从观察原子到创制新物质：国科大周武课题组等实现单原子层金属氧化物可控制备
金属氧化物是凝聚态物理和材料科学中的一类重要材料体系，具有丰富的电子、磁性和光学性质，孕育了高温超导、莫特绝缘态、多铁性和巨磁阻等一系列重要物理现象，在量子材料、电子器件和能源转换等领域具有广阔的应用前景。将材料厚度降低至单原子层极限，有望改变其晶体结构、化学键合与电子态，从而产生块体材料中难以实现的新结构与新物性，为研究低维量子现象提供新的平台。然而，与石墨烯等范德华层状材料不同，大多数金属氧化物具有较强的三维化学键合，难以通过传统剥离方法获得单原子层结构。因此，如何实现高质量、自支撑单原子层金属氧化物的可控制备，是探索低维氧化物新结构与新奇物性的重要挑战。
近日，中国科学院大学物理科学学院周武教授课题组联合中国人民大学、中国科学院物理研究所、上海交通大学、北京理工大学及四川师范大学等单位，提出了一种利用电子束驱动选择性化学转化制备新型二维金属氧化物的方法。研究团队以层状金属卤氧化物为前驱体，利用聚焦电子束选择性去除卤素原子，并诱导晶格重构，成功制备出自支撑单原子层厚度金属氧化物薄膜，并进一步实现了二维氧化物面内异质结及氧化物转角双层结构的可控构筑。相关成果以“Free-standing two-dimensional metal oxides at the single-atomic-layer limit”为题，于2026年10月29日在线发表于国际学术期刊《Nature Materials》。
电子束驱动原子选择性去除，实现新型单原子层金属氧化物的可控制备
研究团队以自支撑单层金属卤氧化物CrOCl为前驱体，利用扫描透射电子显微镜（STEM）中的聚焦电子束，选择性去除晶格中的氯原子，并通过晶格弛豫，将其转化为具有全新方形晶格结构的单原子层氧化铬（CrO）自支撑薄膜。结合原子分辨电子显微成像、电子能量损失谱等技术，研究人员直接确定了新材料的原子结构和化学组成，获得了百纳米尺度的高质量单晶，并进一步实现了微米尺度的可控图形化制备（图1）。
这一工作的核心创新，在于利用电子束对不同化学键的选择性作用，将具有范德华层状结构的金属卤氧化物可控转化为传统方法难以直接制备的单原子层二维金属氧化物。与传统依赖材料生长或机械剥离的制备方法相比，该策略具有两个突出特点：一方面，利用已有层状晶体作为前驱体，可以借助其原子排列和化学组成，通过选择性去除特定元素获得传统方法难以制备的新结构；另一方面，聚焦电子束能够精确控制材料转化发生的位置，从而将新物质制备与空间选择性加工相结合，在异质结构筑和纳米器件加工方面具有很好的应用潜力。
利用这一优势，研究团队不仅制备出高质量单层CrO，还构筑了具有原子级锐利界面的CrOCl–CrO面内异质结，并将预先堆叠或扭转的CrOCl双层转化为具有不同堆垛方式和扭转角的CrO双层结构，形成具有特定周期的莫尔超晶格。这表明，该方法不仅能够获得新的二维材料，还能够进一步调控其界面、堆垛和层间相互作用，为构筑复杂低维人工结构提供新的手段。
图1｜电子束驱动单原子层CrO的可控制备。 CrOCl经电子束选择性脱氯和晶格重构形成单层CrO的原理示意(a)、原子结构表征(b-d)及微米尺度图形化可控制备(e-f)。
从单一材料制备走向二维金属氧化物家族
研究团队进一步展示了电子束驱动选择性化学转化的原子尺度“减材加工”策略在不同金属氧化物体系中的可拓展性。研究团队结合高通量第一性原理计算，对不同元素组成的单层金属氧化物进行了系统筛选，预测了一系列可能稳定或处于亚稳态的二维氧化物结构。相关计算表明，具有单原子层厚度的氧化物并不局限于少数过渡金属，而可能广泛存在于不同元素体系中。在实验上，研究人员进一步将这一方法拓展至稀土金属和主族金属体系，成功制备出具有正交晶格的单原子层氧化铒（ErO），以及含有残余氯插层的双层铋氧化物结构（Bi4O4Cl）。其中，ErO的形成验证了选择性脱卤和晶格重构方法在不同金属元素体系中的适用性；而铋氧化物的研究则表明，部分保留的卤素原子还可以通过电荷转移和层间结构重构，帮助稳定原本难以形成的超薄晶体结构。
