高频高场电子顺磁共振技术在自旋量子态研究中的应用

电子顺磁共振(EPR)技术是研究具有未成对电子的顺磁性物质的电子结构与动力学信息的有效分析方法,广泛应用于生物医药、化学、材料科学、辐射检测与量子信息处理等领域。与传统的X波段(9.5 GHz)EPR相比,高频EPR具有更高的分辨率、灵敏度与初始化效率等诸多优势,在研究分子中电子自旋的量子性质方面具有重要应用价值。简要介绍了高频高场电子顺磁共振技术的发展、原理、特点与仪器构造等,重点介绍了其在自旋量子态研究中的应用,并对其未来进行了展望。高频高场电子顺磁共振技术可详细表征分子中电子自旋的磁能级结构并对其进行高效精准的量子相干操控,进一步可演示量子算法与逻辑门等。

硅基自旋量子比特技术研究进展

量子芯片是运用量子力学基本原理构建实用化计算机的基础。各国研究团队通过近几年的卓越研究工作,将硅基量子比特芯片技术发展成量子计算的核心方向之一。文章重点归纳了Si自旋量子比特的主要类型,分析了可靠量子计算实现所要求的高保真度、长程耦合等指标的关键技术。这些技术的研究表明,硅是一个能实现全面量子计算发展的可行平台。

自旋量子点量子信息处理

随着社会的不断发展,科学的不断进步,在当今的量子信息学中主要由量子通讯和量子计算两大部分组成,就目前来讲,它是一种新兴的交叉学科。随着人们对量子信息学研究的不断深入,进而提出了一系列可以提供量子信息处理的物理体系。鉴于此,笔者就采用半导体量子系统,并利用其点中的电子自旋,来构造两远程量子点旋间的非局域两qubit逻辑门。对于非局域两qubit逻辑门来讲,它在产生分布式自旋簇态以及分布式量子信息处理中的应用非常重要。

光致规范场下的冷原子及自旋量子霍尔效应

讨论了冷原子与激光场的互作用系统，对于碱金属原子例如^6Li与激光场互作用系统，通过恰当的光场参数配置，构造出具二重兼并的能量本征态，可以分别定义两个简并态为自旋向上及自旋向下态，类似于自旋二分量体系。进一步研究发现，不同自旋态将感受到自旋相关的光致规范场。当原子在设定的空间分布激光场中运动时，其所感受到的有效自旋相关规范场将导致自旋霍尔效应，并产生可观测的自旋霍尔流。

超导和自旋量子比特测控芯片架构研究

超导量子计算近年来发展迅速,但常规超导量子测控系统面临体积庞大、连线复杂、可扩展性低、无法在低温环境运行等问题。迫切需要研制高集成度的低温量子测控芯片,解决超导量子计算系统可扩展性瓶颈难题。本文介绍了超导量子比特测控的基本原理和超导量子比特测控芯片的研究现状,根据测控原理和已有研究成果,分析总结了量子测控芯片的设计需求,包括支持经典+量子混合计算模式、支持通用软硬件接口、支持实时闭环测控等方面.根据设计需求,提出了一种适用于超导量子比特的低温测控芯片架构。自旋量子与超导量子比特测控原理相同,该架构同样适用于基于自旋量子比特的测控芯片。该架构从功能层次上将芯片划分为计算调度层、指令处理层、信号处理层、介质连接层;从架构实现层面将芯片划分为运算控制部件、操作控制部件、测控接口部件等部分。该架构设计合理,功能划分明确,充分考虑异构计算模式支持、通用软硬件接口支持、数字电路高度集成、低功耗实现等设计需求,具备工程可实现性。

掺杂量子自旋霍尔态后所形成超导的平均场计算

给出了对易面t-λ模型详细平均场理论和计算的结果,特别是给出了平均场相图.研究表明,掺杂纯的量子自旋霍尔(QSH)态后可获得2种结论:1)相互作用强度较弱时,QSH态和超导态之间可发生一级相变;2)相互作用强度较强时,系统经过一个连续相变进入2相共存区,并发生QSH态消失的一级相变.计算结果表明,平均场理论虽然体现了对称破缺相的特征,但是其忽略了涨落,致使其得到QSH态与超导态共存的错误结论,从而使得平均场理论无法准确描述因拓扑激发所引起的相变.

