重费米子体系中演生量子态及其调控的研究进展

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等。相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系。本文重点介绍国家重点研发计划项目"重费米子体系中的演生量子态及其调控"执行两年来,在重费米子电子相图、量子相变、超导、强关联拓扑态、微观电子态等前沿科学问题上的研究进展。着重介绍了重费米子超导体CeCu_2Si_2的超导序参量,在重费米子材料YbPtBi中发现的外尔费米子激发,低载流子浓度近藤晶体中的关联拓扑电子态,以及CeTIn_5体系中的局域-巡游转变和重费米子态的微观机理研究等。这些研究成果加深了我们对重费米子体系中丰富的演生量子态及其调控的理解,为项目后期研究的凝练和深化奠定了坚实的基础。     

“三重简并费米子”的特点和发现的意义

<正>英国《自然》杂志2017年6月19日在线发表了中国科学院物理研究所的一项最新成果,该所科研团队首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子,为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。该发现从理论预言、样品制备到实验观测的全过程,均由中国科学家独立完成。组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。费米子是自旋量子数为半整数的基本粒子,遵从泡利不相容原理,即一     

三维量子霍尔效应首获验证

<正>中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作,首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应,研究成果日前发表在《自然》上。霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时电力与磁力之间的一种相互关系。1879年发现的霍尔效应这一基础理论对半导体行业意义深远,因为它是二极管发明的重要前提。1980年,德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了传统学界对物态和相变的理解,并把拓扑概念引入到物理学研究中。     

量子材料中的有序现象及其调控的研究进展

关联体系中多种量子有序态的竞争催生了极其丰富的物理性质和相图,对它们的研究将加深人们对量子材料中基本现象和规律的认识。而对量子序调控机制的研究,将有可能产生新的关键技术和新原理原型器件。本综述介绍了国家重点研发计划项目"关联体系多种量子有序态的竞争与调控"执行两年来,在量子材料的自旋量子纠缠序、向列序、电荷序、轨道序、超导序和拓扑序等多种量子有序态的机理与调控研究中取得的主要进展。着重介绍发现了多种基于有机-无机杂化结构的超导体系和一系列含稀土元素的新型铁基超导体,在自旋液体中发现分数化的激发,对FeSe_(1-x)S_x中向列序与超导序相互作用和Li_(0.8)Fe_(0.2)OHFeSe表面电子结构和超导电性的研究,对重费米子体系中电子的局域行为和巡游行为的相互作用的研究,以及实现了固体离子门电压的调控技术并得到了多种体系的相图等重要发现。这些研究成果加深了我们对量子序的认识,建立了研究和控制量子序的手段,也为未来量子序的应用打下了基础。     

关联电子系统调控研究进展

关联量子体系中,电荷、自旋与轨道的耦合在电子-电子相互作用驱动下产生了丰富的量子态,这些量子态在能量尺度上相近,对外界参数非常敏感,其合作或竞争导致了电荷自旋分离、赝能隙、条纹相、向列相等大量朗道费米液体理论不能解释的物理现象。本研究针对这些现象,从关联电子新材料探索、新现象和新规律的发现以及关联电子体系的实验和计算方法的发展几个方面进行研究,取得了系列重要进展。新材料方面,发现了新型铜氧化物超导体、新的Cr/Mn基超导体以及新型的量子自旋液体材料;新现象方面,发现了NbTi超导体在超高压下异常稳定的超导电性、铁基超导体的多自由度竞争以及铜氧化物的掺杂Mott绝缘体;新技术和新方法方面,建设了以能量可调的近红外至中红外泵浦太赫兹探测系统为代表的几种针对关联电子研究的实验系统,并发展了基于张量网络态的新算法针对典型强关联系统进行计算。这些进展对促进我国凝聚态物理学科的发展将产生重要推动。     

关联电子材料的自旋态限域调控与自旋电子器件应用研究进展

关联电子材料具有丰富的自旋序,包括铁磁、反铁磁、亚铁磁、螺旋磁序等,这些自旋序与电子轨道态、电荷空间分布等其他量子态存在强烈耦合,因而可以通过外场来实现不同自旋序的时域和空域调控。相对于存在化学界面的传统异质结构,在关联电子材料中利用外场限域调控,可以实现无化学界面的不同自旋序结构的空间可控排列,从而构筑基于同一材料的新型自旋电子器件。本项目围绕关联电子体系多量子态的调控规律展开,通过自旋电子学与量子物理、表面物理以及电介质物理的交叉,探索具有多场(磁场、电场、光场、应变场)可控性的新型关联自旋电子材料,发展新型的多场调控技术,揭示自旋序与量子态耦合机理,设计新型自旋电子器件,进而实现在同一关联电子材料中集成非挥发性自旋存储与逻辑运算功能。     

基于人造规范势与光晶格中超冷原子气体的量子模拟

超冷原子体系由于其宏观量子特性和高度可调控性为人们提供了一种全新的量子体系,其新颖量子态和奇异物性的研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域。超冷玻色和费米气体在人造规范势与光晶格中的拓扑和多体量子效应研究,不仅为精密测量和量子模拟提供了全新的视野,而且为实现各类新奇量子态并探讨其物理机理提供了基础,开辟了冷原子量子系统在拓扑量子信息与量子计算中应用的方向。     

