年度代表性成果一
1.成果名称：聚焦超导体中分段费米面的实现
2.成果类型：基础研究
3.主要表现形式：学术论文
4.成果介绍：
郑浩教授、贾金锋教授领导的研究团队利用低温强磁场扫描隧道显微镜在Bi2Te3/NbSe2体系中成功产生并探测到由库珀对动量导致的分段费米面。论文“Discovery of segmented Fermi surface induced by Cooper pair momentum”被《Science》接收，并被选为First Release于2021年10月29日凌晨在线发表。
固体物理的基本知识告诉我们材料费米面附近的态密度决定了它们是否导电、是否透光等各种物性。传统的物态调控都是调控费米面附近态密度，如果能够实现费米面的人工调控，就会给材料物性的调控带来革命性的变化。超导体具有零电阻导电和完全抗磁性等奇特性质，是物理学中一个长盛不衰的研究课题；由于费米能级处超导能隙的存在，超导体均无费米面。早在1965年，Fulde从理论上预言超导体中如果库珀对的动量足够大就可以在超导能隙中产生准粒子，从而导致出一种特殊的“分段费米面” 【Phys. Rev. 137, A783-A787 (1965)】。但由于普通超导体库珀对动量足够大时，产生准粒子的同时，库珀对也会破裂而失去超导，因此要观察到这个“分段费米面”实验上非常困难。这个预言虽然过去了50多年，一直没有被实验证实。
图1. A. Bi2Te3/NbSe2超导异质结示意图。B. 生长在NbSe2衬底上的高质量Bi2Te3薄膜形貌图。C. Bi2Te3薄膜的原子分辨图。D, E. 在不同大小和方向的面内磁场作用下，隧道谱中来源于准粒子的信号逐渐增加
研究团队使用分子束外延技术在超导体NbSe2表面精确的生长了4层厚的拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜。在这个体系中，由于Bi2Te3表面态的费米速度很大，因此，当NbSe2超导体中库珀对动量还很小时，Bi2Te3表面态中库珀对动量已经很大（见图1A）。这样，就可以用一个很小的水平磁场在NbSe2表面上产生一个较小的超导电流，但这时Bi2Te3表面态中库珀对动量已经足够产生准粒子，并导致分段费米面的出现，巧妙地解决了实验上的困难。他们使用配备了稀释制冷机和三维矢量强磁场的扫描隧道显微镜来开展研究，如图1所示，随着磁场增大，库珀对动量也在提高，超导能隙内准粒子越来越多（能隙底部越来越不探零，见图1D和图1E），预示着超导体中分段费米面逐渐产生。
更进一步，团队利用准粒子干涉（QPI）技术，在实空间探测到了驻波（图2A-C，G-I），通过傅里叶变换证实了在零能上费米面的产生。值得注意的是，该费米面是由非超导Bi2Te3费米面的一部分组成，其形状和取向可以由外加磁场的强度和方向决定（图2D-F，J-L），符合理论预言的超导体分段费米面的特征。
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图2. A到C和G到I， 分别沿Γ-K和Γ-M方向施加40mT的磁场后，实空间产生的驻波图案。D到F和J到L，对A到C和G到I进行相应的傅里叶变换，产生与磁场方向依赖的准粒子干涉信号。
该工作创新性地利用拓扑绝缘体/超导体异质结的特殊性解决了实验中的困难，首次在实验上观察到了50多年前理论预言的分段费米面，并发现可以用磁场方向和大小来调节这个费米面的形状和大小，还能调控拓扑性，构建新的拓扑超导，该工作开辟了调控物态的新方法。
实验室为本文的第一完成单位。朱朕博士和美国麻省理工学院Papaj博士为本文的共同第一作者，郑浩教授、贾金锋教授和麻省理工学院傅亮教授为本文的共同通讯作者。本工作获得了科技部、基金委，中科院先导项目，上海市科委和博士后项目的资助【Science 374, 1381-1385 (2021)】。
年度代表性成果二
1.成果名称：利用激光实现量子材料电子维度的操控
2.成果类型：基础研究
