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亮点文章 | 《物理学报》2023年第24期
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封面文章
陈光临，张志勇
物理学报, 2023, 72(24):248705.
doi: 10.7498/aps.72.20231060
蛋白质的功能往往与其结构和动态变化密切相关。分子动力学模拟是研究蛋白质结构变化的有效方法，然而使用分子动力学模拟对蛋白质的构象空间进行采样需要花费很长的时间。近年来的一些研究表明，使用简单的机器学习模型——自编码器及其改进型，可以在有限采样的情况下，快速完成对蛋白质构象空间的探索。该模型通过训练神经网络，完成对隐变量的提取，同时根据其产生构象，但是由于提取出的隐变量没有直观的含义，探索构象空间的方向会受到影响。本工作通过引入反应坐标(如质心距离等)，建立了一个中间层受监督的自编码器模型，以解决上述问题。该模型应用于噬菌体T4溶菌酶和腺苷酸激酶两个蛋白质分子，结果表明，仅使用短时间分子动力学模拟作为训练数据，就可以探索到这两种蛋白分子的多种典型构象。有监督(合理的反应坐标或者实验数据等)的自编码器模型有望成为探索蛋白质构象空间的有效工具。
图1 中间层受监督的自编码器示意图
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本文提出一种基于深度学习的方法来进行空间构象生成的问题，用于缓解目前分子动力学模拟方法采样难、计算量大的缺点。与其他方法不同的地方在于本文在自编码器的中间层引入了先验知识——反应坐标，使得模型生成的空间构象更符合蛋白质动态变化的规律。
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二维磁性半导体笼目晶格Nb3Cl8单层的磁性及自旋电子输运性质
樊晓筝，李怡莲，吴怡，陈俊彩，徐国亮，安义鹏
物理学报, 2023, 72(24):247503.
doi: 10.7498/aps.72.20231163
具有本征磁性的二维半导体材料在实现低功耗、小尺寸和高效率的自旋电子学器件方面具有重要应用前景。一些拥有特殊晶格结构的二维材料，如笼目晶格结构，凭借其在磁性和电学方面的新颖性质而受到研究者的青睐。最近，一种新的具有笼目晶格结构的二维磁性半导体材料Nb3Cl8单层被成功制备出来，为探索具有笼目结构的二维磁性半导体器件提供了新机会。本文通过第一性原理方法研究了Nb3Cl8单层的电子结构、磁各向异性，构造了其p-n结二极管结构，并研究了其自旋输运性质。结果表明，Nb3Cl8单层易磁化轴在平面内，沿x轴方向，Nb原子对磁各向异性起主要贡献，且相关磁性可通过应力应变进行调控。此外，基于Nb3Cl8单层的p-n结二极管纳米器件表现出整流效应、自旋过滤效应以及负微分电阻现象。这些结果表明了Nb3Cl8单层在下一代高性能自旋电子器件方面具有较大的应用潜力。
图1 (a) Nb3Cl8单层晶体结构的俯视图(上)和侧视图(下)，x轴代表锯齿型方向；(b) 声子谱以及投影声子态密度；自旋向上(c)和向下(d)状态的元素投影电子能带以及投影态密度；Γ点附近自旋向上(e)和向下(f)状态的导带与价带的三维视图以及在第一布里渊区的二维投影；色卡显示了图(e)、图(f)中从低(红色)到高(紫色)的能量本征值；费米能级(EF)设置在能量零点位置
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作者采用第一性原理计算方法研究了Nb3Cl8单层的磁性，并探究了其磁各向异性，及应力应变对其磁性的量子调控，设计了基于Nb3Cl8单层的p-n结二极管原型纳米器件，并采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法计算了其自旋极化的电子输运性质。文章揭示了Nb3Cl8器件功能特性及在下一代高性能自旋电子学器件领域的潜在应用。
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专题：二维及拓扑自旋物理
杨瑞龙，张钰樱，杨柯，姜琦涛，杨晓婷，郭金中，许小红
物理学报, 2023, 72(24):247501.
