這裡我們選取了5篇2020年發布在Nature上關於納米光電子學、運用拓撲概念的最新文章，與大家共同學習。
Nature 2月12日
具有谷邊緣模式的電泵浦拓撲雷射器
Electrically pumped topological laser with valley edge modes. Nature 578, 246–250 (2020).
量子級聯雷射器是緊湊的，電泵浦的光源，位於電磁光譜技術上重要的中紅外和太赫茲區域。最近，拓撲的概念已從凝聚態物理擴展到光子，從而產生了一種新型的雷射，其拓撲保護光子模式能夠有效繞過拐角和缺陷。拓撲雷射器的先前演示需要外部雷射源來進行光泵浦，並在常規的光學頻率範圍內進行操作。在這裡，我們展示了基於拓撲受保護的谷邊緣狀態的電泵太赫茲量子級聯雷射器。與依靠大型特徵提供拓撲保護的拓撲雷射器不同，我們的緊湊型設計利用了光子晶體的自由度谷，類似於二維帶隙谷電子材料。即使在底層結構中引入了擾動，在尖角三角形的空腔中也會發生具有規則間隔發射峰的發射，由於存在受拓撲保護的山谷邊緣狀態，這些狀態在空腔周圍循環而未經曆局部化。我們通過向拓撲腔中添加不同的耦合器來探究拓撲雷射模式的特性。基於谷邊緣狀態的雷射器可以為在電動雷射源中實際使用拓撲保護開闢道路。
圖. 具有拓撲保護的谷邊緣模式的太赫茲量子級聯雷射器的設計
Nature 3月1日
矽中單個高自旋核的相干電控制
Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature 579, 205–209 (2020).
核自旋是高度相干的量子對象。在大型諧振中，它們通過磁共振控制和檢測已被廣泛使用，例如在化學，醫學，材料科學和採礦中。早期關於固態量子計算機的建議以及量子搜索和因式分解算法的演示中也都提到了核自旋。擴大這樣的概念需要控制單個原子核，當耦合到電子時可以檢測到。但是，需要通過振蕩磁場來處理原子核，這使其在多自旋納米級器件中的集成變得更加複雜，因為該欄位無法本地化或篩選。通過電場控制可以解決這個問題，但是以前的方法依靠電子-核超細相互作用將電信號轉換成磁場，這嚴重影響了核的相干性。在這裡，我們演示了使用矽納米電子器件內產生的局部電場對單個123Sb（spin-7 / 2）原子核進行相干量子控制。該方法利用了1961年提出的想法，但以前並未通過單個核實驗實現。我們的結果得到微觀理論模型的定量支持，該理論模型揭示了核四極相互作用的純電調製如何導致相干核自旋躍遷，由於晶格應變，它們是唯一可尋址的。自旋相移時間為0.1秒，比通過需要耦合電子自旋以實現電驅動的方法獲得的相移時間要長几個數量級。這些結果表明高自旋四極核可被部署為使用全電控制的混沌模型，應變傳感器和混合自旋機械量子系統。將電可控核與量子點集成在一起，可以為無需振蕩磁場即可運行的矽中可擴展的，基於核和電子自旋的量子計算機鋪平道路。
圖. 矽器件中的123Sb核自旋
Nature 4月22日
觀察啟用拓撲的單向引導共振
Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances. Nature 580, 467–471 (2020).
單向輻射對於各種光電應用（例如雷射器，光柵耦合器和光學天線）很重要。但是，幾乎所有現有的單向發射器都依賴於使用禁止出射波的材料或結構-即反射鏡，這些反射鏡通常體積大，損耗大且難以製造。在這裡，我們從理論上提出並通過實驗證明了光子晶體平板中的一類共振，該共振僅向平板的一側輻射，而另一側沒有反射鏡。這些共振（我們稱為「單向引導共振」）在本質上被發現是拓撲結構：當極化場中的一對半整數拓撲電荷在動量空間中相互反彈時，它們就會出現。我們通過實現高達1.6×105的單邊輻射品質因數，通過實驗證明了電信號體制中的單向引導共振。我們通過遠場極化測量進一步證明了它們的拓撲性質。我們的工作代表了應用拓撲原理來控制光場的典型示例，並且可能會產生用於光檢測和測距的節能光柵耦合器和天線。
圖. UGR及其拓撲性質
Nature 5月6日
映射魔角石墨烯中的扭曲角紊亂和Landau能級
Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene. Nature 581, 47–52 (2020).