量子自旋调控的微位移检测系统设计与测量

以氮空位(NV)色心磁强计为基础,量子自旋调控为技术手段,结合空间梯度磁场的均匀变化,实现基于固态量子自旋的高精度微位移检测。首先,通过永磁体构建均匀变化的梯度磁场,并获得梯度磁场与位移的关联关系;其次,搭建量子自旋调控系统,并通过光探测磁共振(ODMR)确定自旋共振频点,利用拉比振荡(Rabi)确定量子调控翻转周期,完成拉姆齐(Ramsey)序列参数的测定;最后,基于Ramsey磁场测量原理,完成Ramsey所对应的荧光强度与磁场梯度变化的测试,进而实现微位移的高分辨测量,位移的最小可分辨力约为104 nm。

集群金刚石NV色心量子自旋定向激发磁传感增强方法

为满足工业磁传感器高灵敏度、高信噪比(SNR)测量需求,基于自制的共聚焦磁检测系统,提出一种基于脉冲幅度调制技术的集群金刚石氮空位(NV)色心量子自旋定向激发(QSDE)方法。利用任意波形发生器构建sin型QSDE脉冲光探测磁共振序列,抑制传感体系中对微波敏感的Ns杂质与NV色心产生耦合效应带来的线宽展宽与噪声,提升谱线对比度的同时降低了线宽与噪声,突破微波强度对灵敏度和SNR的限制。经实验验证,相较连续波光探测磁共振(CW-ODMR)方法,该方法可将磁传感灵敏度和信噪比分别大约提升5倍和20 dB,为量子精密测量领域开辟了全新的技术路径和研究思路。

莫尔超晶格中的分数化拓扑量子态

带有分数化准粒子激发的分数量子霍尔态是一种奇特的强关联拓扑量子物态,自1982年在强磁场二维电子气中被首次观测到以来一直是凝聚态物理重要的前沿方向.去年来,有多个团队在基于过渡金属硫族化合物和石墨烯的莫尔超晶格中观测到了零磁场分数量子霍尔效应,在莫尔超晶格中还发现了分数量子自旋霍尔效应的迹象.这表明莫尔超晶格体系能够有效调控能带及相互作用,是在零磁场条件下实现分数化拓扑量子态的理想平台.本文简要论述了与此相关的研究进展和存在的挑战,并对该领域未来可能的发展方向做出展望.

一种电子-核子双自旋固体量子计算机实现方案

提出了一种利用电子-核子自旋的半导体固体量子计算机实现方案，通过扫描隧道显微镜的针尖实现单个比特的寻址、操作以及任意两个比特之间的受控非门操作，方案中所涉及到的技术是目前已有的或者是接近于现有的技术水平，所提出的方案有可能利用现有的技术来实现。

三自旋1/2量子控制系统的伴随矩阵计算

将关于密度算子的Liouville-von Neumann方程表示成坐标微分方程,伴随矩阵具有重要作用。对于三自旋1/2量子系统需要64个64×64的伴随矩阵来描述其坐标动态。基于已建立的多自旋1/2量子系统的伴随矩阵和反伴随矩阵的计算公式,该文给出了三自旋1/2量子系统的几个伴随矩阵和反伴随矩阵的算例。计算结果表明,这些64维的伴随矩阵和反伴随矩阵均是稀疏矩阵。通过计算将这些矩阵的非零元列举在表格中并讨论了非零元的分布。

冷原子中的光致量子自旋Hall效应

讨论在冷原子体系中利用光致规范场模拟量子自旋霍尔效应.通过对6Li这样的多能级原子施加适当的激光脉冲,构造出具二重兼并的能量暗态(能量为零的本征态).类似于自旋二分量体系,可以分别定义2个暗态为自旋向上及自旋向下态.当原子在空间分布的激光场中运动时,其所感受到的有效自旋相关规范场将导致可观测的自旋霍尔电流.