3.主要表现形式：学术论文
4.成果介绍：
张文涛研究组与我校张杰、向导研究团队合作以“Optical manipulation of electronic dimensionality in a quantum material”为题在《Nature》发表突破性的研究成果：利用飞秒激光操控量子材料，在三维材料中实现瞬时二维长程有序电子态，并在所形成的二维电子态中发现存在光致超导的迹象。
图1 激光调控形成二维电子态示意图
该论文对1T-TiSe2这一传统的三维电荷密度波材料进行了高分辨的超快激光操控研究。通过时间分辨角分辨光电子能谱的测量，发现随着激光泵浦能量的增加，电子态的线宽在特定泵浦能量下会出现交替减弱的反常现象。这种奇特的现象只有在电子维度从三维退变成二维才能得到合理的解释。进一步研究发现，超快电子结构在高激发密度下表现出非简谐振荡现象，意味着强激光作用可引起晶格畸变反转，从而可在晶格畸变反转区与非反转区形成二维电子结构。通过高分辨兆伏特超快电子衍射实验，观察到了代表周期晶格畸变的超晶格峰在强激光泵浦作用下先消失再出现的特征，为激光作用下晶格畸变反转的存在提供了确定性证据。超快电子结构和超快电子衍射实验数据与含时的、空间分布的Ginzburg-Landau双势阱模型模拟计算结果吻合，证实飞秒激光诱导晶格畸变反转可在三维材料中实现二维电子态。通过时间分辨角分辨光电子能谱测量，在该二维电子结构中进一步发现电子态密度的增加和存在能隙的迹象，表明有可能出现光致非平衡高温超导现象。这些发现首次展现了利用超快激光实现对电子态维度的调控，并产生奇异的量子现象。
图2 光诱导的二维界面、在二维界面态密度增加及发现能隙打开奇异电子态
图3 超快电子衍射测量超晶格峰并确认激光诱导晶格畸变反转
先进仪器的研制和实验精度的提升是获得此新发现的关键。在国家和学校人才计划的支持下，张文涛研究组自主研制了具有国际领先水平的时间分辨角分辨光电子能谱仪，时间分辨率（113 fs）和能量分辨率（16.2 meV）的乘积已接近物理极限，达到了国际上同类仪器的最高水平。张杰、向导研究团队在基金委国家重大科研仪器研制项目的支持下，研制了目前世界上唯一一台时间分辨率优于50 fs （FWHM）的兆伏特超快电子衍射装置。本研究结合了时间分辨角分辨光电子能谱仪对电子敏感和兆伏特超快电子衍射装置对原子敏感的优势，分别从超快电子结构和超快晶格动力学两方面提供了相关发现的实验证据（图2、图3）。
实验室为本文第一完成单位。张文涛研究组博士生段绍峰，张杰、向导研究团队博士生程运为该论文的共同第一作者，张文涛和向导为该论文的通讯作者，实验室钱冬课题组、罗卫东课题组及上海科技大学郭艳峰课题组在数据分析、电子结构计算及样品制备等方面参与该研究并做出了重要贡献。本工作获得了科技部、基金委和上海市科委科研项目的资助【Nature 595, 239-244 (2021)】。
年度代表性成果三
1.成果名称：建筑太阳能光伏发电应用技术标准
2.成果类型：工程建设规范
3.主要表现形式：技术标准
4.成果介绍：
2020年9月，上海市住房和城乡建设管理委员会发布沪建标定[2020]501号文，关于批准《建筑太阳能光伏发电应用技术标准》为上海市工程建设规范，统一编号DG/TJ 08-2004B-2020（以下简称“标准”），自2021年3月1日起实施，由上海市住房和城乡建设管理委员会负责管理，上海交通大学负责解释。
该标准由上海交通大学、上海电力设计院有限公司和国网上海市电力公司为主编单位，上海市太阳能学会、上海市节能减排中心、华为技术有限公司、阳光电源股份有限公司等8家单位为参编单位，实验室主任沈文忠教授为标准编写牵头人。
该标准主要技术内容包括：总则、术语、基本规定、光伏发电系统设计、建筑与结构设计、接入系统、施工及安装、检测与调试、消防、工程验收和运行维护等11章，由同济大学出版社2021年2月正式出版（ISBN 978-7-5608-9773-8）。
