一、包含两个尺度的标度理论
郭文安课题组和合作者提出了包含两个尺度的标度理论，解决了去禁闭量子临界性理论中的标度困难。
相变是物质性质的突然转变。它是自然界常见的物理现象（比如水结冰或形成雪花），也是产生新奇物态（比如超导、超流体）的普遍机制。相变一般由温度带来的热涨落导致。但是奇妙的是: 在零温，量子涨落也可以导致相变。通过量子力学的路径积分表示，传统的量子相变理论建立在朗道-金兹堡-威尔逊理论框架上，并取得了很大的成功。然而，这样的理论无法描述一些重要的量子相变，比如发生在两个不同有序态之间的连续相变。为此，人们发展了去禁闭量子临界性理论(Deconfined quantum criticality theory)，其核心是具有分数量子数的准粒子的去禁闭。这一理论不仅在统计物理和凝聚态理论方面有重要意义，也对人们理解夸克禁闭，演生规范场以及玻色希格斯粒子机制有重要价值。然而，大量的研究发现：具体实现这一新机制的几乎所有模型中，都存在违背基本标度律的现象，这导致去禁闭机制受到怀疑, 并引发了很大的争议。郭文安课题组和合作者通过数值模拟直接观察到分数激发粒子的去禁闭行为，更为重要的是，他们提出了新的含有两个尺度的标度理论，并通过量子蒙特卡洛模拟证实了这一标度理论，从而彻底解决了过往研究发现的标度困难。
相关论文：Hui Shao, Wenan Guo, and A. Sandvik, Science 352 (2016) 213
二、二维无序势玻色系统反常量子玻璃态
郭文安课题组与合作者发现二维无序势玻色子系统存在一种新的量子态：不可压缩的量子玻璃态。
探索强关联多体系统的新奇量子态是凝聚态物理和统计物理的重要研究内容。量子相变是获得新奇多体量子态的重要物理机制。郭文安课题组长期从事相变和临界现象的研究，近年来尤其注重量子多体系统，特别是量子自旋系统、Bose-Hubbard系统的新奇量子态和“非朗道”量子相变的研究。在没有无序的情况下，光晶格里相互作用玻色子的基态可以是没有能隙的超流态，或有能隙的莫特绝缘态。调整玻色子之间的相互作用，系统可以发生这两个基态间的量子相变。引入无序后，系统可以有第三种基态：绝缘同时没有能隙的量子玻璃态(Quantum Glass)。长期以来人们认为格点无序势的玻色系统只能存在可压缩的量子玻璃态，即玻色玻璃态。通过对密度ρ=1的格点无序玻色系统的大规模量子蒙特卡罗模拟，郭文安课题组与合作者发现莫特和超流相之间存在不可压缩的莫特玻璃态。通过渗流机制，他们对莫特玻璃态的温度行为作出了合理解释。进一步，根据动力学临界指数的计算，从临界理论角度获得了莫特玻璃态存在的证据。
相关论文：Yancheng Wang，Wenan Guo and Sandvik，Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 105303
三、大脑神经系统编码长时程时间信息的机制
胡岗课题组与合作者揭示大脑神经系统编码长时程时间信息的机制。
物体信息包含在神经系统所接受到的感觉输入的时空结构中。过去几十年，人们对神经系统如何提取视觉输入中的空间信息有了一定了解，但对脑如何处理时间信息却知之甚少。一个广泛争议的焦点是：脑是依赖于一个统一的时钟还是利用局部神经环路分布式地记录时间？在与时间相关的信息处理中，节律信息的提取和编码又极为重要，因为它是我们识别语音、产生节律运动和欣赏音乐的基础。在实验中发现，斑马鱼视觉中枢-视顶盖神经环路在经过重复视觉刺激训练后，能记录周期长达20秒的节律性信息。那么，一个局部神经环路是如何实现这一点的呢？