1.北京大学李阿明课题组揭示调控复杂系统临界转变的关键机理

2.上海微系统所实现基于钙钛矿量子点的高稳定柔性纳米激光器

3.北京大学程哲课题组在APR报道掺杂半导体导热机理方面取得进展

4.中国科学院上海微系统所在太赫兹半导体激光器光注入锁定方面取得进展

5.又一顶尖科学家，全职加盟清华！

1.北京大学李阿明课题组揭示调控复杂系统临界转变的关键机理

复杂系统由大量组成单元构成，组元之间的动态交互与协同演化赋予了复杂系统高效自组织行为、群体智能涌现等典型特征。常见的复杂系统包括：生态系统、神经系统等自然系统，电力系统、智能无人系统等工程技术系统，以及社交网络、金融市场等社会系统。复杂系统能否维持正常运转并发挥相应的功能关键取决于其是否处于可行的系统状态。在系统实际运行过程中，当外部扰动或内部参数变化触及某一关键阈值（即临界点）时，系统将从原有正常工作状态跃迁至另一类性质迥异的状态，此类状态跃迁过程被定义为临界转变。

临界转变通常伴随系统的结构重组、行为突变或功能崩溃，进而引发不可逆的灾难性后果，如：生态系统因环境退化出现物种灭绝；脑网络因神经元异常放电导致癫痫发作；电力系统因负荷陡增引发电压崩溃；交通网络因车流密度上升陷入严重拥堵。因此，揭示临界转变的关键机理并深入阐明各类系统属性在其中的关键作用，是当前复杂系统、控制理论、人工智能、统计物理和生命科学等多领域学者广泛关注的前沿科学问题。

传统临界转变的理论研究通常假设系统组成单元之间的交互是即时的，即任一组成单元的变化会立刻对其交互对象产生影响。不同于这一假设，在真实系统中，由于组成单元之间的作用传递、信息处理与状态响应等过程，时间延迟（即时滞）效应普遍存在：组成单元一般需要一定时间才能感知并响应其交互对象的状态变化。时滞的存在可诱发极限环振荡、混沌等复杂动力学行为，会对系统功能及临界转变产生结构性影响。同时，在临界转变机理分析中引入时滞，会使系统特征方程由代数方程转变为超越方程；而系统中数量众多的组成单元则会带来高维度的状态矩阵。二者的综合作用将大幅提高作为临界转变分析基础的特征方程的求解复杂度，从而限制对临界转变机理的深入分析。

针对以上挑战，北京大学先进制造与机器人学院李阿明课题组基于时滞系统动力学与随机矩阵理论，提出了分析带有交互时滞的复杂系统临界转变理论框架。该框架除可统一刻画系统组元之间所具有的多类典型交互作用外，还适用于具有不同结构特性的复杂系统。基于该框架，他们发现时滞强度及组成单元的平衡状态（即系统在平衡态下各组成单元的状态，如复杂生态系统中各物种的稳态密度）是系统临界转变的关键驱动因素（图1A）：二者的增加会导致系统平衡态在动力学上通过Hopf分岔失去稳定性，从而触发临界转变。这一临界转变将诱发系统组成单元状态的持续振荡（图1B、C），从而显著增加组成单元大规模崩溃的风险。

图1 简单群体系统中的临界转变

进一步，他们提出了等效时滞（effective delay）这一统一调控因子，用以综合表征时滞强度及组元平衡状态的协同作用，为临界转变触发条件的量化描述提供了基础。通过解析推导临界转变触发条件所确定的状态矩阵特征值分布约束区域，他们将特征根分析问题转化为状态矩阵特征值分布问题，有效避免了直接求解大规模系统超越特征方程所带来的高计算复杂度。由此，他们给出了不同类型系统发生临界转变的数学条件，为带有时滞复杂系统临界转变的判定与定量分析提供了有效方法。

在此基础上，他们阐明了不同系统属性在临界转变中的作用机理。研究发现，系统组元间交互作用类型的多样性能够推迟临界转变的到来，是对临界转变具有阻滞效应的“抑制剂”（图2）；而系统的高度复杂性以及组成单元的强自调节作用则会加速临界转变的发生，是对临界转变具有促进效应的“催化剂”。他们还通过对真实复杂系统的数据分析，验证了上述作用机理。