2021年3月29日《解放日报》在“人民建议”专栏结合本市某小区的光伏发电设施安装问题采访了该标准的主要编写人员，介绍了该标准的制定是对光伏应用系统在今后申请、安装、验收等各个环节细化的规范，为相关行政部门确立分工和执法提供参考依据。建议相关管理部门采用服务指南或者指导意见等配套管理手段执行下去，帮助本市家用屋顶光伏推广应用实现高质量发展。
解放日报电子版：https://www.jfdaily.com/staticsg/res/html/journal/detail.html?date=2021-03-29&id=311397&page=05
年度代表性成果四
1.成果名称：谢尔宾斯基分形Bi薄膜的成功制备
2.成果类型：基础研究
3.主要表现形式：学术论文
4.成果介绍：
4月30日，国际物理学权威期刊《物理评论快报》以“Sierpiński Thin-Film Structure Extinguishing the Electronic Topology in Bi Films on InSb(111)B Surfaces”为题在线发表了贾金锋教授团队与美国的爱荷华州立大学以及犹他大学合作的最新研究成果：首次实验制备出了单一Bi元素构成的谢尔宾斯基（Sierpiński）三角形结构，在理论上提出并论证该结构的出现需要满足的四个条件，发现该体系中存在实现电子拓扑性质的开关变换特征。该工作开辟了研究分形结构对物性影响的新方向，也为调控拓扑性质、制备拓扑器件提供了基础。
1967年，美籍法国数学家芒德勃罗（B. B. Mandelbrot）提出分形的概念，用于描述一些不能用欧几里德几何学直接描述的、看似无规则的几何形貌。随后，分形的概念从几何学延伸到了时间、统计理论等。研究领域也从数学拓展到生物学、哲学、物理学等。在凝聚态物理中，具有分形结构的材料中存在许多不同于传统材料的性质，例如特殊的电子性质、热学性质、力学性质、电磁学性质、以及光学性质等。其中，谢尔宾斯基三角形就是一种典型的有序自相似分形结构，谢尔宾斯基三角形在数学上有许多有趣的性质，其名称来自于早在1915年发表这类几何图形研究工作的波兰数学家谢尔宾斯基（W. F. Sierpiński）。在历史上，这类美丽的几何图案经常用于美学设计。很多古典以及现代的数学、物理学和计算机科学也都与此几何图形相关。自2014年以来，世界上有越来越多课题组开始研究如何构造谢尔宾斯基三角形结构材料。在实验上用某种材料合成这种图案极为困难，目前主要通过特定方向上分子间的相互作用，在金、银、铜金属或石墨表面上，构建出基于碳元素的超大分子谢尔宾斯基三角形结构。
用分子束外延生长技术，通过沉积金属铋（Bi）到锑化铟（InSb）衬底表面上，贾金锋课题组成功地获得了具有谢尔宾斯基三角形结构的铋薄膜（见下图），这是世界上首次在实验中生长出单一元素原子构成的谢尔宾斯基三角形结构。他们使用高分辨率扫描隧道显微镜（STM），将样品表面从低到高区分为0、S1、2、S3、4和B不同高度区，其中S1和S3即为谢尔宾斯基三角形结构，同时他们还对样品表面的不同区域的形貌和电子性质做了详细表征。
（a）（b）为样品表面的扫描隧道显微镜（STM）形貌图。（c）（d）（e）分别为（b）中A、B、C三条线所对应的高度轮廓图。（f）为结构示意图。
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为解释谢尔宾斯基三角形薄膜形成机理，贾金锋组和爱荷华州立大学以及美国能源部埃姆斯（Ames）实验室科学家韩勇、James W. Evans及犹他大学的刘锋教授合作提出并建立了理论模型。从实验结果出发，经详细理论计算分析发现形成谢尔宾斯基三角形结构需要满足以下四个条件：薄膜晶面与衬底晶面存有大的晶格失配度；薄膜与衬底界面原子间弹性系数较大；薄膜内原子间的弹性系数较大；薄膜间原子的有效相互作用较弱。与以前在特定方向上分子间的相互作用机制不同，他们首次从理论上提出了谢尔宾斯基三角形分形结构薄膜形成机制。
