生劈裂，通過柵壓調制費米能級到一個表面態子能帶的帶底時，會呈現出零偏壓微分電導峰；在磁場作用下，由于塞曼效應，零偏壓電導峰會發生劈裂，測量得到表面態的朗德因子為32；Fano共振進一步導致零偏壓微分電導峰隨偏置電壓具有非對稱的線形，并可能對材料中起源于“外爾軌道”的量子振蕩頻率產生修正。這項工作對于深入研究拓撲半金屬的輸運性質，以及設計實現可電學調控的Fano體系有著重要意義。圖1. Cd3As2納米線中量子限制效應引起的電導振蕩；(b)柵壓調制的微分電導譜。