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.

梯度磁场中自旋-轨道耦合旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态研究

利用准二维Gross-Pitaevskii方程,研究了在梯度磁场中具有自旋-轨道耦合的旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.探索了自旋-轨道耦合作用和梯度磁场对基态的影响.结果发现,在梯度磁场下,随着自旋-轨道耦合强度增大,基态结构由skyrmion格子逐渐过渡为skyrmion列.对于弱自旋-轨道耦合和小旋转频率情况,增大磁场梯度强度可导致基态由平面波相转变为half-skyrmion;对于强自旋-轨道耦合和大旋转频率情况,梯度磁场可诱导hidden涡旋的产生.梯度磁场、自旋-轨道耦合和旋转作为体系的调控参数,可用于控制不同基态相间的转化.

高性能La-Co共替代M型永磁铁氧体的磁各向异性增强机理研究进展

自20世纪末以来,La-Co共替代的M型铁氧体备受关注,已成为高性能永磁铁氧体的基础材料.Co2+的未淬灭轨道矩被认为是增强铁氧体单轴各向异性的原因,但其微观作用机理尚未完全解释清楚.为了满足铁氧体材料日益增长的性能需求,理解其磁各向异性增强机理至关重要,并寻求从根源上的提升、低成本和高效的方法,以制定开发高性能产品的指导原则.本文综述了一系列研究工作,旨在确定Co离子在晶格中的取代位置,这是增强磁各向异性的关键.这些研究为进一步提高永磁铁氧体的磁性能提供了重要的材料设计参考.

新型CF_(x)锂原电池自放电率的比较研究及其应用建议

新型高比能氟化碳(CF_(x))材料不断涌现,使Li/CF_(x)原电池的比能量/比功率特性持续提升,特别是功率型Li/CF_(x)电池已开始用于小型商业化动力系统中,可能成为比能量最高的动力型锂原电池。但不同类型CF_(x)材料制备的Li/CF_(x)锂原电池的自放电情况尚缺乏比较研究。本文选择4种典型的新型CF_(x)材料,根据其应用目标分为能量型和功率型材料,其中2种能量型CFx的F/C比接近1,具有更稳定而饱和的C—F化学键,而2种功率型CF_(x)材料F/C比略低,离子型C—F键更多,具有更好的导电性和更好的倍率性能。通过工业化设备工艺制备成的BR18650型Li/CF_(x)原电池经55℃高温储存后,无论是否放电过,能量型电池的自放电率几乎为0,具有长寿命货架储存特性;而功率型电池55℃储存后,放电深度(DOD)越高的电池的内阻越大、自放电率也越大,锂原电池常用的预放电处理工艺会导致功率型电池的自放电率上升,意味着功率型电池一旦预放电激活后就应立即投入使用。功率型电池间歇式使用会导致其自放电率增大和内阻增加,原因可能是松散LiF保护膜的破坏造成新鲜CF_(x)界面暴露于电解液中继续反应,但能量型CF_(x)材料因其具有更多稳定的饱和C—F共价键而影响较小。

阿秒脉冲串产生和相位信息重构的对比研究

阿秒脉冲为研究原子、分子和电子的超快动力学提供了前所未有的测量精度.目前最成熟的方法是使用飞秒激光与气体相互作用产生阿秒脉冲串和孤立阿秒脉冲.阿秒脉冲的时域信息以及电子的动力学信息可以通过阿秒条纹相机或基于双光子跃迁干涉的重构阿秒拍频(RABBITT)方法从能谱图中提取.本文研究了阿秒脉冲串的产生、测量和表征,通过自主设计建造的钛宝石放大器和阿秒束线进行实验获得光电子能谱图,并采用不同方法重构阿秒脉冲串的相位信息.这对于深入理解电子动力学并进行相关测量具有重要意义.