图2 系统组元间交互作用多样性是临界转变的“抑制剂”

该研究揭示了驱动大规模复杂系统临界转变的普适机制，分析了不同系统属性在临界转变中的关键作用，为基于复杂交互结构特征评估系统脆弱性、识别高风险运行状态及设计抑制系统崩溃的策略提供了重要理论基础。相关成果近期以“Catalysts and inhibitors of critical transitions in ecological systems”为题发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。论文第一作者为李阿明课题组博士毕业生杨浴光（毕业后在麻省理工学院从事博士后研究），李阿明为通讯作者。合作者包括了林雪平大学György Barabás副教授和麻省理工学院Serguei Saavedra副教授。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划青年科学家项目以及江苏省应用数学科学研究中心等的支持。（北京大学）

2.上海微系统所实现基于钙钛矿量子点的高稳定柔性纳米激光器

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室邓诗凯研究员团队，开发出一种基于钙钛矿量子点的柔性纳米激光器，实现了机械变形下波长与强度高度稳定的纳米激光器。传统柔性光子器件虽能通过应变实现波长调谐，却在变形时难以维持输出稳定性；该结构虽采用泊松比约为0.5的聚二甲基硅氧烷衬底，却因其在双轴拉伸时晶格周期自补偿效应，实现了高达15%应变下共振波长几乎不变的关键突破。为未来智能传感、增强现实（AR）显示和生物集成光子技术开辟了新路径。相关成果与2026年2月19日以“Quantum Dots on Flexible Nanohole Arrays Support Stable Nanolasing”为题发表于国际知名期刊《ACS Nano》。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20560。

论文发表页

该团队提出将人脸识别作为可以利用柔性和稳定激光的场景之一。在这种情况下，人脸识别的分辨率由每个采样点获取的激光信号数量决定。通过在我们的柔性纳米激光器中引入表面形变，可以实现具有稳定波长的可调谐激光束和角度。激光发射方向由发射点的表面法线决定。因此，通过控制凸起高度来调整发射点的法线方向，可以操控光束偏转和激光发射范围。此外，量子点表面纳米孔阵列上凸起的数量和高度可以改变激光输出的密度和角度（图1a）。当集成到相机系统中时，调整这些凸起参数会改变激光信号的空间分布和数量，从而能够精确控制从每个特征点收集的信息（图1b）。为了实现这一提议的功能，需要一种能够在拉伸和弯曲下保持稳定激光并实现光束角度控制的柔性纳米激光器（图1c）。

图1. 基于稳定波长柔性纳米激光器的人脸识别系统中像素可调性的设计提案。(a) 基于纳米孔阵列与量子点的多角度发射调谐机制。(b) 相机系统中人脸识别像素调谐过程的描述。(c) 具有稳定波长和多角度的柔性纳米激光器演示。

研究团队设计了一种复合结构：在一片具有周期性纳米孔阵列的PDMS薄膜上，填充并覆盖一层钙钛矿量子点（CsPbBr3）薄膜。这种结构利用了导模共振（GMR）效应，当受到外部光泵浦时，能在特定波长（~532 nm，绿光）产生稳定的激光发射，阈值低至~15 μJ/cm2。通过理论模拟发现，当材料在受力形变时，其共振波长是否漂移，取决于一个关键参数——泊松比。通过精确调控PDMS的组分，使其泊松比达到~0.5，该结构在受到拉伸时，两个正交方向的形变能够相互“抵消补偿”，保持有效周期和共振波长的稳定性，从而有效抑制了共振波长的漂移。

图2 柔性聚二甲基硅氧烷-量子点阵列的激光机制。(a)柔性纳米激光阵列结构图。(b)导模共振示意图。插图：二维正方形晶格的第一布里渊区。(c)柔性纳米激光阵列的模拟光学能带结构。(d)透射光谱随量子点薄膜厚度的等高线图。(e)量子点薄膜厚度80 nm时的模拟电场（上）与相位分布（下）(λ=536 nm)。(f)无量子点薄膜时的模拟电场（上）与相位分布（下）(λ=500 nm)。(Ex)²和Φ(Ex)的单位分别为V2m-2和rad。入射光电场强度E0设为1 V/m。填充量子点的孔阵列和量子点薄膜用白色虚线标出。

