利用电场驱动磁性纳米薄膜中的离子输运可以构建一维磁性纳米导电结构，从而改变磁性薄膜的磁化强度、磁化方向和磁电输运等行为。该方法具有速度快、功耗低以及稳定性好等优点，在信息存储器、逻辑计算器等自旋电子器件中具有重要应用潜力。然而，过去的研究主要集中于控制单一种类离子迁移构建单一组分的磁性纳米导电结构，仅能产生对称磁电阻效应，难以推广到更多的应用领域。

针对以上问题，本研究创新地设计了Pt/HfO_2−𝑥/NiO_𝑦/Ni磁性纳米异质结，通过精确调控电场的极性和大小，协同控制氧离子和镍离子的输运，成功构建了具有混合组分的新型磁性纳米导电结构。研究结果显示，该器件呈现独特的各向异性磁电阻效应，其中面外磁电阻具有部分不对称性。该器件在宽温度范围（5 K~300 K）内表现出良好的稳定性，且电阻在正负饱和磁场下的变化量与角度之间呈现良好的线性关系，有望用于灵敏检测磁场方向，在磁传感器和导航等领域具有应用潜力。本研究不仅提出了一种构建新型一维纳米磁性导电结构的重要方法，而且为设计高性能磁纳米传感器件提供了全新的思路。

Fig. 2. (a) The I–V curves of the Pt/HfO_2−x/NiO_y/Ni heterojunction. (b) The cartoons showing hypothesized ion migration processes in the device. (c)–(d) MR behaviors with the magnetic field applied along the in-plane and out-of-plane direction for the device (c) before and (d) after electric programming. Inset: Setup showing the applied current and magnetic field direction during MR measurements.

通过二维材料的原子级精准折叠实现人工三维纳米功能结构，是当前原子制造的潜在有效途径之一，是纳米功能材料与器件研究的前沿。本文利用拉伸分子动力学模拟的方法揭示了石墨烯纳米岛（GNI）在高定向热解石墨（HOPG）上折叠的完整动力学过程。研究发现拉力施加于armchair尖端实现GNI折叠所需要的拉力最小，故实验中可优选armchair边界进行石墨烯的折叠。对整个折叠过程进行分析，GNI折叠过程中最大势垒出现在GNI被拉起区域向下弯曲的初始阶段，并讨论了弯曲区域的形变能、GNI内部范德华相互作用以及GNI与HOPG基底之间范德华相互作用对折叠过程中体系势能的综合影响。进一步通过解折叠势垒以及模型分析确定了实现稳定对折GNI结构的临界尺寸为242 Å。本工作有助于加深人们对于二维折纸术在原子尺度的认识，为未来实现其他二维材料的可控折叠提供了理论参考。

Fig. 1. The structural evolution of GNI origami. Single-folding and z-folding processes are realized after these simulation steps. Moss green arrows connect the initial and final structures in every simulation step. The two hollow arrows represent the formation of the half-folded GNI in step 3. The red arrows show the direction of the force (𝐹) applied in each simulation step.

近年来，Mott绝缘体中的金属-绝缘体转变现象一直是研究人员关注的焦点。其中，空穴掺杂的Sr₃Ir₂O₇为研究金属-绝缘体转变区域附近出现的奇异量子现象提供了理想平台。在该材料体系中，通过使用Rh替代Ir的方法，可以有效地将空穴掺杂到Sr₃Ir₂O₇中。然而，已报道的Sr₃(Ir_1-xRh_x)₂O₇单晶的最高掺杂浓度仅为~3％，远未达到金属-绝缘体转变区域。

本文详细报道了高掺杂浓度的Sr₃(Ir_1-xRh_x)₂O₇单晶的生长和表征结果。X射线衍射(XRD)及能量色散X射线谱(EDX)结果表明该单晶具有较高的晶体质量以及高达~9%的掺杂浓度；输运测量证实了部分高掺杂浓度样品具有金属-绝缘体转变的趋势；角分辨光电子能谱（ARPES）实验清晰地揭示了样品的电子结构。这些实验结果为在该材料体系中通过空穴掺杂引发的金属-绝缘体转变现象提供了新的研究思路。

Fig. 4. (a) Fermi surface map. (b) Constant energy map at Eb = -150 meV. (c) ARPES spectrum measured along the ΓX direction. (d) The second derivative image of the spectrum in (c). (e) MDCs taken from the red dotted box in (c). The peaks are marked by dark blue and light blue solid triangles. (f) MDCs taken from the yellow dotted box in (c). The dark red and light red solid triangles indicate the peaks.

