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。     

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。     

利用纳米碳粉掺杂有效提高MgB2超导材料的的临界电流密度

自旋电子学的目标在于用电子的自旋代替传统的电荷作为信息的载体。自旋流在自旋电子学中是描述自旋输运的至关重要的概念。如何正确定义自旋流是一个有基本意义的理论问题。早期的理论研究一般将自旋流简单地定义为自旋算符与电子速度的乘积，类比于电流是电子电荷与电子速度的乘积。然而，这种定义忽略了自旋与电荷的根本不同：在一般系统中，自旋并不守恒。这个问题在最近的关于自旋霍耳效应的研究中变得特别突出：自旋霍耳效应所赖于产生的自旋-轨道耦合让电子自旋有内禀的量子演化，而传统定义的自旋流并不能与实验观测的自旋积聚直接关联。     

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。     

铁基超导体中的玻色模和超导电性的密切关系

铁基超导材料作为一类新的高温超导材料,其超导产生的原因一直备受关注,超导电子配对的机制一直是铁基超导研究中最具有挑战性的重大科学问题。目前有一个争论的焦点是,该类超导体是否仍然可以用BCS理论的延时电子和玻色子之间的相互作用来描述。我们通过扫描隧道谱仪,对两个不同铁基超导体系的样品进行了测量,发现除了超导特征的谱形之外,还有另一个特征峰,即玻色模,在两个样品中波色模的特征能量与中子自旋共振得到的能量数值相同,与超导临界温度之间呈现一个线性关系Ω/kBTc≈4.3±0.5。玻色模的特征峰与超导电性密切相关,并随着超导特征的减弱而减弱。上述研究结果揭示了铁基超导的非常规超导电性。     

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。     

量子时空与量子引力的研究

简要介绍了量子时空、圈量子引力,及它们与超弦中M-理论的接触、汇合上的国内外最新研究成果与动向.特别是公布了圈量子引力的时空量子化研究上,在空间体积与曲面面积的离散本征值谱,以及黑洞的熵的计算上取得的突破性创新成果.同时,对量子信息中的信息最小量子单位qubit的来源以及纠缠态的非定域性,用量子时空中激发出的曲面面积量子"1/2"给出的空间叠加态的自旋(零时)关联做出了新解释.     

先子呈现空间假说：组合先子拓扑模型的扩展及实验建议

本文基于Bilson-Thompson提出的组合先子拓扑模型(compositepreonstopologicalmodel,TM),提出了先子呈现空间假说(preonsemergingspacehypothesis,PESH),即携带同样电荷(0电荷或±e/3电荷)的3条先子(pre-ons)从粒子中向外延伸,构建出与其他粒子共享的各向同性三维空间。由PESH得到的4项规则经检验与标准模型的所有三代粒子相符合。应用PESH可以从几何/拓扑角度解释量子霍耳效应中的分数电荷准粒子、夸克禁闭及渐近自由、三维空间、粒子质量、宇称守恒及破缺、将引力子纳入TM、量子统计及自旋等物理现象。而且,基于PESH可以预言在特殊环境下存在带分数电荷粒子。本文并提出了两项实验以验证这些预言。     

太阳风暴能消除大气层部分电子

<正>在强烈的太阳风暴期间,太阳表面的高能粒子被抛射到太空中,当这些粒子与地球大气层顶端碰撞时,会导致极地上空区域获得过量的电荷。然而,新研究发现这些太阳风暴也能产生反效果,使特定区域的电荷流失,直到那里的带电粒子几乎完全被消除。而这种奇特的现象导致大气层上层出现一些电子“几乎被清扫干净”的区域。研究者表示,对     

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。     

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。     

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。     

量子水 量子袜 量子减肥……全是大忽悠!

正一边是新闻中"量子"相关的科研成果,一边是市场上触手可及的"量子"生活用品,听起来高大上的"量子"好像一夜间就飞入了寻常百姓家。但这些日用品真如宣传的那么神奇吗?市场上各种与"量子"有关的"高科技产品"——量子能量水、量子鞋垫、量子袜、量子空气净化器,到抽象的量子医学、量子保健、量子能量植入等,这些"量子+"概念的产品,哪些是真的,哪些是大忽悠呢?     

