1、上海微系统所在钽酸锂-氮化硅异质集成光子芯片方面取得进展
2、清华团队在手性反铁磁的电学操控上取得新突破
3、北理工团队在镍基超导领域取得突破性进展
4、计算机系存储实验室研究成果获得第24届USENIX文件与存储技术会议杰出技术贡献奖
1、上海微系统所在钽酸锂-氮化硅异质集成光子芯片方面取得进展
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“上海微系统所”）欧欣研究员团队联合瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg教授团队和德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos教授团队，围绕薄膜钽酸锂（LiTaO3，LT）与氮化硅（Si3N4）光子芯片的晶圆级异质集成开展研究，构建出一种兼具低光学损耗和线性电光（Pockels）调制的新型光电平台。基于该平台，研究团队实现了高效、高速电光调制：调制效率达4.08 V·cm，电光响应3dB 带宽约为100 GHz；并进一步完成高速通信演示：强度调制（IMDD）下净信号传输速率达333 Gbit/s，相干IQ调制净信号传输速率达581 Gbit/s。该工作为现有氮化硅光子平台补齐了长期缺失的高速电光调制能力，也为面向高速互连、RF 光子与模拟信号处理的片上光学系统提供了可大规模化的新工艺路线。相关成果以“Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications”为题发表在国际学术期刊《自然·通信》(Nature Communications)上，上海微系统所为第一单位。
氮化硅光子芯片兼具低光学传播损耗、强非线性、高功率耐受性及CMOS 兼容等优势，已成为片上非线性光学、高效频率转换、行波光参量放大等方向的重要平台。但但受其材料本征限制，氮化硅本身不具备 Pockels 电光效应，因此现有的氮化硅基调制器通常依赖热光效应或声光效应，其在带宽及调制效率上容易遇到瓶颈。
为满足当下通信、光计算等应用场景对高效、高速、大带宽调制的需求，研究者往往需要薄膜铁电材料来构建相应的片上光学器件。目前主流电光平台包括薄膜铌酸锂（TFLN）和薄膜钽酸锂（TFLT）。过去常见的选择是薄膜铌酸锂（TFLN），而薄膜钽酸锂（TFLT）在近年来备受关注：这是因为在保留相当电光系数的同时，薄膜钽酸锂在高功率器件稳定性、双折射、光损伤阈值、光折变等方面更具优势。此外，薄膜钽酸锂在 5G/6G 射频滤波器中的产业化应用带来了更完整的光学级基底供应链，进一步提升了其工程化吸引力。
基于上述背景，如何把氮化硅波导的低损耗优势与薄膜钽酸锂的高速电光效应结合起来，并实现晶圆级、可重复、大批量的制造，成为当前的研究热点之一。
研究亮点：
依托研究团队开发的氮化硅光子大马士革工艺与晶圆键合技术，本工作实现了4英寸 LT-on-Si3N4异质晶圆。如图1b所示，在深紫外光刻（DUV）定义的 9 个主要写场中，大规模转移的钽酸锂薄膜完整率接近 100%。通过微环型谐振器表征可知，该异质混合波导的光损耗约14.2 dB/m，该值显著优于同类型集成方案。
图1 Si₃N₄-LiTaO₃晶圆级制备流程与光学损耗表征
本工作中的电光调制器采用由薄膜钽酸锂和氮化硅波导组成的马赫-曾德尔调制器（MZM，图2a）。从SEM观察到的异质波导横截面及对应的有限元仿真可见，该异质混合波导光模能量在LT薄膜中的分布约为48%，表明光学约束良好和有效的电场-光场重叠。器件测试结果显示其半波电压为6 V；电光响应S21曲线具有优异的宽带平坦度，3 dB 带宽接近100 GHz，同时回波损耗小于-15 dB，充分证明了器件良好的速度匹配和阻抗匹配。
此外，该器件所展现的DC偏置稳定性也是本工作的一大亮点。对于多通道信号传输、光计算等系统级应用，DC 偏置漂移会导致直接引起输出功率波动，进而增加控制开销并影响系统的长期稳定运行。在采用光子芯片封装以降低耦合漂移干扰的前提下，研究团队监视了该调制器在正交相位工作点的输出强度，结果显示一小时内功率漂移小于 0.5 dB（图2e），这得益于异质集成波导结构中未刻蚀的钽酸锂薄膜：该策略有助于减弱刻蚀过程中引入的光折变效应，从而带来更好的器件稳定性。
