"5d电子材料中的新奇物性"专题 | Fundamental Research 2023年第3期发布

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Fundamental Research 2023年第3期正式在线出版，本期以“5d电子材料中的新奇物性”为专题，发表Editorial 1篇、Reviews 3篇。客座主编为南策文院士、高鸿钧院士、谷林教授、周益春教授。另外发表物理学、化学与化工、生命科学、地球科学、工程与材料科学、信息科学、管理科学、健康与医学领域文章16篇。作者包括于浦、杜世萱、周益春、邢宏喜、李贝贝、张洪杰、孙志华、袁泉、王俊坚、安太成、张自立、桑立雯、屈治国、吕来、巫瑞智、杨敬钰、李博、刘源、牛丽丽等专家。欢迎广大科研工作者阅读、下载、引用！查看更多期刊信息，请点击文末“阅读原文”，本期网址为：

https://www.sciencedirect.com/journal/fundamental-research/vol/3/issue/3

May 2023

Fundamental Research 2023年第3期封面

Special topic: Novel physical properties in 5d electronic materials

      人们对于重元素的认知往往还停留在：“同一族中，由上而下，最外层电子数相同，核外电子层数逐渐增多，原子半径增大，元素金属性递增”。但到了5d元素，事实往往和预期相反，随着原子序数的增加，相对论效应所带来的核外电子轨道径向分布函数的涨落直接赋予了5d元素高抗腐蚀、高强度、高温稳定性、反常铁电等结构关联物性。

      与3d和4d电子相比，5d电子的轨道在实空间中进一步拓展，导致了强自旋轨道耦合和电子关联之间的竞争，这就引发了诸多新量子特性。这种强自旋轨道耦合伴随着能级的分裂和新电子态的产生，导致空间和时间对称性的打破，并带来了新的量子效应，包括自旋霍尔效应、Rashba效应、拓扑表面态、磁斯格明子和外尔半金属等。值得注意的是，5d电子材料的优异性能对应着一些特殊用途。例如，用于存储的HfO₂和用于晶体管的WS₂均被看作是对应工业领域中下一代材料体系的最有力竞争者。

      由于5d电子的复杂行为和缺乏适当的表征方法，5d电子材料新奇物性的物理机制仍需要我们进一步深度探索。在理论计算方面，当使用第一原理方法（如密度泛函理论）计算能带结构时，由于5d电子材料的强自旋轨道耦合，计算量通常会增加两个数量级，这阻碍了高精度大体系计算。除了不能简单忽视5d电子材料体系的相关效应外，我们还必须面对一个重要的问题，即如何有效地描述5d电子材料的电子结构，从而计算出基态和激发态的性质。在材料制备方面，尽管已经成功制备了理论上性能优异的材料（如WS₂），但在其性能与理论极限之间仍有巨大的差距需要弥补。因此，需要进一步探索和开发有针对性的表征方法，并研究材料的各种参数之间的合作观察和相关性，从而进一步了解材料的新型物理性能。

      事实上，5d电子材料体系已经受到越来越广泛的研究关注，并将成为材料研究的关键方向之一。受益于理论体系、材料构筑、结构表征和器件应用的协同发展，5d电子材料研究领域呈现出自上而下的发展态势。然而，不容忽视的是，由于5d电子的特殊性和复杂性，5d电子材料从理论到应用仍有很多未知。因此，有必要关注5d材料的关键科学问题，以及深化物理、材料、信息等学科的交叉，促进5d电子材料领域的深入发展。

      为促进5d电子材料的基础研究和器件应用，国家自然科学基金委员会第298期双清论坛“5d电子材料中的新奇物性”于2021年12月4日至5日在北京举行。论坛主席由清华大学南策文院士、中国科学院大学高鸿钧院士和中国科学院物理研究所谷林教授共同担任，来自材料、物理、信息等多个学科领域的40余位高校、研究院所代表，齐聚一堂，共商当前先进材料发展面临的挑战与未来发展方向，进一步明确了未来5-10年内5d电子材料领域的优先研究方向以及迫切需要解决的理论和技术问题。

