量子超晶格:堆叠相互作用的协同效应

电子间库伦相互作用在凝聚态物理中起着至关重要的作用。当电子之间相互作用占据主导时,例如磁性、 关联绝缘体等物态相变将会发生。二维电子气,尤其是莫尔(moiré)超晶格二维异质系统的电子关联效应近年来受 到广泛关注,出现了一系列新颖的实验和理论结果。本文主要围绕一个比较特殊的物理模型:双层关联二维电子 气之间的相互作用与协同效应,介绍其近期的实验与理论进展。

金刚石氮空位中心自旋量子调控

量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.

原位制备量子器件的掩模光刻

在特定区域的单晶薄膜生长已经能通过掩模光刻的方法所达成。这种方法作为一种不同材料合成的工具,它能用于沉积不同种类的材料,尤其是近年新出现的量子材料。在本综述中,回顾了利用掩模光刻在原位量子材料微观器件的制备应用。本文首先描述了掩模光刻的基本特性、主要技术参数和优势,然后展开关于量子材料如何在这些技术特点和优势中获益的讨论。最后强调掩模光刻在材料工程、原位量子器件制备的应用。本综述阐述了一个在制备技术和量子材料的新的交叉方向,这一方向逐渐获得越来越多的关注和研究。

核磁共振量子信息处理研究的新进展

过去的二十年中,量子信息相关研究取得了显著的进展,重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比,基于自旋动力学的核磁共振系统,不仅具有丰富而且成熟的控制技术,还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此,核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈,并对未来发展方向提出展望.

飞秒激光直写光量子逻辑门

量子比特在同一时刻可处于所有可能状态上的叠加特性使得量子计算机具有天然的并行计算能力,在处理某些特定问题时具有超越经典计算机的明显优势.飞秒激光直写技术因其具有单步骤高效加工真三维光波导回路的能力,在制备通用型集成光量子计算机的基本单元—量子逻辑门中发挥着越来越重要的作用.本文综述了飞秒激光直写由定向耦合器构成的光量子比特逻辑门的进展.主要包括定向耦合器的功能、构成、直写和性能表征,集成波片、哈达玛门和泡利交换门等单量子比特逻辑门、受控非门和受控相位门等两量子比特逻辑门的直写加工,并对飞秒激光加工三量子比特逻辑门进行了展望.

四端双量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应

基于非平衡态格林函数方法,理论研究了与四个电极耦合的双量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应,考虑了不同电极的磁动量结构和量子点内以及量子点间电子的库仑相互作用对热电效应的影响.结果表明铁磁端口中的磁化方向能够有效地调节能斯特效应:当电极1和电极3中的磁化方向反平行排列时,通过施加横向的温度梯度,系统中将会出现纯的自旋能斯特效应;当电极4从普通金属端口转变为铁磁金属端口时,将同时观测到电荷和自旋能斯特效应.研究发现,能斯特效应对于铁磁电极极化强度的依赖程度较弱,但对库仑排斥作用十分敏感.在量子点内和点间库仑排斥作用的影响下,自旋及电荷能斯特系数有望提高两个数量级.

能够突破标准量子极限的原子双数态的制备研究

所有经典的双模(两路径)干涉仪的相位测量精度都受限于1/N/(1/2)(其中N为参与干涉测量的总粒子数),这一极限被称为经典极限或标准量子极限.量子计量学最重要的目标之一是探索如何通过量子纠缠实现超越经典极限的测量精度.双数态是一种能突破经典极限的纠缠态,它由数目相等、不可区分的自旋朝上和朝下(双模)玻色粒子组成.通过光学自发参量下转换或囚禁离子内态的操控手段已实现了不到十个光子或离子的双数态.利用玻色-爱因斯坦凝聚体中原子的自旋混合过程,近年来也能产生多达几千个原子的双数态.但是这样制备的双数态的总粒子数的随机涨落过大,限制了它们的实际应用潜力.最近,我们通过调控原子凝聚体中的量子相变,实现了超过一万个原子的双数态的确定性制备.本文简要综述这一研究进展.

马约拉纳零能模的非阿贝尔统计及其在拓扑量子计算的应用

自1937年被预言以来,马约拉纳费米子在粒子物理领域和暗物质领域就广受关注.它们在凝聚态物理中的"副本",马约拉纳零能模(Majorana zero mode,MZM),被指出可以通过拓扑超导实现,并由于满足非阿贝尔统计及可以用来实现容错的量子计算机而成为凝聚态领域最受关注的研究方向之一.尤其在近二十年中,马约拉纳零能模在理论和实验方面均取得了诸多重要进展,一些综述文章对此做了较详细介绍.本文将会重点回顾MZM的非阿贝尔统计性质以及它们在量子计算中的应用.文章的第一部分首先简单介绍了凝聚态系统中MZM的理论发展并概述了在人工异质结体系中寻找MZM的最新理论和实验进展.然后介绍了MZM非阿贝尔统计的基本概念,并讨论这一性质怎样应用到量子计算中.接下来重点讨论了利用MZM平台实现量子计算机的两个关键步骤:MZM非阿贝尔编织操作的实验实现方案和MZM量子比特的读取.在这一部分里,本文分别详细列举了现有的比较受关注的实现MZM编织操作和量子比特的读取实验装置.最后,文章介绍了在对称性保护的拓扑超导系统中实现马约拉纳的对称保护非阿贝尔统计的可能性.

