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在海洋環(huán)境、酸雨污染、高溫高濕等的環(huán)境條件下，紫銅、黃銅及其合金的加工器件在中間工序存放和使用過程中會(huì)造成點(diǎn)蝕，進(jìn)而擴(kuò)展為大面積腐蝕，而作為連接部件會(huì)加劇縫隙腐蝕引發(fā)應(yīng)力腐蝕斷裂。該項(xiàng)目成功研制了耐腐蝕耐磨防腐蝕環(huán)保涂料，大大延長銅類尤其是紫銅的自然存放期，對(duì)銅器件生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中起到了很好的保護(hù)作用；由于耐蝕性優(yōu)異，也可作為長期防護(hù)涂層。該技術(shù)獲得的涂層在厚度為5μ條件下測(cè)試相關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)如下：   外觀    無色透明   可保留銅的金屬光澤；可調(diào)整任意顏色   粘度    25秒      《涂料粘度測(cè)定法》（涂-4杯）（GB/T 1723-1993）    附著力  0級(jí)      《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》（GB/T9286-1998）    耐鹽霧   200h       《色漆和清漆耐中性鹽霧的測(cè)定》（GB/T1771-1991）   耐沖擊  50Kg·cm   《漆膜耐沖擊測(cè)定法》GB/T1732-1993   耐磨擦  0.005千克 《漆膜耐磨性測(cè)定法》（GB/T1768-1989）   硬度    4H        《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》（GB/T6739-1996）   相容性  與彈藥相容 《真空安定性試驗(yàn)-壓力傳感器法》（GJB772A-97 501.2） 該技術(shù)適合噴涂、刷涂、輥涂等工藝，不含任何有害稀釋劑，為環(huán)保產(chǎn)品。該產(chǎn)品用量少、性能和使用工藝優(yōu)于防銹油；其另一特色在于必要時(shí)很容易去除，比防銹油的去除要容易的多。

6-芐基腺嘌呤是目前國內(nèi)、外使用非常廣泛的一種植物生長調(diào)節(jié)劑，其特點(diǎn)是用量少、效率高、毒性低。在細(xì)胞培養(yǎng)中用于誘導(dǎo)細(xì)胞分裂、調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、延緩蛋白質(zhì)和葉綠素的降解，而且具有防衰、保鮮作用，可用于園藝、果蔬作物的保鮮、貯藏。配成不同濃度的水劑，用于作物的生長期可起到調(diào)節(jié)生長的作用，使水稻和黃瓜增產(chǎn)、增收，并使黃豆芽粗壯且無根。它的毒性很小，LD50:2130mg/kg。因此6-芐基腺嘌呤代表著植物生長調(diào)節(jié)劑的發(fā)展方向，有著廣泛的應(yīng)用前景。 6-芐基腺嘌呤合成的核心中間體為次黃嘌呤，但是，目前次黃嘌呤的價(jià)格昂貴，因此導(dǎo)致了6-芐基腺嘌呤生產(chǎn)規(guī)模小、成本高、售價(jià)居高不下，極大限制了6-芐基腺嘌呤的推廣和應(yīng)用。用乙酰次黃嘌呤經(jīng)堿性水解后即得次黃嘌呤，為合成6-芐基腺嘌呤提供了廉價(jià)原料來源，同時(shí)也具有很好的社會(huì)效益。本項(xiàng)目投資小，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益好

石墨烯中電子除了自旋這個(gè)內(nèi)秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對(duì)材料性質(zhì)的影響和調(diào)控。物理學(xué)系何林教授課題組長期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對(duì)石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關(guān)的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實(shí)石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)其自旋磁矩調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測(cè)到石墨烯中單原子缺陷引入的對(duì)稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測(cè)量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實(shí)空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結(jié)構(gòu)，有A和B兩套子格，因此波函數(shù)數(shù)學(xué)形式上類似于自旋。