回答这个问题对我们理解脑处理时间信息的机制有重要的启示。北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吴思教授和物理学系胡岗课题组共同合作揭示了神经系统编码秒量级时间节律信息的简单有效机制：海量神经元形成无标度库网络，其包含了各种尺度的闭合环或长链，以此来编码大范围的时间节律信息；当受到外部刺激时，大脑从库网络中选出相应大小的环来记录输入的节律信息。该工作支持大脑可以利用局部神经网络内在动力学来分布式地处理时间信息。
神经系统编码时间节律信息的机制
相关论文：Yuanyuan Mi et al., PNAS 110 (2013) E4931-E4936
四、二维浸润相变的相图
吴新天与合作者获得了加强表面耦合强度的浸润相变模型的精确解，并发现了系统存在一级相变和一个三临界点以及反常标度关系。
浸润现象，即液体在固体表面散布的问题，是化学，物理和工程交叉的一个重要的课题。浸润相变有很丰富的相变结构。浸润相变通常是各向异性的，标度关系也较复杂。对浸润相变的研究大大地丰富了重整化群理论和标度理论。四十多年前，Abraham提出了一个有边界场的伊辛模型来描述浸润相变，并得到了精确解。Abraham的解就像Osager的解一样，是浸润相变领域中的一个经典工作。Abraham模型是这样的，在伊辛模型的临界温度之下，系统磁化强度不为零。如果在平行的两个边界上加相反的磁场，会出现一个畴壁，畴壁两边磁化强度反号。调整一个边界的磁场，畴壁的位置会从边界附近变到无穷远处，对应于液体厚度从很薄变到无穷厚的相变，即非浸润相到浸润相的转变。这个相变是二阶的。从这个解中得到了二维浸润相变的各向异性的标度关系和临界指数。通常认为，所有的二维系统的浸润相变，只要是短程相互作用，都属于Abraham模型的普适类，都是二阶的相变，有一样的临界指数。扩展Abraham模型，加强表面耦合强度。这个模型可以精确求解，得到的结果显示，当表面耦合与体耦合强度之比增大时，会出现表观的一阶相变。当表面耦合与体耦合强度之比趋于无穷大时，系统的相变是一阶的。这些结果与以前的预期是不一样的。
相关论文：X. T. Wu, D. B. Abraham and J. O. Indekeu, Phys. Rev. Lett. 116(2016) 046101.
五、铁基超导体的反铁磁关联和扩展s波的配对对称性
马天星与合作者从“简洁”的单轨道哈伯德模型出发解释了铁基超导体的反铁磁关联和扩展s波的配对对称性。
1986年首次发现的高温超导现象是凝聚态物理中的一大未解之谜。2008年，日本物理学家首先发现了另一种临界温度高于20K的铁基超导材料，随后，中国多个研究小组不断在新组合的铁基化合物中发现了更高转变温度的高温超导现象。铁基超导体为凝聚态领域带来了巨大的刺激和振奋。与铜氧化物高温超导相比，铁基超导体不仅具有多种分类，而且具有非常复杂的多轨道结构特征。理论上如何对铁基超导体甚至铜氧化物超导材料进行一个统一的描述或理解，是凝聚态物理领域的一个重大挑战。以前对铁基超导体的理论研究，大多从十分复杂的三轨道或五轨道甚至十轨道耦合的物理模型出发，这使得理论物理学家根本无法准确分析本就非常困难的强电子关联体系。马天星及其合作者发展出一个“简洁”的单轨道哈伯德模型，使用一套数值上较为严格的计算方法，对铁基超导体的磁性和超导配对对称性进行了系统的研究，解释了铁基超导体的反铁磁关联和扩展s波的配对对称性，与实验结果相吻合，并进一步指出，铁基超导体的磁关联特性和超导配对对称性与费米面的nesting无关；与铜氧化物超导材料类似，铁基超导体的超导电性同样可能是由强电子关联驱动。这些研究对多种铁基超导体材料提出了一个可能的统一描述，对探索高温超导机理及其物理性质有着重要的意义。
