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杨国桢    中国科学院物理研究所

水是地球上最重要也是最为奇特的物质。由于水的性质都具有反常的特点，水的理论和实验研究自身都极具挑战性，水参与各种物理、地质、化学、生命等过程，水的科学利用关系着人类的命运，水科学研究的重大意义是显而易见的。过去十年来，中国科学院组织相关研究所投入了可观的人力、物力全方位开展水科学研究，取得了一批国际水平的研究成果。“水科学重大关切问题研究专题”收录了中国科学院物理研究所、化学研究所、上海应用物理研究所、国家纳米中心、北京大学和中国科学技术大学等课题组在最近一段时期的研究论文及综述共8篇，内容涵盖光解水机理、界面水与水中的催化、结合水的定义与量化、限域结构中水与水中物质的输运、生物分子结合水的结构与动力学、水对土壤的调节机制、水合物的结构与利用，以及用于微观水结构研究的探针显微技术等具有重大关切的课题。我们希望通过本期水科学专题的发表引起我国科学界和政府部门对水科学研究的重视，吸引更多的研究人员开展水科学的研究，促进水科学研究的蓬勃发展。

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水科学重大关切问题研究

郭光灿    中国科学技术大学

量子相干是量子态的基本特性，也是量子叠加原理的客观体现，保持长时间的量子相干是实现量子计算的基本要求.量子相干的研究由来已久，近来，特别是量子相干度量的提出，以及将量子资源理论引入到量子相干的研究中来，人们对量子相干的研究热情被极大地激活，并产生了大量的新研究结果，使得人们对量子相干的认识进一步加深，明晰了量子相干与量子纠缠之间的关系.为帮助读者了解这方面的最新进展，推动量子相干方面的研究，本专题邀请了中国科学院物理研究所、中国科学院数学与系统科学研究院、清华大学等量子相干方面的理论和实验的专家撰写了相关的综述报告。

广义上来说，量子存储是将一个未知的量子状态（一般是一个量子叠加态）存储到一个量子系统中，当人们需要使用此量子态时，可以高保真度地获得这个量子态.量子存储在远程量子通信、量子中继、量子网络、量子精密测量以及分布式量子计算中都发挥着关键性的作用.实现量子存储功能有很多候选物理系统，目前不同的物理体系在量子存储方面都有各自的优缺点.现阶段，相对比较成熟的量子存储体系主要包括原子系统（包括冷原子和热原子）和固态系统.在这两种物理系统中中国科学家们都做出了重要贡献。为促进本方向的交流合作，并鼓励更多的学者了解和进入这一重要的领域，本专题特别邀请了中国科学技术大学、上海交通大学、清华大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、山西大学等单位的专家撰文介绍这方面的最新实验进展。

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量子相干和量子存储研究进展

冷原子-分子物理

朱诗亮    南京大学

20世纪八十年代，激光冷却中性原子技术的发展开创了冷原子分子物理研究领域；1995年，玻色-爱因斯坦凝聚体在冷原子气体中的实验实现吸引了凝聚态和统计物理等多学科研究人员的广泛关注，这两项开创性研究分别获得了1997年和 2001年的诺贝尔物理学奖。 随后， 研究者在该领域迅速取得了若干其他重要突破，并逐渐和物理学的各分支学科，如凝聚态物理、光物理、精密测量物理、理论物理和量子信息等交叉融合，从而形成了一个全新的研究领域。近几十年来，冷原子-分子物理始终是物理学国际前沿热点研究领域之一。由于冷原子或冷分子都是高度可控并近乎完美的量子体系， 描写它的哈密顿量的每一项参数， 如动能、势能、相互作用、无序度、等效规范场等都是实验可控的， 因此它可以用来模拟强关联体系以及研究一些极端条件的物理现象， 同时它是量子计算物理实现的有力候选体系。另外， 它可以用于精密测量各种物理量， 如实现最高时间测量精度的原子钟、精密测量电磁场等，从而在军民两用领域都有重大应用价。 本专题邀请了若干活跃在该领域前沿的专家撰稿，介绍冷原子和冷分子领域部分国际前沿课题和最新研究进展。专题以短篇综述为主，从研究内容上可大致分为三类：一是基于冷原子分子的量子模拟（大部分文章属于此类）；二是冷原子分子的实现和精确操控； 三是基于冷原子分子的精密测量。

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冷原子-分子物理

徐红星    武汉大学

光学是现代科学和技术的基础：现代科学的两大支柱量子力学和相对论是建立在对黑体辐射、光电效应和光速不变性等的深刻理解基础之上的；光通讯、显示、存储和计算等光信息技术，光伏和LED等光能源技术，激光诊断和治疗等光医疗技术，以及激光加工和制造技术等先进光学技术的发展，极大地推动了人类社会的进步。随着纳米科学和光学器件小型化的发展，光学进入了微纳时代。比如紫外到可见光的波长范围大约在100—760 nm，微纳尺度的研究对象是小于光波长的，这就需要研究突破光的衍射极限的新现象、新物理和新技术。表面等离激元是金属表面自由电子的集体振荡，是固体中的一种元激发，具有准粒子特性，具有奇特的光学性质和强烈的共振效应，能够把光束缚在纳米结构表面，从而克服光的衍射极限。表面等离激元的光学特性取决于形态各异的纳米结构，有着丰富的物理和广阔的应用前景，是纳米光学研究的重要基础，对相关现象的研究迅速发展成一门新兴的学科——等离激元光子学。