doi: 10.7498/aps.72.20231229
二维磁性材料是近年来发展起来的新兴材料，在单层或者少层的原子厚度中以其独特的磁性特性和结构特征而备受关注。其中铁磁性材料在信息存储和处理等方面有着广泛的应用，所以当前研究主要集中在丰富二维铁磁数据库以及开发磁调制的修饰策略上。本文通过常压化学气相沉积法在云母片衬底上成功生长出了二维钒掺杂Cr2S3纳米片，获得了钒源温度765 ℃和质量0.010 g为纳米片生长情况最适中条件，并通过光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线能谱、X射线光电子能谱对纳米片进行表征。同时掺杂样品的磁性表征表明钒掺杂后样品居里转变温度变为105 K，由亚铁磁性变为铁磁性，矫顽力也显著增大，证明钒掺杂可以有效地调控Cr2S3纳米片的磁性。这些研究结果将有望推动钒掺杂Cr2S3材料向着实际应用的的可能性，成为下一代自旋电子应用的理想候选材料之一。
图5 纳米片SEM，EDS和XPS表征 (a) SEM照片；(b) EDS表征，插图为元素百分比；(c)—(e)纳米片XPS图谱
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作者通过常压化学气相沉积法在云母片衬底上合成了钒掺杂的Cr2S3纳米片，探索了合成钒掺杂的Cr2S3纳米片的最佳条件，包括钒源的最佳温度和质量。作者进一步对钒掺杂Cr2S3纳米片进行磁性表征，证明该材料为铁磁性，居里温度提高到260 K，接近室温。本文通过V掺杂有效地调控了Cr2S3纳米片的居里温度，具有科学意义。
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姜舟，蒋雪，赵纪军
物理学报, 2023, 72(24):247502.
doi: 10.7498/aps.72.20230921
过渡金属酞菁分子作为二维有机金属框架材料的重要构建单元，在光学、电子学、磁学等领域展示了潜能。经理论预测，一系列具有kagome晶格的二维磁性过渡金属酞菁框架材料(kag-TMPc)在自旋电子学、光电子学领域具有应用前景。本文采用第一性原理计算，研究了叠状kag-TMPc基异质结中层间耦合对电磁性质的影响。结果表明kag-MnPc基异质结能够保持单层材料的带隙特性，带隙在0.17 eV左右，其中AA和AB堆垛的kag-MnPc/ZnPc为铁磁性半导体，磁交换能量在40 meV以上；kag-MnPc/MnPc在从AA堆叠转变至AB堆叠的过程中，由磁性半金属变成为磁性半导体。特别地，AB堆叠的kag-CuPc/CoPc异质结具有亚铁磁半导体特征，并且能带排列方式与层间距相关：层间距在平衡位置时，两个自旋方向能带排列均为I型；当层间距增大0.2 Å时，在自旋向上能带为I型能带排列，自旋向下为II型能带排列，具备自旋相关的光电“开关”特性。本文的结果表明，层间耦合效应是调控二维磁性有机材料电子性质的有效方式，为设计磁场调制的新型电磁和光电器件提供了理论参考。
图9 不同层间距下AB堆叠kag-CoPc/CuPc异质结的能带图 (a) 3.254 Å；(b) 3.354 Å；(c) 3.454 Å；(d) 3.554 Å；(e) 3.654 Å
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本文通过第一性原理计算研究了叠状 kag-TMPc基异质结中层间耦合对电磁性质的影响。计算发现不同的层间堆积方式将会导致异质结不同的磁性基态。同时，通过调控层间距，可以对不同自旋方向上的能带排列情况进行调控，从而可能实现自旋相关的光电开关特性。因此，层间耦合作用是调控二维磁性材料电子性质的有效手段。论文的计算工作系统、细致，相关的发现具有创新性。
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周阳，马啸，周星宇，张春辉，王琴
物理学报, 2023, 72(24):240301.
doi: 10.7498/aps.72.20231144
在实际量子密钥分发系统中，实际器件不理想可能导致系统存在安全性隐患。比如，光源端的编码设备不理想，可能导致量子态存在误差；探测端的探测器存在缺陷，可能产生后脉冲或死时间效应，从而影响系统的实际安全性。因此，本文提出了一种同时考虑光源端和探测器缺陷的实用化态制备误差容忍参考系无关量子密钥分发协议。本文采用三强度诱骗态方案开展建模分析与数值仿真计算。本协议通过利用虚拟态方法估算相位误码率，降低了态制备误差对密钥率的影响；同时对探测器端的缺陷进行相应参数刻画，具有较强的鲁棒性，为参考系无关量子密钥分发协议的实际应用提供了重要参考价值。
图4 基于不同设备缺陷的RFI协议以及LT-RFI协议密钥生成率图
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作者提出了一种使用态制备误差估计方法来刻画光源端缺陷和探测端后脉冲和死时间缺陷，从而有效降低了量子密钥分发(QKD)系统中安全性影响，保证参考系无关量子密钥分发（RFI-QKD）协议的实际安全性。该方法为解决实际QKD系统中存在的器件缺陷问题提供了一种较好的解决方案。
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非厄米Su-Schrieffer-Heeger链边缘态和趋肤效应依赖的电子输运特性
杨艳丽，段志磊，薛海斌
物理学报, 2023, 72(24):247301.
