金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy, NV)色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场来驱动和操控NV色心电子自旋，本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在|m_s=−1⟩与|m_s=+1⟩两个Δm_s=±2的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明，电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心3个自旋能级间直接跃迁的全操控。

图1 (a) 电极和微波线的结构设计简图；(b) 激光共聚焦扫描NV色心的荧光图

论文实现了交变电场对NV色心中的电子自旋的操控。电场控制量子自旋的研究是近些年量子控制研究的一个热点方向。在金刚石NV色心量子体系中电场的控制方法与磁场相似，但是作用的原理不同，操控的能级跃迁也不一样。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。

充分发掘量子计算机的应用潜力需要将大量分立的量子节点连接起来，组建一个与互联网类似的全量子网络。高性能的可集成光量子存储器是解决不同量子节点间信号同步问题的核心器件，直接关系到量子网络的实现规模和整体性能。然而，目前的微纳量子存储器还存在可集成性和存储性能难以兼容的问题，还不能满足构建全量子网络的需求。本文提出在掺铒硅材料上设计通信波段的光子晶体微腔，不仅可利用光学微腔的角动量共振模式来实现基于光子回波的量子存储，还可利用光学微腔来增强光和物质相互作用，有望实现高存储效率的可集成量子存储器。

图1 基于光子晶体微腔的ROSE回波量子存储 (a)用于ROSE存储的光子晶体结构；(b)信号光脉冲从左侧入射,可以在原子系统中激发出一种ϕ₀(r)为“顺时针”旋转的集体极化；(c)控制π脉冲从右侧入射，因此其激发的腔模具有的相位分布ϕ₁(r)为“逆时针”旋转方向；(d) 当第二个控制π脉冲也从右侧入射后，原子系统的集体激发再次具有ϕ₀(r)的相位分布，在t=2t₂−2t₁+t₀时刻会向右边的端口外辐射出一个光子回波

本文创造性的把ROSE和光子晶体微腔结合起来，在理论上提出了基于光子晶体微腔的回声光量子存储。通过理论模拟，作者找到了一种可支持六极子模式接近100%单向输出的微腔结构，可以和掺杂铒离子相结合，支持通信波段的ROSE方案。

超短超强激光与物质相互作用产生的高能带电粒子束在放射照相中具有重要应用。当几十到几百MeV动能的高能带电粒子束穿过薄膜靶时，能量损失可忽略，主要发生小角散射。由于该散射效应，高能带电粒子束对具有横向陡峭密度梯度区的靶照相，透射束在探测面上的通量密度分布中会出现靶密度梯度区散射产生的调制现象，有可能反过来诊断出陡峭密度梯度区信息。目前主要采用蒙特卡罗方法对带电粒子束发生散射和产生调制现象进行理论分析，不仅计算时间长，计算的参数范围也有限。本文发展了一个解析模型，用来处理带电粒子束在靶中传输的散射效应以及在探测面上产生的调制现象，能够快速给出结果，而且与蒙特卡罗方法数值计算的结果符合很好。使用本文解析模型，对带电粒子束照相密度梯度靶产生散射调制现象的特征进行了分析。提出了一个与照相条件有关的无量纲参量，其取值范围决定了散射调制信号特征以及诊断陡峭密度梯度区的可能性。

图1 带电粒子束照相一维密度梯度分布靶 (a) 照相示意图；(b) 梯度靶的密度分布示意图

利用带电粒子束照相诊断物质界断面是一种传统的诊断方法，其中探测器记录到的通量密度扰动可同时受到探测距离、密度差、界断面宽度、靶厚度等多因素的影响，即使是不同的密度差和界断面宽度也可能对应着相同的照相结果，这导致从照相结果反演物质界断面信息的方法一直未能得到充分发展。因此，需要对带电粒子照相中的散射效应进行深入研究。作者首先提出了一种解析模型以快速描述带电粒子对陡峭密度的照相过程，数值模拟表明该解析模型可以很好的替代传统的蒙卡模拟；基于这种快速的解析描述方法，作者找到一个综合描述了照相条件和照相结果的无量纲参数，可以帮助对密度界断面进行诊断。论文提出的解析模型和取得结论可为带电粒子束照相的散射效应分析和实验选择照相参数条件提供理论指导。

