国家级科研院所开展科普研学活动的实践与思考——以中国科学院“科技人才早期培养”科学探索系列活动为例

国家级科研院所开展科普研学活动以高端科技资源转化为主要特征,研学线路选择以中国科学院国家级科研院所所属实验台站为核心,以提高中学生科学兴趣和科学素养为根本目标,以研究性学习为中心开展实施。探讨了多年来国家级科研院所利用丰富的科技资源开展中学科普研学活动的基础路径和实施效果,针对普遍存在的问题也提出了相应的对策与解决方案。

无中微子双贝塔衰变:新物理探索和宇宙学观测

近二十多年来,太阳、大气、反应堆和加速器的中微子振荡实验提供了大量确凿的证据表明中微子有质量。然而,粒子物理学标准模型却预言中微子质量为零。这意味着中微子质量的产生必然要求引入超出标准模型的新物理。文章将介绍无中微子双贝塔衰变对新物理探索和宇宙学观测的重要影响,尤其是该稀有衰变过程的实验观测在突破粒子物理学和宇宙学标准模型的前沿研究中扮演的独一无二的角色。

A位有序四重钙钛矿氧化物:结构、物性和展望

A位有序四重钙钛矿氧化物AA′3B4O12具有丰富的物理性质和优异的材料性能,是当今凝聚态物理和材料科学的重要研究对象。相较于简单的ABO3型钙钛矿,在A位有序四重钙钛矿氧化物中,3/4的A位离子被过渡金属离子A′所取代,形成了1∶3的A/A′有序结构。因此,A位有序四重钙钛矿氧化物中的磁-电相互作用不再局限于B位子晶格内部,新颖的A′-A′、A′-B等磁-电相互作用也随之产生,从而展现出许多新现象和新物理机制,并为未来的实际应用提供了材料基础。围绕几种具有代表性的A位有序四重钙钛矿氧化物,回顾其研究脉络,对其晶体结构、物理性质和内在机理进行简单介绍,并对这类材料体系的研究方向和应用前景做出一些展望。

不等臂长条件下时间延迟干涉法的最优灵敏度曲线

发展了一种新算法,其能够不依赖于时间延迟干涉法基底构型的正交化过程,可直接得到最优灵敏度曲线;分别将其应用到第1代和第2代时间延迟干涉法.结果表明:尽管受不等臂长模型和不同基底选择的影响,但是最优灵敏度曲线仍展现出良好的鲁棒性;基底数量对最优灵敏度曲线有显著影响,当基底数由3增加到5时,灵敏度曲线获得了显著的优化,其中基底数为3时,在0.0010.100 Hz引力波频段内,不同基底的选择对最优灵敏度曲线影响较为显著.

LK-99“室温超导”假象源自Cu_(2)S一级结构相变

1引言超导体具有零电阻和完全抗磁性(迈斯纳效应)两个特征,可用于电力传输、超导磁悬浮、核聚变等能源领域。此外,超导是一种宏观量子现象,可以用于量子计算、量子通讯等信息领域。自1911年第一个超导体被发现以来,超导体临界温度(Tc)从最初的液氦温区提升到了液氮温区.

超快自旋动力学:从飞秒磁学到阿秒磁学

超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后,在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为.随着激光技术的不断提升,1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域,是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径.尽管已有几十年的历史,飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决,而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程.利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用,可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为,即阿秒磁学.本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题,阿秒磁学研究的机遇与挑战,并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望.

压电圆环径向弯曲振动与激励研究

针对压电圆环换能器的径向弯曲振动问题,从薄壳理论出发进行相关数理推导,讨论了压电效应的影响及电学短路与开路下的弯曲振动方程.进行相关解析求解,给出了两种条件下的多阶谐振频率预测公式,并利用有限元法分析了两式的适用范围.使用模态理论,定义模态权值函数,研究了电学激励条件对多阶弯曲振动模态的具体影响,得到了单模态激励、局部等幅激励和单端激励等作用于多个目标模态的有效方法.经有限元仿真(FEM)、实验与理论对比验证,三者吻合较好,相关结论可以为压电圆环弯曲振动模态识别、模态激励的精细化调控提供理论基础.