等离激元光子学是一门高度交叉的前沿科学， 涉及光学、凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等众多科学门类，也孕育了众多极具广泛应用前景的技术，如具有单分子灵敏度的超灵敏光谱检测、等离激元光催化、超构材料/超构表面成像及隐身技术等，有望为信息、生物、能源等领域带来众多突破性的变革。为了帮助读者系统了解等离激元光子学领域的最新进展，推动对等离激元增强光与物质相互作用研究的进一步深入，本刊策划组织“等离激元增强光与物质相互作用”专题，从等离激元的激发、耦合、传播、弛豫、调控、与物质相互作用等基础研究方面，以及光波导、光催化、光镊、增强光谱、人工超构材料等应用研究方面，综述最新的进展、问题、现状和展望。希望这个专题能够为国内等离激元光子学领域的学术交流做一些贡献，推动这一新兴领域向更高水平发展，与更多学科进行更广泛的交叉， 并推动部分技术的推广应用。

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等离激元增强光与物质相互作用

王建浦    南京工业大学

钙钛矿原指自然界存在的一种陶瓷氧化物矿石，它们具有类似钛酸钙（CaTiO3）的ABX3三维晶体结构。这种矿石最早是由古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）于1839年在俄罗斯的乌拉尔山脉发现，并以俄罗斯矿物学家列夫·博罗夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。金属卤化物钙钛矿是指具有这种ABX3钙钛矿型晶体结构的一类半导体光电材料，通常A位置为甲胺（CH3NH3+）等有机阳离子，B位置为铅（Pb²⁺）、锡（Sn²⁺）等二价金属阳离子，X位置为溴（Br^-）、碘（I^-）等卤素阴离子。若忽略早期的零星报道，钙钛矿成为明星光电材料仅仅是近几年的事情。2009年，日本桐荫横滨大学的宫坂力（Tsutomu Miyasaka）教授将钙钛矿应用于染料敏化太阳能电池中，获得了良好效果，自此开启了钙钛矿光电材料的研究热潮。人们发现金属卤化物钙钛矿是一类近乎全能的光电材料，其在光伏、发光、光探测、激光等一系列光电器件中，都表现出优异的性能。除此之外，这类材料在自旋电子学领域也表现出巨大的应用潜质。

全新的材料也带来了新的研究问题。尽管钙钛矿材料的光电性能优异、进展迅速，人们发现这类材料目前并不是完美的。钙钛矿材料的稳定性问题给领域内研究者带来了新的挑战；铅元素毒性问题的解决也依赖于研究者在非铅钙钛矿领域的突破；蓝光钙钛矿LED较差的性能也给实现全彩钙钛矿显示的愿景蒙上了阴影。此外，钙钛矿中的多种物理机制目前仍不明确，处于激烈的争论当中。种种问题都有待于领域内研究者的充分探讨。

为了帮助读者系统了解钙钛矿光电领域的最新进展,推动钙钛矿光电器件与物理研究的进一步深入，也鉴于该领域关键问题研究的挑战性与紧迫性，《物理学报》特组织“钙钛矿光电器件与物理”专题，邀请了国内若干活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿，合成这样一期以短篇综述为主的专辑，多角度介绍该领域已经取得的部分成果以及最新进展。本专辑在研究内容上涉及钙钛矿材料光电特性与稳定性、钙钛矿光伏与发光器件、钙钛矿中的离子迁移、钙钛矿自旋电子学以及非铅钙钛矿等多个热门研究课题，以不同的视角综述介绍最新进展、问题、现状和展望。

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钙钛矿光电器件与物理

2019 年是世界著名物理学家、中国固体和半导体物理学奠基人之一黄昆先生诞辰100 周年。

黄昆先生是我国半导体科技界德高望重的老前辈。早在半个世纪以前，他怀着振兴中华、报效祖国的殷切心情，放弃了个人科学生涯中获取重大成就的机遇和海外优越的工作条件，毅然回到刚诞生的新中国，在满目疮痍、极端困难的环境下，满腔热情投身于向科学进军的伟大事业中，披荆斩棘、辛勤开拓、奋斗不息，为创建和发展新中国的半导体科学技术事业立下了丰功伟绩。