脂质体包裹荧光受体方法研究a-突触核蛋白在磷脂膜上的结构和动态特征

α-突触核蛋白(α-synuclein,α-syn)在帕金森病的发病机理中起着关键的作用,因而近年来受到了越来越广泛的关注.α-syn在膜上的动力学过程对理解其功能至关重要.本文使用基于脂质体的单分子荧光衰减方法——LipoFRET,首次对较高浓度下α-syn与磷脂膜的相互作用的动态过程进行了单分子层面上的研究.研究发现,在溶液中α-syn浓度升高时,其中央NAC区域可离开磷脂膜表面进入水相中;而N端部分位于膜表面内的位置变浅,并有更高的概率脱离膜表面进入溶液中.利用单分子荧光成像对α-syn解离的观察则发现,随着溶液中的α-syn浓度升高,脂质体上的α-syn解离速率加快.因此高浓度下,α-syn在膜上各区域垂直位置变化促进了蛋白从膜上的解离.结合LipoFRET的实验结果可以推断,α-syn的解离可能是由于不同的α-syn分子膜作用位点互相竞争而导致的解离.这样的特征,可能是体内环境中影响α-syn控制其聚集的重要性质.

高功率克尔透镜锁模掺镱全固态激光器研究进展(特邀)

高功率、窄脉宽的超快激光在基础科学研究、精密制造和生物医学等领域扮演着越来越重要的角色。在众多飞秒光源中,激光二极管泵浦的掺镱全固态飞秒激光器具有输出特性优异、结构紧凑、简单可靠、成本低廉等优点,成为超快激光领域的研究热点之一。特别是克尔透镜锁模的掺镱全固态飞秒激光器,有望兼备同时输出百瓦级平均功率、百飞秒级脉冲宽度的能力。本文总结了近年来克尔透镜锁模掺镱块材料全固态激光器在高功率窄脉冲输出方面的研究成果,并对实现百瓦级平均功率、十微焦级脉冲能量和高功率GHz重复频率运转给出了展望和方案设想。

非厄米准周期系统中的二次局域体态和局域-扩展的边缘态

局域化是物理学中一个基础且极具潜力的研究领域.基于广义Su-Schrieffer-Heeger模型,本文针对其非厄米项以准周期、非对角形式出现的特点,提出了一种新的分析框架,旨在分别探讨体态与边缘态的局域化特性.对于体态,它可以经历由准无序诱导的扩展-共存-局域-共存-局域的转变,或者是由非厄米特性引起的共存-局域-共存-局域的转变.同时边缘态可以被破坏和恢复,且其拓扑相变与局域化转变完全同步.最后,发现在局域化转变点处归一化参与率的导数展现出明显的不连续性.本文的结果不仅展示了体态和边缘态局域化性质的多样性,而且为局域化研究开辟了一个新的研究视角.

铁基超导中拓扑量子态研究进展

铁基超导体和拓扑量子材料是近年来凝聚态物理两个重要的前沿研究方向.铁基超导体中是否能衍生出非平庸的拓扑现象是一个非常有意义的问题.本文从晶体对称性、布里渊区高对称点附近的有效模型以及自旋轨道耦合相互作用三个方面具体分析了铁基超导的电子结构的基本特点.在此基础上,重点阐述铁基超导的正常态、临近超导的长程有序态以及超导态中非平庸的拓扑量子态是如何衍生的;具体介绍了相关的理论模型以及结果,回顾了相关的实验进展,展望了该领域的发展前景.

镍基超导体中电荷序的实验研究进展

镍基超导体目前分为一价镍氧化物超导体和高压镍基超导体两个家族,其中电荷序的研究受到了广泛关注.这是因为电荷序是强关联电子体系尤其是铜氧化物超导体的研究重点之一,其不仅对于理解电子关联性有着重要意义,与非常规超导电性也有着潜在的联系,而镍基超导体的发现为电荷序与超导电性的研究提供了新的契机.本文总结了镍基超导体电荷序的实验研究进展,讨论了镍基超导体中电荷序的存在与否、具体构型以及微观性质等,以期为进一步深入研究该主题提供新的思路.

电流焦耳热调控反转型垂直(Co/Pt)n/Co/IrMn纳米多层膜结构的交换偏置效应研究

交换偏置效应影响磁敏传感器中的关键性能参数.在外加磁场辅助下,本文提出一种电流产生的焦耳热调控交换偏置效应的研究方法.通过该方法,系统调控了反转型垂直纳米多层膜结构(Co/Pt)_(n)/Co/IrMn(简称垂直多层膜结构,n+1是Co层周期数)的面内交换偏置效应,不仅连续改变了交换偏置场Heb大小,而且实现了Heb的翻转.在垂直多层膜结构中,如果固定外加磁场H_(p)(脉冲电流I_(DC))后连续改变I_(DC)(H_(p))的大小可以连续调控Heb的数值;如果固定H_(p)(I_(DC))后同时改变I_(DC)(H_(p))的大小和方向,则在较大I_(DC)时可实现H_(eb)的翻转.结果表明,该方法可以用来原位调控磁敏传感器的线性磁场范围和灵敏度等关键性能参数,对磁敏传感器的优化研究具有重要的借鉴意义.