传统二维材料研究在很大程度上受到天然层状晶体种类的限制。该研究工作提供了一种具有一定可推广性的材料创制思路：通过设计前驱体的化学组成，并利用电子束对化学键和原子结构进行选择性调控，有望突破这一限制，获得自然界中缺少对应层状母体的新型二维金属氧化物材料，为探索新的低维晶体结构和功能特性创造条件。
图2｜新型二维金属氧化物的拓展。 高通量第一性原理计算预测的单层氧化物结构（a-e），以及实验制备的单层ErO、ErO–ErOCl面内异质结和含氯插层的双层铋氧化物结构(f-h)。
原子层厚度二维氧化物为探索低维量子现象提供新平台
新结构的创制也为探索新的材料物性创造了机会。研究发现，单层CrO是一种间接带隙半导体，理论计算进一步预测其具有反铁磁基态，磁转变温度约为230K。与此同时，研究团队在双层CrO中观察到单层CrO所不具有的显著激子响应，理论计算预测其激子束缚能高达约1.8eV，明显高于许多常见二维半导体。这些结果表明，在单原子层极限下，氧化物的电子态、磁性及光学激发行为可能表现出与块体材料显著不同的特征，并能够通过层数和堆垛结构进一步调控。通过可控制备具有不同晶格、界面和堆垛结构的二维氧化物，有望为探索二维磁性、强束缚激子及其他低维量子现象提供新的材料平台。
从观察原子到创制新物质：探索电子束驱动的原子级制造
电子显微镜长期以来主要被用作观察和分析物质结构的工具。然而，高能电子束与物质的相互作用也能够诱导原子迁移、化学键断裂和重组以及晶格结构转变。如果能够准确理解并控制这些过程，电子束就有望从传统的微观表征探针发展为一种能够在原子尺度精准调控物质结构、创制新材料的加工工具。
周武教授团队围绕这一方向开展了长期探索，包括利用电子束将二维半导体过渡金属硫族化合物MX2转化为直径仅数个原子宽的一维金属性MX纳米线，实现了材料维度与电子性质的同步转变（Nature Nanotechnology 9, 436–442, 2014）；利用电子束驱动石墨烯表面的Cu和O原子的迁移与自组装，形成具有特殊方形晶格的单原子层CuO纳米晶体（2D Materials 4, 011001, 2017）；以及结合电子束刻蚀、原位Si原子沉积和加热结晶，在石墨烯纳米孔内制备出自支撑单原子层SiC晶体（Chinese Physics B 33, 086802, 2024）等。这一系列工作从电子束诱导的结构转变、原子自组装逐步拓展到多步骤原位晶体构筑，为利用电子束创制新结构、新物质积累了重要的实验基础。此次Nature Materials研究进一步发展了基于选择性化学转化与晶格重构的材料创制策略，实现了从局域纳米结构构筑向高质量原子层晶体、微米尺度图形化制备和复杂异质结构可控构筑的拓展。
这些研究展示了电子显微学从“观察原子”走向“操控原子、创制新物质”的发展潜力。未来，研究团队将进一步探索电子束与温度、电场等外场协同调控原子结构演化的物理机制，发展更高精度、更强可控性和更广泛材料适用性的原子尺度精准加工与构筑方法，推动基于电子束的原子级制造从局域原子操控向功能导向的复杂结构设计和新物质可控制备发展。
中国科学院大学物理科学学院博士毕业生高猛、博士生李昂，中国人民大学博士毕业生郭的坪（现为四川师范大学教师）和中国人民大学博士生王人宏为论文共同第一作者。中国人民大学季威教授、中国科学院大学卓越客座教授 Stephen J. Pennycook、中国科学院物理研究所高鸿钧院士和中国科学院大学周武教授为论文共同通讯作者。上海交通大学周琳教授、北京理工大学乔靖思教授、中国科学院物理研究所鲍丽宏研究员等合作团队在前驱体材料生长、理论计算和器件研究等方面作出了重要贡献。
该研究获得北京高校卓越青年科学家计划、中国科学院基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划等资助，以及中国科学院大学电子显微学中心的支持。
论文链接： https://doi.org/10.1038/s41563-026-02793-2
课题组主页： https://zhouwu.ucas.ac.cn/