1.74μm大应变InGaAs/InGaAsP半导体锁模激光器

针对光频梳、医学光声成像及痕量气体探测等应用需要,研制了一种InP基碰撞锁模半导体激光器,可在1.74μm波段实现重复频率为19.3GHz的高效锁模,其射频(RF)谱半高全宽(FWHM)约14kHz。在可饱和吸收区未加偏压时,激光器的阈值电流为83mA,最大出光功率可达到25.83mW。固定吸收区偏置电压在-1.6V,增益区驱动电流高于130mA时,锁模激光器开始输出微波射频信号,并且RF谱的FWHM随着电流增加可下降至十几kHz。固定驱动电流为520mA,在吸收区偏置电压从-1.4V降至-2V过程中,激光发射光谱逐渐展宽,在-2V偏压下,光谱的FWHM为9.88nm,包含40多个间隔为0.2nm的纵模。对比分析了不同驱动电流和偏置电压下的射频频谱和发射光谱的变化趋势,证明了该锁模器件具有高效、稳定的锁模机制。

长距离泵浦-探测系统的阿秒精度锁定

随着超快科学和阿秒脉冲技术的发展,基于孤立阿秒脉冲的泵浦-探测系统由于能实现对电子动力学的时间分辨测量,已成为人们开展阿秒超快过程研究不可或缺的关键技术.但要获得稳定可靠的泵浦-探测信号,需要保证泵浦与探测光之间阿秒级的高精度同步,较大的抖动将会导致信号产生弥散、甚至被淹埋在噪声中,从而无法获得真实的物理图像.由于阿秒脉冲从产生到应用终端之间的距离通常较长,要实现阿秒时间分辨,就必须对阿秒光脉冲与泵浦光进行阿秒量级的延时锁定.针对这一问题,本文发展了一种新型的双层光路系统,通过对获得的干涉条纹进行快速傅里叶变换,将获得的时间抖动量反馈给压电平移台实时补偿光程漂移,实现了泵浦光与探测光之间阿秒量级的同步锁定.应用该方案到光路长度从1—10 m的阿秒泵浦探测系统,得到了锁定精度分别从7.64—31.76 as的结果,分析表明系统延时误差与距离呈严格的线性关系,决定数R^(2)=0.96.本研究工作表明,使用小型干涉仪可实现对大科学装置中长距离阿秒泵浦探测系统的锁定精度进行快速检测,这对如非共线阿秒条纹相机、时间分辨光电子能谱仪、相干合成等应用具有一定的参考意义.

钙钛矿型CeTaN_(2)O的高压制备及其磁性和电学性质

最近研究发现,AB(N,O)_(3)型钙钛矿氧氮化物具有优异的介电、铁电、光催化等性能,在光电子、能源存储和通信等领域展现出广阔的应用前景.但是,目前该类型材料的制备工艺耗时较长且产物纯度较低.本文以氧化物为前驱体、以氨基钠为氮源,利用六面顶压机设备所提供的高温高压环境成功制备了高纯度的钙钛矿型氧氮化物CeTaN_(2)O块体材料,并将制备时间缩短至1 h,实现了快速合成.并对其晶体结构以及物理性质进行了系统的研究.X射线粉末衍射实验和Rietveld精修结果表明,所制备的样品属于正交晶系,空间群为Pnma.X射线吸收谱测试确定了样品的电荷组态以及阴离子组合为Ce^(3+)Ta^(5+)N_(2)O.磁性和比热测试表明,样品属于反铁磁物质,磁相变温度低于2 K.电学输运性能测试表明,样品的电阻率呈现出典型的半导体行为,且符合三维变程跳跃模型.