图3 柔性纳米激光器的制备。(a)聚二甲基硅氧烷-量子点阵列的制备流程示意图。(b)CsPbBr3量子点的透射电子显微镜图像。插图：CsPbBr3量子点溶液照片。(c)聚二甲基硅氧烷纳米孔阵列的俯视扫描电子显微镜图像。插图：聚二甲基硅氧烷纳米孔阵列照片。(d)聚二甲基硅氧烷纳米孔阵列的原子力显微镜二维图像。(e)聚二甲基硅氧烷-量子点阵列的侧视扫描电子显微镜图像。插图：俯视扫描电子显微镜图像。(f)聚二甲基硅氧烷-量子点阵列的原子力显微镜二维图像。(g)聚二甲基硅氧烷纳米孔阵列和(h)聚二甲基硅氧烷-量子点阵列的实验测量光子能带结构。

图4 聚二甲基硅氧烷-量子点阵列的激射行为。(a)激光测量装置示意图。(b)激光测量装置图像。插图：柔性阵列的宏观光学图像。(c)不同泵浦脉冲能量下法向探测角度收集的发射光谱（线性坐标）。插图：激射发射强度随线偏振片角度变化关系。(d)输出发射强度和半高全宽随输入泵浦脉冲能量变化关系。(e)输入泵浦通量1.5倍阈值下激射强度随时间变化。取每分钟五组数据对应的强度平均值，得到样品1-5的平均结果。

实验结果表明，在高达15%的拉伸应变下，该纳米激光器的发射波长和强度均保持稳定；在经过1000次的反复拉伸循环（5%应变）后，性能依然保持稳定。此外，研究团队充分利用该器件的柔性和法向发射特性，展示了多种功能性应用。1. 通过将激光阵列贴附于曲面（圆柱面或球面），实现了超过±50°的三维空间发射方向动态调控；2. 通过将柔性激光器直接贴合在旋转风扇的叶片上，通过实时监测激光信号的周期性变化，完成了转速测量，这种共形贴合的能力，使其能轻松应用于各种不规则运动部件的状态监测。3. 通过在激光器下方制造不同高度的凸起结构，利用局部形变改变表面的法线方向，成功实现了光束角度的可编程控制即激光光斑面积的连续可调。研究团队进一步提出了将该柔性稳定纳米激光器应用于人脸识别系统的设想：通过调控阵列表面的凸起参数，可精确控制每个特征点采集的激光信号数量和角度，从而提升识别分辨率。

图5 柔性纳米激光阵列的稳定性。(a)柔性纳米激光阵列在拉伸下的示意图。(b, c)透射率随Λx和Λy变化的模拟结果。(d)用于拉伸的金属框架照片。(e, f)中心波长(λ)和强度随应变比例的变化曲线。(g)柔性纳米激光阵列的循环拉伸性能曲线。黑色方点线代表激射强度，绿色三角点线代表中心波长(λ)。右侧图为拉伸比例5%和0%的示意图。

图6 柔性激光器的功能演示。(a)激射发射方向调谐示意图。(b)可调谐激射方向的光学装置图像。插图：贴附晶格的球体图像。(c)峰值发射强度和λ（发射波长）随一维偏移量的变化。曲率半径为12.5 mm。(d)光信号（强度）随二维偏移量的变化。球体半径同样为12.5 mm。(e)转速测量示意图。(f)转速测量中强度随时间变化关系。(g)激射光束面积测量光学装置。插图：突起装置示意图。纸上中心圆直径（mm）：2, 4, 6, 8。(h)纸面激射光束面积随突起高度的变化。

该研究不仅解决了柔性纳米激光器在机械形变下的波长稳定性难题，还通过结构创新赋予器件主动空间光场操控能力，为柔性激光器从概念验证走向实际应用奠定了基础，在自适应AR投影显示、非接触式悬浮触控界面及高速3D重建可编程结构光传感器等下一代人机交互和智能感知应用场景中展现出广阔前景。

论文的第一作者为上海微系统所的博士研究生郑少斌，通讯作者为上海微系统所的邓诗凯研究员。该研究得到了国家自然科学基金（No.62275257）、国家自然科学基金委海外高层次人才计划、中国科学院引进人才计划等项目的支持。

