用大学物理知识诠释前沿科技——从光的偏振到量子通信

在大学物理教学中以科技前沿应用为牵引,用大学物理的语言解释前沿科技进展的原理,拉近基础课和前沿应用的距离,可以促进学生学习物理的兴趣,加深学生对于基础物理原理的理解。本文以量子密钥分配为例,仅用大学物理中偏振的内容就解释了经典的BB84方案的基本原理,并对该方案的实际实现进行了阐述,旨在表明任何理论方案和实际实现都存在相当的距离。本文还介绍了量子通信领域的最新研究进展和目前主要的研究方向,以激发学生主动探索和进一步研究的兴趣和热情。本文是为基础物理原理和高新尖技术之间搭建桥梁的一次有益尝试,相关思路值得在新工科背景下的大学物理教学中推广。

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。

量子关联成像及其雷达应用研究

介绍了量子关联成像的物理原理,阐述了量子关联成像灵敏度高、抗干扰能力强、信息获取效率高、能够实现单像素探测成像和无透镜成像的技术特点;探讨了量子关联成像雷达的运动物体成像问题和大气影响应对问题,指出可通过提高采样频率、升级跟踪手段、优化成像策略等方式提升量子关联成像雷达的应用性能;展望了量子关联成像雷达在侦察、预警等领域的发展方向,提出未来通过发展极弱光条件下的成像技术、优化设计照明方式、建立多基站协同体系、发展人工智能算法和多维信息智能融合算法等方式,进一步提升量子关联成像雷达的发现概率、跟踪精度、判别准确度、有效作用距离。

波包入射对共振穿透现象的影响研究

共振穿透是一维量子散射中的一个重要的现象.一般教材中对该现象的阐述都是假定单色平面波入射,对于更加接近于实际情况的波包入射缺乏研究.本文利用解析推导并作图的方法,详细讨论了一维方势阱中波包散射的主要特点,以及入射波包的能量均值及展宽对共振穿透现象的影响.本文的研究内容不仅能加深对共振穿透现象的理解,而且为分析任意分段常势能函数的散射问题提供了一般方法.

室外环境中的关联成像研究进展

光学成像是人类不可或缺的信息获取方式之一,其在预警侦察、精确制导、交通运输和工业生产等军用和民用领域发挥着不可替代的作用.在室外环境中,由于背景光、杂散光和大气介质的影响,光学成像的分辨率、信噪比和作用距离等受到限制.近年来,在光学、物理、信息论及计算机等多学科的交叉融合发展的支撑下,新型光学成像技术不断涌现,为发展远距离、大视场、高信息通量的室外光学成像带来新的契机.关联成像作为新型主动成像技术之一,具有高灵敏、抗干扰、信息并行获取等特点,能够较好地应对室外光学成像中所面临的如远距离导致光功率急剧衰减、环境噪声干扰引起的低信噪比等问题,并能在一定程度上减少散射、湍流等导致的图像模糊等问题,是当前室外环境中光学成像的热门研究领域之一.本文从光学成像原理出发,分析室外环境中光学成像分辨率、信噪比、空间带宽积和成像距离的影响因素,重点介绍和梳理室外关联成像在成像系统、信噪甄别技术和成像算法等方面的研究进展,并浅析光学成像向更远距离、更广视场拓展的过程中需要研究的基础问题和待攻克的关键技术.

用基础物理知识诠释前沿科技——从斯特恩-盖拉赫实验到量子弱测量

利用量子弱测量技术,可使很弱的相互作用引起显著的观测效应,在观测极弱物理效应、量子参量估计、量子态层析等方面发挥重要作用,已成为当前量子测量领域的研究热点。本文以斯特恩-盖拉赫(Stern-Gerlach)实验为切入点,利用大学物理范畴的量子力学知识阐释了量子弱测量的物理图像,并进一步介绍了该领域的前沿进展。本文有助于加深物理教师对量子弱测量这一前沿问题的理解,帮助学生建立清晰的物理图像。在教学过程中引入前沿科技,也有助于激发学生主动探索和进一步研究的兴趣和热情。本文旨在基础物理原理和高新尖技术之间搭建桥梁,有益于大学物理教学拓宽思路、提升品位。

量子力学中波包散射的可视化数值实验设计

考虑到常用量子力学教材中缺乏对波包散射问题的讨论,本文以一维δ势阱为例,介绍我们在研讨课教学中如何针对波包散射问题设计数值实验,以帮助学生自行建立量子散射的物理图像.

微腔光频梳研究进展:从均匀到非均匀泵浦

光频梳光谱在频域呈梳状等间距分布,兼具宽光谱、高相干、低相噪等特点,因此在光钟、测距、光谱检测、相干通信等诸多领域具有良好应用前景。微腔为光频梳产生提供了小型集成化平台,使得微腔光频梳,尤其是高相干的耗散克尔孤子光梳,在近年备受研究者们关注。绝大多数微腔光频梳的实现依赖于均匀连续光泵浦,然而非均匀泵浦,如相位调制与脉冲泵浦,因其在孤子重频控制与能量转化效率方面具有特定优势,逐步进入研究者视野。本文回顾了微腔光频梳研究进展,具体综述了关于非均匀驱动场下耗散克尔孤子的产生及其动力学研究,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。非均匀泵浦能够提高耗散克尔孤子的可控性及能量转化效率,将为更多微腔光频梳应用铺平道路。