doi: 10.7498/aps.72.20231286
在非互易Su-Schrieffer-Heeger (SSH)链中，电子在胞内的跳跃振幅依赖于其跳跃方向，因而，该非厄米SSH链同时存在非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应。相应地，如何探测非厄米SSH链的边缘态和趋肤效应成为非厄米物理学的一个重要课题。本文研究了非厄米SSH链的非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应对其零能附近电子输运特性的依赖关系。研究发现当电子在零能附近透射率峰的峰值远小于1时，非厄米SSH链具有左趋肤效应；反之，零能附近电子透射率峰的峰值远大于1时，非厄米SSH链则具有右趋肤效应。特别是，在非平庸拓扑边缘态区域内，非厄米SSH链的趋肤效应被进一步增强。另外，当非厄米SSH链与左、右导线之间的电子隧穿耦合强度由弱到强改变时，零能附近电子反射率谷的数目将从2个变为0，此特性可以用来探测非厄米SSH链具有非平庸拓扑边缘态。上述结果在理论上为探测非厄米SSH链的非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应类型提供了一种可选择的方案。
图5 非厄米SSH链的本征态波函数在每个子格上的概率分布图
同行评价
本文讨论了非厄米拓扑模型中的电子输运性质，发现拓扑边界态和非厄米趋肤效应分别可以对应电子透射率的不同特征，对理解非厄米系统中不同的物理现象有参考价值。
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李文文，惠宁菊，李存霞，刘洋河，方妍，李凌青，王彦龙，唐远河
物理学报, 2023, 72(24):240601.
doi: 10.7498/aps.72.20231292
采用多普勒非对称空间外差仪(Doppler asymmetric spatial heterodyne，DASH)被动遥感探测高层大气风速，目前有傅里叶级数法和流行的傅里叶变换两种测风方法。本文提出“四强度法”测风。比较研究了傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”测风的原理、正演、噪声和反演等内容，3种测风方法均从DASH斐索干涉条纹的相位差变换而来。假设风速为0—100 m/s，利用傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”得到正演的斐索干涉图后，再对应得到正演风速的误差分别为2.93%，4.67%和3.00%。人为添加均值为0、标准差为0.1的高斯噪声后，假设风速是0—100 m/s，用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”分别对平场后的数据正演，得到相对误差对应分别为2.30%，11.66%，2.27%。人为添加高斯噪声后，假设风速为31—39 m/s和30.1—30.9 m/s，用傅里叶级数法和“四强度法”得到正演风速值，两种情况的傅里叶级数法的测风误差是3.55%和4.15%，均高于“四强度法”的测风误差2.20%和2.69%。利用GBAII-DASH野外拍摄西安上空98 km的O(1S) 557.7 nm气辉，得到天顶角为0°和45°的成像干涉图，再用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”得到反演风速分别为32.21 m/s，43.55 m/s和32.17 m/s。从DASH的正演、反演结果看，本文提出的“四强度法”探测高层大气风速的结果较好，计算简便，测风精度相对较高。
图3 GBAII-DASH的光路图
同行评价
基于多普勒非对称空间外差仪DASH被动遥感探测高层大气风速方法，作者阐述了傅里叶级数法和傅里叶变换两种测风方法以及其项目团队提出的“四强度法”测风方法的原理，然后进行了相应仿真模拟以及利用GBAII-DASH 野外实测数据进行风速反演。在风速反演的原理方法上，作者提出的“四强度法”测风方法物理意义明显，方法新颖，适用于DASH设备，且在后续的仿真模拟中表现出较高的精度。
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《物理学报》2023年第24期全文链接：
https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2023/24
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