六、节点线材料CaAs3
殷志平课题组和合作者发现低对称性Zintl化合物CaAs3是一种节点线材料。
关于节点线的理论计算以及实验测量是最近几年凝聚态领域较为关注的课题。殷志平教授、全耘地博士与加州大学戴维斯分校Warren E. Pickett教授合作发现在没有考虑自旋轨道耦合时，低对称性Zintl化合物CaAs3的能带结构有节点线，考虑自旋轨道耦合后，节点线被破坏从而得到拓扑态。节点线材料是继拓扑绝缘体，狄拉克（Dirac），外尔（Weyl）半金属后发现的新型拓扑材料。CaAs3的空间群为P-1（＃2）。晶体结构对称性仅含有自身（identity）和空间反演（inversion）对称性。精细的计算发现，在CaAs3布里渊区的边界有节点线（如下图）。由于导带和价带仅在节点线相交，在布里渊区的其它区域，价带和导带分离，从而使得费米能级附近的低能性质主要由节点线决定。节点线的大小可以通过应力或掺杂来调节。节点线具有非平凡的贝里相位（Berry phase），沿着一个环扣节点线的路径一周，电子波函数的相位改变一个π。对于节点线半金属而言，节点线投影到表面布里渊区变成一个环。取决于表面层的原子，受拓扑保护的边缘态可能在环内或者环外。
CaAs3的节点线位于布里渊区的边界上
相关论文：Y. Quan, Z.P. Yin and W.E. Pickett, Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 176402
七、界面诱导巨自旋霍尔效应
袁喆与夏钶课题组及其合作者发现界面诱导巨大的自旋霍尔效应。
电子是带有电荷和内禀自旋角动量的粒子，类似一个带电且自转的陀螺。当运动中的电子遇到杂质散射时，由于相对论效应，顺时针和逆时针自转的电子会向着相反的横向方向运动，从而产生一个横向运动的自旋（角动量）流。这个效应被称为“自旋霍尔效应”，是目前用电学方式产生、操纵纯自旋流的重要途径。其逆效应（逆自旋霍尔效应）可以将自旋流转换为电压或电流信号，因而被广泛用来探测纯自旋流。自旋流和电流之间的相互转换效率（即所谓自旋霍尔角）在具体材料中的大小尚存在很大的争议，尤其是金属铂的自旋霍尔角的大小已成为自旋电子学研究领域的一桩公案。袁喆与夏钶课题组及其合作者采用全相对论第一原理散射方法，计算了镍铁合金和铂双层膜中的自旋霍尔及其逆效应，发现金属铂与镍铁合金界面是自旋流与电流转化最高效的地方，而这部分的贡献在过去所有研究中均被忽视了。这项工作不仅解释了不同实验测量出的金属铂自旋霍尔角存在很大差别的原因，并且表明利用界面处巨大的自旋霍尔效应可以极大地提高自旋流的产生、操纵和探测效率。
自旋霍尔效应示意图
相关论文：Lei Wang et al., Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 196602
八、石墨烯中单原子空位缺陷产生的局域磁矩
何林课题组利用强磁场扫描隧道显微镜首次观测到石墨烯中单原子空位缺陷产生局域磁矩的直接证据，清华大学物理系段文晖课题组提供了理论支持。