對(duì)于電子自旋有很多有意思的可觀測(cè)物理現(xiàn)象，那么對(duì)應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測(cè)的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的單原子缺陷可以使準(zhǔn)粒子在石墨烯手性不同的兩個(gè)谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉(zhuǎn)，在缺陷附近產(chǎn)生一個(gè)原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數(shù)直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測(cè)量需要借助于外加磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)可以驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)粒子沿閉合的軌跡絕熱運(yùn)動(dòng)，所以這一的結(jié)果提供了一個(gè)簡單的方法測(cè)量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測(cè)量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實(shí)空間中增加的額外波前條紋數(shù)直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數(shù)，從而可直接測(cè)量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對(duì)雙層石墨烯進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進(jìn)一步他們還研究了相同和相反繞數(shù)的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結(jié)果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現(xiàn)象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

項(xiàng)目成果/簡介:浮游植物在表層獲取光能固定CO2，形成顆粒有機(jī)碳（POC）往下沉降，在深海再礦化后生成銨（NH4+），從而為深?；茏责B(yǎng)細(xì)菌/古菌提供了能量來源。因此，氨氧化古菌和亞硝氧化細(xì)菌所介導(dǎo)的兩步硝化過程是實(shí)現(xiàn)光能傳遞到深海被利用的重要途徑，是深海重要的供能過程，支撐了海洋“黑暗固碳”——不依賴于光合作用的化能自養(yǎng)固碳，為深海生物圈提供了“新”的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)積累硝氮。由于亞硝氧化菌群研究的長期滯后，氨氧化和亞硝氧化功能群在深海的協(xié)作關(guān)系始終不明了，因此國際上對(duì)深海硝化菌群支撐的碳（C）?氮（N）耦合機(jī)理（定性）的理解仍極為有限，對(duì)C?N計(jì)量學(xué)關(guān)系（定量）的準(zhǔn)確估算仍是空白。 該研究工作結(jié)合多組學(xué)分析、生理學(xué)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位速率及動(dòng)力學(xué)觀測(cè)和模擬，以及生態(tài)系統(tǒng)模型，闡釋了氨氧化古菌和亞硝氧化細(xì)菌顯著差異的代謝策略，及兩步氧化過程耦合、硝化與黑暗固碳耦合的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制，建立了硝化菌群支撐的C?N、物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的計(jì)量學(xué)關(guān)系，量化了深海硝化過程對(duì)深海生物圈及全球海洋碳循環(huán)的貢獻(xiàn)和影響。該工作為深海物質(zhì)與能量循環(huán)研究提供了新的參數(shù)，對(duì)深入認(rèn)識(shí)深海生物地球化學(xué)過程具有重要意義。

項(xiàng)目簡介提出采用消除試驗(yàn)電流中電流非周期分量的方法；實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的選相合閘，解決了國內(nèi)外長期未解決的保護(hù)電器瞬動(dòng)特性調(diào)試精確度低的難題；首次提出采用成功率作為保護(hù)類電器的可靠性主要考核指標(biāo)，解決了保護(hù)電器保護(hù)特性的可靠性考核問題，并提出成功率的雙參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)方案；制訂出低壓保護(hù)電器可靠性的系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國內(nèi)外在保護(hù)電器可靠性考核標(biāo)準(zhǔn)上的空白。二、技術(shù)指標(biāo)該項(xiàng)目在研究期間出版了專著《低壓保護(hù)電器可靠性理論及其應(yīng)用》，發(fā)表學(xué)術(shù)論文38篇，獲得發(fā)明專利3項(xiàng)，獲河北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，天津市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。于2002年榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。