理论模型预言图中铋的谢尔宾斯基三角形结构（C0）相对于其它可能的典型结构（C1、C2、C3）是最稳定的（即能量上最低），与实验观察完全一致
单层及多层Bi薄膜已经被证实是一种二维拓扑绝缘体。犹他大学刘锋教授的科研组，利用密度泛函理论计算了包括谢尔宾斯基三角形结构的不同构型Bi薄膜的电子拓扑性质，发现该体系中存在很多有趣的变化，例如，在偶数层Bi膜和谢尔宾斯基三角形结构之间能够实现电子拓扑性质的开关变换，有望用于实现对量子自旋霍尔体系中电子拓扑性质的调控。该性质也使得这类分形结构材料可以用来对马约拉纳零能模进行操控，为拓扑量子器件的制备和拓扑量子计算的实现等创造了条件。博士生刘晨是这篇文章的第一作者。
年度代表性成果五
1.成果名称：基于深度学习的光伏组件多类型缺陷自动检测及其在实际生产线中的应用
2.成果类型：应用研究
3.主要表现形式：学术论文、产业化应用
4.成果介绍：
2021年3月，国际光伏科学与技术领域最高水平学术刊物《光伏研究及应用进展》【Progress in Photovoltaics: Research & Applications 29, 471-484 (2021)】以封面论文形式报道了沈文忠教授研究组对光伏组件生产线上的多种缺陷实现高精度自动检测方面的研究成果，研究生赵洋为本文第一作者，沈文忠教授为通讯作者。
太阳电池及组件上的缺陷检测一直以来都是光伏行业为提高生产质量和数量亟待解决的问题，人工检测普遍存在检测效率低、耗时长、费用高、不稳定等问题，不再能够满足企业日益增长的生产需求。传统的缺陷检测算法对于单一缺陷能实现较好的检测效果，但是无法有效应对实际产线中形态尺寸各异的多种缺陷的情况，存在通用性上的瓶颈。最近几年，得益于深度学习的快速发展，对光伏组件的多种缺陷实现自动检测成为可能，但受限于原始缺陷数据的积累，相关研究进展仍然十分缓慢。
本文提出一种基于深度学习的目标检测方法来对太阳能光伏组件电致发光（EL）图片上的多种缺陷实现自动检测。课题组与上海欧普泰科技创业股份有限公司合作，从国内光伏企业的实际产线收集了近6000张有缺陷的组件EL图片，并通过专业数据标注团队进行标注，得到包含隐裂、破片、虚焊等19种近25000例缺陷。课题组针对其中14种缺陷展开研究，系统训练和挑选后得到的最优模型在测试集上实现了70.2%的mAP50值；随后通过分析基于目标检测任务计算得到的混淆矩阵，发现在影响 mAP50值的检测结果中，存在“识别偏差”和“检测补偿”的现象，而它们并不影响实际产线的检测结果；最后课题组在从产线另外收集的三天近5000张组件EL图片上开展有无缺陷的分类实验，分别得到95.1%，96.0%和97.3%的精度和召回率调和平均F1值。研究结果表明该方法在实际产线上具备非常高的应用潜力，已在相关企业得到规模化应用（年产能超过15GWp），有望成为解决光伏行业缺陷自动检测问题的标准方案。
年度代表性成果六
1.成果名称：在Kitaev量子自旋液体候选材料3d基蜂窝状氧化物Na2Co2TeO6中的研究成果
2.成果类型：基础研究
3.主要表现形式：学术论文
4.成果介绍：
国际知名期刊Nature Communications以“Field-induced quantum spin disordered state in spin-1/2 honeycomb magnet Na2Co2TeO6”为题发表了马杰课题组同中科院物理所万源研究员合作的最新成果。
具有显著自旋-轨道耦合特性的磁性材料，由于具备承载新奇量子相的潜力，近年来已成为研究量子磁性的一个新领域。一个突出的例子是Kitaev模型，这是一个以拓扑量子自旋液体基态为特征的精确可解自旋模型。微观上，这种模型可以从具有竞争的自旋各向异性交换相互作用的磁性绝缘体中产生。实现Kitaev QSL的基本前提是（a）磁性离子具有自旋轨道纠缠、Kramers简并基态；（b）它们排列在合适的晶格上，二维蜂窝晶格是最简单的例子。到目前为止，对Kitaev模型研究主要集中在4d/5d基过渡元素体系，因为它们具有相对较强的自旋-轨道耦合，这些包括H3LiIr2O6、α-Li2IrO3、α-Na2IrO3和α-RuCl3。