基于层次运动方程方法(HEOM)理论上研究了三角形三量子点系统的相应控制。该模型由连接两个电极的三角形三量子点环组成。本研究初步证明，通过在两个连接到量子点上的库加偏压，并进一步调整两量子点间耦合强度，偏压引起的内部手性电流将经历顺时针(+)和逆时针(−)环向变换，这一手性电流的产生是由于三量子点间的内部阻塞现象所导致的。

通过 HEOM方法精确计算了该结构体系下的手性电流随其他各个参量的变化和相应的非平衡谱函数，从物理成因的角度讨论了该现象的原因。在中间过渡点发现的大霍尔角可通过施加磁通量补偿，并且该定性关系可用于初始化量子位。这可以实现利用纯电操纵磁性材料中的量子位并产生超快信息编码。并且构建特征时间为80 ps 的超快手性自旋量子位。该方法还进一步给出了实验中可测量的方法，实现了直接测量和调节，可以在量子计算中得到实际应用。

Fig. (a) Schematic diagram of TTQDs with QD2 and QD3 connected to reservoirs L and R in a vertical magnetic field with controllable relative coupling strength (γ=t/t₀). (b) Transport current as a function of relative coupling strength without applied magnetic flux (ϕ = 0). (c)-(d) Transport current J_t and chiral current J_c versus relative coupling strength at varying magnetic (ϕ = 0.04π−0.14π). (e) Chiral current J_c as a function of γ under the effective magnetic flux phase factor ϕ_c = 0.14π without V. (f)-(h) Transport current J_t, dJ_t /dϕ, and chiral current J_c versus applied magnetic flux ϕ at different relative coupling strengths (γ = 0.92−1.08). 

我们人类所处的宇宙美丽而又神秘。从科学角度上讲，未解之谜之一是物质和反物质的不对称。许多物理学家推测这源于粒子物理学中手性反常（chiral anomaly）。具体来说，五十多年前发现的Adler-Bell-Jackiw（ABJ）反常阐明了中性介子π⁰快速衰变成光子的过程。π⁰介子中的夸克可视为massless的费米子，分别属于左手和右手手性群。这些massless的费米子和电磁场耦合会打破手性之间的平衡，引起一个手性化学势和轴向的电流贡献，并有可能解释正反物质的不均衡。在1983年，Nielsen等人预测当晶体满足Weyl方程时，在特定的条件下（如电场和磁场平行），也可以实现这种手性反常现象，同样表现出额外的手性化学势和轴向的电流贡献。因此，凝聚态物理有望提供研究手性反常更为便捷的平台。近年来，人们发现拓扑半金属（Dirac/Weyl半金属等）满足当初的理论预言，并且这种手性反常被认为可以引起实验上可观测的负磁阻现象。但与此同时，实验上对于将负磁阻等价于手性反常依然存在争议。贝利曲率（Berry curvature）、弱局域化效应以及不均一电流密度分布等等，都有可能造成负磁阻现象。因此，寻找一种崭新的方式去表征拓扑半金属等拓扑材料的手性反常行为是极其必要和有意义的。

本文利用直流源测量方案，结合施加平行于电流方向的磁场，在狄拉克半金属Cd₃As₂纳米线中观测到高电场引发的非线性I-V行为。扣除线性背景后，非线性部分在大约5 T磁场时达到最大，与手性反常相关的负磁阻极值对应的磁场临界点相吻合。同时，磁场的转角对比表明非线性行为与电场和磁场的平行严格相关，即可排除大电流引发焦耳热的可能性。考虑在半金属中一定频率的布洛赫振荡和能级量子化引发Landau-Stark共振的理论预测，本文进一步将直流源幅值从150 μA加倍到300 μA，并成功观测到了更高电场下I-ΔV的振荡行为，即电场量子振荡现象（Electric quantum oscillations）。这种电场量子振荡现象归根于在强电场下的手性电荷泵浦效应（chiral charge pumping）的量子化。而较低电场时的非线性偏移可归结为这种电场量子振荡的前级响应：即前人在Bi_1-xSb_x , Co₃Sn₂S₂等其他半金属体系中发现的非欧姆输运现象可以认为是电场量子振荡的低场响应。

本工作实验上在拓扑半金属体系中观测到的非线性电流响应和电场量子振荡现象，不仅提供了在凝聚态物理中新的验证手性反常的方式，而且对于研究新型的量子振荡以及非平衡量子输运现象都有重要意义。

Figure 1. (a)&(b) Electric quantum oscillations from 3 T to 14 T after subtracting the linear background of I-V. The scale bar is 5 mV. (c) The ΔV_oscillation map of magnetic field and current. Dashed lines mark the positions of oscillation peaks and dips. (d) The I-V relation up to 300 μA when the magnetic field is 0 T.

