十年磨一剑，冲击最前沿--北京凝聚态物理国家实验室筹建十年记

北京凝聚态物理国家实验室（筹）（以下简称“国家实验室”）经科技部批准，于2003年起依托中国科学院物理研究所开始筹建。经过十年建设，国家实验室已拥有15名两院院士，35名国家杰出青年科学基金获得者，形成了由11个研究部组成的研究体系和以微加工研究部。

旋量玻色-爱因斯坦凝聚体拓扑性质的研究进展

实现玻色-爱因斯坦凝聚的原子大多具备内部自旋自由度,在光势阱下原子内部自旋被解冻,从而使原子可以凝聚到各个超精细量子态上,形成旋量玻色-爱因斯坦凝聚体.灵活的自旋自由度成为体系相关的动力学变量,可以使体系出现新奇的拓扑量子态,如自旋畴壁、涡旋、磁单极子、斯格明子等.本文综述了旋量玻色-爱因斯坦凝聚的实验和理论研究,旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中拓扑缺陷的种类,以及两分量、三分量玻色-爱因斯坦凝聚体中拓扑缺陷的研究进展.

飞秒激光脉冲倍频的实验研究

利用2mmKDP晶体对中心波长790nm、脉冲宽度75fs、晶体表面强度约1011W/cm2的超短超强激光脉冲进行了倍频实验研究。通过对基频脉冲能量及频率啁啾的优化,可以获得高于40%的能量转化效率。观测了基频脉冲频率啁啾对倍频光产生的影响,发现激光脉冲啁啾为零时对应的倍频转化效率最高;对于相同的光栅相对位置,正啁啾基频脉冲的倍频转化效率高于负啁啾。

以颗粒物理原理认识地震

地震是给人类造成巨大生命和财产损失的自然灾害．中国受地震灾害损失尤为严重。尽管数十年来人们作了巨大努力，然而，地震预报研究未能获得突破。基本共识是．地震预报是世界性科学难题。

具有面内四极磁场的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构研究

通过虚时演化方法研究了具有面内四极磁场的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.结果发现:面内四极磁场和旋转双重作用可导致中央Mermin-Ho涡旋的产生;随着磁场梯度增强,Mermin-Ho涡旋周围环绕的涡旋趋向对称化排布;在四极磁场下,密度相互作用和自旋交换相互作用作为体系的调控参数,可以控制Mermin-Ho涡旋周围的涡旋数目;该体系自旋结构中存在双曲型meron和half-skyrmion两种拓扑结构.

颗粒气体团簇行为实验研究

颗粒体系由于非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性,由宏观粒子形成的颗粒气体体系经常会有局部凝聚现象,这是颗粒气体体系与分子气体体系的最大区别之一.理解和预测这一现象的发生将有助于人们对远离平衡态体系的复杂现象,如有序结构、斑图和团簇形成的认知.这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳分解形成的液滴,将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的此模型得到了分子动力学模拟的校验.但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现.作为实践十号卫星的前期实验,本文利用国家微重力实验室落塔装置,以水平激振装有不同尺寸和数目的颗粒样品,在短时微重力条件下,成功观察到颗粒气体团簇的形成;并将实验结果与颗粒气体类范德瓦耳斯气体分子相分离模型对比,由形成团簇样品的颗粒数密度条件,来实验确定了所选颗粒的恢复系数,得到直径为0.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数在0.6—0.8之间,直径为1 mm的钛珠颗粒的恢复系数约为0.8,直径为2.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数应大于0.8.

焦距对计算关联成像质量影响的实验研究

传统光学成像要求像面在成像透镜组的焦平面上,以此获得最大的光通量,因此焦距对成像质量影响较大。研究了焦距对计算关联成像成像质量的影响,搭建计算关联成像系统,利用桶探测器信号的强度涨落分析不同焦距下的关联成像结果,分析了背景光强对强度涨落的影响。结果表明:焦距和背景光强的变化对计算关联成像成像质量影响不大,解决了热光关联成像中两光臂不等形成的散焦造成成像质量下降的问题,并且该成像只用一个无空间分辨能力的探测器就能完成高分辨率成像,降低了对探测器分辨能力的要求,避免了光通量在维度上的分配,提高了信噪比,且无需成像透镜,该成像方式非常适合用于极弱背景下的成像探测。