光解水的原子尺度机理和量子动力学

利用阳光直接将水分解为不含碳的氢气燃料和氧气是面向全球能源危机环保且低成本的解决方案.得益于电子结构理论和量子模拟方法的进步,人们已经能够直接研究在纳米颗粒上等离激元诱导光解水过程在原子尺度上的反应机理和超快动力学.本文简述近年来的相关工作进展.吸附在氧化物薄膜上的金纳米颗粒很有希望成为水分解的高效新型光催化剂.在光激发条件下,水分解反应速率和光强、热电子转移之间有强相关性.水分解速率不仅取决于光吸收强度,还受到等离激元量子振动模式的调控.这对于太阳能光解水器件中纳米颗粒的设计有借鉴意义.我们发现液态水在金团簇等离激元催化下100 fs内就能产生氢气.超快量子动力学模拟表明,该过程中场增强起主导作用,从金属到水反键态的超快电荷转移也扮演着重要角色.综合这些原子尺度上的量子动力学研究,我们提出受激水分子中氢原子高速碰撞(速度远远超出其热速度)合成氢分子的"链式反应"机理.

离子-原子混合阱中冷Rb原子对Rb~＋离子的协同冷却(英文)

研究在离子-原子混合阱中冷Rb原子对Rb+离子的协同冷却效应。通过对与原子相互作用之后离子温度和数目的测量研究离子阱参数q_(1,2)对协同冷却的影响。发现在0.3≤q1,2≤0.8时冷原子对离子具有明显的协同冷却效果。选取|q_(1,2)|=0.32,测量到离子可以从初始温度(2 010±380)K冷却至(325±35)K,寿命从7 s延长至15 s。这对于冷却原子离子或者分子离子,尤其是没有合适光学通道的离子将是非常有意义的。

强激光场下原子分子量子隧穿实验测量

强激光场下原子分子的多光子电离和隧道电离是极端条件下的量子现象,也是强场光物理中基本的动力学过程.测量原子分子在强激光场中的超快动力学对探索微观粒子内部结构和相互作用有重要意义.本文简述强场光电离中的基本概念和现象,并介绍强激光与原子分子相互作用研究中的重要仪器——冷靶反冲离子动量成像谱仪(COLTRIMS).最后,展示了基于COLTRIMS系统研究电子隧穿过程中势垒下相位对光电子动量谱的影响.

Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展

Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势,使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同,高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难,且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战,重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理,以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

二维材料体光伏效应研究进展

体光伏效应是一种二阶非线性光电响应,指非中心对称结构材料在均匀光辐照下产生稳态的光电流.体光伏效应由于开路电压不受半导体能隙限制,并且功率转换效率可以突破Shockley-Queisser极限,因此引发广泛关注.此外,体光伏效应与固体的量子几何性质(如Berry曲率和量子度规)密切相关,是一种研究晶体电极化、轨道磁化和量子霍尔效应的有效手段.二维材料具有丰富的电、光、磁、拓扑性质及相互作用机制,可有效提高体光伏器件性能(如拓展体光伏效应响应范围等),对探索基础物理问题亦具有重要的研究价值.本文概述了体光伏效应的发展历程及其几种物理机制,重点讨论了二维材料中体光伏效应取得的研究进展,包括单一成分二维材料、二维材料堆垛工程(如二维材料同质结和异质结),以及在此基础上通过外界作用(如磁场、应变工程)实现产生或调控体光伏效应响应.最后对二维体光伏效应的发展前景进行了展望.