图2异质集成LT-on-Si3N4电光调制器
在高速信号传输实验中，研究团队使用PAM4 信号编码在 144–200 GBd 范围对强度调制器进行测试，并基于 GMI/NGMI 评估可实现的净数据传输速率，其中192 GBd PAM4 对应净速率最高 333 Gbit/s。进一步地，该异质平台也支持相干IQ调制，对应的相干光调制器由两条MZM 组成，通过热光移相器获得可长时间稳定的90° 相位差，并利用两个调制通道完成QPSK/16QAM等信号格式的传输演示，最终可实现的最高净速率达到 581 Gbit/s。上述指标刷新了同类平台的最高信号传输速率记录。
图3 IMDD（PAM4编码）强度调制信号传输实验
图4 相干IQ（QPSK/16QAM编码）调制信号传输试验
2、清华团队在手性反铁磁的电学操控上取得新突破
破解手性反铁磁操控的“效率密码”
长期以来，磁存储技术的发展面临两难困境：铁磁电学读写便捷，却因杂散场制约了存储密度的提升，且吉赫兹动力学频率为电学写入速度设定了上限；反铁磁材料虽无杂散场且具备太赫兹动力学优势，但电学读写困难。
手性反铁磁材料因其非共线自旋，同时拥有太赫兹磁动力学、零杂散场和自旋劈裂能带等特性，被视为突破这一瓶颈的理想体系。然而，如何在零磁场下实现对其磁序的高效电学操控，始终是推动其走向应用的核心挑战。
针对这一挑战，研究团队通过同质结设计整合了手性反铁磁的“非共线自旋指纹”的两个核心维度，利用非常规自旋流诱发手性反铁磁序的非常规磁动力学，实现了全电学完全翻转。该方案在具备可控的零场翻转极性的同时，效率也实现了大幅度跃升。
在此基础上，研究团队从磁八极子视角切入，破解了手性反铁磁电学翻转的“效率密码”：通过对驱动力和能垒的系统性理论分析，指出自旋极化与磁易面的倾斜几何构型能够突破长久以来的“超低的能垒和超高效的驱动力无法共存”的限制，是实现高效全电学翻转的关键。该机制对其他易面非常规磁体也具有推广意义。
实现量级提升，突破源于创新
这一工作展示了两个层面的创新：利用非共线自旋指纹和同质结设计，实现极性可控的全电学完全翻转；从磁八极子的视角出发，破解了手性反铁磁电学操控的效率密码。
通过满足单晶和多晶Mn3Sn所需的不同生长条件，利用分子束外延生长技术构筑了手性反铁磁Mn3Sn同质结（图1a），利用Mn3Sn（0001）产生面外自旋极化（σz），翻转在多晶Mn3Sn层的手性反铁磁序。通过面内大磁场进行预磁化（图1a），操控Mn3Sn（0001）层的磁序取向，进而控制磁自旋霍尔效应，实现零场翻转的开关和极性的反转（图1b）。对比铁磁翻转极易受外磁场的干扰，手性反铁磁的全电学翻转呈现出优越的抗磁场干扰特性（图1c）。
图1：受面内手性反铁磁序所调控的全电学翻转
手性反铁磁是磁八极子的载体，这一磁序概念超越了常规的自旋和磁偶极子概念。亚晶格自旋和磁八极子，为理解手性反铁磁的动力学现象提供了两个截然不同的视角。
研究团队从磁八极子视角出发，对自旋力矩特征（贡献翻转所需的驱动力）和磁各向异性特征（影响翻转所需克服的能垒）做了系统的理论分析，揭示了两方面关键机制：（1）磁易面约束下，手性反铁磁和铁磁对于面外自旋的响应有本质区别（图2a和b），垂直于磁易面的分量会产生交换耦合力矩，贡献的驱动力如图2c所示，是高力矩效率的主要来源；而平行于磁易面的分量产生的驱动力（图2d）用以决定零场翻转的极性。手性反铁磁同质结中，面外自旋极化与Kagomé磁易面成倾斜的几何构型，既实现了全电学翻转，又保留了较高的力矩效率。（2）易面所贡献的能垒极低（图2e和f），利于高效翻转，然而却会使手性反铁磁的翻转不完全。而若为了实现100%翻转而引入二重磁各向异性，却会使能垒成数量级地提升，极大限制翻转效率。在传统的构型中，驱动力优势和能垒优势始终无法共存，而倾斜的几何构型（图2a）和多晶Mn3Sn的易面磁各向异性（图2b），则成功突破了这一限制，造就了极高的电学翻转效率。
图2：极高的电学翻转效率的物理根源
团队采用临界电流密度Jc、功耗Pc，以及反常霍尔矫顽力与临界电流密度的比值μ0Hc/Jc三项指标来综合评估翻转效率，新构型下，三项指标均比此前有了大幅优化，与铁磁相比，μ0Hc/Jc更是实现了两个数量级的提升。
从基础研究走向应用的关键环节已打通
本项工作打通了手性反铁磁从基础研究走向器件应用的关键环节，不仅为开发兼具超高密度、超快读写和低功耗特性的新一代磁存储奠定了技术基础，也为基于手性自旋振荡和自旋力矩二极管效应的太赫兹纳米振荡器与整流器研发提供了重要科学支撑。