最近發現的扁平電子帶以及魔術角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中的強相關和超導相關鍵取決於層間扭曲角θ。雖然已證明我們能以大約0.1度的精度控制全局θ，但是關於局部扭曲角分布的信息很少。在這裡，我們使用納米級尖端掃描超導量子幹涉裝置（SQUID-on-tip）來獲得處於量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像。並繪製六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG器件中的局部θ變化圖，其相對精度優於0.002度，並且空間解析度為幾個莫爾周期。我們發現θ紊亂程度與MATBG傳輸特性的質量之間存在相關性，並表明，即使是具有相關狀態的最先進的設備，朗道風扇和超導性-在θ上顯示相當大的局部變化，最大變化為0.1度，表現出明顯的梯度和跳躍網絡，可能包含沒有本地MATBG行為的區域。我們觀察到MATBG中的相關狀態相對於扭曲角異常特別脆弱。我們還表明，θ的梯度會產生較大的門可調平面內電場，即使在金屬區域也不會被屏蔽，通過在樣品的大部分區域中形成邊緣通道來深刻改變量子霍爾態，並可能影響相關態和超導態的相圖。因此，我們確立了θ無序作為非常規類型無序的重要性，從而能夠在結構設計中使用扭曲角梯度，用於實現相關現象以及用於設備應用的門可調內置平面電場。
圖. MATBG中平坦帶和分散帶中全局和局部量子霍爾特徵的比較
Nature 7月8日
混合光子電路中人工原子的大規模集成
Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits. Nature 583, 226–231 (2020).
開發量子計算機和遠程量子網絡的一個主要挑戰是糾纏在許多可單獨控制的量子位中的分布。鑽石中的色心已成為固態「人造原子」量子比特，因為它們可以按需進行遠程糾纏，具有十分鐘長的相干時間和記憶增強量子通信的十個輔助量子位的相干控制。下一步的關鍵是將大量的人造原子與光子結構集成在一起，以實現大規模的量子信息處理系統。到目前為止，這些努力已因量子位不均勻，器件產量低和器件要求複雜而受阻。在這裡，我們介紹了一種在光子集成電路（PIC）上高產量異構集成「量子微晶片」（包含高度相干色心的金剛石波導陣列）的過程。我們使用此過程在氮化鋁PIC中實現了128通道的無缺陷鍺空位和矽空位色心陣列。光致發光光譜顯示鍺空位（矽空位）發射器的長期，穩定且狹窄的平均光學線寬為54兆赫茲（146兆赫茲），接近壽命限制的32兆赫茲（93兆赫茲）線寬。我們表明，可以通過在50千兆赫茲範圍內進行集成調諧來原位補償單個色心光學過渡的不均勻性，而不會降低線寬。將大量幾乎無法區分和可調的人造原子組裝成相對穩定的PIC的能力，標誌著邁向多路復用量子中繼器和通用量子處理器的關鍵一步。
圖. 人造原子與光子學的可擴展集成
以上這些高水平文章都有一個共同點那就是使用了COMSOL數值模擬來幫助闡述科學問題。COMSOL是功能非常強大的數值計算軟體，能夠根據研究者的需要自由地求解各種形式的偏微分方程。COMSOL越來越多地出現在高檔次文章，越來越多的研究者將其應用於自己的研究，它可以模擬電磁，光學，聲學，力學，流體，化工，電池與電化學等等各種能用偏微分方程來描述物理和化學過程。
如今在高檔次文章中結合COMSOL仿真模擬來解釋科學問題，展示物理機制的方式已經變得越來越常見。特別是對於這種機理解釋型文章，一些仿真模擬可以說是必不可少的。
為了讓更多科研人員能夠迅速且科學地掌握這一前沿高效的數據分析軟體，北京中科幻彩動漫科技有限公司舉辦主題為「科研模擬學術仿真」的文章檔次提升專題培訓！！！
文末福利：免費領取有限元模擬教學視頻
科研模擬·學術仿真專題培訓會
2020年09月19-20日 北京·中科院物理所
2020年09月26-27日 廣州·華南師範大學
2020年10月17-18日 上海·復旦大學
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課程概要