研制出貫徹保護(hù)電器系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)裝置，并在國內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、行業(yè)骨干企業(yè)建立了可靠性試驗(yàn)平臺(tái)。三、推廣應(yīng)用情況推動(dòng)了電器可靠性技術(shù)的發(fā)展，所制訂的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提高我國低壓保護(hù)類電器產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性水平奠定了基礎(chǔ)。在國家電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等6家檢測(cè)機(jī)構(gòu)及企業(yè)建立了可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，研究成果推廣應(yīng)用到70%的低壓保護(hù)類電器主要生產(chǎn)廠家。發(fā)明專利證書國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)證書

該項(xiàng)目為1998年武漢市科委科技攻關(guān)項(xiàng)目，2000年通過專家鑒定,達(dá)國內(nèi)領(lǐng)先水平。安賽蜜甜度為蔗糖的200倍，易溶于水，協(xié)同性好，熔點(diǎn)為225 oC（分解）。尤其是在酸性飲料中也有很好的穩(wěn)定性和甜度，而且安賽蜜在人體內(nèi)不代謝、不吸收、不蓄集，24小時(shí)內(nèi)可完全排出體外，具有很高的安全性，是世界公認(rèn)的最具有發(fā)展?jié)摿Φ奶鹞秳┬缕贩N之一。

泛素-蛋白酶體體系（Ubiquitin-Proteasome System，簡稱UPS）是細(xì)胞內(nèi)最重要的蛋白質(zhì)降解通路，對(duì)維持生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的濃度平衡，以及對(duì)調(diào)控蛋白、錯(cuò)誤折疊或受到損傷的蛋白的快速降解起著至關(guān)重要的作用，參與了細(xì)胞周期、基因表達(dá)調(diào)控等多種細(xì)胞進(jìn)程，由UPS失常引發(fā)的蛋白質(zhì)新陳代謝異常與眾多人類重大疾病直接相關(guān)。2004年，Aaron Ciechanover, Irwin Rose和Avram Hershko三位科學(xué)家被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對(duì)該降解通路的發(fā)現(xiàn)。UPS中蛋白酶體是細(xì)胞中最基本的、最重要的不可或缺的、最為復(fù)雜的大型全酶超分子復(fù)合機(jī)器之一，人源蛋白酶體全酶包含至少33種不同的亞基，總原子質(zhì)量約為2.5MDa。美國FDA批準(zhǔn)的多種治療癌癥的藥物分子即以蛋白酶體為直接靶標(biāo)。近年來，隨著冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，人們對(duì)這一大分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)和功能研究得以不斷深入。2016年，毛有東課題組與合作者報(bào)道了人源蛋白酶體基態(tài)的3.6?冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及其他三個(gè)亞納米分辨構(gòu)象，并首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)象的核心顆粒（Core Particle，簡稱CP）底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道處于開放狀態(tài)（見PNAS 2016, 113: 12991-12996）。2018年4月，該課題組又報(bào)道了6個(gè)ATPγS結(jié)合狀態(tài)下的26S動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)CP開放態(tài)對(duì)應(yīng)的亞穩(wěn)簡并態(tài)近原子分辨（4~5?）結(jié)構(gòu)（見Nature Communications 2018, 9: 1360）。盡管這些工作揭示了蛋白酶體的基本架構(gòu)和內(nèi)在運(yùn)動(dòng)行為，但由于缺乏蛋白酶體與底物之間的相互作用，人們對(duì)于蛋白酶體如何實(shí)現(xiàn)底物降解的原子水平工作機(jī)制仍一無所知。此外，盡管冷凍電鏡技術(shù)近年來廣泛應(yīng)用于分析具有動(dòng)態(tài)特征的蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)和平衡態(tài)構(gòu)象，但對(duì)其中間態(tài)結(jié)構(gòu)和非平衡構(gòu)象分析的分辨率水平往往局限在4～6埃或更低，離真正的全原子水平動(dòng)力學(xué)分析還有相當(dāng)一段距離。 為了真正實(shí)現(xiàn)原子水平的蛋白酶體底物降解動(dòng)態(tài)過程的冷凍電鏡三維重建和動(dòng)力學(xué)表征，毛有東課題組攻克了兩大技術(shù)難題。