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。     

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。     

自旋流探测的实现途径

自旋电子学是当前凝聚态物理中新兴的研究领域，目的在于利用电子的自旋自由度实现新一代更高性能的电子元件和信息技术。在自旋电子学的研究领域中，有许多基础的物理问题，例如如何在材料中实现自旋注入、自旋控制和自旋检测。中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室（筹）王永、夏钶与中科院理论物理所苏肇冰和北京大学马中水合作，从包含有Dirac场和Maxwell场的相对论拉氏密度出发，基于Noether定理，系统严格地研究了与自旋相关的非相对论近似下的守恒流，对上述问题做出了有益的探讨。     

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。     

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。     

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。     

磁性分子体系中的自旋态量子调控研究进展

分子磁性材料是新一代信息材料的一类重要研究对象。利用大小只有纳米尺寸的分子来存储信息和作为“分子计算机”,将使计算机在小型化方面发生“量子飞跃”。本文介绍了南京大学配位化学国家重点实验室近期在新型单分子磁体、光电多重响应自旋转换材料、单分子自旋电子学性质等研究中取得的重要进展。     

研究简讯

利用多量子相干实现无消相干子空间量子消相干效应是量子信息处理中的重要问题,也是实现量子计算的主要障碍之一,而无消相干子空间(DFS)是一种克服或减小消相干效应的有效方法。中科院武汉物理与数学所波谱与原子分子物理国家重点实验室魏达秀等在973计划项目“量子通信与量子信息技术”的支持下,提出了用二维核磁共振(NMR)技术和多量子相干实现无消相干子空间的新理论,创造性使用甲基的对称性产生无消相干的Li ouville空间中的自旋态,给出了一种区分磁等价的核自旋和建立无消相干子空间(DFS)的新方法,并在实验上验证了该DFS的避错能…     

面向精细化工绿色过程的纳米界面化学研究

提高催化反应的选择性,是精细化工行业从源头上实现零排放的根本策略,也是提高产品竞争力,促进精细化工产业升级的重要推动力。然而,广泛应用于各类精细化工生产过程的金属纳米催化材料的表面结构特征丰富,表界面原子配位结构复杂,导致其表界面化学过程常存在着多个反应通道,易产生副产物。如何使金属纳米催化剂在具备高化学反应活性的同时拥有高的催化选择性,以确保其参与化工过程的原子经济性、减少污染和副产物,成为精细化工催化领域的关键问题。为了解决该问题,国家重点研发计划项目"面向精细化工绿色过程的纳米界面化学"提出在分子水平上解析纳米催化材料的活性基元结构(含几何和电子结构),并理解其参与界面化学过程。同时,在实际应用体系中,实现对复杂纳米催化材料的活性中心和性能的精准调控,从根源上减少其参与精细化工过程的污染排放。本文简要介绍了在重点研发计划的支持下,项目研究团队近两年来在纳米界面化学的分子催化机制和催化应用工业示范等方面取得的研究进展。     

稀土超磁致伸缩材料研制通过鉴定

日前,由教育部组织专家委员会对北京科技大学新金属材料国家重点实验室承担的863高技术新材料"新型低场高性能〈110〉轴向取向稀土超磁致伸缩材料的研制”通过了鉴定.稀土超磁致伸缩材料是一种具有电磁能与声能、机械能(或信息)相互转换功能的新型功能材料,它可实现"材--电”一体化.该材料是下世纪国防和高新技术的物质基础.它主要应用于声纳水声换能器、线性马达、减振与防振系统、燃油喷射系统、波动采油、飞机机翼调控系统和超大功率超声换能器技术.该材料是未来新技术与新经济增长点的重要基础材料之一.该课题所研制的材料已成功地应用在军工和民用部门,效果良好,取得了显著的社会效益和潜在的经济效益.     