量子雷达技术的发展现状及趋势

随着量子理论基础的奠定以及量子技术的发展,人们尝试利用量子力学规律来进一步提升雷达探测能力,量子雷达技术应运而生。首先,给出量子雷达的定义,并将量子雷达技术按照量子技术在雷达中的实现方式分为量子纠缠雷达、量子增强雷达和量子衍生雷达。其次,阐述量子雷达独有的特点并将其与经典雷达进行对比。再次,针对量子雷达不同技术分支重点综述其主流技术以及实用化进程。最后,总结量子雷达相比经典雷达在探测、成像等方面的优势,并指出量子雷达技术在发展中亟待解决的理论技术难题,同时对量子雷达发展趋势进行展望。

本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)研究进展

本征磁性拓扑绝缘体非平庸拓扑态和磁有序的相互作用使其具备量子反常霍尔效应和轴子绝缘体等奇异物理性质,在低功耗拓扑自旋电子器件及拓扑量子计算等方面展现广泛应用前景.自2019年第一种本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)在实验上被发现以来,该材料体系领域迅速吸引了大量研究者的目光,引发了研究热潮.本文将从MnBi_(2)Te_(4)基本性质出发,介绍近期本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)的一些重要研究成果,着重阐述MnBi_2T_e4系列的量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳零能模等拓扑量子态,并列举该材料体系其他研究方向及目前存在的问题.最后,总结并展望MnBi_(2)Te_(4)的下一步研究,期望为相关领域人员的研究提供一定参考价值.

狭义相对论教学中事件绝对性辨析——以“同时佯谬”为例

相对论时空观是狭义相对论教学的核心内容.物理事件是讨论相对论运动问题时的抽象概念,对事件及其绝对性的认识程度将影响学生狭义相对论时空观的建立.本文通过在狭义相对论教学中介绍一个具体的“同时佯谬”案例,强调事件本身不依赖参考系,参考系用于事件的时空坐标描述,帮助学生认识事件的绝对性,建立相对论时空观.

中国空间站冷原子光钟激光系统

中国研制的世界首台空间冷原子光钟于2022年10月31日随“梦天”实验舱成功发射,进入中国空间站.紧凑稳定的激光系统是实现光钟空间应用的关键环节.本课题组提出类同步调谐方案,研制了高性能外腔半导体激光器,能同时满足空间光钟对激光器调谐范围、线宽和力学热学稳定性的要求.采用注入锁定和锥形放大器进行激光功率放大,满足了空间光钟对激光功率的要求.本文简要介绍了空间冷原子光钟的系统构成、激光器方案和电控系统,并对光钟激光系统面临的问题和发展方向进行了总结和展望.

线型离子阱中钙离子库仑晶体结构和运动轨迹模拟

离子阱中囚禁的离子在满足库仑耦合条件下,会形成库仑晶体,其结构分布和运动轨迹由离子阱的参数和离子种类决定.本文采用分子动力学模拟软件LAMMPS和(py)LIon程序包,仿真了^(40)Ca^(+)在线型离子阱中库仑晶体的形成过程,以及不同位置离子的微运动和宏运动轨迹.另外,本文还对混入少量同位素离子(^(44)Ca^(+))和氢化钙离子(CaH^(+))后的^(40)Ca^(+)晶体结构进行了仿真,并对混入前后形成的库仑晶体结构变化进行对比和分析,期望能对离子阱实验中形成的暗离子进行识别和处理.

基于深度学习的超材料设计及光纤光束控制研究进展

超材料设计和光纤光束控制是光场调控研究的两个重要议题。传统方法取得一定研究进展的同时,也面临着有效性和适应性的问题。为弥补传统方法的不足,研究者们尝试将深度学习方法应用于以上两个议题。介绍了基于深度学习进行超材料设计和光纤光束控制的近期研究工作。超材料设计方面,重点回顾了采用多层感知机、卷积神经网络、循环神经网络、生成对抗网络等经典神经网络模型的相关工作;光纤光束控制方面,主要介绍了典型的搜索方法与深度强化学习方法。基于深度学习进行超材料设计和光纤光束控制的方法,具有速度快和自动化程度高的优势,为光场调控集成化、智能化提供新思路。

二维反铁磁材料的磁光研究进展

磁性材料独有的磁响应特性增强了传统电荷型器件的磁控能力,而超薄甚至可单原子层剥离的二维磁性材料在低维尺度下增强了电子自旋与电荷、晶格的相互作用并带来了非凡的物性。在自旋电子学中,反铁磁材料不仅展现了高频、低耗、抗串扰的优势,其与超导、磁相变等现象联系的关联电子态还疏通了人们利用光电子学探索低维磁性及其机理的道路。近年来,得益于额外的磁自由度、二维光电效应、反铁磁与铁磁/非磁材料的功能化异质结,激光驱动的二维反铁磁材料成为研究热点。综合稳态和瞬态的显微光学手段,回顾总结了二维反铁磁材料中的各类磁光效应和元激发准粒子研究,包括激光与物质相互作用中的载流子、激子、声子、磁子及其耦合态效应。随着可见光到太赫兹成像和其他配套技术的发展,二维反铁磁材料的检测和调控难题正逐步得到解决,高极化度和低阻尼输运的微纳自旋应用有望被植入到光伏、光信息处理领域并发挥重要作用。

磁性分子的量子相干操控

在量子信息科技的发展中,以电子自旋作为信息载体的分子基材料因其突出的可设计性和可扩展性而被寄予厚望.基于系综的量子信息材料研究在分子设计和量子操控策略方面已有较多积累.本文从分子基量子比特的构效关系和分子设计、分子基多能级量子位的研究现状和应用潜力、多功能磁性分子等角度介绍了近年来国内外分子基量子信息材料研究的概况,并总结了该领域已取得的成果和现状,展望了今后实现突破的潜在方向和技术路线要求.我们认为,分子基量子信息材料的发展需要走向单自旋表征和操控的新阶段,并整合自旋化学与量子信息科技,以构建新的研究范式.