其一，如何在蛋白酶體完成底物降解之前抓到它的所有可能的中間態(tài)構(gòu)象？課題組發(fā)展了一種新穎的核酸置換法，利用ATPγS降低AAA-ATPase激酶水解活性的特點(diǎn)，在底物降解中間過程，通過將ATP快速置換成ATPγS，結(jié)合快速冷凍的優(yōu)勢(shì)，從而撲捉到蛋白酶體在底物降解過程的中間態(tài)。其二，如何在從冷凍電鏡數(shù)據(jù)中分析出更多構(gòu)象的同時(shí)，還把分辨率做到3埃甚至更好？課題組通過多年持續(xù)努力，發(fā)展了多種基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的冷凍電鏡圖像聚類的新型算法，并針對(duì)蛋白酶體的動(dòng)力學(xué)特征，設(shè)計(jì)了一套極其有效的整合了多種算法的多構(gòu)象分類流程。通過這兩套技術(shù)方案的完美結(jié)合，課題組成功解析了人源蛋白酶體在降解底物過程中的七種不同的、但差別甚微的、高分辨原子水平的天然態(tài)構(gòu)象（Native states），完整展示了蛋白酶體從泛素結(jié)合到去泛素化，再到底物轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程。與同期在Science上發(fā)表的與底物結(jié)合的酵母蛋白酶體的4.2-4.7埃冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（Science doi: 10.1126/science.aav0725，來自加州伯克利分校和Scripps研究所）相比，該Nature論文不僅總構(gòu)象數(shù)量多一倍，全部構(gòu)象分辨率還高1-2埃。由于Science論文采用了抑制Rpn11去泛素活性的策略，其非天然態(tài)結(jié)構(gòu)中底物并不能真正自由轉(zhuǎn)運(yùn)，所推測(cè)的機(jī)理僅限于底物轉(zhuǎn)運(yùn)這一步，對(duì)于其他三大Nature論文所回答重要問題均無法給出答案。這體現(xiàn)了該Nature論文不僅在實(shí)驗(yàn)方法的原創(chuàng)性上和數(shù)據(jù)分析水平和質(zhì)量上，更在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和問題探究的深度和廣度上大幅超越了來自Science的競(jìng)爭(zhēng)性論文。圖一 七個(gè)利用冷凍電鏡解析的精細(xì)原子結(jié)構(gòu)完整揭示了從泛素識(shí)別、去泛素化反應(yīng)、轉(zhuǎn)運(yùn)啟動(dòng)和持續(xù)降解的核心功能動(dòng)態(tài)過程。 作為整個(gè)蛋白酶體的動(dòng)力來源與運(yùn)轉(zhuǎn)核心，AAA-ATPase激酶分子馬達(dá)展現(xiàn)出了三種不同的核苷酸水解協(xié)作模式，6個(gè)ATPase亞基協(xié)調(diào)工作，交替與底物發(fā)生相互作用。在去泛素化過程（EB態(tài)）中，處于對(duì)立位置的兩個(gè)ATPase亞基Rpt2與Rpt4水解ATP，而Rpt5與Rpt6則釋放ADP，ATPase內(nèi)的底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道被打開，使得底物可以進(jìn)入軸心通道；與此同時(shí)，去泛素化酶Rpn11亞基與泛素及底物發(fā)生相互作用，執(zhí)行其作為去泛素化酶的功能；在轉(zhuǎn)運(yùn)起始過程（EC態(tài)）中，相鄰的兩個(gè)ATPase亞基Rpt1與Rpt5會(huì)同時(shí)水解ATP，調(diào)控顆粒（Regulatory Particle，簡稱RP）發(fā)生大規(guī)模轉(zhuǎn)動(dòng)并釋放泛素；在底物去折疊與轉(zhuǎn)運(yùn)過程（ED態(tài)）中，三個(gè)相鄰的ATPase亞基會(huì)分別同步進(jìn)行ATP的結(jié)合、ADP的釋放與ATP的水解，這一過程會(huì)單向傳遞下去，將ATP水解釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使得相應(yīng)的ATPase亞基發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)底物的去折疊和單向輸運(yùn)，同時(shí)CP的轉(zhuǎn)運(yùn)通道入口打開，底物被送入通道中進(jìn)行降解。這些研究結(jié)果為幾十年來對(duì)蛋白酶體功能的研究提供了寶貴的第一手原子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息，對(duì)于理解生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的降解過程和一系列負(fù)責(zé)物質(zhì)輸運(yùn)的ATPase馬達(dá)分子的一般工作原理具有極為重要的科學(xué)意義。