本文使用静态扩散法结合常规X射线粉末衍射和电子探针技术，在Ag-In-Se体系中发现了Ag_yIn_3.33–y/3Se₅新化合物。其结构属于三方晶系，空间群为P3m1，是二维层状结构，单层晶胞由9个原子量子层按照Se1-In1-Se2-In2-Se3-Ag/In3 -Se4-In4-Se5顺序排布构成，层间由弱范德瓦耳斯力结合。烧结的块体样品表现出强烈的取向性，在平行压力方向上具有极低的晶格热导率(在873 K为0.15 W·m^–1·K^–1)。这种本征低的晶格热导率主要源于材料的低声速和低频光学支声子与声学支声子强耦合作用。Ag_yIn_3.33–y/3Se₅样品表现为n型传导，室温下电导率约为4 × 10⁴ S·m^–1，Seebeck系数约为–80 μV·K^–1，样品在宽温度范围内均表现出较好的电传输性能，在450—800 K范围内的功率因子为5 μW·cm^–1·K^–2左右。由于在平行压力方向上低的晶格热导率，最终Ag_0.407In_3.198Se₅样品在873 K达到最大热电优值ZT为1.01，在300—850 K的平均ZT为0.45。该化合物的发现，扩充了铜属硫基化合物体系的n型材料，为铜属硫基化合物体系的应用奠定了重要基础。

图1 (a)—(c) Ag_0.392In_3.203Se₅烧结块体自由断裂面的不同放大倍数的场发射扫描电镜照片

本工作通过静态扩散合成了一种新化合物Ag_yIn_3.33–y/3Se₅，并通过实验测量表征了其热电性能。作者研究发现，这种新合成的层状化合物具有很低的晶格热导率以及较好的电子输运性质，是一种优异的热电材料，具有较好的应用前景。此外，作者还解释了其具有低热导率的物理机制。本文具有创新性，为热电材料领域提供了重要的参考。

当人们在低照度光照条件下拍摄图像时，图像通常会受到低可见度的影响。这种低可见度的图像不仅影响视觉效果而且对后续的使用造成诸多困难。为了解决低照度条件下图像可见度差，色彩偏差等问题，本文提出了一种改进的Retinex网络增强方法。该方法首先对低照度RGB图像进行HSV色彩空间变换，利用Retinex分解网络单独对明度分量进行分解增强，并通过上采样操作增大明度分量的分辨率。然后对色相分量和饱和度分量，运用最近邻点插值增大其分辨率，结合增强的明度分量转换回RGB色彩空间，得到初始增强图像。最后采用小波变换图像融合技术，与原始低照度图像进行融合，消除初始增强图像中的过度增强部分。实验结果分析表明，本文所提方法与原始Retinex网络方法相比，NIQE值平均下降了19.49%，图像标准差平均提升了41.35%。本文所提算法有望在安防监控、生物医学等领域得到有效应用。

图1 改进的Retinex网络增强算法流程图

作者提出了一种低照度图像网络增强方法，通过图像明度分量V替代RGB图像来抑制色彩失真，并利用小波融合来实现细节保持和过曝抑制。通过与现有的 MSRCR方法、Auto GC方法和Retinex-Net 方法进行比较，证明了该方法的优势。论文撰写质量较高，且研究内容很有意义。

NbO_x忆阻器凭借其纳米尺寸、阈值切换及局部有源特性在神经形态计算领域展现出巨大的应用前景。对NbO_x忆阻器动力学特性的深入分析和研究有利于忆阻神经元电路的设计和优化。本文基于局部有源理论，采用小信号分析方法对NbO_x忆阻器物理模型展开了研究，定量分析了产生尖峰振荡的区域和条件，并确定了激励信号幅值和尖峰频率之间的定量关系。基于上述理论分析，进一步设计了NbO_x忆阻器神经元，并结合忆阻突触十字交叉阵列，构建了25×10的尖峰神经网络(spiking neuron network，SNN)。最后，分别利用频率编码和时间编码两种方式，有效地实现了数字0到9模式的识别功能。