探微求索，荣膺佳绩！国科大三位导师获中国物理学会奖项
近日，中国物理学会发布2026年奖励公告。经中国物理学会各项物理奖评选委员会评审、中国物理学会物理奖基金委员会审议决定，10位物理学工作者获得奖项。其中，中国科学院大学博士生导师、中国科学院理论物理研究所研究员郭奉坤荣获2025-2026年度中国物理学会吴有训物理奖（原子核物理）；中国科学院大学博士生导师、教授郑阳恒和中国科学院大学博士生导师、中国科学院高能物理研究所研究员温良剑荣获2025-2026年度中国物理学会王淦昌物理奖（粒子物理和惯性约束核聚变）。
中国物理学会设立上述奖项，旨在奖励在相关物理学领域作出突出贡献的物理学工作者，激励科研创新，推动我国物理学事业发展。
中国物理学会吴有训物理奖（原子核物理）
郭奉坤（右二）
郭奉坤，中国科学院大学博士生导师，中国科学院理论物理研究所研究员
郭奉坤研究员主要从事强相互作用物质微观结构的理论研究。他与合作者系统研究并揭示S波相互作用与近阈结构之间的普遍联系，成功解释粲偶素能区大量实验现象，并预言多种强子分子态，部分预言已获实验验证；利用色散关系方法，模型无关地确定了核子的引力形状因子，表明胶子主导的标量迹密度半径显著大于已知的质子电荷半径，并勾勒出核子内部质量与应力分布的图像；提出利用三角奇点精确测量近阈粒子束缚能的方法，可突破传统方法限制。
中国物理学会王淦昌物理奖（粒子物理和惯性约束核聚变）
郑阳恒（左二）温良剑（右二）
郑阳恒，中国科学院大学博士生导师、教授
郑阳恒教授主要从事粒子物理实验和辐射探测技术研究。他与合作者首次在实验上通过中子-原子核散射直接观测到了1939年理论预言的米格达尔效应，为轻暗物质探测突破阈值瓶颈提供了关键支撑；发现了一系列形成谱系的四夸克奇特强子态，为理解强相互作用的非微扰性质和奇特强子结构提供了关键实验依据；系统研究了粲重子Lambda_c的产生与衰变性质，刷新了多项国际测量数据精度纪录，显著提升了粲重子理论预言能力。
温良剑，中国科学院大学博士生导师，中国科学院高能物理研究所研究员
温良剑研究员在中微子振荡及中微子马约拉纳属性的实验研究中取得了原创性成果：他是大亚湾反应堆中微子实验物理分析的主要完成者，发现中微子混合角θ13非零并精确测量该参数；他是江门中微子实验的提出者之一，领导合作组物理研究，精确测量了中微子振荡参数sin2θ12、Δm221、Δm231，发现了中微子质量顺序为正序的迹象；在EXO实验分析中取得了无中微子双贝塔衰变的最灵敏寿命限制，并发展出江门中微子实验探寻该衰变的新方案，领导研发了关键技术。
祝贺以上三位导师获奖！
乔从丰教授课题组在量子态空间几何优化研究中取得重要进展
量子测量的结果究竟能够被预测到什么程度？有限的测量设备又能揭示多少量子关联与热力学资源？这些看似不同的问题，都涉及同一个核心挑战：在所有可能的量子态中，寻找相关物理量的极限。然而，量子态空间具有复杂的几何结构，直接在其中求解非线性优化问题往往十分困难，已有理论公式因而常常只能给出保守估计，而非真正能够达到的物理界限。
近日，中国科学院大学物理科学学院乔从丰教授课题组提出了一种量子态空间上的几何优化方法，将上述难题转化为对测量统计可行区域的逐步刻画。该方法如同雕塑家削去多余材料，通过不断排除量子力学所不允许的区域，逐步逼近真实的量子边界，并利用同步计算的上、下界检验结果精度。研究将这一框架应用于不确定性关系、量子导引探测和受限测量下的热力学资源认证，为确定量子测量所蕴含的物理极限提供了统一的计算工具。
相关成果以“Geometric Optimization over Quantum State Spaces: Tight Uncertainty Relations and Resource Certification”为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。中国科学院大学物理科学学院特别研究助理杨马成为论文第一作者，乔从丰教授为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助与支持。