      本期专题来源于双清论坛近两年的前期筹备及多轮激烈讨论，以5d电子材料的新奇物性为主题，收集了一篇卷首语和三篇5d电子体系在理论设计、材料制备和器件应用方面的综述文章。尽管这些文章不能完全呈现5d电子材料的全貌，但它们在一定程度上反映了目前各领域的主要进展和研究热点。我们希望通过这些文章，加深人们对5d电子材料的理解并推动其内在机制的深入研究。

      于浦教授介绍了氧化铱异质结构在材料制备和外场调控方面的代表性进展，并对存在的问题和未来有希望的方向进行了评论。杜世萱研究员关注了含有5d电子的二维铁电材料，回顾了该体系理论预测的最新进展，并总结了二维铁电材料的合理设计策略。周益春教授从相稳定性和畴结构的角度，概述了基于HfO₂的铁电薄膜和存储器件的应用，并讨论了相关铁电存储器件的最新进展和挑战。我们希望本专题可以帮助人们进一步了解5d电子材料，阐明5d电子材料强自旋轨道耦合的新效应和物理本质，加快5d电子材料的实际应用。

Editorial

5d电子材料中的新奇物性

Qinghua Zhang, Lin Gu

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作者简介

谷 林  清华大学教授；国家杰出青年科学基金获得者；研究方向以电子显微学为主，从晶格和电荷由度揭示功能氧化物材料、储能材料和催化材料原子尺度结构和电子结构的关联。在此基础上，实现轨道自由度电子占据态的直接观测；主持北京市重点研究专项等多项课题；发表论文900余篇，被引7万余次，H因子为149；获第十六届中国青年科技奖特别奖（2020年）；入选科睿唯安材料科学领域（2018-2022年）和化学领域（2019-2022年）全球高被引科学家奖。

张庆华 中国科学院物理研究所副研究员；研究方向为原位原子级透射电镜成像研究，通过电化学方法调控和表征功能氧化物、电池材料、钙钛矿氧化物等强关联材料的原子结构演化；发表论文450余篇，被引2万次，H因子为84。入选 2021-2022年"科睿唯安"高被引科学家。

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铱氧化物异质结构的层展量子现象

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作者简介

于 浦  清华大学物理系教授，国家杰出青年科学基金获得者。2011年于加州大学伯克利分校获得博士学位，后前往日本理化学研究所进行博士后研究，2012年加入清华大学物理系，2018年聘为长聘教授。他近年来致力于新型功能氧化物的原子尺度材料设计及基于离子调控的物性探索。

郝 林  中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心研究员。2016年于中国科学技术大学获得博士学位，后前往美国田纳西大学从事博士后研究，2020年加入强磁场中心。他近年来专注于利用原子级材料精准制备、同步辐射测量等技术对铱氧化物体系中的磁电特性开展探索性研究。

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作者简介

杜世萱 中国科学院物理研究所研究员，科技部重点研发计划首席科学家，国家杰出青年科学基金获得者。研究方向为利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，结合扫描隧道显微技术，对新型低维材料设计、界面特性与组装机制、以及功能单元结构物性等方面进行研究。在Science, Nature Materials, Nature Physics, Nature Communications等杂志发表学术论文310余篇。获得过中国青年女科学家奖、“谢希德”物理奖，中国科学院杰出科技成就奖等。

金 鑫  中国科学院大学物理科学学院在站博士后。2022年于中国科学院物理研究所获得博士学位。研究方向为纳米材料、低维功能材料的第一性原理计算。

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后摩尔时代氧化铪基铁电薄膜及其存储器的机遇和挑战

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作者简介

周益春  西安电子科技大学华山学者杰出教授，国家杰出青年科学基金获得者，俄罗斯工程院外籍院士。主持了国家自然科学基金重大项目、重点项目等多个项目。从事铁电薄膜及其存储器以及航空发动机热障涂层的研究，发表SCI论文400余篇，他引11000余次。荣获湖南省自然科学奖一等奖3项，国家国防技术发明奖二等奖1项，湖南省国防科学技术进步奖一等奖1项，中国科学院科技进步一等奖1项等。

廖佳佳  西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院讲师，研究方向为氧化铪铁电薄膜及其存储器件。