細(xì)菌通過多個(gè)趨化受體來感受周圍不同的化學(xué)小分子，主動(dòng)游動(dòng)，實(shí)現(xiàn)獲得更好的生長環(huán)境或者實(shí)現(xiàn)趨利避害。但不是強(qiáng)的正趨小分子都是很好的可利用營養(yǎng)物質(zhì)—好聞的不一定有營養(yǎng)，同樣，也不是容易代謝的營養(yǎng)就是強(qiáng)的趨化因子—有營養(yǎng)的不一定好聞。細(xì)菌在自然界中往往面臨多種不同強(qiáng)弱的趨化小分子，多種不同可代謝程度的營養(yǎng)來源的復(fù)雜濃度梯度環(huán)境中，細(xì)菌群落是如何通過趨化行為抉擇它們的去向，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化它們的環(huán)境適應(yīng)性與生長速度？細(xì)菌在個(gè)體與群體的選擇上是否有不同？這一基于細(xì)菌的生物行為的研究也許對(duì)了解復(fù)雜的高等生物的群體行為也有所幫助。 北京大學(xué)物理學(xué)院歐陽頎院士領(lǐng)導(dǎo)的“生物物理”團(tuán)隊(duì)的羅春雄研究組在基于微流體細(xì)菌趨化分析芯片的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)：在反向不同引誘物濃度梯度下，細(xì)菌首先趨向聚集于強(qiáng)引誘物而少營養(yǎng)的一端， 但當(dāng)細(xì)胞密度超過一個(gè)閾值時(shí)，細(xì)菌群落部分“逃逸”強(qiáng)引誘物濃度場(chǎng)，游向趨化因子相對(duì)弱但可代謝物質(zhì)富集的一端。這一現(xiàn)象被刻畫為細(xì)菌群體運(yùn)動(dòng)的“逃逸相變行為”。羅春雄研究組通過與美國IBM沃森研究中心的涂豫海教授（北大定量生物學(xué)中心資深訪問學(xué)者）合作，對(duì)此現(xiàn)象涉及的趨化受體間的協(xié)作行為進(jìn)行了系統(tǒng)細(xì)致的理論分析和實(shí)驗(yàn)論證，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)通過數(shù)量較少的Tap趨化受體進(jìn)行了響應(yīng)行為，而且在較大的一個(gè)趨化響應(yīng)參數(shù)空間均會(huì)出現(xiàn)由細(xì)菌密度超過臨界密度而產(chǎn)生的逃逸條帶（“Escape Band”）行為，該行為可以使得細(xì)菌群落在復(fù)雜的趨化物濃度場(chǎng)中獲得更好的生長優(yōu)勢(shì)。相關(guān)的定量實(shí)驗(yàn)與理論研究以“The escape band in Escherichia coli chemotaxis in opposing attractant and nutrient gradients”為題于2019年1月23日在線發(fā)表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）雜志上。細(xì)菌群體趨化運(yùn)動(dòng)的“逃逸相變行為” 文章第一作者為北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士研究生張玄麒,通訊作者為北京大學(xué)物理學(xué)院/定量生物學(xué)中心羅春雄教授及美國IBM沃森研究中心/定量生物學(xué)中心的涂豫海教授，參與人包括歐陽頎院士，前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生司光偉，董一名，物理學(xué)院博士研究生陳凱悅。工作得到國家自然科學(xué)基金委、物理學(xué)院介觀物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、 北京大學(xué)定量生物學(xué)中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。 工作原文連接: https://www.pnas.org/content/early/2019/01/22/1808200116

北京大學(xué)物理學(xué)院“科技部極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”肖云峰研究員和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁模式光學(xué)微腔，極大地增強(qiáng)了表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性光學(xué)效應(yīng)，得到的二次諧波轉(zhuǎn)換效率提升了14個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然?光子學(xué)》(Nature Photonics)上，文章題為“Symmetry-breaking-induced nonlinear optics at a microcavity surface”。左圖：表面二次諧波效應(yīng)示意圖；右圖：光學(xué)微腔增強(qiáng)表面非線性效應(yīng)。 二階非線性光學(xué)效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)研究與應(yīng)用中最基本、最重要的非線性光學(xué)過程之一，被廣泛地用于實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)調(diào)制和量子光源等。由于結(jié)構(gòu)反演對(duì)稱性的限制，常用的硅基光子學(xué)材料往往不具備二階非線性電偶極響應(yīng)。借助材料的表面或界面，這種反演對(duì)稱性可以被打破，進(jìn)而誘導(dǎo)出二階非線性光學(xué)響應(yīng)。