论农业界面的伦理学涵义

"界面"既是促进农业系统生存与发展不可或缺的基本条件,也是中国农业现代化不容忽视的伦理学基本要素,农业伦理学应对"界面"有清晰而明确的认识与理解。农业生态系统界面具有特异性、系统性、确限性与开放性并存等几大伦理特征;由于不同系统之间共同的"序参量"而引发的系统耦合,界面为农业生态系统的发展提供了伦理学依据;而伴随着生态系统的层级进化,界面还具有提升管理分级水平与能力的伦理学涵义;尤其是借助于界面的催化潜势、位差潜势、稳定潜势和管理潜势四大潜势,界面具有解放生产潜势的深刻伦理意涵。界面作为一把双刃剑,它也存在着系统耦合与系统相悖之间的伦理关联,当前农业伦理学的任务就是通过协调系统相悖扩大农业系统耦合,使其多层次、广覆盖,促进农业系统的健康可持续发展,为促进社会和谐发展、建立人类命运共同体做贡献。     

材料凝固成形多尺度多场量耦合计算机模型化

材料液态成形工艺中的凝固现象是发生在从铸锭 /铸件到原子集团尺寸范围内的多尺度液 固相变过程 ,同时还涉及或受控于多种物理场变化。正是这些多尺度的液 固相变特征与多重场量变化的复杂耦合作用共同决定了材料的凝固行为、结晶组织与缺陷形成以及成形零件 /材料的使用性能。近 2 0年来计算机软硬件技术的飞速发展 ,为多种基础学科交叉的材料凝固理论向着定量化的科学体系发展创造了有利条件 ,这是材料凝固理论今后发展与完善的重要方向之一。本文对基于多尺度、多场量耦合材料凝固成形计算机模型化的必要性及研究进展进行了简要概述 ,介绍了本文作者近 10余年来在该领域所进行的相关研究工作 ,最后就与材料凝固及液态成形计算机模型化相关的几个应重点加强研究的领域提出了几点建议     

中国科学家首创新型柔性电子印刷术

<正>天津大学精仪学院黄显教授团队成功研发"水致烧结"印刷术,在全球首次实现低能耗、低成本生产生物可吸收柔性电子元器件,有望成为柔性电子材料生产领域的革命性突破。相关研究成果已发表于国际权威期刊《先进功能材料》(Advanced Function Materials)。柔性电子设备在能源、医疗、通信等领域拥有十分广阔的发展空间。柔性电子印刷术是利用精密印刷技术来制作电子器件或电路,将表达颜色的油墨换成具有电子功能的油墨,印刷在柔性基质上的图形就具有了电子功能。国际处理图形的     

二异丙胺系列高温分子铁电材料研究进展

近年来随着对材料兼顾高性能、柔性、环保、质量轻、低矫顽场、可靠性等诸多要求的不断提高,对传统的陶瓷铁电材料提出了新的挑战。陶瓷材料虽然性能好却含重金属,还存在密度大、重污染、生产耗能高、材料矫顽场高、刚性强等不足。目前陶瓷铁电材料已不能完全满足现代电子信息工业发展对材料的需求,急需寻找新材料去弥补传统陶瓷材料的不足。在此背景下,分子铁电材料由于自身的诸多特点重新受到重视,其质量轻、柔性高、环保、无重金属、能耗低。因此,我们将分子铁电材料与陶瓷铁电材料进行对比研究,借鉴相关研究的新发现、相关理论、重要方法,依托晶体工程和化学多样性为分子铁电材料研究提供有效帮助并构筑分子模型和设计调控结构,以寻求在性能、能耗、环保、柔性等多个角度实现突破,进而合成新型分子铁电材料,为其将来实用化和系统的科学研究提供指导和材料基础。     