原文链接：ACS Nano 2026, 20(8):7228–7237；https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20560（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）

3.北京大学程哲课题组在APR报道掺杂半导体导热机理方面取得进展

掺杂被广泛应用于半导体领域，改善半导体电学特性。随着电子器件尺寸不断缩小，功率密度不断增大，散热问题日益成为制约先进芯片技术继续微缩的关键瓶颈，特别是下一代三维堆叠芯片与高功率/高频宽禁带半导体器件。相比于文献中掺杂对半导体电性影响的研究，掺杂对半导体导热性能的影响较少，特别是一些特殊的声子散射机制。针对上述问题，程哲课题组联合国内外合作者，通过先进的单晶生长工艺、高分辨率结构表征技术与高精度热测量方法，实现了对高质量硼掺立方碳化硅（3C-SiC）单晶体在不同掺杂浓度下热导率的精确测量，并深入分析了共振声子散射的机制。研究结果表明，硼掺杂浓度为4x1019cm-3时，3C-SiC样品热导率出现了约50%的下降，降幅为常见半导体中掺杂导致热导率下降的最高水平。热导率下降的核心机制为，硼原子取代碳原子后，破坏原有四面体对称结构，引发声子共振散射。声子共振散射理论为Robert O Pohl教授（程哲研究员的导师的导师）提出，本研究为该理论机制提出六十多年以来首次在半导体中严格实验观测到。立方碳化硅为可以生长大晶圆的材料中导热系数第二高的材料，而且可以和硅外延集成，有望应用于3D-IC的转接板以及氮化镓射频/功率器件的衬底。该工作会对3D-IC以及射频/功率器件的热管理产生重要影响。本研究以“Experimental observation of extremely strong defect–phonon scatterings in cubic SiC single crystals”为题发表在Applied Physics Reviews，博士生黄子丰为第一作者，程哲研究员为通讯作者。国际合作者包括日本大阪市立大学 Jianbo Liang副教授和Naoteru Shigekawa教授。全文链接： https://doi.org/10.1063/5.0304005

本工作得到国家自然科学基金面上项目、原创探索项目和国家重点研发计划项目的支持。

图1. 常见半导体材料掺杂中，硼掺杂3C-SiC的热导率下降幅度最大

（北京大学）

4.中国科学院上海微系统所在太赫兹半导体激光器光注入锁定方面取得进展

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员团队在太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）光注入锁定领域取得重要进展。该研究提出了一种THz单模QCL与光频梳QCL之间的光学互注入（MOI）锁定方案，在无需外部锁定硬件（如锁相环、微波注入装置）的条件下，仅通过光学耦合即可实现频率同步。实验结果表明，当调节两个QCL之间的频率失谐时，可以清晰观察到MOI锁定现象，且在不同的主从激光配置上表现出明显的不对称性：当单模QCL作为主激光器时，光频梳受到扰动，如重复频率偏移、线宽展宽及锁定，最大锁定带宽约为30 MHz；而当光频梳QCL作为主激光器时，不稳定区域被抑制，锁定带宽显著扩展至94 MHz。在锁定范围内，重复频率的相位噪声和阿伦方差显著改善，表明光频梳的稳定性提高。这一紧凑的MOI锁定方案为芯片级THz光频梳的稳定、光频分应用奠定了基础。该成果于2026年3月10日以“Mutual optical injection locking dynamics between a terahertz single-mode laser and a frequency comb laser”为题在线发表在《APL Photonics》期刊，并被遴选为Featured Article。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0310636

研究团队率先在实验上实现了THz波段单模QCL与光频梳QCL的光学互注入锁定。两个QCL 来自同一晶圆，通过面对面安装在 Y 型冷指上实现双向光学耦合（图1a）。实验中，单模 QCL 与光频梳 QCL 的状态通过调节电流偏置得到，可以控制两台激光器的频率差，实现从未锁定状态（图1b）至锁定（图1c）状态的改变。未锁定状态下，两个QCL之间弱耦合，单模 QCL与光频梳的梳齿发生拍频，产生一系列射频信号（fbn）。MOI 锁定状态表示单模 QCL 与最靠近光频梳的梳齿对齐，fbn信号消失，仅保留稳定的模间拍频信号（frep及其谐波），锁定带宽由Δflock表示。

