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近六十年来，以硅为核心材料的半导体技术，特别是CMOS集成电路技术推动了人类信息社会的深刻变革，但也逐渐接近其物理极限和工程极限，全球半导体产业已经进入后摩尔时代。半导体碳纳米管具有高迁移率、超薄体等诸多优异的电学特性，因此成为后摩尔时代新型半导体材料的有力候选。基于碳纳米管的碳基电子技术历经二十余年发展，在材料制备、器件物理和晶体管制备等基础性问题中也已经取得了根本性突破，其产业化进程从原理上看已经没有不可逾越的障碍。因此，本文将着重介绍碳基电子技术在后摩尔时代的本征优势，综述碳基电子技术的基础性问题、进展和下一步的优化方向，及其在数字集成电路、射频电子、传感器、三维集成和特种芯片等领域的应用前景。最后，本文还将分析碳基电子技术产业化进程中的综合性挑战，并对其未来发展做出预测和展望。
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2厘米电子回旋共振离子推力器具有高比冲、长寿命的特点，其应用于引力波探测的可行性已经过初步探索。然而，在探究离子源推力下限的过程中发现，在极低功率（0.5 W）和极低流量(0.1 sccm)的极限工作状态下，过度的施加栅极电压可能引发离子源猝灭。采用实验手段对猝灭现象进行观测的难度很大，因为一方面猝灭现象具有随机性和瞬时性；另一方面，介入式诊断对弱放电水平的等离子体干扰很大，而光学诊断又有栅极系统阻挡。为此本文采用全粒子数值模型对离子源进行了一体化模拟，复现了猝灭现象。模拟结果表明，天线和放电室之间的双极扩散是导致离子源猝灭的最根本原因。明晰了猝灭机理后，本文提出了相应的改进措施，并用一体化模拟进行了理论验证。对猝灭机理的研究将为离子源的设计和应用提供理论依据，保障离子源安全稳定工作，满足引力波探测任务的推力需求。
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本文综述了近年来关于横场伊辛链模型及量子E8 可积模型研究工作的一系列理论及实验进展.在针对横场伊辛链模型的研究工作中, 理论上发现格林艾森比率(热或磁胀系数与比热之比) 在此模型中独特的奇异量子临界行为, 并实质性地扩展了能涌现横场伊辛链普适类的微观模型. 这些理论进展成功地推进了一系列合作实验在准一维反铁磁材料BaCo2V2O8 及SrCo2V2O8 中首次实现横场伊辛链普适类. 在针对量子E8 可积模型的研究工作中，理论上严格计算了该系统的低温局域动力学行为及在零转移动量之时的动力学结构因子, 并在动力学结构因子的连续谱区域得到了级联幂次发散的奇性谱边激发. 这些理论进展在结合详细的量子临界标度行为分析及大规模iTEBD 数值计算之后,成功促成了包括太赫兹谱学测量, 非弹性中子散射, 核磁共振等系列实验在BaCo2V2O8 中首次实现量子E8 可积模型. 量子E8 可积模型的物理实现为在真实材料中研究量子可积系统的物理开拓了新的边界. 这一系列关于横场伊辛链及量子E8 可积模型的研究进展将为凝聚态系统、冷原子系统、统计场论和共形场论等方向的研究带来新的启发, 并为量子不可积系统的研究提供了新的可能.
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CMOS图像传感器应用于空间任务时容易受到质子单粒子效应影响。本文采用商用正照式（FSI）和背照式（BSI）CMOS图像传感器开展了不同能量的质子辐照试验，试验中通过在线测试方法分析质子单粒子效应。其中，质子能量最高为200MeV，总注量为1010proton/cm2，结果未发现外围电路的单粒子效应，但观察到像素阵列出现不同形状的单粒子瞬态亮斑。通过提取瞬态亮斑沉积能量和尺寸大小两个特征参数，比较了不同能量质子对瞬态亮斑特征的影响，以及FSI 和BSI中瞬态亮斑特征的差异。最后，结合仿真方法，与实验结果进行比较，预测了质子在CMOS图像传感器像素单元产生瞬态亮斑的能量沉积分布。仿真结果验证了光电二极管耗尽区厚度减小和外延层减薄是导致BSI 图像传感器中质子能量沉积分布左移的主要因素。
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磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表，磁等离子体动力学过程是其核心工作机制。为深入理解外磁场对其工作特性的影响，本文采用PIC粒子模拟方法结合基于自相似准则的缩比模型，进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真，通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性，并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布，以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响。研究结果表明：阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤；外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧，等离子体束流集中于轴线附近，推力主要产生机制是自身场加速；外磁场强度较高时，阴阳极放电电弧稳定，推力产生主要机制是涡旋加速，推力、比冲随外磁场强度线性增大；推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大；放电电压随阴极电流增大而增大，但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势。