从磁存储的发展历程来看，无论是硬盘或MRAM，更高的数据存储密度和更快的读写速度是人们不断追求的目标。与铁磁材料相比，反铁磁材料具有可忽略的宏观磁性，这是由于材料中两个或多个子晶格的磁矩几乎完全抵消，这使得反铁磁材料对外部磁场具有鲁棒性。其次，宏观磁性的缺失使得相邻比特之间不存在偶极相互作用的影响，避免了相邻比特相互影响造成的比特误差。最后，反铁磁材料具有高频动力学特性，可达到太赫兹范围，这原则上可以实现比铁磁器件更快的写入速度。因此，利用反铁磁作为存储介质以及对反铁磁的高效调控和状态读取成为了目前的研究热点。

在本文中，我们利用单飞秒激光脉冲实现了Co/IrMn/CoGd垂直交换偏置三层异质体系中交换偏置的超快调控。在准静态下，我们表征了IrMn厚度相关的双交换偏置层间相互作用。在单飞秒激光激励下，我们发现反铁磁自旋在IrMn/CoGd界面上的超快重排从而导致了交换偏置的翻转，并进一步证明了反铁磁体磁矩之间的竞争。此外，IrMn/CoGd的高可重复交换偏置翻转提供了一种超快高效的反铁磁操控方法。

Fig. (a) Stacks structure of Co/IrMn/CoGd perpendicular exchange bias trilayers system. (b) Evolution of  μ₀H_e of different CoGd and Co initial states after excitation by one single laser pulse as a function of the laser fluence.

量子相干是当前物理研究的前沿热点。由于自旋为1/2的费米子具有理想的点状磁矩结构，因而可以作为一种理想的自旋磁探针来研究与量子相干相关的重要基础物理问题。缪子（μ）和氟原子核（F）都具有1/2自旋，且μSR（缪子自旋弛豫/旋转/共振）技术能够通过探测缪子衰变产生的正电子角分布来反推缪子自旋方向的时间演化，因此氟化物中的μSR实验是一个十分理想的F-μ量子相干系统研究平台。近年来首个此类工作（Phys. Rev. Lett. 125, 2020: 087201）精确地测量了氟化物中的μSR谱形，然后根据多体量子系统的自旋演化模拟了理论谱形，通过拟合计算中F-μ距离可以得到与实验十分接近的理论模拟谱形，这是实际固体材料中量子相干效应研究一个重要的阶段性成果。

然而，具体的相干系统演化模拟需要F-μ距离参数，上述工作是直接由实验和理论模拟的符合度来选取此距离的，这个拟合得到的距离与直接密度泛函理论（DFT）的预测值尚有明显差距。在DFT中缪子是作为一个氢原子核引进的，同时适用波恩-奥本海默近似，认为缪子与系统不存在能量交换（DFT+μ）。实际上，缪子只有约九分之一质子质量，它在材料中的波动性是不可忽略的，我们考虑这是产生误差的主要因素。二体密度泛函理论（TCDFT）是一种较为本质地考虑此效应的方法。由此，本文采用近期已有的基于振动态（eμc-1）或量子蒙特卡罗（QMC）中缪子-电子（μ-e）二体关联作用对F-μ系统的μSR谱形进行更高精度的模拟。我们将这两种关联形式应用于实际的完全自洽TCDFT计算中，同时进行了无关联计算并作比较。结果表明，无论是在F-μ键长计算中还是在μSR谱形的模拟中，QMC形式优于DFT+μ方法，并优于eμc-1形式。另外，不考虑μ-e关联能时得到的模拟结果与实验更加接近。由此，我们提出：在使用合理的μ-e关联能形式时，缪子量子化的方法有助于更好地研究缪子停止位点处的信息，进而有助于对F-μ量子相干效应的实验结果更精准的诠释。本研究对于缪子-原子核相干体系，甚至其他轻原子核在材料中的波动性研究都具有启示意义。

Fig. 4. (a) Muon decay asymmetry data A(t) for polycrystalline CaF_2, together with simulation results, (b) for α-PbF₂. The correlation forms are from Refs. [17, 24]. Solid and dashed curves were calculated in this work.