图1. （a）THz 单模QCL（QCL1）与光频梳QCL（QCL2）之间的光学互注入锁定实验装置示意图图。（b）未锁定状态与（c）锁定状态的频谱示意图（左：THz波段，右：射频波段）。

图 2 展示了当单模 QCL作为主激光器时，MOI的动态演化过程。系统经历四个不同状态：远失谐状态下（I区域），两个QCL发生耦合，单模与光频梳的梳齿拍频得到下转换的拍频信号fbn（见图2a-c），此时光频梳为自由运行状态，表现为在一定范围内波动（见图2d）；频率牵引状态（II区域），光耦合导致频率偏移并产生许多边带；MOI 锁定状态（III区域），单模激光与光频梳最近的梳齿同步，拍频信号fbn消失，仅剩重复频率及其谐波，锁定带宽约 30 MHz，并伴随重复频率线宽显著收窄；重频展宽状态（IV区域），锁定消失，重复频率发生展宽（20 MHz），呈现剧烈抖动。图2(e) 清楚展示了对应于图2(b)中五角星位置的四个典型状态下的频谱特征。

图2. 单模THz QCL与光频梳THz QCL之间的光学互注入实验测量结果（以单模QCL为主激光器）。(a)–(c) 调节主激光器 QCL1 的电流，拍频信号  fb1、重复频率 frep及二次谐波 2frep附近频谱的演化，具体显示了自由运行、频率牵引、锁定和重频展宽四个状态。 (d) 高分辨率 frep频谱随主激光器 QCL1 电流的变化。(e) 对应于图(b)中五角星位置的四个典型状态下的射频频谱。

论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所吴澍民博士，通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员。该研究工作得到了科技创新2030重大项目（2023ZD031000）、国家自然科学基金项目（62235019, 62035005, 62105351, 62275258, 和62305364）、中国科学院“从0到1”原始创新项目（ZDBS-LY-JSC009）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-069）等支持。（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）

5.又一顶尖科学家，全职加盟清华！

3月23日，清华大学在丙所会议室举行拉马克瑞斯纳·西拉姆（Seeram Ramakrishna）教授聘任仪式，国际著名材料学家西拉姆教授全职加盟清华。校党委书记邱勇、校长李路明出席聘任仪式。副校长王宏伟主持仪式。

邱勇（左一）、李路明（右一）与西拉姆夫妇合影

李路明为西拉姆颁发聘书

李路明向西拉姆教授全职加盟清华表示欢迎。他说，西拉姆教授是纳米科学与技术领域的全球顶尖科学家，与中国、与清华都有着深厚渊源。期待西拉姆教授发挥卓越的学术影响力和领导力，产出更多高水平成果，培育更多具有国际视野的优秀人才，助力清华人才培养、学科建设、科学研究等工作迈向新高度。

西拉姆教授表示，来到清华后，深切感受到学校的学术文化底蕴、人文精神和蓬勃发展的活力。学校国际化科研布局与自己所从事的前沿研究及创新工作高度契合，将充分发挥研究专长，深度融入跨学科科研生态体系，以实际行动为学校的学科建设、科研创新和教育事业发展作出贡献。

机械工程系主任周明表示，西拉姆教授此次受聘，为包括材料科学与生物医学工程在内的跨学科深度合作创造了宝贵机遇，相信他将进一步推动跨学科创新，不断提升清华大学在该领域的学术影响力。

清华大学校友、“清华大学教育基金会兴华基金”捐赠人、美团创始人兼首席执行官王兴，北京市、海淀区有关部门负责人，校内相关院系及部处负责人参加仪式。

西拉姆教授是享誉国际的著名材料学家、中国政府友谊奖获得者，2023年当选中国工程院外籍院士。他于剑桥大学获得博士学位，1996年至2025年在新加坡国立大学工作，曾担任新加坡国立大学副校长（科研战略）、工程学院院长等。西拉姆教授在理解和增强静电纺丝纳米纤维的生物、化学、电气、机械和物理反应方面做出了开创性贡献，被誉为“世界静电纺丝之父”。西拉姆教授将在清华大学推动医工融合平台的建设，开展智能可穿戴设备的相关研究。（清华大学）