图1 由25×10的突触阵列以及10个输出神经元构成的尖峰神经网络

本文基于NbO_x忆阻器设计忆阻神经元电路，利用NbO_x忆阻器的负电阻特性，分析忆阻神经元产生尖峰振荡的条件，以及激励信号幅值和神经元尖峰频率之间的定量关系。将此忆阻神经元应用于SNN，通过频率编码和时间编码可以进行MNIST数据库手写数字的识别。论文工作完整，结论合理，忆阻神经元的设计和实现具有一定的创新。

本文报道了基于块材料展宽与棱栅对压缩的飞秒啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplification，CPA)系统。展宽器采用基于Herriott型多通结构的块材料作为色散元件，压缩器采用透射光栅与色散棱镜组合的棱栅对，由于它可以同时提供负的二阶和三阶色散，通过优化光栅刻线与棱镜顶角，可以实现对放大器中材料的三阶色散完全补偿，获得更窄的压缩脉冲。实验中，将展宽后的脉冲注入到环形再生腔中进行放大，放大后的脉冲由棱栅对压缩到39.6 fs，非常接近傅里叶变换极限的35.2 fs。由于采用块材料展宽器和棱栅对压缩器，整个放大系统非常紧凑，可作为后续放大以及超快现象研究的可靠光源。

图1 基于Herriott型多通结构的块材料展宽与棱栅对色散补偿的啁啾脉冲放大系统(ISO，隔离器；M，反射镜；CM，凹面反射镜；GP，格兰棱镜；G，光栅；PC，普克尔盒；P，棱镜)

论文对采用材料多通腔替代常规展宽器的CPA系统进行了研究，具有较大的创新意义。论文理论分析清楚，实验数据可靠，对啁啾脉冲放大系统的研制有较大的借鉴意义。

研究了束缚在梯子形光晶格中的中性原子与高精度腔耦合的系统，发现由超辐射引起的准周期调制可以导致迁移率边和重返局域化现象的出现。在平均场近似下，超辐射现象可以引起两种不同频率的准周期调制，它们可以由腔场和泵浦场有效调节。在本文的观测范围内，当高频调制强度小于某一临界值时，系统随着低频调制强度的增加经历一次局域转变。通过数值求解分形维度、密度分布、平均参与率、平均逆参与率以及标度分析，证明了局域转变历经的临界相区存在迁移率边；当高频调制强度大于临界值时，随着低频调制强度的增强，系统依次经历完全扩展相-临界相-完全局域相-临界相-完全局域相，这是一个典型的重返局域化现象。最后给出了局域化相图。该研究结果为超辐射相变和重返局域化现象的研究建立了联系，也为重返局域化的研究搭建了新的平台。

图1 (a) λ_D-U_D参数平面内，以序参量η的大小为填充颜色的相图，其中白色区域表示完全扩展或局域相，红色区域表示具有迁移率边的临界相. 其中，绿色方块对应λ=3.183，Δ_c=−0.2，|α|=0.604，λ_D≈2.86；黑色圆圈对应的是λ=4.113，Δ_c=−0.6，|α|=0.607，λ_D≈4.86；蓝色叉号对应于λ=5.069，Δ_c=−2，|α|=0.608，λ_D≈6.08. 这里，κ=1.2，U=6，U_D≈2.21. 相图中的(b)绿色方块，(c) 黑色圆圈和(d) 蓝色叉号对应的参数取值下，所有态的逆参与率随本征能变化的情况. 这里，K=0.8和L=1974

重返局域化现象是一个理论上被广泛关注，但实验尚未直接观测到的物理现象。为克服实验观测中难以实现调制强度问题，此文提出一种原子与光腔耦合系统的方案。在理论上，通过数值计算模拟，该文证明了在平均场近似下，由超辐射引起的准周期调制的梯子模型，可自然地导致两种调制强度，从而出现重返局域化。本文为利用原子与光腔耦合系统平台，实验观测重返局域化现象提供了新的可能。

