1. 使用固態(tài)自旋傳感器的高分辨率磁共振波譜儀

      （High-resolution magnetic resonance spectroscopy using a solid-state spin sensor）

      材料名稱：固態(tài)自旋傳感器

      研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)哈佛大學(xué)Walsworth研究組

      由固態(tài)電子自旋組成的量子系統(tǒng)可以作為核磁共振（NMR）信號(hào)的靈敏檢測(cè)器，特別是來(lái)自非常小的樣品的信號(hào)。例如，金剛石中的氮空位中心已經(jīng)用來(lái)記錄來(lái)自納米尺度樣品的 NMR 信號(hào)，其靈敏度足以檢測(cè)單個(gè)蛋白質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。但是，報(bào)道的利用氮空位中心的分子最佳 NMR 譜分辨率約為 100 赫茲。這不足以解析化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)以及材料研究中對(duì)于核磁共振應(yīng)用至關(guān)重要的分子結(jié)構(gòu)關(guān)鍵波譜標(biāo)識(shí)，如標(biāo)量耦合（要求分辨率小于 10 赫茲）和小化學(xué)位移（要求分辨率約為原子核拉莫爾頻率的百萬(wàn)分之一）。傳統(tǒng)感應(yīng)檢測(cè)的核磁共振可以提供必要的高波譜分辨率，但因其靈敏度有限而通常需要毫米級(jí)的樣品（排除對(duì)于更小的樣品的應(yīng)用，例如皮升（picolitre-volume）化學(xué)分析或相關(guān)光學(xué)和 NMR 顯微鏡）。Glenn 等人演示了一種測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)使用由氮空位中心組合與窄帶同步讀出協(xié)議共同組成的固態(tài)自旋傳感器（磁力計(jì)），從而得到約 1 赫茲的 NMR 光譜分辨率。利用這種技術(shù)來(lái)觀察大約 10 皮升的微米尺度樣品體積中的 NMR 標(biāo)量耦合。他們還利用與氮空位中心的結(jié)合將 NMR 應(yīng)用于熱極化核自旋以及解析小分子的化學(xué)位移譜。這一技術(shù)能夠在單細(xì)胞的尺度上實(shí)現(xiàn)分析型核磁共振光譜學(xué)。（Nature DOI: 10.1038/nature25781）

      2. 鎳基底上吸附態(tài)原子促進(jìn)石墨烯生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)成像

      （Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel）

      材料名稱：石墨烯

      研究團(tuán)隊(duì)：意大利的里雅斯特大學(xué)Peressi研究組

      人們預(yù)計(jì)單原子固體是可以參與固體表面發(fā)生的許多物理和化學(xué)過(guò)程的，例如金屬上石墨烯的生長(zhǎng)。Patera 等人對(duì)在鎳（Ni）基底上生長(zhǎng)石墨烯相關(guān)過(guò)程中單金屬吸附原子起到的催化作用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的證明。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)毫秒分辨率掃描隧道顯微鏡成像直接捕獲到了單個(gè) Ni 原子在生長(zhǎng)的石墨烯薄片邊緣處的催化作用，力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函理論的計(jì)算也印證了這一結(jié)果。該研究結(jié)果揭示了控制單原子催化劑活性的機(jī)制。（Science DOI: 10.1126/science.aan8782）

      3.拓?fù)浣^緣體激光器：實(shí)驗(yàn)

      (Topological insulator laser: Experiments)

      材料名稱：InGaAsP拓?fù)浣^緣體

      研究團(tuán)隊(duì)：以色列理工學(xué)院Segev研究組

      能夠表現(xiàn)出拓?fù)洳蛔兞康奈锢硐到y(tǒng)大都天然地具有抵抗擾動(dòng)的穩(wěn)健性，例如拓?fù)浣^緣體中所體現(xiàn)出的—即能夠表現(xiàn)出穩(wěn)健電輸運(yùn)的材料，可以免于缺陷和無(wú)序引起的散射。近年來(lái)，在光子學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展這些現(xiàn)象的努力十分活躍。Bandres 等人展示了一個(gè)非磁性拓?fù)浣^緣體激光系統(tǒng)，展現(xiàn)了空腔中的拓?fù)浔Ｗo(hù)輸運(yùn)。它的拓?fù)湫再|(zhì)引生了單模激光對(duì)抗缺陷的穩(wěn)健性，以及相比于拓?fù)湮⑿?duì)應(yīng)物更高的斜率效率。而且，通過(guò)由 S-手性微諧振器組裝的系統(tǒng)進(jìn)一步探索了有源拓?fù)淦脚_(tái)的特性，強(qiáng)化了預(yù)先沒(méi)有磁場(chǎng)的單向激射。這項(xiàng)研究工作為實(shí)現(xiàn)具有激動(dòng)人心的特性和功能的有源拓?fù)湓O(shè)備鋪平了道路。（Science DOI: 10.1126/science.aar4005）