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作者简介

邢宏喜  华南师范大学研究员；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目；Science China Physics, Mechanics & Astronomy期刊青年编委；主要从事高能核物理的理论研究，包括微扰量子色动力学和量子计算的应用；发表论文50余篇，其中5篇发表于Physical Review Letters。

刘晓辉  北京师范大学物理学系教授，北京大学高能物理研究中心李政道青年学者；主要研究方向为有量子色动力学及有效场论，对撞机物理精确预言和高能核物理；发表论文30余篇，其中7篇发表于Physical Review Letters。

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Free spectral range magnetic tuning of an integrated microcavity

集成微腔的达到自由光谱范围的磁调谐研究

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作者简介

李贝贝  中科院物理所特聘研究员，博士生导师；Photonics Research、The Innovation、Photonic Sensors期刊的青年编委；研究方向集中在高品质因子光学微腔及其应用，包括微腔精密测量、非线性光学、高灵敏超声波探测、磁力仪、微腔光力学、布里渊激光、拉曼激光、光梳等方面。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、重大研究计划培育项目、面上项目，以及中科院从0到1等项目。已在Proceedings of the National Academy of Sciences, Optica, Advanced Materials, Applied Physics Letters , Optics Letters等期刊发表论文30余篇，引用超过2200次。2019年获得“饶毓泰基础光学奖”。

雷悦宸  中国科学院大学物理研究所微腔光学在读博士研究生。她的主要研究兴趣为基于回音壁模式光学微腔的光力传感与光学频率梳。已在Applied Physics Letters，Physical Review Applied，Photon Research等期刊发表论文4篇。曾获物理研究所2021年“优秀研究生学业奖学金”与2022年“所长奖学金”。

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作者简介

张洪杰  中国科学院长春应用化学研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。致力于解决影响学科发展的关键科学问题，发展了系列材料制备的新方法和技术，并将基础、高技术及应用研究有机结合，满足了国家战略需求。2010年获国家自然科学二等奖、2015年获中科院杰出科技成就奖。

王汇霖  中国科学院长春应用化学研究所在读博士研究生。研究方向为稀土功能材料。

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Ferroelectric perovskite-type films with robust in-plane polarization toward efficient room-temperature chemiresistive sensing

具有面内强极化的钙钛矿铁电薄膜用于室温下高效的气敏传感

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作者简介

孙志华  中国科学院福建物质结构研究所研究员；国家杰出青年科学基金获得者；主要从事极性晶态材料研究，重点聚焦光电功能导向的铁电半导体化学合成；先后以通讯作者在 Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications、 Advanced Materials等期刊发表学术论文100多篇，他引6000余次；《结构化学》副主编；荣获福建青年科技奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、上海分院杰出青年科技创新人才奖和福建省自然科学二等奖等荣誉。

韩世国  中国科学院福建物质结构研究所在站博士后；致力于铁电半导体材料的设计合成、光电性能研究及薄膜器件制备；作为负责人主持国家自然科学基金青年基金、国家博士后创新人才支持计划、博士后面上资助等项目；以第一作者在Nature Communications、 Journal Of The American Chemical Society等期刊发表学术论文9篇。

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METTL5 regulates cranial suture fusion via Wnt signaling

METTL5调控颅缝形成的作用和机制研究

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作者简介

袁 泉  四川大学华西口腔医院教授、主任医师、博士生导师、修复系主任、口腔疾病研究国家重点实验室副主任；国家杰出青年科学基金获得者。以第一和通讯作者在Nature Communications，The EMBO Journal，Proceedings of the National Academy of Sciences等杂志发表SCI论文40余篇。

雷可昕  四川大学华西口腔医学院种植科硕士研究生，主要研究领域为颅颌面发育和骨生物学。

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Molecular signatures of soil-derived dissolved organic matter constrained by mineral weathering

土壤风化程度调控土壤中溶解有机质的化学特征

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作者简介

王俊坚  南方科技大学副教授；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目，现任Journal of Environmental Quality副编辑；主要研究植物-土壤-水连续体中的有机碳的生物地球化学效应，主持多项国家级、省市级课题项目，已发表学术论文80余篇。