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孤立阿秒脉冲可以跟踪和控制原子及分子内电子的运动过程而备受关注。本文从理论上开展了氦原子在三束飞秒脉冲激光组合场辐照下产生的高次谐波和阿秒脉冲辐射的研究。组合激光场由 16 fs/1600 nm ，15 fs/1100 nm 和 5.3 fs/800 nm 的钛宝石脉冲构成。与前两束脉冲合成的双色场产生谐波谱相比，附加钛宝石脉冲的三色场产生的高次谐波发射谱呈现出高转换效率及宽带超连续特性，超连续谱范围覆盖从 230 次到 690 次谐波，傅里叶变换后实现了128 as高强度孤立短脉冲的产生。该结果归因于合成的三色场呈现出高功率及少周期的中红外飞秒脉冲激光特性，可以有效控制原子电离以及复合发生在中红外飞秒脉冲的一个有效光学周期内。
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Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉是光子的一种非经典效应，在量子光学中起到重要作用。偏硼酸钡具有较高的非线性效率，常被用来产生双光子态，进而展示HOM干涉。然而，在以前的实验中，人们往往使用带通滤光片对双光子的频谱进行过滤，所得光谱由带通滤光片直接决定，而对BBO晶体自身的原始光谱，特别是泵浦光强聚焦下的原始光谱，缺乏系统性研究。本文首次对泵浦光强聚焦条件下BBO晶体产生的双光子态光谱分布和HOM干涉进行了深入研究。理论计算发现，使用50 mm 透镜聚焦的情况和无聚焦情况相比，下转换光的光谱宽度会增加7.9倍，HOM干涉条纹的宽度会增加4倍，干涉条纹可见度会从53.0% 提高到98.7%。 我们在实验上对基于II型BBO晶体的HOM干涉进行了测试，获得了86.6%左右的干涉度。干涉度获得极大提高的原因在于强聚焦改善了光谱的对称性。 此外，本文所提出的不同入射角获得不同光谱分布的技术有望在未来应用于高维量子纠缠态(qudit)的制备。
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突触输入刺激神经元产生的电活动，在神经编码中发挥着重要作用．通常认为，兴奋性输入增强电活动，抑制性输入压制电活动．本文选取可调节电流衰减速度的突触模型，研究了兴奋性自突触在亚临界Hopf分岔附近压制神经元电活动的反常作用，与抑制性自突触的压制作用进行了比较，并采用相位响应曲线和相平面分析解释了压制作用的机制．对于单稳的峰放电，快速和中速衰减的兴奋性自突触分别可以诱发频率降低的峰放电和混合振荡(峰放电与阈下振荡的交替)，而中速和慢速衰减的抑制性自突触也可以分别诱发频率降低的峰放电和混合振荡．对于与静息共存的峰放电，除上述两种行为外，中速衰减的兴奋性和慢速衰减的抑制性自突触还可以诱发静息．兴奋性和抑制性自突触电流在不同的衰减速度下，分别作用在峰放电的不同相位，才能诱发同类压制行为．结果丰富了兴奋性突触压制电活动反常作用的实例，给出了兴奋性和抑制性自突触压制作用机制的不同，给出了调控神经放电的新手段．
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高阶拓扑绝缘体是近年来发现的一类具有特殊拓扑相的新型拓扑绝缘体，目前已在光学、声学等多种经典波系统中实现。本文数值上研究了一种二维声学蜂窝结构，通过调节胞内和胞间耦合波导管，使体能带发生反转诱导拓扑相变，进而利用拓扑相构建出声学二阶拓扑绝缘体。此蜂窝结构的拓扑性质可以用量子化的四极矩表征，当时，系统是平庸的；而当时，系统是拓扑的。基于该蜂窝结构，本文分别研究了六边形和三角形构型结构的声学高阶态，在两种构型的蜂窝结构中均观测到了孤立的零维角态，研究结果表面只有存在钝角的六边形结构对缺陷具有鲁棒性，受到拓扑保护。本文中的拓扑角态丰富了高阶拓扑绝缘体的研究，同时可为紧凑声学系统中的鲁棒限制声提供一条新途径。