通常认为，材料中的磁矩来源于磁性原子，而磁性原子的电子磁矩一般起源于3d或者4f壳层未被完全占据。但是科学家一直相信非磁性材料在某些特定条件下会产生局域磁矩甚至宏观磁序，其中一个被广泛研究的非磁性材料就是石墨烯。理论计算表明通过引入单原子空位缺陷使石墨烯中A和B子格的原子数目不等，可以使石墨烯产生局域磁矩。第一性原理计算结果指出单原子空位缺陷会使石墨烯中π电子产生两个自旋劈裂的态密度峰，这一特征被认为是石墨烯中缺陷诱导π电子局域磁矩的直接证据。然而在过去近十年的实验探索中，不同的实验小组始终没有探测到单原子空位缺陷诱导的两个自旋劈裂态，这一重要科学问题也成为石墨烯领域悬而未决的科学难题之一。何林研究组认为发展一种独特的方法使石墨烯中单原子空位缺陷处于基态是研究这一科学问题的关键。他们在金属铑上利用常压化学气相沉积法 (CVD)生长石墨烯，借助高分辨的扫描隧道显微镜成功探测到了金属铑上石墨烯中单原子空位缺陷 (如下图)，并利用扫描隧道谱技术首次探测到缺陷处的自旋劈裂现象 (如下图)，为单原子空位缺陷诱导的π电子局域磁矩提供了强有力的证据。
空位缺陷及自旋劈裂
相关论文Yu Zhang et al. Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 166801
九、双层石墨烯AB-BA堆垛畴壁上的一维拓扑边界态
何林课题组与苏州大学物理学院江华教授合作，利用极低温超高真空强磁场扫描隧道显微镜在双层石墨烯AB-BA堆垛畴壁上，首次直接观测到了一维的拓扑边界态。
寻找具有拓扑保护边界态的材料体系是凝聚态物理和材料物理的前沿研究热点，这些拓扑边界态在传输载流子时具有极低的耗散，在未来电子学器件中有巨大的应用前景。理论计算表明双层石墨烯的AB-BA畴界就能提供这样的拓扑边界态。双层石墨烯最常见的是形成AB堆垛（即Bernal型）双层石墨烯。此时，通过调制双层石墨烯上下两层不同的势，可以实现能带调控，从而在导带和价带之间打开一个能隙，使石墨烯表现出半导体的属性。理论计算表明在AB堆垛双层石墨烯两个相邻区域上下两层加方向相反的势会在两个区域产生方向相反的能隙，而在两个区域的畴界处会产生拓扑保护的边界态。随后的理论证明两个相邻的AB和BA堆垛区域的畴界处也有拓扑保护的边界态。然而，实验上想要制备具有上述畴壁的样品，并且精确地测量其拓扑边界态是极具挑战性的。何林研究组借助高分辨的扫描隧道显微镜(STM)，成功探测到了双层石墨烯中的AB-BA畴壁（如下图），并利用扫描隧道谱技术首次得到了畴壁上拓扑边界态的空间分布。通过原子级分辨的扫描隧道显微镜的形貌图，他们发现所研究的AB-BA堆垛畴壁大约有8 nm宽。同时，通过具有高能量分辨率与高空间分辨率的扫描隧道谱测量，他们发现导电的拓扑边界态主要分布在畴壁的边缘上，并且在强磁场下(~8 T)依然能够稳定存在，相关实验结果和他们理论模拟的结果完美地吻合。该研究直接证实了双层石墨烯AB-BA畴壁中拓扑边界态的存在，基于该体系有望实现各种低能耗的功能电子器件。
AB-BA畴壁STM形貌图
相关论文：L.-J. Yin et al., Nature Communication 7 (2016) 11760
十、应变石墨烯中纳米量级的准一维周期性褶皱
何林课题组与北京大学化学学院合作，在应变石墨烯发现纳米量级的准一维周期性褶皱结构。
他们利用扫描隧道显微镜（STM）对生长在Cu箔上的马赛克石墨烯（局域氮参杂石墨烯）进行了系统测量，发现该样品上能实现周期为几个纳米到几十纳米的准一维周期性褶皱（如下图），这些准一维褶皱的长度大约在400纳米到一微米之间。根据经典薄膜理论，在石墨烯中实现周期为纳米量级的褶皱，需要将石墨烯的尺寸缩小到10个纳米以下。而在如此小尺寸的石墨烯上要施加一个应力使其产生周期的应变结构远远超过了当前技术的极限。他们在石墨烯中实现的纳米尺度的准一维周期性褶皱超出了经典薄膜理论的描述。