李政道研究所

李政道研究所(以下简称“李所”)是著名华人物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道先生建议,经党和国家领导人批示,在国家部委和上海市政府联合支持下成立,旨在建设成为世界顶级的科学研究机构。上海市将李政道研究所作为“建设真奇全球影响力的科创中心”的重点任务和上海“张江综合性国家科学中心”的重要组成部分,上海交通大学作为真依托建设单位开展建设工作。

空间系外行星探测与研究进展

系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科.其主要研究内容和目标包括,通过发展各种探测技术探测太阳系外行星,分析行星轨道、成分、大气性质,评估行星的宜居性,统计行星的分布规律,从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制.系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义.随着21世纪空间探测技术的发展,系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段.本文分析了系外行星研究领域的发展态势,凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,以推进系外行星研究的快速稳步发展.

顶级物理研究所的运行机制研究

顶级物理研究所等基础研究机构是加快我国基础理论突破步伐,有效服务国家创新驱动发展战略的重要载体。本文基于知识网络嵌入理论和知识集聚理论对四所世界顶级物理研究所进行研究,剖析了其运行机制在创新主体和知识网络多维嵌入中通过知识集聚影响创新绩效的作用机理,并提炼了顶级物理研究所的运行机制:治理结构上由国家投资、依托大学、独立运行保证创新主体的人才式集聚;管理机制上由顶尖科学家主导的学术管理机制和资源服务科研的行政管理机制加快创新主体的人才式集聚和知识积累式集聚;合作机制以官方合作强化知识嵌入和结构嵌入,推动知识积累式集聚,以非官方合作深化知识嵌入和关系嵌入,推动知识传播式集聚;保障机制通过人才引进机制、人才评价机制和薪酬福利体系强化创新主体的人才式集聚,提升重大科学发现、重大理论突破以及重大技术和方法发明等创新绩效。

HADAR实验对Fermi-LAT伽马射线源观测的预期研究

高海拔天体辐射探测(high altitude detection of astronomical radiation,HADAR)实验是一个新型的采用纯水作为介质的大气切伦科夫望远镜实验阵列,其采用大口径半球型透镜来收集大气切伦科夫光,以实现对10 GeV—10 TeV能量段的伽马射线和宇宙线的探测.HADAR具有低阈能、高灵敏度和传统成像大气切伦科夫望远镜所不具备的大视场优势,可以对天区进行连续扫描观测,因此将成为全天伽马源的理想观测仪器和爆发源、时变源的理想搜寻探测器.本文基于Fermi-LAT的最新伽马射线源表,详细研究了HADAR实验对这些源的观测能力.对银河系外的源,将这些源的能谱加入河外背景光吸收效应外推至甚高能段.通过对这些源的显著性进行模拟研究,结果显示HADAR运行一年预期有93个伽马射线源以大于5倍的显著性标准偏差被观测到,其中包括45个银河系内的源,39个银河系外的源,3个未知类型的源和6个未关联类型的源.

HADAR实验对活动星系核伽马射线辐射观测的预期研究

HADAR(High Altitude Detection of Astronomical Radiation)是一个基于大气切伦科夫成像技术的地面望远镜阵列,其采用大口径折射式水透镜系统来收集大气切伦科夫光,以实现对10 GeV—10 TeV能量段的伽马射线和宇宙线的探测.HADAR具有低阈能和大视场的优势,因此可以对天区进行连续扫描和观测,在观测活动星系核(Active Galactic Nuclei,AGN)等银河系外伽马射线源方面具有明显优势.本文研究了HADAR实验对AGN的探测能力.基于费米望远镜(Fermi Large Area Telescope,Fermi-LAT)的AGN源能谱信息,将观测能量外推至甚高能能段,同时加入河外背景光的吸收效应,以计算HADAR对AGN源观测的统计显著性.研究结果显示,HADAR运行一年时间,预计将有31个Fermi-LAT AGN源以高于5倍显著性被观测到,其中大部分为蝎虎状天体类型.

天语计划——寻找第二个太阳系及探索动态宇宙

像木星和土星这样的冷巨行星对类地行星的形成和宜居性起到了关键作用,因此,对像太阳系这样具有多个冷巨行星的系统的搜寻具有重要意义.Kepler以及TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite)太空望远镜成功地通过凌星的方法发现了大量短周期行星,然而这些巡天项目的观测基线不足以发现更长周期的行星.为此,天语计划将部署两台1m望远镜(天语一号和天语二号),用于结合天语和其他计划的数据通过凌星法来发现冷巨行星及其他行星,并最终发现类太阳系.天语一号具有约10平方度的视场以及高速CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)科学相机,将对超过1000万颗恒星每小时进行一次高精度测光采样,并通过天语二号的多波段测光、光谱仪以及高分辨率成像对天语一号发现的候选行星进行确认.天语望远镜将放置于海拔约4000m的中国青海冷湖,是目前中国境内最好观测台址之一.天语对亮于14等星的测光精度为0.1%,对亮于18等星的测光精度优于1%,天语预计在5yr内将在类太阳周期发现超过300颗凌星行星,其中包括约17颗冷巨行星.基于系统轨道共面以及孪生地球发生率为10%的假设,天语预计将发现1-2个类太阳系,并可被未来的地球2.0计划所证实.此外,天语还将通过多种巡天观测模式测量从亚秒到周时标的光变,探测不同时标的时域现象,包括超新星早期光变、稀有变星和双星、潮汐瓦解事件、Be星、彗星活动以及系外小行星等.这些发现不仅将深化我们对宇宙的理解,还将为公众科学和科普提供重要平台.

