1. 使用固態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：固態自旋傳感器

      研究團隊：美國哈佛大學Walsworth研究組

      由固態電子自旋組成的量子系統可以作為核磁共振（NMR）信號的靈敏檢測器，特別是來自非常小的樣品的信號。例如，金剛石中的氮空位中心已經用來記錄來自納米尺度樣品的 NMR 信號，其靈敏度足以檢測單個蛋白質產生的磁場。但是，報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、結構生物學以及材料研究中對于核磁共振應用至關重要的分子結構關鍵波譜標識，如標量耦合（要求分辨率小于 10 赫茲）和小化學位移（要求分辨率約為原子核拉莫爾頻率的百萬分之一）。傳統感應檢測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的樣品（排除對于更小的樣品的應用，例如皮升（picolitre-volume）化學分析或相關光學和 NMR 顯微鏡）。Glenn 等人演示了一種測量技術，該技術使用由氮空位中心組合與窄帶同步讀出協議共同組成的固態自旋傳感器（磁力計），從而得到約 1 赫茲的 NMR 光譜分辨率。利用這種技術來觀察大約 10 皮升的微米尺度樣品體積中的 NMR 標量耦合。他們還利用與氮空位中心的結合將 NMR 應用于熱極化核自旋以及解析小分子的化學位移譜。這一技術能夠在單細胞的尺度上實現分析型核磁共振光譜學。（Nature DOI: 10.1038/nature25781）

      2. 鎳基底上吸附態原子促進石墨烯生長的實時成像

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

      材料名稱：石墨烯

      研究團隊：意大利的里雅斯特大學Peressi研究組

      人們預計單原子固體是可以參與固體表面發生的許多物理和化學過程的，例如金屬上石墨烯的生長。Patera 等人對在鎳（Ni）基底上生長石墨烯相關過程中單金屬吸附原子起到的催化作用進行了理論和實驗上的證明。實驗上通過毫秒分辨率掃描隧道顯微鏡成像直接捕獲到了單個 Ni 原子在生長的石墨烯薄片邊緣處的催化作用，力場分子動力學和密度泛函理論的計算也印證了這一結果。該研究結果揭示了控制單原子催化劑活性的機制。（Science DOI: 10.1126/science.aan8782）

      3.拓撲絕緣體激光器：實驗

      (Topological insulator laser: Experiments)

      材料名稱：InGaAsP拓撲絕緣體

      研究團隊：以色列理工學院Segev研究組

      能夠表現出拓撲不變量的物理系統大都天然地具有抵抗擾動的穩健性，例如拓撲絕緣體中所體現出的—即能夠表現出穩健電輸運的材料，可以免于缺陷和無序引起的散射。近年來，在光子學領域開展這些現象的努力十分活躍。Bandres 等人展示了一個非磁性拓撲絕緣體激光系統，展現了空腔中的拓撲保護輸運。它的拓撲性質引生了單模激光對抗缺陷的穩健性，以及相比于拓撲微小對應物更高的斜率效率。而且，通過由 S-手性微諧振器組裝的系統進一步探索了有源拓撲平臺的特性，強化了預先沒有磁場的單向激射。這項研究工作為實現具有激動人心的特性和功能的有源拓撲設備鋪平了道路。（Science DOI: 10.1126/science.aar4005）

      4. 拓撲絕緣體激光器：理論

      (Topological insulator laser: Theory)

      材料名稱：拓撲絕緣體

      研究團隊：以色列理工學院Segev研究組

      拓撲絕緣體是以拓撲邊緣態為特征的物質的相，其以單向方式傳播，面對缺陷和無序十分穩健。這些屬性使得拓撲絕緣體系統成為量子計算和自旋電子學應用理想的候選材料。Harari 等人提出了一種以獨特的方式利用拓撲效應的概念：拓撲絕緣體激光器。這些激光器的激光模式表現出了無磁場的拓撲保護輸運。基礎的拓撲性質促成了高效率的激光器，其對缺陷和無序具有強大的穩健性，即使在非常高的增益值下也可以實現單模激光。拓撲絕緣體激光器改變了當前對無序和激光之間相互作用的理解，并且同時在拓撲物理學中開辟出了令人興奮的可能性，例如含增益系統中的拓撲保護輸運。在技術方面，拓撲絕緣體激光器為實現半導體激光器陣列提供了一條途徑，即半導體激光器陣列作為一個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. 用與電流極性相關的方法操縱反鐵磁疇