1.8—2.0 μm波段包含大量水的吸收谱线，且吸收强度高于传统的1.3—1.5 μm波段，在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力。超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演，与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围。宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件。利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体，搭建了宽带调谐的窄线宽2 μm光纤激光器。利用掺铥光纤的再吸收特性，通过合理设计增益光纤长度，得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出，且激光器静态线宽小于0.1 nm，能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求。利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2 μm波段的宽带吸收光谱进行了测量。在常温空气中，该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线；在酒精火焰中，该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线。通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06 nm，与静态测试结果相近；反演得到的空气温度约为298 K，空气中水的摩尔分数约为2%，与温湿度计测量结果一致；反演得到的酒精火焰温度约为1220 K，与热电偶测量结果较为接近。

图1 空气中水的实测吸收光谱与理论吸收光谱对比 (a) 实测数据与理论数据；(b) 残差

基于水分子吸收光谱的测量技术可对所处环境参数进行有效反演，已在燃烧流场测量等许多领域中得到了广泛应用。为了利用在1.8μm~2μm波段水的吸收谱线更丰富、吸收强度更高的优点，该文进行基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的两微米波段水的超光谱吸收测量的研究，有很大的应用价值。

磁约束聚变等离子体中高Z杂质的存在给等离子体的约束状态带来不同程度的影响。EAST装置第一壁是钼瓦，不可避免地，等离子体与壁相互作用会使钼进入等离子体成为高Z杂质。本文利用EAST托卡马克装置快速极紫外杂质谱仪系统实现了对5—500 Å (1 Å = 0.1 nm)波段范围内杂质线光谱进行同时监测。结合EAST等离子体低、中Z杂质的特征谱线对波长进行原位标定，基于NIST数据库和已有实验数据进行对比，并利用归一化谱线强度随时间演化行为，对较低电子温度(T_e0 = 1.5 keV)等离子体中5—485 Å波段范围内由瞬态钼杂质溅射产生的钼光谱进行了系统性识别。在15—30 Å和65—95 Å波段范围观测到分别由电离态Mo¹⁹⁺-Mo²⁴⁺(Mo XX-Mo XXV)，Mo¹⁶⁺-Mo²⁹⁺(Mo XVII-Mo XXX)组成的未分辨跃迁系。而且在EAST上观测并识别出27—60 Å和120—485 Å波段范围内低价钼离子(Mo⁴⁺-Mo¹⁷⁺)的多条谱线(Mo V-Mo XVIII)。这些谱线包含多条强度较强且独立的禁戒线和共振线，例如Mo XII(329.414 Å，336.639 Å，381.125 Å)，Mo XIII (340.909 Å，352.994 Å)，Mo XIV(373.647 Å，423.576 Å)，Mo XV(50.448 Å，57.927 Å，58.832 Å)；还观测到27—32 Å波段范围内6条新的钼谱线，即(27.21 ± 0.01) Å，(27.37 ± 0.01) Å，(28.99 ± 0.01) Å，(30.81 ± 0.01) Å，(31.54 ± 0.01) Å，(31.83 ± 0.01) Å，并推断这6条谱线可能是Mo XV-Mo XVIII谱线。同时确定了12条用于杂质输运物理研究的谱线。这些谱线的识别不仅丰富了钼原子数据库，还为EAST托卡马克开展高Z杂质行为以及输运物理的研究提供了坚实基础。

图1 EAST #101700放电中钼杂质爆发前后辐射分布 (a) 9.1—9.9 s的时间演化；(b) t = 9.172 s，9.480 s，9.497 s 3个时刻

本论文工作采用极紫外光谱仪，针对EAST超导托卡马克的第一壁，开发出5—500A的全波段识别能力，潜在可用于开展高Z杂质行为及输运物理的研究。本论文工作所开发的系统，具有国内领先的水平，在下一步的物理研究中有较大的潜力。

《物理学报》2022年第11期全文链接：