王映辉  南方科技大学博士后，目前主要关注土壤系统中溶解有机质的化学多样性及其调控因素，已发表学术论文30余篇。

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作者简介

安太成  广东工业大学教授；现任校学术委员会主任、环境健康与污染控制研究院院长、环境科学与工程学院院长。教育部高层次人才、国家杰出青年科学基金和国家万人计划获得者；担任 Applied Catalysis B: Environmental和 Critical Reviews in Environmental Science and Technology两个期刊的副主编和5个国际期刊的编委；主要从事环境中毒害新污染物的环境地球化学过程与健康效应方面的研究工作；主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点国际合作项目和广东省重点研发计划项目等；在Nature Communications、Proceedings of the National Academy of Sciences、Journal of the American Chemical Society和Environmental Science & Technology等杂志上发表SCI论文500余篇, 包括ESI高引论文20余篇，ESI热点论文3篇，SCI他引超2万余次；获环境保护科学技术奖一等奖(R1)、广东省自然科学一等奖(R3)和教育部自然科学二等奖(R2)等奖励。

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A novel pure data-selection framework for day-ahead wind power forecasting

面向日前市场风力发电预测模型的纯数据选择框架研究

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作者简介

张自立  哈尔滨工业大学经济与管理学院教授；研究方向包括管理信息系统、在线口碑、数据挖掘、数字经济等；主持省部级及以上科研项目七项；发表主流学术期刊论文二十余篇。

陈 莹  哈尔滨工业大学经济与管理学院管理科学与工程系副教授、博士生导师；研究方向包括深度学习、强化学习、优化等；主持省部级及以上科研项目五项；发表主流学术期刊论文十余篇。

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High‐pressure MOCVD growth of InGaN thick films toward the photovoltaic applications

利用高压MOCVD生长高In组分InGaN及其光伏应用

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作者简介

桑立雯  日本国立物质材料研究所独立PI。研究方向宽禁带半导体GaN基材料外延生长及光电微机电器件制备。获得日本文部科学省文部科学大臣表彰若手科学者奖，the James. Corbett奖，日立财团仓田奖励奖等。主持日本JST，JSPS等重点科研项目十余项。

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Identifying the dominant transport mechanism in single nanoscale pores and 3D nanoporous media

气体微纳米尺度主导输运机制识别

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作者简介

屈治国  西安交通大学教授，国家杰出青年科学基金获得者，主要从事高效传热与节能技术、电化学储能与氢燃料电池等研究。近年来，主持了国家重点研发计划项目、国家973项目课题等项目。发表学术论文372篇，授权发明专利71项，研究成果获得多项国家级和省部级奖。

殷 英  西安交通大学动力工程及工程热物理专业博士，主要研究微纳米多孔介质内复杂输运现象，目前已发表学术论文30余篇。

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溶解氧在钼增强型硫化锌表面可持续微活化驱动污染物自然条件下转化

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作者简介

吕 来  广州大学大湾区环境研究院教授、博导、副院长；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目；主要致力于低能耗水处理新技术新原理研究和农业农村废污资源化转化利用；近年在Environmental Science & Technology、NPJ Clean Water等刊物发表论文60余篇，申请国内外专利40余项，已授权25项，相关技术被用于实际行业废水处理。

卢 超  广州大学市政工程专业2021级博士研究生；分别在南京航空航天大学和广州大学获得学士和硕士学位；参与多项国家自然科学基金项目；主要研究方向为基于催化剂表面电子结构调控的低能耗水处理技术基础研究及应用。

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Ultra-high strength Mg-Li alloy with B2 particles and spinodal decomposition zones

一种通过B2相和调幅分解区强化的超强镁锂合金

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作者简介

巫瑞智  哈尔滨工程大学教授；俄罗斯自然科学院外籍院士；获省部级科技奖一等奖2项、二等奖4项，获得黑龙江省青年科技奖称号；兼任中国材料研究学会镁合金分会理事、中国镁合金青年委员会主任、Acta Metallurgica Sinica学科编辑、Journal of Magnesium Alloys编委。主要从事镁/铝轻质金属结构材料的研究。