研究团队历经5年潜心攻关，克服了Mn和Sn的高挥发性、Mn3Sn晶体质量难保障等难题，通过持续优化分子束外延生长技术，实现了高质量Mn3Sn晶体的稳定生长。
此前，团队已在反铁磁自旋电子学领域深耕多年，曾获教育部自然科学一等奖。数年积累为此次研究实现手性反铁磁序的零场完全翻转奠定了坚实基础。现阶段，团队已在开展反铁磁器件研究工作，加速推进技术从基础走向器件应用。未来有望应用于消费电子、车载电子与传感器、高性能计算与物联网等领域，满足各类环境下的高可靠数据存储需求。
本研究得到国家重点研发计划、国家自然基金委专项项目、北京市自然科学基金、清华大学笃实专项和新基石“科学探索奖”等项目的支持。清华大学材料学院2020级博士生周致远为论文第一作者，材料学院教授宋成为论文通讯作者。
3、北理工团队在镍基超导领域取得突破性进展
在高温超导材料探索中，镍基双层钙钛矿材料La3Ni2O7在高压下展现出超越液氮温区的超导转变温度，引起了广泛关注。然而，高压环境极大地限制了其基础研究和应用潜力。如何在常压下实现液氮温区超导是当前领域面临的关键挑战。
北京理工大学物理学院杨帆教授团队与合作者提出了一种创新性理论方案：在单双层La3Ni2O7薄膜中施加垂直方向的电场，有望在常压下实现液氮温区的高温超导。该工作通过结合简化单轨道模型与完整双轨道模型的强耦合理论研究，系统论证了这一方案的物理可行性。
如图1所示意，研究团队提出，当施加一个垂直于薄膜平面的电场时，高电势层的电子会流向低电势层。由于低电势层中近乎半满的Ni-3dz²轨道难以容纳更多电子，流入的电子主要填充Ni-3dx²-y²轨道。这一电荷转移过程抑制层间的s波配对，但显著增强低电势层内的d波配对。理论计算验证该观点，且表明，在层间施加约0.1~0.2伏特的电压，便可使低电势层内3dx²-y²轨道电子填充率接近铜氧化物高温超导的最佳掺杂区域，其理论Tc可超过液氮温度。
这项工作提出了一种不依赖高压、通过电场调控实现液氮温区超导的新物理机制，为高温超导的探寻提供了一条极具潜力的新途径。目前，该工作已被哈佛大学终身教授、美国科学院院士Ashvin Vishwanath等人关注与跟进。
该论文发表在国际顶尖期刊《Nature Communications》上（Nat. Commun. 17:1120(2026)）。北京理工大学物理学院的博士研究生邵芷嫣和季嘉恒为论文共同第一作者，杨帆教授为论文唯一通讯作者。参与论文工作的还有中山大学姚道新教授和西湖大学吴从军教授。
图1 施加垂直电场前后的粒子数和超导配对情况示意。(a) 无电场时粒子数情况。(b) 无电场时主要超导配对构型。(c) 有垂直电场时电子转移情况。(d) 有垂直电场时主要超导配对构型。
4、计算机系存储实验室研究成果获得第24届USENIX文件与存储技术会议杰出技术贡献奖
2月24日至26日，第24届USENIX文件与存储技术会议（USENIX Conference on File and Storage Technologies, FAST）在美国圣克拉拉举行。清华大学计算机系存储实验室研究论文“GPU检查点保存和恢复的快速和轻量级方案”（GPU Checkpoint/Restore Made Fast and Lightweight）获得杰出技术贡献奖。该论文第一作者为计算机系2021级博士生曾少勋，导师为计算机系副教授陆游游。
杰出技术贡献奖
该论文提出了一种快速且轻量级的GPU检查点保存和恢复方案GCR，通过分离数据路径与控制路径，提出GPU的增量式检查点技术，高效支撑了多种现代GPU负载的关键应用场景，包括弹性GPU任务快速扩展、GPU多任务切换、容错的GPU计算等，对于提升GPU集群整体利用率具有重要意义。GCR支持vLLM、DeepSpeed、Transformers等主流框架和多种型号的GPU，在几乎不影响应用正常执行（性能干扰低于1%）的前提下，该方案可将检查点保存延迟降低至原来的28%，恢复延迟降低至13%。该论文还实现了高质量开源，其在功能完备性、性能可复现性等方面均展现出了高水准。
FAST（File and Storage Technologies）是计算机存储领域的顶级学术会议，是中国计算机学会（CCF）推荐的A类会议。