激光在大气中驱动的强太赫兹辐射的理论和实验研究

两束双色激光脉冲能在大气中产生MV/cm的强太赫兹波.本文主要介绍了我们最近的三项理论和实验工作,澄清了双色激光方案的物理机制这个长期存在的问题,并对该方案进行了推广.为了在气体中有效地产生太赫兹波,在广泛研究的双色激光方案中两束激光的频率比ω_2/ω_1总是被取为1:2.首先从理论上预测采用其他频率比时,此方案仍能有效地工作,并通过实验进行证实.实验上观察到在新的频率比ω_2/ω_1=1:4,2:3下,也能有效地产生太赫兹波;观察到通过旋转较长波长的激光脉冲的偏振方向,能够有效地调节太赫兹波的偏振,但是旋转波长较短的激光脉冲的偏振方向,太赫兹波的偏振几乎没有变化,这违背了多波混频理论中极化率张量对称性的要求;采用不同的频率比时,太赫兹能量定标率并没有显示出明显的区别,这与多波混频理论预测的能量定标率不符.这些实验结果与等离子体电流模型及粒子模拟结果符合得很好.因此,该研究不仅对双色激光方案进行了推广,而且证实了其物理机制应该归结为等离子体电流模型.

约瑟夫森效应与超导量子电路的基本物理原理

超导电路器件是为数不多的具有量子化能级、叠加态和纠缠等量子特性的宏观器件。这种具有宏观量子特性的器件为实现超导量子计算与组建超导量子计算机打下了硬件基础,2019年谷歌和2021年我国中国科技大学相继实现“量子霸权(Quantum supremacy)”极大地增加了人们在近期构建超导量子计算机的信心。了解超导量子计算有利于增加对物理学前沿发展方向的把握,对非物理专业的理工科背景读者开阔思路也有一定的好处。不同于经典的超导物理教材力图全面的特点,本文根据超导量子计算物理特征和理解超导量子计算的知识背景要求介绍超导量子电路的核心物理原理,力图化简计算推导难度,突出物理图景,以期对超导量子计算建立一个原理层面上的简洁物理图像。

超导量子比特耦合与测控的物理原理

把多个超导量子比特耦合起来并实现对它们的测控是实现超导量子计算的重要一步。作为“物理前沿介绍——超导量子计算”系列的第四篇,本文系统阐述超导量子比特耦合,操控与测量的物理原理,并给出了一套基本的量子操控与测量的流程。作为例子对新近一些超导量子比特实验的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特测控基础表征过程给出统一的流程图,并对超导量子计算进行了展望。本文旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解操控与测量超导量子比特的物理原理。

tBid蛋白引发磷脂膜透化过程的研究

Bid蛋白是仅有BH3结构域的Bcl-2家族蛋白,在溶酶体膜透化以及线粒体外膜透化引发的细胞凋亡过程中起着非常重要的调控作用,但是Bid蛋白与生物膜之间的相互作用导致脂膜透化的确切机制尚不十分清楚.本文利用激光扫描共聚焦显微成像技术及基于氧化石墨烯表面诱导荧光衰逝的单分子荧光技术,分别从单囊泡及单分子水平对tBid蛋白与磷脂膜之间的相互作用进行了系统的研究.结果表明,tBid蛋白在膜上聚集后可引起脂膜的透化,且脂膜透化的发生源于聚集体中一些tBid蛋白更深入地插入了脂膜中.