铁基超导体中的马约拉纳零能模及其阵列构筑

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,其编织操作可用于构筑拓扑量子比特,是拓扑量子计算的基本单元,可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题.现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构,如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等,以及单一材料,如2M-WS_(2),4Hb-TaS_(2)和铁基超导体等.铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势,引起了广泛关注.最近,大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到,为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台.本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测,其中将重点介绍FeTe_(0.55)Se_(0.45),(Li_(0.84)Fe_(0.16))OHFeSe,CaKFe_(4)As_(4)和LiFeAs等材料体系.接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作.然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作.最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望.

基于微通道低温精馏技术的丙烯/丙烷混合物分离CFD模拟

针对相对挥发度低、难以分离的混合物的低温精馏分离过程,建立了一套基于微通道精馏(MCD)的CFD模型并开展了深入的模拟研究。通过多物理场耦合,实现了对丙烯/丙烷两相流在微通道精馏设备内部相变传热和精馏传质过程的模拟。基于麦克斯韦-史蒂芬扩散模型,对不同温度、摩尔浓度条件下混合物的传质系数进行模拟计算。模拟结果显示经过3.8 mm的微通道精馏设备,可在170 kPa条件下对冷端235 K、热端239 K的液态丙烯/丙烷混合物进行高效分离,将产品丙烷的浓度由1%提升至2.1%。对模拟结果进行了优化分析,得到了结构、流场和温度对精馏传质效率的影响。研究成果对微通道低温精馏系统的精馏效率提高具有指导意义。

场论与粒子物理领域发展态势(连载一)

1993年,国家自然科学基金委员会设立理论物理专款,并成立学术领导小组。设立专款的目的是:促进我国理论物理学研究的发展,培养理论物理优秀人才,做出国际先进水平的研究成果,充分发挥理论物理对国民经济建设和科学技术在战略决策上应有的指导和咨询作用。理论物理专款是基金委在基金主体申请的主要框架下的一种特别设计,是对基础学科理论物理学支持的一种特别补充。30年来,根据理论物理学科的特点、中国经济发展状况和政府经费投入状况,学术领导小组和基金管理者不断地思考、探索和调整有特色的多元化资助模式,起到了促进创新、扶植薄弱、稳定队伍、鼓励交叉、均衡发展、高端引领学科布局、建设创新平台与人才高地、弘扬科学家精神等重要作用。2023年,为纪念理论物理专款设立30周年,学术领导小组特编写本文集,汇报成绩、总结经验、改进工作、展望未来,以期对从事理论物理研究的科研人员以及科研管理工作者有所帮助。

场论与粒子物理领域发展态势(连载二)

(上接《大学科普》杂志2024年第一期“理论物理专题”)三、场论与粒子物理的发展趋势和展望1.形式理论21世纪以来,场论与粒子物理的形式理论研究取得了重要进展;它们集中在场论、引力与弦论、数学物理等领域的交叉前沿,例如,场论与引力高精度计算的新方法、散射振幅新形式、规范-引力对偶、非微扰和严格求解方法等。这些进展的共同特点是大大加深了我们对量子场论本身的理解,这将对基础理论的发展起到非常重要的作用。

面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

具有合适径向密度分布的等离子体通道可以用于超短超强激光导引,这使得等离子体通道在激光尾波加速中有着重要的应用.本文介绍了在上海交通大学激光等离子体实验室开展的毛细管放电和光导引实验.通过光谱展宽法测量了充氦气的放电毛细管中的等离子体密度分布,在长度为3 cm、内径为300μm的毛细管中实现了轴向均匀,径向呈抛物线型的等离子体密度分布.通过改变放电延时和喷气时长,确定和优化了产生等离子体通道的参数区间,得到的最大通道深度为28μm,与实验中使用的激光焦斑半径匹配.在此基础之上,开展了不同能量的激光脉冲在放电等离子体通道中的导引研究,结果发现当通道深度与焦斑半径匹配时,激光可以不散焦地在通道中传输,实现激光导引.这项研究为未来的激光尾波级联加速和锁相加速等研究奠定了基础.

“四维十要素”博士研究生研讨课程的研究与设计——以上海交通大学管理类博士生“营销前沿精读”课程为例

在分析我国博士研究生教学现状与问题的基础上,指出开展研讨式课程是我国博士生课程教学改革的现实需要。借鉴中外研讨式课程基本思路和经验,突破传统模式,以管理类博士生"营销前沿精读"课程为例,探索设计以目标、内容、组织和成果为主要维度的"四维十因素"博士生研讨式课程模式。认为促进学生对前沿热点问题的把握、提高其批判性思考能力、开阔其国际视野应成为博士生课程教学的主要目标;课程内容设计要增强前沿热点学习,注重提升学习深度,增强学习内容的国际性;在课程成果评价方面,应将形成性评价与总结性评价相结合,注重提高学生能力。

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.