在经典薄膜理论中，具有一定厚度的薄膜在弯曲时存在一个中性面，中性面上的原子间距在薄膜弯曲时即不会被拉伸又不会被压缩，而中性面以外的原子在薄膜弯曲时原子间距不是被拉伸就是被压缩，从而产生一个弯曲能阻碍薄膜的进一步弯曲。但是石墨烯是一种非常特殊的薄膜体系：它只有一层原子厚。这一特性导致石墨烯弯曲时只需要考虑最近邻碳原子π轨道杂化对体系能量的细微影响，因此该体系中纳米尺度的褶皱不再符合经典薄膜理论的描述，所以在实验上能实现波长仅为几个纳米但长度达到400纳米到一微米之间的准一维周期性褶皱。另外，他们还发现周期性的褶皱会在石墨烯中引入一个周期性的电势，在其能带结构上产生超晶格Dirac点，并可以在石墨烯中打开一个130 meV的带隙。
准一维周期性褶皱结构
相关论文：K.-K. Bai et al., Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 086102
十一、巨大形状可逆应变的形状记忆合金
张金星课题组与合作者发现纳米尺度下具有14%的巨大形状可逆应变的形状记忆合金。
形状记忆材料受力变形后，能在外界环境（磁场、温度等）刺激下恢复到原来的形状，因此在医疗、航空航天、微/纳传感及驱动等器件中具有广泛的应用价值。目前，记忆合金（Ni-Ti、Ni2MnGa等）由于具有巨大的可逆应变（~8%）和较高的驱动功密度（~10 J/cm3），被应用于航天器部件、减震装置、医疗矫正等领域。然而，这些合金材料通常在纳米尺度下受尺寸效应、表面效应及氧化失效等缺陷限制，大大降低甚至丧失了其优异的应变特性。聚合物材料一度被认为可以替代合金，在新一代形状记忆器件中应用。但其输出功密度极低，无法达到实际应用中所需的驱动力。这就促使人们在氧化物体系中探索大可逆记忆应变。张金星课题组与合作者通过纳米刻蚀技术，将具有相共存特性的BiFeO3薄膜刻成纳米岛状结构，这样就大大降低了衬底对薄膜的束缚，使其变成相变点附近的纯菱形相。在温度/电场等作用下，纯菱形相结构完全转变为纯四方相，同时可产生~14%的巨大形状可逆应变，远大于目前应用的合金材料。同时，在应变驱动的过程中伴随着很高的功密度，比目前最大的应变驱动材料还要高近100倍。
相关论文：J. X. Zhang et al. Nature Commun. 4 (2013) 2768.
十二、层状钙钛矿氧化物薄膜中的无束缚铁弹性翻转
张金星课题组与合作者在层状钙钛矿氧化物薄膜中首次发现并系统探讨了近乎无束缚的铁弹性翻转行为。
在铁性材料（铁电、铁磁或铁弹）的单晶和薄膜体系中，由外场驱动的非易失弹性应变可以在微观尺度上为晶格自由度与其他序参量（电荷、自旋及轨道等）之间的耦合提供一个有效的途径。然而，在传统铁电薄膜体系中（通常为四方相或者菱形相结构），由于衬底对薄膜的应力束缚，伴随的铁弹性畴翻转动力学过程被强烈抑制，使得由外场驱动的非易失性的铁弹应变在集成的薄膜器件中难以实现。这就促使人们探索新的铁电薄膜体系，期待弹性翻转过程中不受衬底束缚。
自由电场驱动铁电极化弹性翻转的示意图
张金星课题组与合作者利用激光分子束外延技术，生长出具有正交对称性晶体结构的层状钙钛矿铁电体（Bi2WO6的薄膜）。与传统铁电材料不同，其极化完全在薄膜平面内，没有任何面外极化分量，这使得铁电极化在铁弹性翻转过程中（如上图），所需克服的能量势垒比传统面外极化的铁电薄膜降低100倍，从而能够很好地实现由电场可控驱动的非易失性弹性应变（～0.4%）。应变值甚至可以与传统商用铁电块状晶体（如PZT，PMN-PT等）中的弹性应变（0.05%～0.6%）相媲美。更重要的是，在薄膜材料中，这一极化自由翻转行为可以由扫描探针来实现纳米尺度可逆调控，使得极化翻转驱动的弹性体可以像纳米马达一样在面内自由旋转，增大了铁电畴工程调控的自由度和研究空间，为未来的低能耗薄膜电子和磁电子器件的耦合与集成提供了可能。