      4. 拓?fù)浣^緣體激光器：理論

      (Topological insulator laser: Theory)

      材料名稱：拓?fù)浣^緣體

      研究團(tuán)隊(duì)：以色列理工學(xué)院Segev研究組

      拓?fù)浣^緣體是以拓?fù)溥吘墤B(tài)為特征的物質(zhì)的相，其以單向方式傳播，面對(duì)缺陷和無(wú)序十分穩(wěn)健。這些屬性使得拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)成為量子計(jì)算和自旋電子學(xué)應(yīng)用理想的候選材料。Harari 等人提出了一種以獨(dú)特的方式利用拓?fù)湫?yīng)的概念：拓?fù)浣^緣體激光器。這些激光器的激光模式表現(xiàn)出了無(wú)磁場(chǎng)的拓?fù)浔Ｗo(hù)輸運(yùn)。基礎(chǔ)的拓?fù)湫再|(zhì)促成了高效率的激光器，其對(duì)缺陷和無(wú)序具有強(qiáng)大的穩(wěn)健性，即使在非常高的增益值下也可以實(shí)現(xiàn)單模激光。拓?fù)浣^緣體激光器改變了當(dāng)前對(duì)無(wú)序和激光之間相互作用的理解，并且同時(shí)在拓?fù)湮锢韺W(xué)中開(kāi)辟出了令人興奮的可能性，例如含增益系統(tǒng)中的拓?fù)浔Ｗo(hù)輸運(yùn)。在技術(shù)方面，拓?fù)浣^緣體激光器為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器陣列提供了一條途徑，即半導(dǎo)體激光器陣列作為一個(gè)單模高功率激光器高效地耦合到輸出端口。（Science DOI: 10.1126/science.aar4003） 

      5. 用與電流極性相關(guān)的方法操縱反鐵磁疇

      (Current polarity-dependent manipulation of antiferromagnetic domains)

      材料名稱：CuMnAs

      研究團(tuán)隊(duì)：英國(guó)諾丁漢大學(xué)Wadley研究組

      作為自旋電子器件中的有源元件，反鐵磁體具有多種良好的性質(zhì)，包括超快動(dòng)力學(xué)，零雜散場(chǎng)和對(duì)外部磁場(chǎng)不敏感性。四方 CuMnAs 是一種測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)，其反鐵磁有序參數(shù)在環(huán)境條件下可以通過(guò)電流進(jìn)行可逆地轉(zhuǎn)變。在以往的實(shí)驗(yàn)中，都是利用正交面內(nèi)電流脈沖誘導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)反鐵磁疇的 90°旋轉(zhuǎn)，以及演示多端幾何的全電存儲(chǔ)器的位操作。Wadley 等人證明了可以僅使用兩個(gè)電觸點(diǎn)來(lái)操縱反鐵磁疇壁，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且可再現(xiàn)的疇變化。該過(guò)程是利用電流的極性來(lái)轉(zhuǎn)變反鐵磁亞晶格上的電流感應(yīng)有效場(chǎng)的符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用 X 射線磁性線性二色顯微鏡可以對(duì)產(chǎn)生的可逆疇和疇壁重構(gòu)進(jìn)行成像，也可以利用電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)疇壁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變可以發(fā)生在比相干疇轉(zhuǎn)變所需電流密度低得多的情況下。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0079-1）

      6. 利用電場(chǎng)對(duì)二維范德瓦爾斯磁體進(jìn)行轉(zhuǎn)化

      (Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets)

      材料名稱：CrI3

      研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)耶魯大學(xué)Mak研究組

      用純電方式來(lái)控制磁性是改善信息技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此前對(duì)包括鐵磁（FM）金屬、FM 半導(dǎo)體、多鐵性材料和磁電（ME）材料等多種材料體系磁場(chǎng)的電場(chǎng)控制，都已經(jīng)進(jìn)行過(guò)探索了。二維（2D）范德華磁體的新發(fā)現(xiàn)，為在納米尺度上通過(guò)范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件平臺(tái)控制磁性開(kāi)啟了新的大門。Jiang 等人演示了通過(guò)在場(chǎng)效應(yīng)器件中施加小的柵極電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層 CrI3（其基態(tài)為反鐵磁（AFM）半導(dǎo)體）中磁性的控制，以及使用磁性圓二色（MCD）顯微鏡對(duì)磁化強(qiáng)度的檢測(cè)。施加的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生層間電位差，其結(jié)果便是造成了大的線性 ME 效應(yīng)，而其符號(hào)取決于層間 AFM 順序。Jiang 等人還實(shí)現(xiàn)了在層間自旋翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換附近的層間 AFM 和 FM 狀態(tài)之間的完全可逆的電切換。這一效應(yīng)源于層間交換偏置對(duì)電場(chǎng)的依賴性。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0040-6）

      7. 二維材料在多晶基底上的演化選擇生長(zhǎng)

      (Evolutionary selection growth of two-dimensional materials on polycrystalline substrates)

      材料名稱：石墨烯

      研究團(tuán)隊(duì)：美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Vlassiouk研究組

      現(xiàn)在對(duì)于大尺寸高質(zhì)量單晶二維（2D）材料的制造有著很大的需求。通常認(rèn)為外延生長(zhǎng)是制備單晶薄膜的首選方法，但這需要用于沉積的單晶基底。Vlassiouk 等人提出了一種不同的方法，在多晶基底上合成類單晶單層石墨烯薄膜。這一方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)類似于 Czochralski 過(guò)程，并且基于在 2D 幾何中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的演化選擇方法。該方法依賴于對(duì)增長(zhǎng)最快的疇方向的“自我選擇”，這種方法最終壓倒了生長(zhǎng)緩慢的疇并產(chǎn)生了單晶連續(xù) 2D 膜。Vlassiouk 等人利用這種方法以達(dá) 2.5cm?h-1 的速率合成了達(dá)到英尺長(zhǎng)的具有單晶質(zhì)量的石墨烯薄膜。預(yù)計(jì)這一方法很容易用于合成其他 2D 材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0019-3）

      8. 利用滯后撓曲電場(chǎng)選擇性控制多個(gè)鐵電轉(zhuǎn)換途徑

      (Selective control of multiple ferroelectric switching pathways using a trailing flexoelectric field)

      材料名稱：鐵電材料

      研究團(tuán)隊(duì)：韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所Noh研究組

      撓曲電效應(yīng)是電極化和應(yīng)變梯度之間的力電耦合，它能夠在不施加電偏壓的情況下對(duì)極化進(jìn)行機(jī)械操縱。最近，利用掃描探針顯微鏡（SPM）的尖端實(shí)現(xiàn)了對(duì)單軸系統(tǒng)的面外極化進(jìn)行機(jī)械地切換，這是對(duì)撓曲電效應(yīng)的直接證明。但是，在低對(duì)稱多軸鐵電體中撓曲電效應(yīng)的應(yīng)用以及由此通過(guò)撓曲電效應(yīng)對(duì)多疇的主動(dòng)操縱，都還尚未實(shí)現(xiàn)。Park 等人表明，對(duì)稱破缺的撓曲電效應(yīng)為多軸鐵電材料中的多疇轉(zhuǎn)換途徑的選擇性控制提供了有力的路徑。具體來(lái)說(shuō)是利用了機(jī)械加載的掃描探針顯微鏡尖端運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的滯后撓曲電效應(yīng)。通過(guò)控制 SPM 掃描方向，可以確定性地選擇多鐵磁性 BiFeO3 薄膜中穩(wěn)定的 71°鐵彈性轉(zhuǎn)換或 180°鐵電轉(zhuǎn)換。相場(chǎng)模擬表明放大后的面內(nèi)滯后撓曲電效應(yīng)對(duì)于這一疇工程是必不可少的。此外，Park 等人還展示了機(jī)械轉(zhuǎn)換疇具有良好的滯留特性。這項(xiàng)研究工作為確定性地選擇低對(duì)稱性材料中的納米級(jí)鐵電疇，從而用于非易失性磁電器件和多級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，開(kāi)辟了一條新的途徑。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0083-5）