透射电镜质厚衬度成像和衍射衬度成像及相互转换的实验技术方法

透射电子显微镜作为观察材料微结构的主要手段之一,其显微图像可直观揭示材料微结构信息和空间分布情况。振幅衬度是一种重要的显微成像衬度机制,基于振幅衬度能够使显微像揭示材料的微结构特征。尽管显微像衬度的产生都来源于电子波的振幅,但是振幅衬度像还可以进一步化分为质厚衬度像和衍射衬度像。由于像衬度形成机理的差异,质厚衬度像和衍射衬度像中所显示的微结构细节有明显不同。本文介绍了如何在透射电镜观察中实现质厚衬度成像和衍射衬度成像,及其相互转换的实验方法和操作技术细节。利用透射电镜的不同成像衬度模式能够在样品的同一视场中观察到更多的材料结构细节,可以在多层次和不同尺度上获得更丰富的微结构信息。

基于固体薄片超连续飞秒光源驱动的高次谐波产生实验

本文报道了采用基于熔石英薄片超连续的少周期飞秒光源驱动高次谐波产生的实验研究.实验中通过将重复频率1kHz的飞秒钛宝石激光放大器所输出的能量0.8mJ、脉宽30fs的脉冲聚焦到7片0.1mm厚的熔融石英片中,得到了覆盖带宽大于倍频程的展宽光谱.利用啁啾镜补偿色散后,经瞬态光栅频率分辨光学开关法测得脉宽为6.3fs,对应约2.3个光学周期.利用压缩后的激光脉冲聚焦作用于惰性气体,并通过调节尖劈插入量改变脉宽,分别测得了分立以及连续的高次谐波截止区信号,结果与6.3fs的脉冲宽度相符合.

癌细胞体外实验模型及成型技术现状和展望

传统的癌症研究是通过观察实验小白鼠的活体组织切片了解肿瘤的形成及癌症的各阶段发展情况,相比于活体实验,癌细胞的体外实验因为可以灵活地操控实验变量和实时观测癌细胞生长和发育的特点从而得以快速发展.但进一步的研究发现,在诸如培养皿二维环境中培养的细胞的行为在很大程度上与其实际所处的三维环境中的细胞行为有着巨大的差异.因此借助于微加工和微流体技术以及近年来蓬勃发展的生物3D打印技术、飞秒激光直写技术和水凝胶的紫外光固化等技术,越来越多的癌细胞体外三维实验模型得以制造并用于癌症的研究.但同时,现有的技术也面临着精度与速度的矛盾和模型材料的生物相容性等问题.本文讨论了二维及三维癌细胞体外侵袭转移实验的模型及制造技术的优缺点,简要介绍了最新的研究进展,分析提出了未来几年三维实验模型成型技术的发展方向,为相关研究提供新的实验思路.

激光刻写三维全息图产生涡旋倍频的实验和理论研究

涡旋光通常需借助外部光学元件或结构将高斯光束整形来产生。激光引发的光致折变结构可以将光束整形功能直写到材料内部,具有便于集成和稳定性好等优点,但这种线性衍射通常无法获得高效的倍频涡旋输出。为解决该问题,首先实验研究了铌酸锂中激光直写参量对光致折变结构分辨率和最大深度的影响,并刻写三维全息图将高斯基频光转换为十字形涡旋倍频;之后理论证明了利用基频的布拉格衍射,可在1.074~3.716μm范围产生相位匹配的涡旋倍频输出。

中科院物理所透射电镜非线性效应可应用性研究取得进展

高分辨透射电子显微镜是研究微观结构的有力工具。获得可解释的高分辨像，样品厚度要满足苛刻的要求一弱相位物体近似。可以选择在Scherzer欠焦下观察，但有时不得不在大欠焦下拍摄图像提高图像衬度，比如在冷冻电镜中通常拍摄的离焦量为1—2μm，通过扣除成像过程中的衬度传递函数来获得样品的投影结构。

快点火激光核聚变和实验室天体物理中的几个前沿问题

高能量密度物理(HEDP)是一个近年发展起来的充满新物理现象和具有重要应用前景的交叉前沿领域。高能量密度状态在天体中普遍存在。随着高功率激光器、高能粒子束和Z-箍缩发生器的发展,在实验室产生高能量密度的条件日益成熟。对基于强激光的高能量密度物理的研究现状和几个前沿问题进行了简单介绍,重点综述激光惯性约束聚变快点火方案和实验室天体物理的新进展。

可见光稀土离子掺杂固体激光器(特邀)

可见光波段激光在科研、工业、医疗以及通信领域应用广泛,可通过半导体激光器、稀土离子掺杂激光器和非线性频率变换技术产生,其中可见光稀土离子掺杂激光器近年来受到广泛关注。首先介绍了可见光波段激光的几种典型应用,然后分析了目前可以产生可见光激光的稀土离子(镨、钕、钐、铕、铽、镝、钬、铒、铥)的发射吸收光谱和激光特性,最后综述了其中较有潜力的镨离子和铽离子在可见光固体激光器方面的最新研究进展。