双探头高纯锗γ谱仪灵敏度研究

在暗物质和中微子等稀有衰变实验中,探测器材料中的放射性核素衰变所产生的射线诱发实验本底,其沉积能量可能与信号能区重叠。精确测量探测器材料的放射性,更好地理解本底来源和控制实验本底是提升探测器灵敏度的关键。高纯锗γ谱仪能量分辨率高,对样品几何形状没有要求,不需要对样品进行破坏性加工,是广泛应用的放射性测量仪器之一。PandaX合作组在锦屏地下实验室已搭建两套高纯锗γ谱仪(JP1和JP2),为暗物质和中微子实验甄选低本底材料。为提升高纯锗γ谱仪的灵敏度,精确测量更低放射性的材料,我们在现有JP1的基础上,设计双探头高纯锗γ谱仪。通过提升效率和降低本底两种方法,对暗物质和中微子实验关心的不同核素,相比于现有JP1,双探头高纯锗γ谱仪灵敏度预期可提升2~4倍。双探头高纯锗γ谱仪还可以用γ-γ符合方法测量小尺寸的样品,这种测量方式的灵敏度随测量时间有显著提升。

世界顶级研究机构开放性合作分析及其对中国的启示——以美国普林斯顿高等研究院为例

本文选取美国普林斯顿高等研究院为个案研究对象,通过文献法并利用Scopus数据库检索出普林斯顿高等研究院成立至今的学术论文发表情况,对论文类型、发表刊物、学科领域、作者人数、合作机构、合作国家和平均被引次数等关键指标进行统计分析,发现其具有论文产量高、发表刊物影响力大和学科领域涉及面广三大特点。同时深度探究普林斯顿高等研究院开放性合作的三种模式,据此得出未来中国建立世界顶级研究机构需要鼓励开展跨团队合作、跨机构合作和跨国家合作的启示。

诺贝尔物理奖“弱相互作用下宇称不守恒”的发现案例研究

弱相互作用下宇称不守恒的发现获得1957年诺贝尔物理学奖,开创了华人科学家获诺贝尔奖的先河。本文通过对李政道好友中国高等科学技术中心叶铭汉院士及王垂林研究员的半结构式访谈以及李政道个人传记的整理,深入分析宇称不守恒理论的产生过程及成功要素,旨在为促进我国重大科学发现的产生提供对策建议。

超快电子衍射研究分子动力学

随着超快激光、超快X射线和超快电子束技术在近年的快速发展,通过泵浦探测的方法在超快的尺度观察原子运动正逐步成为可能.本综述将讨论如何利用超快电子衍射技术探测激光激发的分子动力学过程.此技术以电子束为探针,能以飞秒量级的时间分辨率和埃量级的空间分辨率追踪激光触发的原子运动.阐述超快电子衍射技术的基本原理和最新进展,同时介绍其在研究分子动力学方面的代表性工作.这项“桌面级”的技术和X射线自由电子激光大科学装置互补,预期将在化学反应动力学领域发挥重要作用.

二维范德瓦耳斯半导体莫尔超晶格实验研究进展

在二维范德瓦耳斯材料中,可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格.自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来,利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题.本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展.在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角,实验上,一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实.进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.

电子束尾波对质子束自调制尾波相速度影响的理论和数值模拟研究

高能质子束在等离子体中通过自调制不稳定激发尾波的研究在过去的十年里有了长足的发展,在欧洲核子研究中心(CERN)人们已经在相关AWAKE实验中利用这种尾波加速电子,并获得了最高能量约2 GeV的电子束.针对高能粒子加速应用需求,近几年人们又进一步提出了利用电子束种子尾波控制质子束自调制过程的方案,用于提升尾波的强度与稳定性.本文研究了电子束种子尾波对质子束自调制尾波相速度的影响,着重讨论了导致尾波相速度改变的多种物理机理及电子束所起到的作用.通过理论分析和二维粒子模拟研究发现,电子束的引入可以提升质子束自调制尾波的增长率和尾波的相速度,且电子束的电荷密度越高其效果愈明显.本文还探讨了电子束能量和质子束的纵向密度分布对相速度变化的影响.

基于光参量过程直接产生高重频超短脉冲序列

论证了单晶体光参量放大(OPA)过程在特定边界条件下满足频域宇称-时间(PT)反对称性。归一化的数值求解结果显示,OPA系统PT对称阈值点附近呈现增益跃变性质。对于存在位相失配的OPA,通过实时调控泵浦光强,即可控制系统PT对称性,论文基于相位失配OPA中可超快调控PT对称性的特性构建了超快光开关,一方面光开关与周期性幅度调制的泵浦光联合使用,可直接将连续激光转换为超短脉冲序列输出;另一方面,构建的光开关也可用于脉冲激光再压缩,有望用于中红外波等长波段超短种子源。论文提出的基于超快光开关直接产生超短脉冲序列的方案,由于不需要光学谐振腔,易于实现大于10 GHz的超高重复频率。