然而，傳統(tǒng)的表/界面非線性光學(xué)研究存在兩個(gè)重要挑戰(zhàn)：一是非線性轉(zhuǎn)換效率極低，即使在高強(qiáng)度的脈沖光激發(fā)下也僅能產(chǎn)生極少量的二階非線性光子；二是體相電四極響應(yīng)嚴(yán)重地干擾表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)分析。 該項(xiàng)工作中，北京大學(xué)課題組利用超高品質(zhì)因子回音壁光學(xué)微腔極大增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的優(yōu)勢(shì)，在二氧化硅微球腔中獲得了高亮度的二次諧波和二次和頻信號(hào)。為了充分發(fā)揮微腔“雙增強(qiáng)”效應(yīng)，研究人員發(fā)展了一種動(dòng)態(tài)相位匹配方法，利用光學(xué)微腔中熱效應(yīng)和光學(xué)克爾效應(yīng)的相位調(diào)制，高效地實(shí)現(xiàn)了基波和諧波信號(hào)同時(shí)與微腔模式共振。實(shí)驗(yàn)上獲得的二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.049% W-1，相比傳統(tǒng)表面非線性光學(xué)，該效率增強(qiáng)了14個(gè)數(shù)量級(jí)。左圖：實(shí)驗(yàn)獲得的激發(fā)光和二次諧波光譜圖；右圖：動(dòng)態(tài)相位匹配過程二次諧波功率變化。 研究人員進(jìn)一步通過對(duì)基波偏振和二次諧波模式場(chǎng)分布的測(cè)量分析，成功提取得到只有表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)，排除了體相電四極響應(yīng)的干擾。這種表面對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的非線性信號(hào)有望作為一種超高靈敏度的無標(biāo)記“探針”，用來檢測(cè)和研究材料表面分子的結(jié)構(gòu)、排布、吸收等物理與化學(xué)性質(zhì)，為表面科學(xué)研究與應(yīng)用提供了一個(gè)全新的物理平臺(tái)；同時(shí)，該項(xiàng)研究發(fā)展的動(dòng)態(tài)相位匹配機(jī)制具有普適性，可進(jìn)一步推廣到不同材料、不同形狀的光學(xué)諧振腔中，有望在非線性集成光子學(xué)中發(fā)揮重要作用。 研究論文的共同第一作者是張雪悅和曹啟韜同學(xué)，現(xiàn)分別在美國加州理工學(xué)院應(yīng)用物理系和北京大學(xué)物理學(xué)院攻讀博士學(xué)位，通訊作者為肖云峰研究員。論文合作者包括新加坡國立大學(xué)仇成偉教授和王卓博士、清華大學(xué)劉玉璽教授、圣路易斯華盛頓大學(xué)楊蘭教授等。 研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

基于過去發(fā)展的基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的有限溫度下鐵電-順電相變模擬手段，指出Fisher等人提出的有限尺寸標(biāo)度理論存在缺陷，并針對(duì)鐵電-順電相比提出修正方法。此理論缺陷存在的本質(zhì)原因是理論推導(dǎo)過程中對(duì)體材到薄膜演變過程中哈密頓量變化的忽視，是由當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)與針對(duì)具體材料物性理論模擬手段的局限造成的。新發(fā)展出來的修正方法可廣泛適用于類似鐵電材料的物性模擬。 研究中，以SnTe作為一個(gè)例子，來研究標(biāo)度律不成立的體系；以BaTiO3為一個(gè)例子，來描述標(biāo)度律成立的體系。通過對(duì)比兩類材料在從體材到薄膜變化過程中電子結(jié)構(gòu)與相變溫度變化的規(guī)律，作者發(fā)現(xiàn)相變序參量的變化可以作為一個(gè)描述子，來區(qū)分此兩類系統(tǒng)。在標(biāo)度律成立的體系，體材與薄膜的相變序參量并不發(fā)生變化，這個(gè)也是70年代Fisher等人提出標(biāo)度律的一個(gè)基本假設(shè)。而對(duì)SnTe這類材料，在從體材到薄膜的演化過程中，相變序參量已經(jīng)發(fā)生了變化。這一機(jī)制也為尋找、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)低維高Tc鐵電材料提供了新思路。不同于之前研究常采用的施加應(yīng)變等外部調(diào)制手段，新機(jī)制預(yù)測(cè)的低維鐵電材料具備本征高Tc，更易于脫離實(shí)驗(yàn)室條件走向工業(yè)生產(chǎn)。課題組期待這一工作能激發(fā)更多高Tc鐵電材料的發(fā)現(xiàn)。圖1. 材料的相變序列(a) 滿足標(biāo)度律的傳統(tǒng)鐵電材料；(b) 不滿足標(biāo)度律的二維鐵電材料；(c) 不滿足標(biāo)度律的一維鐵電材料。當(dāng)且僅當(dāng)材料的低維相變序列發(fā)生改變時(shí)，標(biāo)度律不成立，該材料有可能發(fā)現(xiàn)高Tc，即(b)(c)，有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。