图 1：Na2Co2TeO6的温度-磁场相图
最近，理论研究表明，Kitaev物理也可以在3d过渡金属Co基蜂窝状磁性材料中找到。基于该理论预言，马杰课题组以有着蜂窝状结构的Co基氧化物Na2Co2TeO6作为研究对象，结合比热，磁化率，电子自旋共振以及非弹性中子散射对其量子磁性进行了研究。他们在7.5 T < B（垂直于b轴且在ab面内）< 10.5 T的外加磁场范围内发现了磁场诱导自旋无序态，还模拟了INS光谱，初步提取了交换相互作用。作为一种在有效自旋1/2蜂窝状晶格上具有场致无序状态的3d磁性材料，Na2Co2TeO6将Kitaev模型扩展到3d化合物，进一步促进了对量子磁性材料中自旋轨道效应的兴趣。
博士后林高庭为本工作第一作者，马杰副教授和中科院物理所万源研究员为通讯作者。这一工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目、中国博士后科学基金资助项目，强磁场科学中心大科学装置平台，日本散裂中子源等的资助和支持。
年度代表性成果七
1.成果名称：时间晶体中瞬子激发研究成果
2.成果类型：基础研究
3.主要表现形式：学术论文
4.成果介绍：
《Physical Review Letters》刊发了蔡子课题组的题为“Dynamical transitions and critical behavior between discrete time crystal phases”的文章，报道了其在分立时间晶体中发现瞬子激发的工作。
自发对称破缺与元激发是凝聚态物理学的两个核心概念： 根据各种不同的对称性及其自发破缺，人们可以对物质的宏观物相进行分类；通过对系统元激发的测量，人们可以从实验中得到物相的各种性质。在平衡态物理中，这两个基本概念之间具有深刻的联系：系统基态的自发对称破缺不仅可以决定低能激发态中元激发的拓扑结构，也可以决定其能谱及其动力学性质。例如，在一维聚乙炔电荷密度波态中，系统的晶格平移不变性自发被破缺，导致了基态的两重简并。这种基态的Z2平移不变性的自发破缺决定了其元激发态为有能隙的孤子态，这种孤子态在空间上分隔了两个简并的电荷密度波态，并携带分数电荷。
另一方面，在非平衡物理的框架下，自发对称破缺这一基本概念被赋予了新的内涵：其背后的物理机制不再是能量（自由能）最小化， 而是不同动力学模式失稳-竞争-再平衡的结果。与平衡态系统的一个显著不同是，对非平衡系统，自发对称破缺不仅可以发生在空间维度，也可以发生在时间维度。具有时间平移不变性的自发对称破缺的物态被称为时间晶体，是近年来广受关注的一类非平衡（量子）物态。对于这类新型的非平衡物态，一个基本的科学问题是，其元激发是否还有良好的定义？如果有，如何实现并刻画这类激发？它与系统的对称性（破缺）的关系如何？
针对这些问题，蔡子课题组通过类比平衡态系统中Z2自发对称破缺导致的孤子激发，提出一个严格可解的时间晶体模型，并研究其对外界扰动的响应（激发）。在分立的时间晶体中，时间平移不变性的Z2自发破缺导致了两个“简并”的时间晶体态，通过对系统施加含时扰动，我们发现时间晶体对于高频扰动几乎免疫， 但是当扰动频率低于一个临界值时，系统在时间演化过程中可以从一个简并的时间晶体态“隧穿”到另一个时间晶体态， 这两个宏观“简并”量子态之间的隧穿类似于量子力学中双势阱系统中的瞬子隧穿效应。另外，在临界频率附近，系统的隧穿时间呈幂指数发散，这一现象类似与动力学临界系统中的临界慢化现象。 这一研究首次揭示了时间晶体中的瞬子激发， 为研究这类新型非平衡量子物态的分类，稳定性及其临界行为奠定了基础。
博士生杨晓琴为本工作第一作者，蔡子特别研究员为通讯作者。这一工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委重点项目和上海市人才计划的资助的支持。