GHz重复频率亚百飞秒克尔透镜锁模Yb:CaYAlO_(4)激光器

GHz重复频率飞秒激光具有高单纵模功率和高采样速率等优点,在科学前沿和工业加工等领域具有重要的应用价值.受限于锁模原理和泵浦源的可用功率,GHz重复频率克尔透镜锁模激光器的平均输出功率通常仅为数十到百毫瓦量级,限制了其直接应用.基于此,本文报道了利用高功率单模光纤激光器泵浦的GHz重复频率高功率克尔透镜锁模飞秒激光器.通过合理的腔模设计,构建了四镜环形腔结构,使晶体中激光模式可以和整形后的泵浦光形成良好匹配,以利于软孔克尔透镜锁模的实现.在8 W的泵浦功率下,首次在Yb:CaYAlO_(4)激光器中实现了GHz重复频率的亚百飞秒高功率锁模运转,平均输出功率为2.1 W,重复频率为1.8 GHz,脉冲宽度为88 fs,对应峰值功率大于10 kW.该实验结果表明Yb:CaYAlO_(4)晶体具有产生GHz重复频率高功率飞秒激光的潜力,高功率短脉宽GHz飞秒激光器可为光学频率梳和微加工等领域提供优质光源.

基于脉冲非线性压缩技术的71.3 W飞秒激光产生

采用了Herriott型多通腔对高平均功率皮秒激光进行非线性压缩产生飞秒激光的脉冲宽度压缩系统,并通过ABCD矩阵对腔内本征模式分布进行了求解计算.实验上通过利用多通腔脉冲压缩装置将100 W钕离子激光器输出的脉冲光谱宽度从0.20 nm展宽到2.75 nm,光谱展宽比为13.75,B积分累积总量接近15.6.利用透射光栅将补偿色散后脉冲宽度从12.5 ps压缩到了780 fs,脉冲压缩比为16,最终输出功率为71.3 W,装置整体效率为71.3%.该装置提供了一种更加结构简单,成本廉价的高平均功率飞秒激光产生方式.

钒掺杂钨青铜内通道氨配位的钌单原子用于高效析氢反应

通过电解水制备氢气是实现“碳中和”目标的理想途径之一.因此,可在全p H条件下使用的氢析出(HER)催化剂的研发是近年来电催化领域的研究热点.原子级分散的催化剂,能够在保留铂族金属(PGM)固有活性的同时,降低催化剂中PGM的用量.虽然可以通过X射线吸收光谱(XAS)来表征原子分散的PGM电催化剂的配位环境,但目前对原子空间分布的控制仍然具有挑战.本文制备了钒掺杂钨青铜内通道氨配位的钌单原子催化剂(Ru/V-NHWO),用于全p H范围内的HER反应.采用X射线衍射(XRD)、高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)、X射线光电子能谱(XPS)和原位X射线吸收光谱(XAS)等进行表征,研究了钌单原子与V-NHWO载体的结合方式以及构效关系,并采用密度泛函理论(DFT)计算探索了催化剂中诸多位点的活性贡献.在1 mol/LKOH, 0.5 mol/L H_(2)SO_(4)和1 mol/L磷酸盐缓冲溶液中,其在10 m Acm^(-2)下的过电位分别为28.0, 29.6和40.6 m V.同时,在过电位100 m V时,质量活性分别达到3930, 1941和602.8 m Amg^(-1)Ru,数倍于同等条件下的商业铂碳.XRD结果表明,钌的引入可以确保催化剂在氩气条件下热解后仍保持六方钨铵青铜晶相,证明钌与钨铵青铜六方晶体通道内氨物种,即“通道氨”的结合.HAADF-STEM结果表明,钌原子与NHWO间存在强烈相互作用,有助于提升HER性能.XPS和XAS结果表明, W5+信号出现在引入钌后,峰位置的结合能增加且峰面积降低,说明钌与通道氨之间存在相互作用.N的XPS结果表明,钌的引入导致了金属氨键的形成.XAS结果表明, Ru/V-NHWO/CC中钌单原子和钌团簇共存,钌单原子与通道氨配位,并且钒的引入会诱发V-NHWO中金属键长缩短,这表明催化剂的金属性得到了提升,有利于改善其导电性.采用DFT计算进一步研究了HER活性的来源.相比于V-NHWO载体和钌团簇修饰的V-NHWO,以单原子形式结合的钌具有更低的水解离能垒,该能垒在氨桥接的钌双原子垂直插入、钒掺杂和多通道插入等多种因素作用下进一步降低.同时,氢中间体结合能得到了相应的优化而趋近于0 e V.此外,差分电荷密度模拟结果表明,氢中间体结合后, V-NHWO对于钌单原子存在明显的供电子行为,有利于HER动力学过程.综上,本工作报道了金属载体对于高分散金属原子空间分布调控的重要作用,可为设计和构筑可应用于诸多能源转换过程的新型原子级分散催化剂提供参考.