核壳结构的Cu/NiO和Cu/Cu_(2)O纳米线的等离激元研究

本文对Cu(核)/NiO(壳)和Cu(核)/Cu_(2)O(壳)纳米线的显微结构以及等离激元特征分别进行了研究。在扫描透射电子显微学模式下对两个样品分别进行了电子能量损失谱面扫描,使用不同的能量范围成像可以区分表面等离激元以及体等离激元特征峰的分布区域。研究表明表面等离激元的影响区域超过了纳米线的实际边界。通过测量样品表面等离激元特征峰的衰减距离,发现其最强点均接近纳米线内侧边缘,且和表面形态有关。

一种数据非易失性、多功能和可编程的自旋逻辑研究进展

自旋(磁)逻辑器件具有数据非易失性、CMOS电路兼容性、操作速度快等优点,是开发计算存储相融合的非冯·诺依曼计算机架构的理想候选方案之一.本文进一步演示基于自旋霍尔效应的自旋逻辑方案.利用自旋霍尔效应不仅能够实现基本的布尔逻辑功能和数据存储功能,还可以利用自旋轨道力矩磁矩翻转的对称性要求、偏置磁场要求等,进一步实现自旋逻辑器件的可编程和多功能特性.利用这些特点,同一自旋霍尔逻辑器件可以实现"与"、"或"、"非"、"与非"、"或非"等功能.因为这些特性,基于自旋霍尔效应的自旋逻辑单元有望成为后续自旋逻辑器件和电路的核心器件,推动后者的持续开发与广泛应用.

利用单轴压强下的电阻变化研究铁基超导体中的向列涨落

铁基超导体中普遍存在着反铁磁、超导和向列相,因此研究向列相的性质及其与反铁磁、超导的关系对于理解铁基超导体的低能物理及高温超导电性具有非常重要的作用.所谓向列相是指电子态自发破缺了晶格的面内四重旋转对称性而形成的有序态,从而导致样品的某些物理性质出现了两重的各向异性.我们通过自主研发的单轴压强装置,可以在低温下原位改变压强,测量电阻的变化,从而得到向列极化率.本文介绍了我们利用该装置在最近几年研究铁基超导体的向列相和向列涨落所取得的一些成果,包括详细研究了BaFe_(2-x)Ni_xAs_2体系中的向列量子临界点及其量子临界涨落,并提出了基于向列涨落强弱调节的铁基超导体统一相图.这些结果表明,向列相及其涨落与反铁磁和超导均有很强的耦合,对于理解铁基超导体中磁性和超导电性非常关键.

新型机械解理方法在二维材料研究中的应用

自从石墨烯被发现以来,机械解理技术已经成为制备高质量二维材料的重要方法之一,在二维材料本征物性的研究方面展现出了独特的优势.然而传统机械解理方法存在明显的不足,如制备效率低、样品尺寸小等,阻碍了二维材料领域的研究进展.近些年我们在机械解理技术方面取得了一系列的突破,独立发展了一套具有普适性的新型机械解理方法.这种新型机械解理方法的核心在于通过改变解理过程中的多个参数,增强层状材料与基底之间的范德瓦耳斯相互作用,从而提高单层样品的产率和面积.本文着重以石墨烯为例,介绍了该技术的过程和机理.相比于传统机械解理方法,石墨烯的尺寸从微米量级提高到毫米量级,面积提高了十万倍以上,产率大于95%,同时石墨烯依然保持着非常高的质量.这种新型机械解理方法具有良好的普适性,目前已经在包括MoS_2, WSe_2, MoTe_2, Bi2212等几十种材料体系中得到了毫米量级以上的高质量单层样品.更重要的是,在解理过程中,通过调控不同的参数,可以在层状材料中实现一些特殊结构的制备,如气泡、褶皱结构等,为研究这些特殊材料体系提供了重要的物质保障.未来机械解理技术还有很多值得深入研究的科学问题,该技术的突破将会极大地推动二维材料领域的研究进展.

半赫斯勒合金Nb0.8+δCoSb中空位调节有序度的电子显微学研究

材料的微观结构直接影响材料的物理化学性能,比如,在热电材料里缺陷或者结构的无序会散射声子,从而降低晶格热导,最终提高材料的热电性能。本文主要探究在有缺陷的半赫斯勒合金Nb0.8+δCoSb中,大量空位(16%~20%)存在降低晶格热导率的内在机制;借助电子显微学方法发现在Nb0.8CoSb的样品中存在长程有序和短程有序共存的现象,而在Nb0.84CoSb的样品中短程有序转换为调制结构;借助选区电子衍射技术、中心暗场像技术及球差校正扫描透射电子显微术,分别对上述两种样品的结构进行分析,并对二者之间的相互转换关系进行了讨论。该研究成果为进一步提高热电材料的能量转换效率提供了新的指导。