中国参与铜氧化物超导体国际竞争的进程及影响北大核心CSCD

1986—1987年,出现了一场研究铜氧化物超导体的国际热潮。以赵忠贤为代表的中国超导物理学家在这场热潮中取得了“发现液氮温区铜氧化物超导体”的国际一流成果。通过对蔡建华给国内信函和中国科学院物理研究所档案等新史料的发掘,本文梳理了1986年之前中国的高温超导研究状况、1986—1987年间铜氧化物超导体研究信息在中国的传播过程以及由此引发的科学研究历程,并对该研究取得重大突破的原因及影响进行了分析。学科带头人较强的学科前瞻性意识和科研组织能力、科技部门领导对超导学科的长期支持以及畅通的国际学术交流渠道是中国能够发现液氮温区超导体的主要原因。该成果令中国的超导研究获得了国际关注,并直接促成超导国家重点实验室的建立,是中国超导物理学发展历程中的一座里程碑。     

测量问题的新单子论方案与退相干解释

退相干解释的"稳定性判据"被认为是解决测量问题的关键一环。作为该解释的最新发展,量子达尔文主义试图对稳定性判据做出解释。该主义虽然部分地被最新物理实验证据所支持,但仍无法彻底解决测量问题。2016年,测量问题的"新单子论"方案被提出,利用"知觉-能量原理"和"意志-能量原理"解决了测量问题中的明确结果问题和优先基矢问题。本文从新单子论的"知觉-能量原理"出发,在不涉及任何退相干过程的情况下,重新导出了稳定性判据所筛选的优先基矢。这一方面说明新单子论在本质上与量子力学、退相干解释相符相容,另一方面说明新单子论揭示了退相干解释背后更深层的物理学哲学本质。     

非平衡等离子体化学研究进展

本文概述了高气压下电场电离气体研究现状与发展趋势以及存在的问题 ,着重研究了高气压下强电离放电的理论与方法。采用极端的物理方法和特殊的工艺手段 ,在放电间隙中形成折合电场强度E/n >3 5 0Td、电子平均能量Te >10eV的介质阻挡强电离放电 ,足以使大部分的气体分子分解、电离成电子、光子、离子、自由基以及活性原子、激发态原子和活性分子碎片等 ,为单分子化学提供活性粒子 ;再在分子层次上按预先设计模型加工新物质、新材料 ,为其在化学工业、环境工程和材料工业等方面应用提供理论依据和技术手段。     

光电功能晶体：结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究

光电功能晶体的研究成果是当代微电子和光电子产业新材料、新器件的源泉,在国民经济和国防建设中起着十分重要的作用."光电功能晶体结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究"项目经过前两年的工作较好地完成了预期的计划任务,并在几个重要方面有所进展.其中,由本项目的研究组发明的深紫外非线性光学晶体KBBF和KABO晶体取得了突破,KBBF晶体实现了波长为200nm的激光有效功率输出,KABO已长出可供实用化的厘米量级的晶体,并实现了波长为266nm的激光输出;利用"一维人工准晶"研制成功同时能输出绿光与紫外光以及红光与蓝光的两种类型的全固态双波长激光器原型,为今后3年实现多波长全固态激光器以及建立耦合和级联非线性光学开辟了道路;通过项目内研究组间的强强联合,在YCOB晶体的实用化进程中取得了突破性进展,得到了国际公认;以铁电体为一侧,以半导体、超导体、铁磁体为另一侧的异质结的研究也取得了有意义的进展.这些成果的取得,为今后3年实现本项目5年的预期目标创造了有利条件.     

高电荷态离子非平衡动力学时空演化研究

高电荷态离子及其在等离子体演化中涉及的能量交换和粒子交换过程,在核爆、可控核聚变、超新星爆炸和恒星吸积盘等极端环境中扮演着重要的角色。近年来,重离子加速器、冷却储存环和储存环精密谱学技术的新发展,推动了高电荷态离子物理的实验和理论研究,为研究极端条件下高电荷态离子结构和动力学,获得高精度原子物理参数、探索高电荷态离子在等离子体环境下的非早衡演化理论模型提供了前所未有的条件。依托兰州重离子加速器装置,通过研究高电荷态离子精密谱和碰撞反应过程,在原子层面理解高电荷态离子结构和动力学中的量子多体问题,阐明等离子体中的原子物理基元过程;基于获得的高精度原子谱和动力学参数,研究高电荷态离子与不同状态等离子体的相互作用,探索其非平衡演化的微观机制;为聚变能源等国家重大需求提供关键原子物理参数,深化对非平衡等离子体演化的物理认识。