固态光学微腔与量子体系相互耦合的调控及其量子器件研究

固态光学微腔与量子态组成的耦合量子体系,由于能够满足量子信息处理所要求的可扩展和可集成性,被认为是实现量子计算和量子通信的重要实验平台之一。目前该体系的研究主要围绕新型高品质光学微腔的制备、局域腔模与激子态或声子态的相互作用调控以及新型量子光电子器件的研发等方面开展。虽然该领域的研究取得了一些进展,但仍面临诸多挑战,例如量子点与微腔确定性共振耦合;光学微腔与量子态相互作用的多手段调控;多微腔共振耦合的集成与实用化的量子光源等。为了攻克这些挑战,本项目围绕"微腔与量子态的耦合"这一主题展开研究,旨在发展微腔与量子的相互作用理论,建立具有自主知识产权的数值模拟平台,同时研究高品质固态微腔的制备以及与量子体系的有效耦合调控手段,开发高性能微腔量子器件和量子芯片。     

外尔的统一场论及其影响

今日物理学中的规范不变性(gauge invariance)系从外尔著作中标度不变性(Eich Invarianz)英译而来,这表明了两种理论之间的亲缘关系.文章首先探讨了1920年前后外尔利用标度不变性来统一引力场和电磁场的理论方案,进而考察了物理学界(特别是爱因斯坦和泡利)对外尔理论的批判以及外尔对这类批判的回应.关于外尔理论的影响,作者强调了三点.首先,物理学界的诘难促使外尔转向"度量本质"的刻画,从而激发了嘉当G-空间概念的诞生和外尔本人在李群领域的开创性工作;其二,外尔推广联络来统一引力场和电磁场的设想是随后爱丁顿、爱因斯坦和薛定谔等人建立统一场论的思想之源;最后,在量子力学诞生之后,外尔理论以一种修正的形式获得了全新的含义,这就是外尔本人所阐明的局域相位变换原理.     

外尔与黎曼几何的拓展

在一手文献的基础上，重点考察了外尔1917-1923年间对黎曼几何的系统阐述和重大推广，包括内蕴地定义仿射联络、建立“纯粹无穷小几何”、引入投影和保形结构，以及对“度量本质”的群论分析。外尔的这些推广，尤其是他的“纯粹无穷小几何”以及对“度量本质”的分析，由于没有进入当代微分几何的标准语汇之中，今天已然隐退到历史的幕后了。但是，外尔的这些工作是从黎曼几何过渡到纤维丛理论的一个重要环节，同时也是外尔从分析学转向李群理论的主要动因。     

论固有结构与损伤之间的矛盾在材料受载分析中的主导性——固体力学的“弹性化思维”

作者根据自然辩证法的认识论方法论提出了固体材料受载这一普遍现象的本质是材料物质属性中固有结构与损伤之间的矛盾过程。本文揭示了固有结构与损伤之间的矛盾在材料受载分析中的主导作用,即事物发展的内因,而作用力是外界条件。实验结果与上述矛盾双方的对立统一、量质互变及否定之否定的普遍规律完全一致。据此,针对当代固体力学以构建材料物质属性本构方程为出发点的思维体系,作者提出了损伤状态优先原则（doctrineofdaImgestatepfionW,DDSP）。实验结果验证DDSP不但可以解决认识过程中出现的所谓“多相物理与多尺度耦合”所带来的难题,同时揭示了材料、材料受载事件的物质本质。通过本文,作者也阐述了自然辩证法的认识论方法论,在更深程度上认识材料和认识材料受载问题中的不可忽视的指导意义。     

量子自旋阻挫体系与量子自旋液体

量子自旋液体是量子磁性系统中的新型物质形态,一般认为这种新物态源于阻挫相互作用。由于强烈的量子涨落导致基态呈磁无序状态,其低能激发不是通常的自旋波,而是分数化的自旋子和演生的规范涨落。经过几十年的积累,量子自旋液体在分类理论、数值计算和材料合成、物性测量等方面取得了丰富的成果。在国内,实验方面在三角晶格上的自旋轨道耦合材料YbMgGaO_4、笼目晶格上的材料ZnCu_3(OH)_6FBr和ZnCu_3(OH)_6FCl、六角晶格上的Kitaev材料α-RuCl_3等阻挫系统的研究中取得突破性进展,部分达到国际领先水平;理论方面,在计算笼目格子海森堡模型的基态、刻画具有自旋轨道耦合的阻挫模型的相图、构造非对易自旋液体模型、建立自旋液体低能有效理论等方面也取得重要进展。由于强关联系统的复杂性,自旋液体领域仍然有很多重大问题尚未完全解决。另一方面,鉴于这一领域的重要性,我们需要集聚力量、协同合作,在材料、实验和理论上取得新的突破,推进相关领域的持续性发展。     