自旋陈数理论和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

一般认为,量子自旋霍尔效应只有受到时间反演对称性的保护才是稳定的。但是,因为在实际材料中破坏时间反演对称性的微扰往往无法避免,这种受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应在真实环境中并不稳定。本综述将介绍近期在寻找无需时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应方向上的系列研究进展。我们将证明量子自旋霍尔体系的非平庸拓扑性质在时间反演对称性被破坏后仍然可以完好存在,并通过一个规范讨论,将边缘态一般性质和体能带的非平庸拓扑性质联系起来。进一步,将探讨通过人工消除边缘态时间反演对称性而实现稳定的量子自旋霍尔效应的方案。此外,我们还将介绍自旋陈数理论,自旋陈数是在没有时间反演对称性存在时,表征量子自旋霍尔体系所处不同拓扑相的有效工具。

几何构形对量子自旋系统临界性质的影响

将离散路径积分表示(DPIR)下的有效场重整化群(EFRG)技巧推广应用于平面三角晶格上量子自旋横向Ising模型的相变研究,在这个方法中,注意区分了两种具有相同配位数而不同几何构形的晶体,并且考虑了起伏的影响,在二阶累积量近似下,得到了接近于精确解的临界值。

单层二维量子自旋霍尔绝缘体1T'-WTe_(2)研究进展

量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中,其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态.2014年,理论预言单层1T'相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体.其中,以单层1T'-WTe_(2)为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势,对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义.本文总结了单层1T'-WTe_(2)在实验上的最新进展,包括基于分子束外延生长的材料制备,螺旋边界态的探测及其对磁场的响应,掺杂、应力等手段在单层1T'-WTe_(2)中诱导出的新奇量子物态等.也对单层1T'-WTe_(2)未来可能的应用前景进行了展望.

HgTe/CdTe量子阱中自旋拓扑态的退相干效应

HgTe/CdTe量子阱是一种特殊的二维拓扑材料,其中的量子自旋霍尔效应在自旋电子器件应用方面极有潜力."工"字形四端口体系纵向非局域电阻阻值为0.25 h/e^2的特殊的量子化平台是判别量子自旋霍尔效应的有力证据.本文基于二维HgTe/CdTe量子阱模型,利用非平衡格林函数理论及Landauer-Büttiker公式计算非局域电阻,进而研究自旋拓扑态在非静态杂质作用下的退相干效应.计算同时考虑磁交换场和磁场的影响.研究发现,尽管磁交换场和外磁场会破坏时间反演对称性,但它们都仅改变拓扑带隙的宽度和相对位置,并不影响螺旋边缘态的拓扑性.而退相干杂质对自旋拓扑边缘态的影响则完全不同于铁磁和弱磁场.退相干效应不会影响拓扑带隙的位置和宽度,但是会影响拓扑边缘态的稳定性.其中,自旋不守恒的退相干杂质对螺旋边缘态的影响更为明显,轻微的退相干效应便会引起自旋翻转,从而引起自旋相反的背散射,最终破坏自旋霍尔边缘态.

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.

石墨烯纳米带中量子谷霍尔相和自旋过滤的边界态（英文）

本文研究了边界势调控下石墨烯纳米带的电子性质.当空间反演对称性被子晶格势和边界势破坏时,系统中存在量子谷霍尔相和单边的量子谷霍尔相.考虑自旋轨道相互作用时,边界态对于谷指标和自旋指标都具有螺旋性,所以系统中可以同时存在量子谷霍尔相和量子自旋霍尔相.这些边界态导致了许多不同的谷电流和自旋电流.这些研究结果在自旋电子和谷电子器件方面有潜在的应用价值.

缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.

石墨烯中自旋过滤态和量子自旋霍尔效应

采用拓扑不变量陈数和自旋陈数刻画交错磁场调制下石墨烯中的拓扑相变,并利用数值方法计算边缘态能谱.研究结果发现,通过调节交错磁场的强度和石墨烯的费米能量,系统中出现许多拓扑相,无能隙的边缘态可以在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔体系中出现.进一步引入交换场,系统发生了从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子霍尔态的拓扑相变.这些研究结果在自旋电子器件方面有着巨大的潜在应用价值.