提高文章中稿率、衝高影響因子的關鍵，在於數據的說服力是否足夠強大。實驗結果不理想，數據不夠完美，論文內容缺乏支撐，這些問題有限元仿真模擬都可以輕鬆解決。幫助文章輕輕鬆鬆更上一區，讓你的實驗結果從此告別「差強人意」，高影響因子不是夢！
在當今的高檔次科研論文中我們能夠見到許多工作都使用到了仿真模擬來闡述科學問題。一直以來仿真模擬就是一項重要的科研技能，在許多物理和工程類學科（力學，光學，流體力學，電磁學，聲學，化工）中發揮著不可替代的作用。許多科研工作的理論分析，結構設計和優化都依靠仿真模擬來完成。近年來隨著交叉學科的發展，仿真模擬的需求也不限於上述的學科，在新興的材料科學，能源科學，生命科學的研究工作中也越來越多的應用到仿真模擬這一工具。另一方面隨著友好易用的商用仿真模擬軟體COMSOL的出現，仿真模擬不再是一項需要深厚理論基礎的高門檻技術。通過COMSOL軟體的使用，越來越多的科研工作者可以利用仿真模擬幫助自己的研究工作。
本課程專門針對科研學術領域，為學員提供仿真模擬軟體COMSOL Multiphysics 軟體使用的全面詳細講解。課程從入門級內容開始，循序漸進地講解數值仿真中的模型分析方法，以及建模操作流程（其中包括創建幾何、網格剖分、設定物理場、求解及結果的後處理等），讓學員全面掌握整個建模流程，並能夠獨立地使用 COMSOL 求解相關仿真問題。有無基礎的學員均可參加培訓，我們將根據學員的專業背景和軟體基礎量身定製課程內容。
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課程內容
1.入門有限元仿真模擬
有限元方法的基本內涵，仿真模擬基本理論的講解，以及該方法在科學研究中的廣泛應用領域和重要意義，能夠幫助科研人員解決的實際問題，不同仿真模擬軟體（COMSOL ANSYS Abaqus）的特點和在科研上運用的優缺點比較；
COMSOL 軟體介紹及基本操作演示和教學，包括軟體界面學習、創建和導入幾何模型、物理場設置、網格剖分與求解和結果後處理等。
2.有限元模擬的一般思路和通用方法
解線性和非線性有限元法的理論基礎，了解COMSOL 多物理場仿真軟體的基本知識，以典型的多物理場模擬為入門教學案例，幫助學員迅速入門並掌握有限元分析方法的基本思路，並能夠靈活應用於自己的研究領域。
3.COMSOL軟體的高級使用技巧
結合大量科研實際案例進行實踐操作過程的演示教學，包括幾何建模注意事項，優化網格劃分的方法與技巧，結果後處理與複雜圖表的繪製方法，多物理場耦合的方法與技巧，通過函數、變量與自定義方程的使用模擬複雜的問題等，深入學習COMSOL軟體的高級操作技巧，並結合學員科研背景進行案例演示，進一步挖掘實操中的常用技巧。
4.多物理場仿真建模的高效技術解決方案
結合實例學習多物理場仿真有限元法的數學理論基礎，多物理場耦合的分析方法和注意事項，添加方程式及耦合分析；求解時域，頻域和特徵值問題；移動網格和自適應網格方法，查找，理解和排除建模中的錯誤，用戶工作效率最大化的有效建模，仿真模擬在科研中的實戰演練，結合學員背景與最新頂級期刊案例進行仿真模擬實戰訓練，進一步深入學習COMSOL軟體的指導與建議，針對科研工作中的問題和老師當面交流，理清思路，解決模擬困難。
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部分教學案例展示
幾何建模注意事項
優化網格劃分的方法與技巧
結果後處理與複雜圖表繪製
多物理場耦合的方法與技巧
通過函數、變量與自定義方程
的使用模擬複雜問題
納米摩擦發電機仿真模擬
微流體物質混合模擬
金屬光柵衍射
電化學電流密度分布模擬
電容計算
光學環形諧振腔濾波器
光子晶體帶隙分析
化學反應濃度分布模擬
結果應力應變模擬
金屬顆粒光散射
流固耦合
流體傳熱多物理場
熱應力形變模擬
水的蒸發冷卻
微流體多相流
相場法模擬枝晶生長
壓頂換能器
蒸發通量模擬
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課程試聽
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學員作品
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模擬案例
更多案例：http://www.zhongkehuancai.com