AI辅助电池材料表征与数据分析

随着锂离子电池(LIBs)的快速发展,传统实验方法在处理复杂数据和优化设计时面临挑战。近年来,人工智能(AI)技术在数据处理、模式识别和预测分析方面展现出巨大潜力,为LIBs的研发提供了新的解决方案。本文综述了AI在锂离子电池材料表征中的应用,包括谱学和成像表征技术。AI通过特征提取和数据分析,提高了谱学分析的准确性和效率;结合先进成像技术,研究者能够以前所未有的精度和速度探索材料内部结构。AI在图像识别、分类和分割中的应用,进一步提升了数据处理的效率和准确性。未来,AI将通过技术创新和跨学科合作,在电池材料科学领域发挥重要作用,推动高性能电池的研发和应用。

冷冻电镜观察固态锂电池界面

固态锂电池(SSLBs)有望兼顾高能量密度和高安全性,是未来电池领域的重要发展方向。固态电解质(SSE)与电极材料之间存在界面阻抗大、相容性差等问题,严重地制约着它的发展。然而,由于辐照敏感特性,难以直接采用常规透射电子显微镜(TEM)观察界面结构。冷冻电镜(Cryo⁃EM)可以有效地缓解辐照损伤,提供更准确、真实的结构信息,有助于深入理解界面微观结构与SSLBs电化学性能之间的构效关系。本文综述了Cryo⁃EM用于观测SSLBs界面的晶体结构和化学组成,揭示了界面形成和演化机制以及SSLBs的失效机制。最后展望了Cryo⁃EM在表征SSLBs界面所面临的挑战和未来的研究方向。Cryo⁃EM在SSLBs界面研究中发挥越来越重要的作用,逐渐成为推动高性能SSLBs发展的必备技术。

等容预压缩等离子体中的快点火热斑形成与燃烧波传播

研究热斑点火物理过程对于实现聚变点火和高增益聚变放能具有重要意义,但是,迄今为止的大部分相关研究都是针对等压构型预压缩等离子体进行的,对等容构型预压缩等离子体中的热斑点火过程研究尚不充分.本文针对双锥对撞点火方案产生的等容预压缩高密度等离子体,建立了描述热斑边界演化和核聚变燃烧的半解析模型.该模型表明,在等容预压缩高密度等离子体中的热斑边界,可以用对热斑产生的α粒子具有强烈吸收作用的激波波峰的位置来定义,且等容预压缩等离子体中的热斑点火过程也存在α粒子射程主导的自调节现象.通过考虑α粒子的空间不均匀沉积效应,可以利用该模型描述等容预压缩等离子体中热斑内部的温度和密度演化.使用该模型分析热斑在点火初期时刻的劳森参数和平均热斑温度发现,在快电子总能量相同情况下,能量较低的快电子束更有利于实现点火.辐射流体模拟程序O-SUKI-N的验证计算表明,本文提出的半解析模型的计算结果具有较强的合理性.

光激发下水体系的超快动力学

近年来,实验技术和理论计算在实现超快时间尺度的分辨以及对于原子尺度微观细节的解析上都有了突破性进展,对于水体系的超快微观动力学也带来了更多新的认识.本文将视角集中于水分子、水团簇以及液态水在不同强度的光激发下产生的电离、解离甚至等离子体化的过程,总结了人们在前沿工作中获得的有关水体系原子尺度超快动力学的知识.特别地,围绕光电离实验探讨了阿秒尺度的电离延迟以及水分子Feshbach共振理论分析;围绕液态水的解离过程探讨了水合电子产生、空穴的定域化等重要过程,补足了液态水解离完整过程的微观图像;围绕水的等离子体化介绍了通过含时密度泛函等方法计算得到的水在强激光脉冲作用下转变为等离子体状态的过程与机制,总结了在极高电子温度下水的特殊电子结构的相关知识.这些讨论将给出当前人们看待水的激发态的相对全面的视角.