张舜  哈尔滨工程大学，材料科学与工程专业在读博士，主要从事高强镁合金的设计和加工。

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面向低分辨率图像的多人三维重建

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作者简介

杨敬钰  天津大学电气自动化与信息工程学院教授，国家高层次青年人才。从事视觉计算与重建领域研究，受到国家自然科学基金重点项目等资助。在Nature Methods、IEEE 汇刊等学术期刊与会议上发表论文140余篇，获授权发明专利40余项，省部级科技奖励5项。

李 坤  天津大学教授、博士生导师。主要研究方向为三维视觉，尤其是以人为中心的智能重建与分析。以一作/通作在 等知名国际期刊/会议发表论文56篇，获ICME'17最佳论文奖，部分成果实现了知识产权转让与应用。主持了国家自然科学基金优秀青年科学基金、天津市杰出青年基金等项目。

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Simulating rise and fall cycles of Vietnam empires

农业国家兴衰大历史模拟：以越南为例（公元968到1945）

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作者简介

李 博  北京大学经济学院助理教授；研究方向为宏观经济学、公共财政、计算经济学、人工智能等；在《财贸经济》、Journal of Economic and Dynamics Control、Sustainability等杂志发表论文多篇。

吕 鹏  中南大学公共管理学院、自动化学院、法学院教授，研究方向为计算社会科学、历史动力学、社会公共安全等。在Knowledge-Based Systesms、Artificial Intelligence Review、Chaos, Solitons & Fractals等杂志发表论文。

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Remodeling of the ryanodine receptor isoform 1 channel regulates the sweet and umami taste perception of Rattus norvegicus

RYR1通道调控甜鲜感知新机制

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作者简介

刘 源  上海交通大学教授，担任11个学科特色SCI期刊的编辑、编委或客座编辑,包括Food Chemistry。研究方向：食品风味感知与品质评价；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目等国家级项目10项，以第一/通讯作者发表论文100余篇。授权发明专利7项篇。

王文利  上海交通大学长聘教轨副教授，上海市超级博士后获得者；学科一区期刊Food science and human wellness青年编委/客座编辑，Food Chemistry的客座编辑；研究方向：食品营养感知与人体健康；主持国家自然科学基金等项目，发表SCI/EI 期刊论文30余篇，授权专利2项。

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Ultrasound deep brain stimulation decelerates telomere shortening in Alzheimer’s disease and aging mice

超声波深部脑刺激安全有效改善阿尔茨海默症和衰老小鼠的认知功能

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作者简介

牛丽丽  博士，中国科学院深圳先进技术研究院医工所研究员，博士生导师，主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。研究方向是超声神经调控技术与应用。主持国家自然科学基金项目4项，作为课题负责人参与科技部重点研发项目。在国际权威期刊IEEE Trans、Advanced Science等发表论文50余篇，封面文章6篇。授权发明专利23项，10项实现产业化。

张雅雅  厦门大学附属第一医院脑科中心博士后；主要研究方向：肿瘤学和中枢神经系统调节。在Neoplasma， Molecular   & Clinical

Oncology，Molecular Medicine   Reports，Molecular and Cellular Biochemistry等杂志上发表多篇论文。

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关于本刊

国家自然科学基金委员会主管、主办的英文刊Fundamental Research 于2021年1月创刊，坚持依靠专家、精选主题、突出质量、对标一流的办刊理念，在各位编委和专家的倾力支持下，尽管刚刚起步但已经得到科技界和出版界的认可。

Fundamental Research 立足展示国家自然科学基金资助的代表性成果，充分反映国内外基础研究前沿与动态，提升中国基础研究和中国科学家在国际科学界的显示度和影响力，为中外科学家打造一个高水平的基础研究国际交流学术平台。目前期刊已被DOAJ、Chemial Abstracts Service (CAS)、Scopus、ESCI等权威数据库收录。

期刊内容涵盖数学与物理、化学与化工、生命、地球、工程与材料、信息、管理、健康与医学、交叉科学等九大科学领域，包括：

1. Mathematics and Physics

2. Chemistry and Chemical Engineering

3. Life Sciences

4. Earth Sciences

5. Engineering and Materials Science

6. Information Sciences

7. Management Sciences

8. Health and Medical Sciences

9. Interdisciplinary Sciences

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