锌离子掺杂钴基金属有机材料[(CH_(3))_(2)NH_(2)]Co_(1-x)Zn_(x)(HCOO)_(3)中的低温反常磁现象

金属有机框架材料(MOFs)是一种有机配体桥接金属离子组成的新型无机-有机杂化多孔材料,它具有功能可调、稳定性好以及多孔性等特点,受到人们的广泛关注.本文利用水热法制备了高质量的锌离子掺杂的钴基[(CH_(3))_(2)NH_(2)]Co_(1-x)Zn_(x)(HCOO_(3))单晶样品(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5).单晶衍射、摇摆曲线、能量色散X射线光谱的实验结果表明,锌离子均匀掺杂进了钴基金属有机框架材料中,没有出现局部团簇等现象.低温场冷曲线和比热曲线的测量结果表明,非磁锌离子的掺杂减弱了Co基MOFs材料中Co离子之间的长程反铁磁相互作用,使得Co-MOF的反铁磁相变温度由纯钴的15 K变为14.2 K(x=0.1),12.8 K(x=0.2).通过对掺锌样品低温下的磁滞回线的细致研究发现,掺锌样品相对于纯钴样品在低温下具有更大的磁滞损耗和矫顽场.相比于纯钴样品450 Oe(1 Oe=10^(3)/(4π)A/m)的矫顽场,掺锌样品的矫顽场最高达到3600 Oe,并且磁滞面积也为纯钴样品的3倍以上.另一方面,在DMCo_(0.9)Zn_(0.1)F样品的磁滞回线上发现一系列台阶,这一台阶现象随着温度升高而逐渐消失,类似于单分子磁体的量子隧穿现象.以往研究表明,在这一类钙钛矿结构的金属有机骨架材料中,存在长程磁相互作用和磁单离子行为的竞争.我们认为非磁锌离子的掺杂减弱了Co离子之间的长程相互作用,使得Co离子在低温下显示出量子隧穿引起的台阶效应.

纳米SiO_(2)复合对Mg_(3)Sb_(2)基材料热电性能的影响

Mg3(Sb,Bi)2基热电材料由于其优异的热电性能和较低的成本近来受到广泛的关注.本研究通过将纳米SiO_(2)复合进成分为Mg3.275Mn0.025Sb1.49Bi0.5Te0.01的基体相中,考察其热电输运性能的变化及机制.结果表明,当SiO_(2)复合进Mg_(3)Sb_(2)基材料中时,由于引进大量的微小晶界,能有效地散射声子,促使晶格热导率降低,优化热输运性能,如SiO_(2)体积含量为0.54%时,室温时热导率由复合前的1.24 W/(m·K)降至1.04 W/(m·K),降幅达到15%;同时其对电子也产生强烈的散射作用,导致迁移率和电导率大幅下滑,结果表现为近室温区功率因子剧烈衰减,恶化了电输运性能.电性能相对于热性能较大降低幅度使得材料在整个测试温区的热电优值没有得到改善.纳米SiO_(2)作为Mg_(3)Sb_(2)基热电材料复合物来调控热电性能是有效的备选物质,可结合其他手段改善输运特性,如在晶界处适当修饰,降低载流子传输的晶界势垒,能够提升该体系的综合热电性能.

基于拓扑绝缘体纳米线约瑟夫森结的反常临界超流增强和半整数夏皮洛台阶

基于拓扑绝缘体材料的约瑟夫森结是寻找马约拉纳零能模的候选器件,因而受到拓扑量子计算研究领域的关注.这方面实验的关键之一,是制备具有优质结区的约瑟夫森器件.本工作在三维拓扑绝缘体Bi_(2)Te_(3)和Bi_(2)(Se_(x)Te_(1-x))_(3)纳米线上制作了约瑟夫森结器件,研究了其结区的超导邻近效应、多重安德列夫反射和超流-相位关系,观测到了约瑟夫森结的临界超流随磁场增大而反常地增大、其交流约瑟夫森效应出现半整数的夏皮洛台阶的实验结果.本文还讨论了这些反常现象的可能来源,特别是与结区界面处超导电极的Ti缓冲层和拓扑绝缘体纳米线中的Te元素形成TiTe铁磁性合金层的关系.