講師簡介
Dr. Li / Dr. Wang
中科幻彩仿真模擬事業部技術總監
中國科學院博士
美國加州大學洛杉磯分校博士後
全國物理奧林匹克競賽金牌
美國數學建模大賽一等獎（Final Winner）
以第一作者身份著述的多篇論文在眾多頂級雜誌發表：
《Nature Communications》
《Science Advances》
《Advanced Materials》
《JACS》
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12年化學/材料/物理/工程/生物仿真模擬經驗
300+通過模擬顯著提升文章檔次的案例
課
程
福
利
凡報名培訓的學員將免費獲贈COMSOL高級建模指導資料，科研常用有限元模擬案例模型文件及各學科領域計算公式資料文件，課後學員交流群持續討論學習/專業講師答疑指導
學員群課後交流 講師隨時解答
學員培訓感受
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課程特色
★特色一：COMSOL可以更好地服務於科研群體。我們課程將從科研實例出發，幫助學員掌握各種技巧和套路，輕鬆玩轉有限元模擬軟體。
★特色二：講師總結八年有限元模擬經驗，帶領學員快速入門，學會如何從實際問題中提煉出物理模型，建立物理建模思維，掌握仿真模擬的一般方法和通用思路。
★特色三：將化學、物理、生物、材料等領域中典型模型作為實戰案例，同時根據學員專業背景進行素材整理，量身定製課程內容，將學以致用發揮到極致。
★特色四：建立專屬學員微信群，課前專業助教協助安裝軟體下載素材包，課後講師長期群內隨時答疑，不定期推送模擬技能提升小視頻，幫助學員輕鬆應對仿真模擬中的常見難題。
★特色五：我們承諾：學員一次報名，終身免費復學。無需擔憂學不會、學不精，只要你願意學，幻彩保證奉陪到底。
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往期現場
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報名通道
時間地點：
2020年09月19-20日 北京·中科院物理所
2020年09月26-27日 廣州·華南師範大學
2020年10月17-18日 上海·復旦大學
註冊費用：
原價：2995元/人
團報價：2795元/人（3人及以上）
報名諮詢：17611790910（毛老師）
備註：如有專場培訓需求，可安排講師赴貴單位開展專場培訓，專場培訓價格更優
提供正規發票（包括會議註冊表、邀請函等報銷材料）、費用包含兩日午餐，住宿及其他費用自理
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報名方式
掃描下方二維碼在線填寫報名表，工作人員會在收到報名信息的第一時間電話聯繫確認相關信息
表單報名如出現異常，請聯繫助教
Tel:17611790910（微信同號）
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繳費方式
1.銀行轉帳匯款（由濟南分公司代收）
收款單位：北京中科幻彩動漫科技有限公司濟南分公司
銀行帳號：15126701040003321
開戶行：中國農業銀行股份有限公司濟南茶城支行
備註：姓名+單位+場次
2.支付寶轉帳
企業支付寶帳戶：zhongkehuancaijn@126.com
請核對戶名：北京中科幻彩動漫科技有限公司濟南分公司
3.現場刷卡/現金
培訓當天可刷公務卡或現金或微信支付，請掃碼填寫報名信息以便我們提前為您準備發票等報銷手續
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常見問題
Q：有限元仿真模擬對我的論文有怎樣的幫助，真的能提高文章檔次嗎？
A：對於一部分的研究領域，例如人工超材料，理論上的模擬計算可以說是必不可少的。而對於更多的研究領域，模擬計算可以作為實驗的補充，能進一步驗證實驗的結論，提高結論的說服力。理論模擬豐富了文章的內容，在工作量上也使文章更充實。另外模擬計算很多時候可以優化實驗設計，提高實驗效率。
Q：我是零基礎學員，兩天的時間也能學會嗎？