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局部有源忆阻器（locally-active memristor，简记为LAM）凭借其高集成度、低功耗和局部有源特性等优点，在神经形态计算领域显示出巨大的潜力。本文提出了一种简单的N型LAM数学模型，通过揭示其非线性动力特性，设计了N型LAM神经元电路。采用Hopf分岔、数值分析等方法定量研究了该电路的动力学行为，成功模拟了多种神经形态行为，包括全或无行为、尖峰、簇发、周期振荡等。并利用该神经元电路结构模拟了生物触觉神经元的频率特性。仿真结果表明：当输入信号幅值低于阈值时，神经元电路输出信号的振荡频率与输入信号强度呈正相关（即兴奋状态），并在阈值处达到最大值。随后，继续增大激励强度，振荡频率则逐渐降低（即保护性抑制状态）。最后，设计了N型LAM硬件仿真器，并完成了人工神经元电路的硬件实现，实验结果与仿真结果、理论分析相一致，验证了该N型LAM具备的神经形态行为。
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太赫兹波能被生物组织中的水强烈吸收，能对生物组织中生物大分子和分子间的弱相互作用产生共振，因而太赫兹波在生物医学中有许多潜在的应用。尽管单个太赫兹光子能量很低，对生物组织没有电离损伤作用，但是随着强度增大，太赫兹波会对生物细胞和组织产生一系列生物效应。由于太赫兹波参数和受辐照生物材料等辐照条件不同，将导致不同的生物学效应，包括以热效应为主和以非热效应为主导致的生物学效应。本文讨论了这两种效应的物理机理，介绍了适合用于生物效应研究的现今主要的强太赫兹辐射源种类，综述了典型的太赫兹波的生物效应具体表现和已有的研究进展，展望了太赫兹波生物效应的潜在应用以及面临的挑战。
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用速凝和连续冷轧二种方法制备了定向织构Dy薄片，分析研究了薄片厚度和磁结构等对磁性能的影响.结果表明，速凝Dy薄片的磁性能不如冷轧Dy薄片，冷轧Dy薄片的磁化强度及磁导率和厚度、温度等密切相关.在Dy的居里温度以下，冷轧Dy薄片具有明显的软磁特征，从77 K下降到4.2 K，冷轧Dy薄片的饱和磁化强度增加了5-8 %；在4.2 K温度时，0.15 mm冷轧Dy薄片饱和磁化强度达到2880 kA/m，0.10 mm冷轧Dy薄片最大磁导率接近30. 在85 K以下温度，较大磁场强度下冷轧Dy薄片的低温磁化强度大于常规钴钒铁.定向织构Dy薄片的低温磁性能和氧含量及(0001)晶面的取向程度密切相关.本实验研究为制备低温波荡器大块定向织构Dy软磁体奠定了技术工艺及方法原理基础.
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磁场效应（magnetic field effects，MFEs）指的是材料或器件的光电物理特性（包括光致发光、电致发光、注入电流、光电流等）在外加磁场下发生的变化。本文所述的是非磁性发光材料的MFEs，其首先在有机半导体光电器件中发现。近十几年来，该效应不仅作为一种新兴的物理现象引起了广泛的研究；同时它也成为一种独特的实验手段，用以探讨有机半导体中电荷的输运、复合以及自旋极化等过程。近期的研究发现，MFEs不仅存在于有机半导体中，而且能够在拥有强自旋-轨道耦合作用的金属卤化物钙钛矿材料中被观测到，这不仅拓展了MFEs的研究方向，也为通过研究MFEs来探索金属卤化物钙钛矿器件的物理机制，进而为提升其器件性能提供了契机。本文重点关注有机半导体和卤化物钙钛矿在磁场下的电致发光和光致发光变化，即发光的磁场效应。我们回顾了到目前为止主流的理论模型和代表性实验现象，对比性地分析了磁场下有机半导体和卤化物钙钛矿的发光物理行为。期望本文的梳理能够为有机及钙钛矿磁场效应领域的研究提供一些思路，同时为有机及钙钛矿发光领域的发展贡献些许想法。
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在量子物理领域的研究中，量子控制是必不可少的。精确高效的量子控制，是利用量子系统进行实验研究的前提，也是量子计算、量子传感等应用的基础。金刚石氮-空位色心作为固态自旋体系在室温下相干时间长，可用光学方法实现初始化和读出，通过微波射频场能实现普适的量子控制，是研究量子物理的优秀实验平台。本文从量子控制出发介绍金刚石氮-空位色心体系在量子物理领域取得的代表性成果，主要讨论了1) 金刚石氮-空位色心的物理性质和量子控制原理，2) 氮-空位色心的退相干机制，3) 单自旋量子控制的相关应用及最近的研究进展。
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近年来，为了实现可拓展的集成化量子网络，各种功能性量子器件的发展需求不断加深.集成了单量子点的条形波导可以作为单向传输的量子点光源，在单光子二极管、晶体管和确定性量子门等器件中具有广泛的应用.本文利用共聚焦显微系统，在4.2K低温下，通过激发波导中心区域的量子点光源，实现了圆极化光的分离，并验证了波导中的自旋动量锁定效应.在实验中实现了具有反常抗磁行为的量子点荧光的手性传输，拓宽了波导单向传输的波长调控范围.在保证波导单向传输性的同时，实现了不同输出光子中心能量的正向、反向偏移.本文为研究宽波段范围的手性量子器件奠定了基础，拓展了波导在量子信息领域中的应用.
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