各向异性粘结稀土永磁材料研究

综述了作者课题组在各向异性Re-Fe-N(Re=Nd,Sm)和Re-Fe-B(Re=Nd,Pr)粘结永磁材料方面的研究结果。通过利用中子衍射、磁性测量、电镜等手段,紧密结合电子结构计算系统研究了磁性材料结构和性质的关系,阐明了间隙原子效应提高Re-Fe材料磁性的物理根源,提出了制备无缺陷单晶颗粒型各向异性永磁Re-Fe-N磁粉的技术路线,以此为指导,开发出了高性能各向异性Re-Fe-N磁性材料和磁体的产业化关键技术和设备,并建成了百吨级生产线。发现了织构型HDDR NdFe-B永磁粉形成的关键机制及其实现高矫顽力的方法,成功实现高性能HDDR(Pr,Nd)_2Fe_(14)B磁粉和高温度稳定性磁粉的稳定制备。研究了单相磁体和杂化磁体制备技术,制备了高性能的各向异性粘结磁体,为未来实现各向异性磁体大规模生产进行了积极的探索。

基于金属狭缝结构的表面等离激元全光调控

表面等离激元是束缚在金属-介质交界面上的一种电磁波模式,可突破衍射极限,被认为是下一代集成光子回路最有希望的信息载体。就几种表面等离激元金属狭缝结构的原理和应用做了简单概述。利用法布里-珀罗谐振腔、法诺共振、多模干涉等光学效应,这些金属狭缝结构可对表面等离激元的传输行为进行有效地调控。在理论和实验上,利用金属狭缝结构实现了亚波长表面等离激元单向激发器、亚微米宽带单向激发器、亚微米分束器、超紧凑纳米聚焦器件和亚微米全光开关等纳米光子器件。这些纳米光子器件在纳米集成光学中具有重要应用。

基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测

回音壁模式光学微腔由于其品质因子高、模式体积小等优点,近年来在非标记性的纳米粒子探测方面得到了广泛的重视,开展了大量的研究,取得了重要的进展.利用回音壁微腔的拉曼激光,通过测量纳米粒子造成的模式劈裂的拍频,可以实现不同环境下纳米粒子的实时探测.与传统的稀土离子掺杂法不同,这种方法采用腔的内禀增益,不仅提高了应用回音壁模式微腔进行纳米粒子探测的极限,而且避免了传统方法中稀土离子能级对泵浦光的限制,拓展了应用范围.这种方法还可以应用于其他材料的回音壁微腔,如硅基微环腔等,以及光子晶体结构、超材料等受损耗限制的系统中.本文简单介绍了回音壁模式光学微腔进行纳米粒子探测的基本原理以及最新研究进展.

重费米子超导与竞争序

与其他非常规超导系列相比,重费米子超导体往往具有丰富多样的竞争序,超导与各种竞争序相伴而生,电子配对与反铁磁涨落、铁磁涨落、价态涨落、电四极矩涨落等量子临界涨落密切相关,扩充了非常规超导的研究内容.重费米子材料中的f电子往往同时参与超导与各种竞争序的形成,表现出局域与巡游的二重性.重费米子二流体理论为理解重费米子超导与竞争序的关系提供了新的思路.

氮化物宽禁带半导体的MOCVD大失配异质外延

以氮化镓(GaN)、AlN(氮化铝)为代表的Ⅲ族氮化物宽禁带半导体是研制短波长光电子器件和高频、高功率电子器件的核心材料体系。由于缺少高质量、低成本的同质GaN和AlN衬底,氮化物半导体主要通过异质外延,特别是大失配异质外延来制备。由此导致的高缺陷密度、残余应力成为当前深紫外发光器件、功率电子器件等氮化物半导体器件发展的主要瓶颈,严重影响了材料和器件性能的提升。本文简要介绍了氮化物半导体金属有机化学气相沉积(MOCVD)大失配异质外延的发展历史,重点介绍了北京大学在蓝宝石衬底上AlN、高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长和p型掺杂、Si衬底上GaN薄膜及其异质结构的外延生长和缺陷控制等方面的主要研究进展。最后对Ⅲ族氮化物宽禁带半导体MOCVD大失配异质外延的未来发展做了简要展望。

磁电势垒结构中光场辅助电子自旋输运特性

基于Floquet理论和传输矩阵方法,理论研究了光场对电子隧穿两类磁电垒结构的自旋极化输运特性的影响,计算结果表明光场对两类磁电垒结构中电子的输运有显著影响:首先,原来不存在自旋过滤特性的结构应用光场后会产生低能区域明显的自旋过滤效应;其次,原来存在自旋过滤特性的结构应用光场后自旋过滤明显增强,增幅超过一个数量级.这些为新的自旋极化源的产生和自旋过滤现象的深入研究有一定的指导性意义.

重费米子二流体理论

强关联电子同时表现出局域和巡游的二重性,这是量子力学波粒二象性在凝聚态物理领域的表现,也是导致强关联材料中各种新奇量子效应的根源。本文以重费米子材料为例,探讨强关联f电子在该类材料中局域和巡游二重行为的实验表现,重点介绍重费米子的二流体唯象理论。这一理论成功解释了众多先前无法解释的实验现象,揭示了重费米子体系复杂行为背后的统一物理起源,为理解强关联系统包括铜氧化物和铁基超导材料中电子的奇异行为提供了一种新的思路,亟待更加深入的理论和实验探索。