黄昆先生花费了大量的精力为我国半导体科技界辛勤培养了一批又一批的栋梁之才。1956年3月，我国集中了全国600多位科学家，制定了12年科学技术发展规划，提出了“发展计算技术、半导体技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术的紧急措施方案”。同年暑假，我国创办了第一个五校联合半导体专业，黄昆先生任半导体教研室主任，谢希德先生任副主任，从此开启了我国自主培养半导体科技人才的新纪元。经过了60 多年的发展，我国半导体学科，包括半导体材料、物理和器件等方面都取得了巨大的进步。

为纪念黄昆先生，2019 年9月1—3日，中国科学院半导体研究所、北京大学、中国物理学会和九三学社在北京联合举办“纪念黄昆先生诞辰100周年暨半导体学科发展研讨会”。《物理学报》特邀请部分与会专家撰写了半导体材料、物理和器件等领域的研究论文和综述文章, 组成专题。本专题包括1篇研究论文和10 篇综述文章, 分别来自中科国学院上海微系统研究所、长春光机所、半导体研究所、物理研究所和浙江大学、电子科技大学、南昌大学、东北师范大学、香港大学等单位的科研团队，介绍了国内外半导体学科相关领域的最新进展和发展方向，希望本专题的出版可以为我国半导体学科的学术交流和发展做一些贡献, 并以此来纪念黄昆先生百年诞辰。

卢明辉    南京大学

贾金锋    上海交通大学

万贤纲    南京大学

钱    天    中国科学院物理研究所

汪    忠    清华大学

李志强    四川大学

卢海舟    南方科技大学

韩    伟    北京大学

李世燕    复旦大学

从凝聚态物理中的电子到经典物理系统中的光波和声波，按意愿对粒子和波的传输进行调控，一直是人们孜孜不倦探索和追寻的目标，其导致了现代半导体和光电子、电声等信息产业的诞生和蓬勃发展。然而在传统材料中，由于存在着难以避免的缺陷和杂质，以及由于加工制造过程引入的粗糙度等，使得粒子与波在传输过程中产生大量的散射和损耗，从而引入了大量的噪声和提高了功耗，极大地制约了相关技术的应用与发展。因而，如何减小粒子和波在传输过程中（特别是长程传输过程中）的散射和损耗成为当前相关信息领域研究的一项重大挑战。

全新的材料也带来了新的研究问题。尽管钙钛矿材料的光电性能优异、进展迅速，人们发现这类材料目前并不是完美的。钙钛矿材料的稳定性问题给领域内研究者带来了新的挑战；铅元素毒性问题的解决也依赖于研究者在非铅钙钛矿领域的突破；蓝光钙钛矿LED 较差的性能也给实现全彩钙钛矿显示的愿景蒙上了阴影。此外，钙钛矿中的多种物理机制目前仍不明确，处于激烈的争论当中。种种问题都有待于领域内研究者的充分探讨。

拓扑材料的出现，则为克服这一挑战提供了巨大的机遇。从上世纪八十年代开始，在凝聚态领域中，人们发现一类新奇的物质相变过程， 诸如KT 相变和量子霍尔效应，其并不满足刻画经典相变现象的对称性自发破缺理论，甚至没有局域的序参量。事实证明，这些特殊的物质相变可以从量子态的拓扑结构出发去解释。对这类相变的研究和探索，促使了拓扑物理和拓扑材料的诞生和发展。拓扑物理作为凝聚态领域一个新兴的研究方向，其不仅在理论上具有诸如体边对应关系，维度层级现象和手征反常等深刻的物理内涵，而且存在着受拓扑保护的、无损耗和能够克服缺陷散射的边界传播态以及新奇的体输运现象。这些新的物理效应，为人们设计和实现突破传统技术极限的颠覆性材料打下了深刻的科学基础，从而在光、声、电等领域有着重大应用前景。在电子材料方面，具有带隙的拓扑绝缘体能够实现对缺陷免疫的电荷和自旋流；而拓扑超导体中存在的受拓扑保护的马约拉纳零能模式则是实现拓扑量子计算的基础。在光子晶体、声子晶体等人工带隙材料中，拓扑物理也促使了诸如单向传播光、声波导，自旋选择的能量分束器，光、声隔离器，拓扑激光，拓扑路由器等新型器件的设计和发明。相比于电子材料，人工带隙材料由于其能带结构不受费米能级的约束，加之其灵活多变的结构可调可控性、高精度的材料加工工艺以及宏观精细测量的优越性等，从而成为实验观测和实际应用拓扑物理的理想平台，吸引着人们的广泛关注。

当前，在拓扑物理领域的研究中，国际竞争异常激烈，国内学者也在其中占据一席之地。为了帮助读者们迅速和系统地了解这一领域的前沿发展，《物理学报》组织了这期有关拓扑物理前沿与应用的专题，邀请了部分国内活跃在这一领域的专家学者，从电子材料、光子晶体、声子晶体、等离激元、电路系统等材料平台到理论、实验和测量手段等诸多方面，以不同的视角介绍这一领域的研究现状、前沿进展、关键问题和未来展望。

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拓扑物理前沿与应用