1.北京大学微波光子团队与合作者在光生微波领域取得重要进展；

2.中国科学院室温高效分子半导体自旋输运材料研究获进展；

3.中国科学院研究利用反向提锂机制实现高选择性的锂离子筛分

1.北京大学微波光子团队与合作者在光生微波领域取得重要进展

高稳定低噪声微波信号在时频计量、射电天文、雷达导航等领域发挥着不可替代的作用。传统的电学微波合成方式在稳定性和噪声控制方面已逼近技术瓶颈，而基于光电子技术的微波合成方案为突破这一瓶颈提供了新的路径。在众多方案中，由超稳激光与光频梳构成的光分频方案表现尤为突出。该系统将应用于光钟的超稳激光通过光频梳分频至微波，可产生目前已知的稳定性最高噪声最低的微波信号（团队成员解晓鹏助理教授是此方案的纪录保持者）。然而，现有光分频系统普遍存在体积庞大结构复杂等问题，严重制约了其实际应用。如何构建紧凑且高鲁棒性的光分频系统，并进一步探索其噪声极限，已成为微波光子领域亟待攻克的重要课题。

近五年，光子传输与通信全国重点实验室的北京大学电子学院微波光子团队与中国计量科学研究院、德国联邦物理技术研究院、北京大学物理学院等团队密切合作，提出了一种基于高相干双波长激光器与电光梳的双点分频法方案，探索了该系统的噪声极限，并取得了纪录性的成果，解决了传统方案在结构复杂性方面的难题。2025年4月29日，相关研究成果以“高相干双波长激光器及其在低噪声微波产生中的应用”(Highly coherent two-color laser and its application for low-noise microwave generation)为题，在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

图1. 文章截图

为实现双点分频法方案的噪声极限，团队采用了PDH稳频技术（如图2所示），将两台激光器同步至同一超稳光学法布里-珀罗（F-P）腔，使得两台激光器之间的相对稳定性远优于各自的绝对稳定性，最终实现了高相干的双波长激光器。PDH稳频技术被广泛应用于全球计量实验室，能够实现目前已知的最稳定连续激光。过去五年来，团队深入研究并有效抑制了双波长激光器系统中的各类噪声，双波长激光器的相对相位噪声达到-52 dBc/Hz@1Hz，归一化至光频的分数频率不稳定性达到2.7E-17@1s，达到国际先进水平。

图2. 双波长激光器

在高稳定高相干双波长激光器的基础上，团队利用4.2nm的电光梳将双波长激光器的相对稳定性下转换至微波信号的稳定性，实现高稳定微波信号合成。电光梳的使用大大简化了传统光分频系统的复杂性。由于产生微波信号的相位噪声低于所有商用相位噪声分析仪的噪底，团队研制了两套独立的系统进行拍频相位噪声表征。最终，产生的25GHz微波信号的相位噪声达到-74dBc/Hz@1Hz，分数频率不稳定性达6E-14@1s，与当前时间频率计量领域最好的氢钟秒稳相当，代表着双点分频法的国际最高水平。

在研究高稳定高相干双波长激光器的过程中，团队掌握了下一代光钟所需的超稳激光锁定技术。除了本工作中用于光生微波的应用外，高相干双波长激光器还被期望应用于高精度干涉仪、CPT原子钟和量子计算等领域。

图3. 电光分频系统结构与微波相位噪声测试结果

北京大学电子学院2020级博士研究生何必博、2022级博士研究生杨嘉川和中国计量科学研究院孟飞副研究员为论文的共同第一作者。北京大学电子学院解晓鹏助理教授和中国计量科学研究院孟飞副研究员为共同通讯作者。参与研究工作和论文撰写的还有北京大学微波光子团队的陈章渊教授、张宸博博士，中国计量科学研究院的左娅妮副研究员、林弋戈研究员、方占军研究员，德国联邦物理技术研究院的俞佳良博士和北京大学物理学院的杨起帆助理教授。

团队的前期工作在国际光电子领域顶级会议——2024年激光与电光学会议（Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO）上被遴选为Post-Deadline Paper（PDP）论文报告，在光电子领域具有较大影响力和代表性。2024年度PDP论文共31篇，其中中国大陆仅有3篇。