A：我們的培訓就是針對零基礎學員的。我們的課程一方面講授模擬軟體的使用，更重要的是另一方面講解科研中的理論建模的思維方法。如何把模擬加入自己的科研工作，提升文章的質量。
Q：什麼專業方向都可以做有限元模擬嗎？
A：有限元方法是一種一般性的數值計算的方法，用來求解各種偏微分方程，理論上只要是能用偏微分方程描述的物理化學過程都可以都用有限元方法求解。有限元不僅在各個物理學科和工程領域這些傳統領域有廣泛的應用，而且現在越來越多的運用到交叉學科的研究中，例如柔性傳感器件，能源器件，生物工程，微流控等等幾乎目前所有的熱門研究領域。
Q：每場培訓有多少學員呀？不會是那種人山人海的大課吧？
A：為保證教學質量，也為學員營造舒適的學習環境，我們每場培訓都會將招生人數限制在30人以內，以保證良好的課堂秩序，同時安排助教協助學員進行軟體安裝、現場答疑、課堂輔助教學等。
Q：我是慢熱型的學生，接受新知識慢，一次學不夠怎麼辦？
A：老學員可以免費復聽，一次報名終身免費復學，只要你學不夠，我們就一直教下去～
Q：可以開具發票進行報銷嗎？
A：當然可以！我們將為學員開具正規發票，並可以根據學員報銷需求提供培訓邀請函、項目明細清單、會議註冊表等材料，並在培訓當天將發票和報銷材料發放給學員。
Q：培訓提供食宿嗎？
A：我們為學員提供兩日培訓的午餐，住宿需要學員自費，我們會在報名確認郵件中發送周邊酒店信息，方便學員選擇和預訂。老學員復聽不再重複安排午餐和資料，帶著身份證現場籤到即可。
END
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中國科學院物理研究所高鴻鈞院士
經過多年研究攻關，中國科學院院士、中科院物理研究所研究員高鴻鈞團隊在世界上首次實現了原子級精準控制的石墨烯摺疊，其成果發表在了國際頂級雜誌Science上，這是目前世界上最小尺寸的石墨烯摺疊，對構築量子材料和量子器件等具有重要意義。
北京航空航天大學張廣軍院士
列車弓網運行狀況在線動態檢測系統-北京航空航天大學張廣軍院士團隊研製了列車運行狀況正線動態測試站三類系列測試設備，填補國內空白，主要性能指標達到或超過國外主流產品，滿足了我國鐵路運輸的迫切需求。
北京納米能源與系統研究所王中林院士
北京納米能源與系統研究所王中林院士和李舟研究員領導的研究團隊與北京市生物醫學工程高精尖創新中心和海軍軍醫大學的研究者聯合研製了共生型心臟起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker），它可以從心臟跳動中獲取能量，為起搏器自身提供電能。SPM的能量收集部分為植入式摩擦電納米發電機（iTENG），其具有出色的柔性、良好的生物相容性、優異的穩定性和生物體內高功率輸出性能等特點。在未來，植入式醫療電子設備可以利用人體能量實現自驅動。
中國科學院化學研究所劉雲圻院士
作為材料學領域的後起之秀，石墨烯被認為是電子器件理想的候選材料，在近期發布的2020十大科學趨勢預測當中，石墨烯有望成為碳電子學的主體材料。作為中國石墨烯研究領域的權威學者，中國科學院院士劉雲圻利用化學氣相沉積法合成氮摻雜石墨烯並對其電學性質進行了研究，發現氮摻雜可以有效地影響石墨烯的電學性質，極大地推動了石墨烯的研究與應用。
中國科學院微電子研究所劉明院士
中國科學院微電子研究所劉明院士團隊從能帶工程出發，引入新材料/結構，綜合優化CTM隧穿層/俘獲層/阻擋層，實現低壓、高速、長數據保持和多值存儲。在實驗室工作的基礎上，2008年開始與產業界合作研發納米晶快閃記憶體，在生產平臺上首次完成納米晶存儲器系統研究；獲得自主產權納米晶存儲技術整體解決方案，解決了納米晶存儲材料分布均勻、存儲器物理模型仿真、集成工藝、可靠性及晶片集成等技術難題。
中國科學院物理研究所柳延輝研究員
中國科學院物理研究所柳延輝研究組與合作者基於材料基因工程理念開發了具有高效性、無損性、易推廣等特點的高通量實驗方法，設計了一種Ir-Ni-Ta-(B)合金體系，獲得了高溫塊體金屬玻璃，其玻璃轉變溫度高達1162 K。新研製的金屬玻璃在高溫下具有極高強度，1000 K時的強度高達3.7千兆帕，遠遠超出此前報導的塊體金屬玻璃和傳統的高溫合金。
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