      (Current polarity-dependent manipulation of antiferromagnetic domains)

      材料名稱：CuMnAs

      研究團隊：英國諾丁漢大學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，包括超快動力學，零雜散場和對外部磁場不敏感性。四方 CuMnAs 是一種測試平臺系統，其反鐵磁有序參數在環境條件下可以通過電流進行可逆地轉變。在以往的實驗中，都是利用正交面內電流脈沖誘導來實現反鐵磁疇的 90°旋轉，以及演示多端幾何的全電存儲器的位操作。Wadley 等人證明了可以僅使用兩個電觸點來操縱反鐵磁疇壁，實現穩定且可再現的疇變化。該過程是利用電流的極性來轉變反鐵磁亞晶格上的電流感應有效場的符號來實現。利用 X 射線磁性線性二色顯微鏡可以對產生的可逆疇和疇壁重構進行成像，也可以利用電信號進行檢測。通過疇壁運動產生的轉變可以發生在比相干疇轉變所需電流密度低得多的情況下。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0079-1）

      6. 利用電場對二維范德瓦爾斯磁體進行轉化

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

      材料名稱：CrI3

      研究團隊：美國耶魯大學Mak研究組

      用純電方式來控制磁性是改善信息技術的一項關鍵挑戰。此前對包括鐵磁（FM）金屬、FM 半導體、多鐵性材料和磁電（ME）材料等多種材料體系磁場的電場控制，都已經進行過探索了。二維（2D）范德華磁體的新發現，為在納米尺度上通過范德華異質結構器件平臺控制磁性開啟了新的大門。Jiang 等人演示了通過在場效應器件中施加小的柵極電壓，實現對雙層 CrI3（其基態為反鐵磁（AFM）半導體）中磁性的控制，以及使用磁性圓二色（MCD）顯微鏡對磁化強度的檢測。施加的電場會產生層間電位差，其結果便是造成了大的線性 ME 效應，而其符號取決于層間 AFM 順序。Jiang 等人還實現了在層間自旋翻轉轉換附近的層間 AFM 和 FM 狀態之間的完全可逆的電切換。這一效應源于層間交換偏置對電場的依賴性。（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

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

      材料名稱：石墨烯

      研究團隊：美國橡樹嶺國家實驗室Vlassiouk研究組

      現在對于大尺寸高質量單晶二維（2D）材料的制造有著很大的需求。通常認為外延生長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。這一方法的技術實現類似于 Czochralski 過程，并且基于在 2D 幾何中已經實現的演化選擇方法。該方法依賴于對增長最快的疇方向的“自我選擇”，這種方法最終壓倒了生長緩慢的疇并產生了單晶連續 2D 膜。Vlassiouk 等人利用這種方法以達 2.5cm?h-1 的速率合成了達到英尺長的具有單晶質量的石墨烯薄膜。預計這一方法很容易用于合成其他 2D 材料和異質結構。（Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0019-3）

      8. 利用滯后撓曲電場選擇性控制多個鐵電轉換途徑

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

      材料名稱：鐵電材料

      研究團隊：韓國基礎科學研究所Noh研究組

      撓曲電效應是電極化和應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極化進行機械操縱。最近，利用掃描探針顯微鏡（SPM）的尖端實現了對單軸系統的面外極化進行機械地切換，這是對撓曲電效應的直接證明。但是，在低對稱多軸鐵電體中撓曲電效應的應用以及由此通過撓曲電效應對多疇的主動操縱，都還尚未實現。Park 等人表明，對稱破缺的撓曲電效應為多軸鐵電材料中的多疇轉換途徑的選擇性控制提供了有力的路徑。具體來說是利用了機械加載的掃描探針顯微鏡尖端運動所產生的滯后撓曲電效應。通過控制 SPM 掃描方向，可以確定性地選擇多鐵磁性 BiFeO3 薄膜中穩定的 71°鐵彈性轉換或 180°鐵電轉換。相場模擬表明放大后的面內滯后撓曲電效應對于這一疇工程是必不可少的。此外，Park 等人還展示了機械轉換疇具有良好的滯留特性。這項研究工作為確定性地選擇低對稱性材料中的納米級鐵電疇，從而用于非易失性磁電器件和多級數據存儲，開辟了一條新的途徑。（Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0083-5）