拓扑量子材料、物性与器件研究

形形色色的拓扑量子新材料和新物态丰富了人们对物质世界的认识,也为量子调控提供了广阔的天地。来自于中国科学院物理研究所、北京大学、北京理工大学和北京计算科学研究中心的研究团队期望通过五年的努力,设计、合成出新颖的性能优越的拓扑量子材料,发现一些重要的拓扑量子新现象,制备出具有潜在应用价值的新型拓扑电子学原型器件。项目执行两年多来,研究人员们设计并合成了三重简并点半金属等新型量子材料,在拓扑量子材料中发现了一些新奇的电子输运、磁电和热电性质,制备并初步研究了Fu-Kane理论所建议的、用于寻找马约拉纳零能模的拓扑超导量子器件。     

通过调谐原子的极化方向实现对二维光子晶体自发辐射的开关控制

超大磁电阻（CMR）材料由于具有丰富的物理现象和广阔的应用前景而引起人们的极大研究兴趣。中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室（筹）李庆安与美国阿贡国家实验室研究人员合作，研究发现当温度降到160K以下时，亚锰酸盐La2-2x也Sr1＋2xMn2O7（X=0．6）单晶材料发生从轨道或电荷有序绝缘态向金属态的一级相变，而且其传导率变化超过此前任何单相亚锰酸盐在零磁场下传导变化的100倍。     

0.1meV能量分辨率扫描隧道谱的发展及其在单自旋态探测中的应用

本研究利用低温扫描隧道显微镜研究了吸附在超导体表面上的磁性杂质诱导的束缚态。通过提高扫描隧道谱的能量分辨率,可以观察到对应于不同角动量散射通道的多重束缚态。该工作提供了一种探测单个自旋态以及研究磁性与超导相互竞争等的灵敏实验手段。     

神经网络用于ABS树脂表面金属化研究

用金属盐和ABS树脂进行充分混合，得到有机金属的复合材料。再用NaBH4水溶液对其进行还原可得到表面金属化材料。这种材料具有较好的导电性。采用均匀设计法安排实验，分析各个因素对材料导电性能的影响作用。运用人工神经网络（ANN）对其进行系统辨识预报，ANN的计算结果与实验数据吻合。对影响其导电性的各个因素进行了研究，包括添加金属的质量，还原温度和还原时间。     

科学实验推进了客观实在论——关于"薛定谔猫佯谬"的哲学研究

“薛定译猫佯谬”表面看似一个量子力学哲学问题，实际上涉及到科学哲学研究中一些基本哲学问题之争，如主观论与客观论之争、实在论与反实在论之争。近年来，“薛定谔猫佯谬”的实验研究新进展，使得死活叠加的薛定谔猫纠缠态及其退相干效应，不再是可争论的而是可观察的物理世界的行为，从而推进了长期围绕量子理论在不同哲学流派中展开的哲学基本问题之争的研究。     

天然气水合物准三维地震调查导航动态定位精度分析

如何在空间上描述天然气水合物矿体的外部展布形态及精细刻画其内部结构是井位优选的首要目标。单源单缆准三维地震勘探方法提高了水合物矿体的三维成像质量,其重要研究途径就是通过对导航动态定位精度分析,控制误差产生的因素,达到提高动态定位精度的目的。通过对罗盘及电缆等要素的分析与研究,建立了“大圆圆弧”数学模型,优化了采集参数并在南海北部陆坡天然气水合物准三维调查中取得了较好效果。     

科学计量学视角下的石墨烯发现之争

本文通过科学计量学的方法,考察了石墨烯发现前后文献链条上的关键节点文献,对有关2010年诺贝尔物理学奖的争议进行了回答。研究结果表明,海姆、诺沃肖洛夫2004年发现石墨烯的文献以及发现石墨烯中的电子是具有无质量的狄拉克费米子两个成果具有很高的被引频次,也有很高的网络中介中心度值。他们获得诺贝尔奖是理所应当。另一方面,赫尔只有一篇2006年发表的文献处于链条之上,表明他在石墨烯发现之后对其性质的研究做出了实质性的贡献。凯姆则有两篇文献位于石墨烯发现前后的链条上,尤其是对石墨烯中存在肉眼可见的量子霍尔效应这一独特性质的发现,引发了大量相关研究。因此,海姆认为他也应当共同获奖是有相当理由的。     

赤铁矿光电催化选择性氧原子转移机制研究

赤铁矿是一种具有潜力的光电催化材料,已被广泛用于水氧化反应研究。在该反应中,赤铁矿受光激发后会在表面形成捕获态空穴,即高价铁氧物种(Fe^Ⅳ=O)。其受水分子的亲核进攻形成氧—氧键,且遵循质子耦合电荷转移机制,这一观点已得到动力学同位素效应、电化学阻抗谱以及原位光电化学红外光谱等实验证据的支持。在此基础上,受高价金属—氧物种诱导的氧原子转移(oxygen atom transfer, OAT)反应的启发,赤铁矿催化的有机相OAT反应取得了突破性进展,开辟了赤铁矿光电催化应用的新方向。这种高效的OAT机制被进一步拓展到一些典型的无机物(氨、亚硝酸盐等)氧化反应,为环境污染物的去除提供了新的思路。