从搜索量子态到刻画几何边界
对于给定的测量装置，每个量子态都对应一组测量结果的概率。这些概率并不能任意组合，而是受到量子力学的约束。所有量子态能够产生的概率分布汇集在一起，形成一个具有特定几何结构的凸集，即“量子可达概率区域”。不确定性关系等物理限制，便可以从这一区域的几何结构中得到理解。
受到Schwonnek等人关于基于方差之和的紧不确定性关系研究的启发［Phys. Rev. Lett. 119, 170404（2017）］，研究团队将相关几何思路拓展为适用于一类非线性优化问题的通用框架。其核心是不再直接搜索全部量子态，而是转向刻画与目标测量有关的统计区域。通过剔除测量统计中的线性冗余，研究首先将优化问题转移到维度更低的有效空间；随后，利用由测量算符构造的有效可观测量的最大本征值，确定包围真实区域的支撑平面。随着新的支撑平面不断加入，外部多面体中不符合量子力学的部分被逐步切除，留下越来越贴近真实可达区域的几何轮廓。
这一方法的重要特点是，它不仅给出数值结果，还同时给出结果与真实极限之间的误差界限。对于研究所关注的凹函数最小化问题，外部多面体提供最优值的下界，而实际量子态提供上界，两者之差构成计算精度的直接检验。在论文展示的一个百维量子系统、四结果测量的算例中，约一百次迭代后，上下界之差达到约 10–8，展示了该方法在研究高维量子态空间问题时的计算能力和有效性。
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图1. 四结果测量的全部可能概率分布构成一个四面体，即概率单纯形，其中只有一部分（图中蓝色凸体）能够由给定测量作用于量子态产生。支撑平面逐步收紧包围这一量子可达区域的多面体，从而为测量不确定性和可观测量子资源提供具有精度保证的界限。
更准确的不确定性界限，更灵敏的量子关联探测
不确定性关系是量子力学的基本特征，它对不同测量结果的可预测性施加了基本限制。以信息熵衡量测量不确定性时，一个关键问题是：无论如何选择量子态，多组测量的总不确定性最低能够达到多少？经典的解析公式与基于概率主序（majorization）的方法为此提供了重要界限，但在一般测量设置下，这些界限未必能够达到。
研究团队将多组测量的熵不确定性问题统一转化为一个有效测量的熵最小化问题，并利用几何优化框架计算其最优界限。在所研究的三能级系统双测量和三测量设置中，结果表明，多种常用界限在大部分参数范围内与真实量子极限存在明显差距。新的方法能够在给定数值精度内确定这一极限，从而更完整地揭示量子力学对测量结果的基本约束。
更紧的不确定性界限还带来了量子关联探测上的直接收益。量子导引是一种介于量子纠缠与贝尔非局域性之间的特殊量子关联，也是单边设备无关量子信息任务的重要资源。研究表明，在所考察的非对称测量设置下，将优化后的熵不确定性界限用于导引判据，可以在更强的白噪声条件下认证量子导引。这意味着，无需改变既定测量设置，仅通过更准确地确定理论边界，就能识别原有判据未能揭示的量子关联。
量化有限测量设备能够揭示的热力学资源
这一几何框架的适用范围并不限于不确定性关系。在量子热力学中，系统偏离热平衡的程度与其非平衡自由能密切相关。当实验只能使用固定且有限的测量设备时，系统与热平衡态在同一测量下所得概率分布之间的相对熵可用于量化该设备能够认证的非热性资源。在所有可能的量子态中最大化这一相对熵，便可确定指定测量设备所能认证的非热性资源上限，而这一优化问题亦可纳入同一几何框架。在一个五量子比特伊辛链模型中，研究计算了温度与测量噪声对最大可认证非热性资源的共同影响，为评估受限测量装置能够揭示多少热力学资源提供了定量方法。
总体而言，该研究将一类困难的量子态非线性优化问题，转化为具有明确几何意义和精度保证的迭代过程，为研究高维量子态空间结构、确定不确定性界限、探测量子关联及认证受限测量下的热力学资源提供了统一、高效的计算途径。其计算开销仍受到系统维度和有效测量维度的影响，但对于有效测量维度适中的场景，这一框架展现出良好的应用潜力。