Bi_(2)O_(2)Se纳米线的生长及其超导量子干涉器件

Bi_(2)O_(2)Se是一种新型半导体材料,具有载流子迁移率高、空气中稳定和自旋轨道耦合强等优点,并且其合成方法多种多样,应用范围十分广泛.但已有研究大多集中在其二维薄膜,本文介绍一种使用三温区管式炉通过化学气相沉积生长Bi_(2)O_(2)Se一维纳米线的方法,研究了云母衬底处于水平方向不同位置以及竖直方向不同高度对Bi_(2)O_(2)Se纳米线生长的影响,并归纳出适于其生长的优化条件.之后,基于生长的Bi_(2)O_(2)Se纳米线构建了超导量子干涉器件,并观测到随磁场的超导量子干涉,为拓宽Bi_(2)O_(2)Se纳米线的应用提供了思路.

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.

利用扫描隧道显微术对SrTiO_(3)(001)上生长CoSe/FeSe异质界面结构和谱学研究

硒化铁/钛酸锶(001)(FeSe/SrTiO_(3)(001),FeSe/STO)中界面增强的超导电性一直是近些年凝聚态物理领域的热点问题之一,基于FeSe薄膜构筑异质界面是调控其超导电性和构筑新奇量子物态的重要手段。本文报道了利用分子束外延在SrTiO_(3)(001)衬底上制备了高质量硒化钴-硒化铁(CoSe/FeSe)纵向异质结的方法,利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱详细研究了该异质界面的电子性质和电子态密度的实空间分布。由于CoSe/FeSe界面存在强烈的电荷转移,FeSe处于过掺杂状态,导致FeSe/STO界面相互作用已不满足非绝热近似,以及FeSe中超导电性的消失。空间依赖的扫描隧道谱显示,CoSe/FeSe的异质界面边缘处出现了晶向依赖的边缘电子态和边角电子态,这些边界上的电子态受到CoSe/FeSe界面电荷转移效应的调制。该研究为基于单层FeSe/STO界面超导电性的调控及量子结构的构筑提供了借鉴。

铁基超导体中的马约拉纳零能模及其阵列构筑

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,其编织操作可用于构筑拓扑量子比特,是拓扑量子计算的基本单元,可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题.现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构,如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等,以及单一材料,如2M-WS_(2),4Hb-TaS_(2)和铁基超导体等.铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势,引起了广泛关注.最近,大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到,为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台.本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测,其中将重点介绍FeTe_(0.55)Se_(0.45),(Li_(0.84)Fe_(0.16))OHFeSe,CaKFe_(4)As_(4)和LiFeAs等材料体系.接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作.然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作.最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望.

量子材料中基于空间自相位调制的激光诱导电子相干性

空间自相位调制是一种三阶非线性光学效应,又称光学克尔效应。空间自相位调制的物理机制为激光诱导的非局域电子相干性,是一种集体激发行为,非线性光学响应,演生现象。物质中电子在光场的驱动下以光学频率运动,获得由外场决定的相位,分离区域之间保持固定的由光场决定的相位差,从而演生出非局域电子相干性,其衍射光的平行光分量在远场形成一系列同心嵌套的圆锥形发射,在远场屏上形成干涉环,此即空间自相位调制。基于激光诱导在量子材料中产生电子相干性,可以实现全光开关,具有“以弱光控制强光”的特性,功能类似于光子学中的“三极管”。本文简要综述空间自相位调制的物理机理研究及其在全光开关领域的应用前景,重点梳理空间自相位调制在新阶段的发展以及微观物理机制。

北京大学DC-SRF-II注入器光阴极驱动激光系统

为满足北京大学新一代超导注入器DC-SRF-II注入器的需求,设计了新的光阴极驱动激光系统。系统采用模块化的布局,可以工作在从单脉冲到81.25 MHz连续波模式,绿光输出功率1.41 W@1 MHz。系统实现了激光的纵向和横向整形,纵向整形后的激光脉冲为平顶分布,脉宽约为18 ps,横向则为截断高斯分布。实验结果显示,输出激光的RMS功率波动为1.8%,指向抖动小于1μrad。