电子动态调控超快激光微纳制造

超快激光是指脉宽短于10 ps的激光,在制造过程中其作用时间、功率密度等趋于极端,具有超强(也就是非线性)、超快(也就是非平衡态)的独特优势。本研究提出了电子动态调控的核心思想。电子动态决定了材料的所有特性,包括它的光学、热力学、磁学、化学、电学特性等。超快激光的加工决定于光子与电子相互作用过程。超快激光脉冲可以激发、电离电子,从而改变辐照过程中的局部瞬时电子动态。在超快激光辐照过程中,电子密度的变化可以达到几个甚至上十个数量级,如此巨大的电子密度的变化使材料的瞬时局部特性也发生了巨大的变化。在超快激光辐照非金属过程中,辐照区域的非金属可呈很强的金属态,它的反射率从原来的接近于零变成了零点九几。这样强烈的材料瞬时局部特性的变化对激光光场进行了显著重整:激光在达到自由电子临界密度之前是高斯分布;当自由电子密度达到临界密度之后,多数光都被反射了。所以,我们通过设计激光光场时空分布以调节光子与电子的相互作用过程。当我们将一个超快激光脉冲分成两束来调节子脉冲间的延迟,就可以调节电子电离过程,从而改变瞬时局部状态。此时仅仅调节一个简单的参数——子脉冲间的延迟,就可以使自由电子的密度分布产生巨大变化。在不同延迟下,峰值自由电子密度变化非常的剧烈。相应的,在不同延迟下材料的瞬时局部特性变化也非常大。同样的,通过调整延迟,激光能量的吸收情况分布变化也非常大。所以,通过改变脉冲延迟,可使自由电子密度、材料的瞬时局部特性、激光透射能量分布等产生巨大变化。通过超快脉冲时空整形,调控电子-电子相互作用过程,进而局部调控电子瞬时状态(密度温度激发态分布等),从而调控材料瞬时局部特性,进而调控材料相变过程,实现全新的目标制造方法。我们建立了超快激光与材料相互作用的多尺度量子理论模型,提出了电子动态调控超快激光微纳制造新方法,通过设计超快激光能量时域及空域分布,调控加工过程中的能量吸收、传递及材料相变过程,进而提高加工质量、精度。此外,搭建了多时间尺度电子动态实时观测系统,观测超快激光微纳加工过程中的材料瞬时局部折射率、等离子体强度等,优化加工参数,实现了对局部瞬时电子动态的主动调控,并应用于国家重大需求关键核心构件的加工工艺中,开启了电子层面调控的新机理和新方法研究。     

外尔轨道及三维量子霍尔效应研究进展

由于体边对应关系，拓扑半金属表面态呈现一种特殊的开放式费米弧结构。在磁场下，处于相对表面的费米弧可通过体态手性朗道能级耦合，形成穿越三维空间的外尔轨道，可在高维度材料中实现超越传统二维体系的量子霍尔效应。重点介绍外尔轨道和三维量子霍尔效应的物理机制、实验验证和潜在应用等方面的研究进展。根据理论预测的外尔轨道模型，在实验上通过变角度探测费米面维度、厚度调控回旋相位和双栅极构型验证表面态耦合等方式研究外尔轨道的输运特性。拓扑边界态与量子霍尔效应的结合在拓扑电子材料研究领域开辟了一个全新的前沿阵地，为量子霍尔效应在三维体系中的发展奠定了重要基础。     

我国在国际上首次提出全液态量子器件与计算技术概念

正量子计算机被普遍认为是新一代计算机的重大发展方向,其计算能力主要基于对微观量子态的操纵。量子计算机在物理实现上要走向集成化和小型化,其最为核心的一种逻辑运算器件是依托量子隧穿效应,即电子像沿着隧道一样穿过薄的绝缘层。研究项目负责人、中科院理化所与清华大学双聘教授刘静说,目前几乎所有实现量子隧穿效应的器件均由一个三明治     

新型量子功能体系的物性表征及其材料探索

超导是一个宏观量子现象,具有零电阻和完全抗磁双重特性。利用这些性质以及约瑟夫森效应,超导技术在电力、能源、交通、医疗、微弱信号检测等方面得到了广泛的应用。常规的超导电性起源于电子和声子间的耦合,由于电声子耦合常数的限制,传统的超导材料临界温度Tc很低,使得超导技术的应用仍受到极大的限制。1996年,铜氧化物中高温超导电性的发现掀起了全世界研究高温超导的热潮,2008年高温超导电性在铁基材料中的发现是超导领域近年来最重大的突破。中国科学家在高温超导材料探索领域做出了卓越的贡献,并因此两度摘得国家自然科学一等奖。高温超导电性不能被传统的电声子耦合理论解释,其机理问题涉及到复杂的微观量子多体相互作用,被誉为凝聚态物理中“皇冠上的明珠”。对高温超导机理的研究不仅能够加深人类对微观量子世界的认识,更为重要的是对于探索具有更高Tc的超导材料和超导技术更广泛的应用都有非常重要的指导意义。     

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。     

自旋式电火花线切割机床

一、主要技术内容 自旋式电火花线切割机床是机电一体化高科技产品,其加工方式是电极丝在沿直线方向慢速往复运丝的同时,还绕自身轴心线高速旋转、放电、磨削,切割工件,并实现了稳定的恒张力.该机床集中了快、慢走丝线切割机床的优点,又克服了它们的缺点.通过大量的工艺实验证明,与以往的线切割机床比较,该机床有如下优势: