量子网络研究进展

量子网络是通过量子节点来产生、处理和存储量子信息,利用飞行比特作为量子信道来传递量子信息的全量子信息处理与传输网络系统.量子网络不仅是实现长距离、网络式量子通信的基础,还可实现可扩展的分布式量子计算机,并应用于凝聚态多体系统的量子演化模拟.因此,量子网络是以量子通信、量子计算和量子模拟为中心的量子调控研究的核心课题.目前,选择合适的物理载体作为量子节点以及合适的相互作用形式以实现光子与光子、光子与量子节点以及不同量子节点间的相互作用是量子网络研究的重要课题.冷原子系综以及腔量子电动力学系统是实现量子节点的典型代表.文章结合本实验室的研究综述量子网络在以上2个物理系统中近期的部分研究进展,并对量子网络的发展做一定展望.

Na，As 共掺杂锂离子电池正极材料 LiFePO4的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性计算方法,研究了LiFePO4中Li、P位替位掺杂Na、As时的电子结构.计算表明:少量掺杂并未整体改变LiFePO4电子结构,但可以调整体系中占主导地位的P—O键、Fe—O键之间的相互作用,从而改善材料的特性;共掺杂体系的带隙宽度减小、嵌锂电位略微下降,掺入的Na、As未阻塞锂离子的一维通道.

共价键结合的石墨烯和碳纳米管三维复合材料的载流子迁移率研究

应用密度泛函理论对共价键结合的多孔石墨烯和单壁碳纳米管三维复合材料进行结构优化和能带计算,确定石墨烯和碳纳米管以共价键的形式结合.基于第一性原理计算出石墨烯二维平面上的弹性常数和形变势常数,得到石墨烯电子和空穴迁移率约为104cm2/(V·s),比完整的单层石墨烯低1个数量级.该模型可以扩展到共价键结合的碳元素三维空间结构,在未来的有机电子学领域具有广阔的发展前景.

多边形结构富锂锰基正极材料的可控制备及性能

通过水热法成功制备了一种富锂正极材料Li_(1.166)(Mn_(0.6)Ni_(0.2)Co_(0.2))_(0.834)O_2.并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和高精度电池测试系统分别对电极材料的结构、形貌和电化学性能进行了表征和测试分析.结果表明,样品Li_(1.166)(Mn_(0.6)Ni_(0.2)Co_(0.2))_(0.834)O_2具有较好的多面体结构特点以及优异的电化学性能,该电极材料的充放电比容量相对于商用LiCoO_2材料(约135 m Ah/g)更高,在电流密度25 mA/g时,充放电比容量分别为363.8 mAh/g和222.2 mAh/g,首次库仑效率为61.1%.循环80周之后可逆放电比容量可达235.5 m Ah/g.该富锂正极材料Li_(1.166)(Mn_(0.6)Ni_(0.2)Co_(0.2))_(0.834)O_2在高能量密度动力电池发展中具有良好的应用前景和广阔的市场空间.

不同锂源对富锂锰基Li_(1.133)Mn_(0.466)Ni_(0.2)Co_(0.2)O_2正极材料性能的影响

采用共沉淀的方法将含有一定比例的镍、钴、锰的醋酸盐溶液均匀混合,然后加入适量的沉淀剂Na_2CO_3制备前驱体Mn_(0.466)Ni_(0.2)Co_(0.2)CO_3,与不同锂源(Li_2CO_3、LiOH)混合煅烧得到富锂锰基Li_(1.133)Mn_(0.466)Ni_(0.2)Co_(0.2)O_2正极材料.采用XRD和SEM分别对制备的(1.133)Mn_(0.466)Ni_(0.2)Co_(0.2)O_22的结构和表面形貌进行表征,采用恒电流充放电和循环伏安法对制备的(1.133)Mn_(0.466)Ni_(0.2)Co_(0.2)O_22的电化学性能进行测试.结果表明,以Li OH为锂源合成的样品在0.1C(1C=250 m A/g)倍率下首次充电比容量和放电比容量分别为330.1 m Ah/g和218.6 m Ah/g,首次库仑效率为66.23%,在1C倍率内表现为优秀的稳定循环比容量特性,但是在2C以及2C以上高倍率循环稳定性不及以Li_2CO_3为锂源合成样品的性能.

无指针δ-淬火直接测量法测量量子密度矩阵

量子密度矩阵描述了量子态的性质,因此如何有效地测量密度矩阵是量子力学的核心课题之一.最近,几个研究组发展了一种基于弱值的直接测量密度矩阵的方法.相较于常用的量子态层析技术,这种方法能够更直接和更简便地重构密度矩阵.然而这种方法需要耦合额外的测量指针,从而也增加了测量的复杂度和测量系统的设计困难.本文先回顾并讨论了量子态直接测量的相关研究,然后基于δ-淬火直接测量波函数的方法提出了一种新的直接测量密度矩阵的方法.这种方法无需耦合外部测量指针,因此可以降低测量的复杂度和测量系统的设计困难,更进一步地简化了直接测量密度矩阵的实验过程.基于此方法,提出了更高信号强度以及更少操作次数等两种无指针直接测量方案,并对比分析了它们在不同的测量条件下的优缺点.最后,具体设计了测量光子密度矩阵的实验.

不同位置的Mn掺杂对ZnO量子点的电磁特性影响

采用基于态密度泛函理论的第一性原理赝势法,分析了直径为1.2 nm的ZnO量子点体系(Zn_(45)O_(45)H_(72),并经H钝化)在中心、中间、表面三种不同位置Mn掺杂情况下的晶体结构、能带结构、态密度分布和磁性.模拟结果表明:中间位置掺杂时,体系的结合能最低,同时导电性能最好;中心位置掺杂略劣于中间位置掺杂;而表面位置掺杂时,结合能明显偏高,同时导电性能明显减弱.在磁性方面,随着掺杂位置变化,体系中各原子的总磁矩和磁矩分布会发生明显变化,但体系的总磁矩基本不变.

高容量钠离子电池SnSbCo/rGO负极材料

采用共沉淀法、液氮冷淬工艺和热处理技术制备了高容量钠离子电池SnSbCo/rGO负极复合材料.通过X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、恒流充放电和交流阻抗等对该负极材料进行表征和电化学性能测试.结果表明:在100mA/g的电流密度下,SnSbCo/rGO电极经50次充放电循环后比容量保持在567mAh/g.同等条件下,纯SnSbCo电极的比容量为456mAh/g.SnSbCo/rGO负极复合材料的电化学性能得到了改善,因为rGO在提高复合材料导电性的同时,缓冲了SnSbCo合金颗粒由于团聚产生的体积膨胀效应.

基于里德堡原子的电场测量

里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和大的电偶极矩,对外部电磁场十分敏感,可以用来测量电场强度特别是微波电场的强度.利用里德堡原子的量子干涉效应(电磁诱导透明和Autler-Townes效应)测量微波电场强度的灵敏度远高于传统采用偶极天线测量微波电场的灵敏度.此外,里德堡原子电场计可以溯源到标准物理量,不需要额外校准;采用玻璃探头,对待测电场干扰少;灵敏度也不依赖于探头的物理尺寸.同时,该电场计还可以实现对微波电场的偏振方向的测量,实现亚波长和近场区域电场成像与测量.通过选择不同的里德堡能级,可以实现1—500 GHz超宽频段范围内微波电场强度的测量.主要综述基于里德堡原子的电场精密测量研究,详细介绍了里德堡原子电场计的原理与实验进展,并简单讨论了其发展方向.

自然生长状态下树叶图像的分割与提取

以用智能手机拍摄的自然生长状态下的含有复杂背景的树叶图像为研究对象,对图像的背景及其RGB的3个颜色分量的特征进行分析,根据分析的结果提出采用超绿(EXG)算法和底帽变换算法相结合的方法对目标树叶进行分割.对于绿色分量与其他2个分量差异大的背景采用EXG算法去除,而对于绿色分量与其他2个分量差异小的背景采用形态学的底帽变换去除.为了减小目标树叶分割的错分率,采用Otsu算法、形态学和边缘最大矩形对上述分割后的细节进行细化分割.分割结果表明:文中所采用的算法可以很好地将目标树叶从背景中分割出来,错分率小于3.68%.

C-V法测量GaN基蓝光LED的PN结特性

应用C-V法研究了GaN基蓝光LED的PN结特性.通过变温的C-V曲线、相应的C-2-V曲线和C-3-V曲线判断GaN基PN结的结类型,计算杂质浓度分布和PN结接触电势差,并分析了温度变化对PN结特性的影响.该实验不仅能加深学生对二极管PN结及C-V法应用的认识和理解,还可以让学生了解GaN新型半导体材料的相关知识.

基于有限域的LDPC卷积码构造算法

采用有限域方法研究获得具有快速编码特性的规则、时不变LDPC(Low-Density Parity-Check,低密度奇偶校验)卷积码的构造算法.首先给出基于有限域GF(q)所构造的准循环(QC)LDPC码的基矩阵结构特性;然后提供了一种新的代数构造及其对应的修正的矩阵结构;最后,根据QC与LDPC卷积码之间的环同构关系,获得了具有快速编码特性的LDPC卷积码的多项式矩阵结构.代数构造方法简化了整个构造过程.而LDPC卷积码的快速编码特性减小了编码复杂度,简化了编码器结构.用基于置信传播(BP)的译码算法在加性高斯白噪声(AWGN)信道上获得的仿真结果表明,与其他结构化LDPC卷积码相比,文中所构造的码具有更好的性能.

飞秒激光激发的β-Ga_2O_3粉体的上转换发光研究

采用水热法制备了β-Ga2O3粉体,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱和光致发光谱等测试手段对合成样品的结构、形貌和发光性能进行了表征。结果表明:所得样品为单斜晶系的β-Ga2O3粉体;在800 nm飞秒激光下,β-Ga2O3粉体产生上转换发光现象,出现了394 nm,430 nm,448 nm,458 nm,470 nm,476nm,525 nm,552 nm和652 nm上转换发射峰,实现了紫、蓝、绿和红上转换发光。

高压强下GaN的结构相变及电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的平面波赝势方法,选择广义梯度近似(GGA)下的PBE算法-关联泛函对GaN晶体结构、能带结构以及电子态密度随压强的变化进行了研究,并计算出GaN材料的相变点压强值。研究结果表明:随着压强增加,常见的纤锌矿与闪锌矿GaN会发生结构相变成岩盐矿结构,并且其能带结构均由直接带隙转变成间接带隙。其中,通过焓相等原理得到纤锌矿到岩盐矿结构的相变压强为44.4GPa,而闪锌矿到岩盐矿结构的相变压强为43.6GPa。此外,随着压强增大,GaN纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿的价带态密度均向低能方向偏移,而导带态密度向高能方向偏移,从而导致GaN共价性增强及带隙随压强增大而展宽。

N空位、Ga空位对GaN∶Mn体系电磁性质和光学性质影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法分别计算了VGa和VN距掺入Mn原子为近邻、次近邻、远近邻各3种情况下GaN体系的电子结构和光学性质,分析比较了空位的不同位置对Mn掺杂GaN体系磁性的影响。计算结果表明,Mn掺杂会导致GaN体系带隙增大且体系表现为半金属铁磁性;VN的存在会增强缺陷复合物体系的铁磁性,且随着VN相对杂质Mn距离越近,体系总磁矩增加;而VGa的存在会降低缺陷复合物体系的铁磁性,且随Ga空位相对杂质Mn距离越近,体系总磁矩减少。不同位置的VGa和VN均会导致缺陷复合物体系主吸收峰和光吸收边相对于单Mn掺杂而言向低能方向移动,出现红移现象。

C-Cu共掺杂ZnO的p型导电性研究

近年来,C、Cu单掺杂ZnO获得p型化的相关研究甚多,然而对于C-Cu共掺杂ZnO却鲜有研究.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算分析比较了C、Cu单掺杂、C-Cu分别以1:1、1:2、2:1比例共掺杂ZnO体系的晶格结构、电子态密度、空穴有效质量和形成能.研究结果表明:在本文的计算方法和模型下,各掺杂体系均能获得p型ZnO;当C-Cu以1:2比例掺入ZnO时,容易获得p型化水平更高、电子迁移效应更优、导电性更好、形成能低掺杂更稳定的半导体新材料.

本征空位缺陷对ZnO:Mn体系电子特性及磁性的影响

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法,分析了ZnO:Mn掺杂体系中本征空位缺陷V Zn和V O分别出现在相对Mn为近邻、次近邻、远次近邻位置时体系的晶体结构、能带分布、态密度和磁性.结果表明:ZnO:Mn体系中V Zn比V O更容易产生,且两种缺陷均更容易在Mn的近邻位置形成.其中V Zn的出现没有明显改变ZnO:Mn体系的带隙,然而会使体系的导电性增加,且V Zn与Mn的距离越远,导电性越强.同时,V Zn减弱了体系的磁性,但与V Zn的位置无关.V O的出现会使体系带隙变宽,且电导率显著低于无缺陷ZnO:Mn体系,但是其导电性会随着V O与Mn的距离变远而增强.同时,V O的出现不会影响体系原来的磁性.

溶胶-凝胶法制备Sm^3＋掺杂TiO2粉体的发光性能

采用溶胶凝胶法制备了Sm3+掺杂的Ti O2粉体,并表征了其性能.结果表明溶胶凝胶法制得粉体为锐钛矿和金红石的混相Ti O2.在335 nm波长光的激发下,有较强的橙红色发射,发射峰值分别位于582、611、662和725 nm,属于Sm3+离子的4G5/2→6HJ/2(J=5,7,9,11)跃迁,最强峰位于611 nm;在611 nm波长的光激发下,激发峰位于335和407 nm.

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.

Mn掺杂浓度对Mn-N共掺ZnO电子结构及磁性的影响

采用第一性原理的超软赝势法,分别计算单掺杂Mn、Mn-N按1∶1和2∶1共掺杂ZnO掺杂体系的形成能、能带结构、态密度以及铁磁性。计算结果表明,单掺Mn并不能得到稳定的ZnO,Mn-N共掺会形成p型ZnO。相对Mn-N以1∶1共掺(Mn掺杂浓度6.25%),Mn-N以2∶1共掺(Mn掺杂浓度12.5%)具有更低的形成能,更高的化学稳定性。进一步对ZnO掺杂体系的磁性研究表明,单掺Mn及Mn-N共掺均使ZnO体系呈现铁磁性,其磁性主要来源于Mn3d态电子;在Mn-N以2∶1共掺ZnO体系中,由于Mn掺杂浓度提高,导致总磁矩增加,铁磁性增强明显。