相关论文：Chuanshou Wang et al., Nature Communications 7 (2016) 10636
十三、单原子层半导体中的激子能量输运
石锦卫课题组与合作者在单原子层半导体中实现超过40微米的激子能量输运。
石锦卫课题组和台湾国立清华大学合作，设计了金属-氧化物-二维材料的超薄MOS结构，在单原子层半导体中实现了超过了40微米的激子能量输运，为基于激子输运的器件设计提供了一种新的可能。激子是半导体中束缚的电子-空穴对，决定了很多发光、光电子器件如LED、太阳能电池等的工作性质。激子能量输运距离对器件的工作能力和工作效率有很大影响。作为一种半导体，最近几年单层过渡金属二硫化物（TMDC）获得了人们广泛的研究兴趣。和它们对应的块体材料有很大不同，单层TMDC是一种直接禁带半导体，在可见光波段具有很高的发光效率，被认为是制造下一代超薄型发光器件的优选材料。然而，理论和实验表明，单层TMDC材料中激子具有非常快的复合时间，这导致激子的输运距离只有几百纳米，极大地限制了其应用。石锦卫课题组和台湾国立清华大学果尚志教授课题组、李奕贤教授课题组以及美国德克萨斯大学奥斯汀分校李晓勤课题组合作，借助高质量单晶银板表面等离激元的长距离表面传输特性，通过级联的激子–表面等离激元–激子能量转移实现了超过40微米的激子能量输运。相关工作表明，金属表面等离激元–二维材料异质结构具备互补的材料特性，有望用于设计制作新型超薄集成光电子器件。
相关论文：Jinwei Shi et al.,Nature Communications 8 (2017) 35
十四、同伴教学法
张萍与合作者实证研究了从2010年开始在北京师范大学实施翻转课堂教学模式——同伴教学法取得的教学成果。
20年多来国际物理教育研究一直关注于研究学生的物理认识论——关于对物理的本质和物理学习方法的认识，学生对物理学本质的认知以及学习物理的态度对他们的学习会产生直接和重大的影响。已有的一些研究表明：使用传统的教学方法，学生学习物理时间越长，掌握更多物理知识，但是学生对物理的认知水平却负向移动——学生的观点更加远离物理专家的观点，更向新手方向移动。
张萍团队从2010年开始，结合我国教学实际问题，从创新人才培养目标出发，借鉴国际上先进教学经验，采用ADDIE模型，即：“理论分析-教学设计-课程开发-教学实践-实证评估”，研究设计出符合我国教育教学规律的翻转课堂教学模式：同伴教学法，构建适合中国国情的大班课堂教学的互动和合作学习模式。历经7年的教学方法改革和实践，并且在教学实践中使用科学的量、质结合的研究方法对教学方法改革的效果进行实证研究，研究使用国际公认的评估方法，在8个维度上对学生物理认知发展进行了量化分析和三角互证，研究结果表明：同伴教学法在课程知识学习，激发学生学习兴趣、实现学生自主学习、合作学习，培养学生创造性思维、高水平推理和批判性思维等能力和培养创新人才方面都取得很好效果，实现学生物理认知水平的正向移动。
相关论文：P. Zhang, L. Ding and E. Mazur, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 13 (2017) 010104
[本文根据物理学系主页2013年至今刊登的部分科研新闻整理]