上述成果得到北京市自然科学基金（JQ24027）、国家自然科学基金(62071010，1230030120)、北京大学“仪器创制与关键技术研发”项目的支持。

2.中国科学院室温高效分子半导体自旋输运材料研究获进展

分子半导体通常由原子序数较低的轻元素组成,因此具有较弱的自旋-轨道耦合作用,且室温下自旋寿命的理论预测值超过毫秒量级,被学界认为是实现室温高效自旋输运和未来自旋运算应用的理想材料体系。尽管理论上可通过分子结构设计提高材料自旋寿命,但此前研究报道的分子半导体材料自旋寿命大多≤0.1μs,低于理论预测值,这一现象与对该类型材料的普遍认知相悖。

近日,中国科学院国家纳米科学中心研究员孙向南团队通过理论研究发现,分子半导体材料的分子内偶极取向能够影响超精细相互作用,而超精细相互作用强度是决定材料自旋寿命的关键因素。基于这一发现,该团队联合上海有机化学研究所研究员高希珂团队,基于具有相同元素组成与共轭结构平面性但分子内偶极排列不同的2,6-薁基共轭聚合物,结合电子顺磁共振技术和自旋阀器件,实验证明了通过设计分子内偶极取向可以显著抑制超精细相互作用,从而获得了高达106μs的室温自旋寿命,创造了室温纪录值。

该研究提出了新的分子内偶极取向设计策略,为设计室温高效自旋输运材料提供了指导思路,有望推动室温自旋运算器件的开发与应用。

相关研究成果以Enhancing Room-Temperature Spin Lifetimes in Molecular Semiconductors by Designing Intramolecular Dipole Orientations为题,发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院以及北京市科学技术委员会等的支持。

分子内偶极取向对分子半导体自旋寿命的影响

3.中国科学院研究利用反向提锂机制实现高选择性的锂离子筛分

实现高选择性的锂离子筛分，对于解决锂资源短缺等难题具有重要意义。然而，由于锂离子与钠、钾、镁、钙离子等其他多种竞争离子在尺寸和价态等性质上相近，从高浓度溶液中精准提取锂离子面临挑战。尽管已有多种膜材料被开发用于实现锂离子的选择性透过，但其选择性远不能满足海水提锂的需求。

针对这一问题，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员高军与青岛大学科研团队开展合作，研究开发出一种可精准截留锂，同时传输其他阳离子的膜材料。研究团队考虑到水中锂离子的迁移速率明显低于钾、钠等竞争离子，且具有最低的电迁移率，因此通过截留锂离子同时传导竞争离子的方式，从理论上能够实现更高的锂离子选择性筛分。

研究团队构筑了一种随机取向的共价有机框架（COF）基分离膜，该膜的孔径不利于锂离子透过，并且其表面磺酸基团不利于锂离子结合，从而实现了极高选择性的锂离子截留。该研究利用垂直排列的纳米片阵列作为基底，诱导COF的垂直取向生长，并通过与COF原生水平取向生长的竞争作用，诱导实现COF微晶区之间的无规取向排列。晶界的扭曲产生尺寸< 0.3 nm的极窄孔径，对锂离子传输形成极大的空间位阻。

进一步研究发现，磺酸基团可特异性提高钾、钠离子通量，但对锂离子的通量提升效果有限。综合分析表明，随机取向导致的极窄孔径与磺酸基团的协同效应是该COF基膜材料具有极高钾/锂、钠/锂选择性的内在原因。该膜在允许钾、钠离子以可观的通量跨膜输运的同时，可实现对锂离子完全的截留（低于电感耦合等离子质谱仪对锂离子的检测限）。

考虑到锂离子具有最低的电迁移率，研究团队在上述研究的基础上，进一步结合电渗析技术，通过调控电场强度实现钠、钾、镁、钙四种竞争离子的跨膜输运及锂离子的完全截留。实验证明，在电渗析条件下，钾、钠离子的通量随着电压的升高而逐渐增加，在3 V电压下达到10 mol h-1 m-2以上。当将电压提高到4.5 V时，多种竞争离子（钠、钾、镁、钙离子）高通量传输的同时，锂离子的通量却保持为零，实现了高选择性的锂离子筛分，并成功应用于真实盐湖卤水中锂离子的精准提取。该研究成果可为随机取向COF基膜材料的设计和应用提供新思路，并有望启发其他高值稀有元素的高效分离。

相关研究成果以Randomly oriented covalent organic framework membrane for selective Li+ sieving from other ions为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

随机取向COF基分离膜的制备与表征

电渗析实现竞争离子的高通量传输及锂离子的完全截留