超子-核子相互作用理论研究的最新进展

超核物理是核物理的一个重要分支,其微观理论的基本出发点为超子-核子相互作用.研究超子-核子相互作用不仅有助于理解奇异性在粒子物理与核物理中的作用,还可以检验SU(3)味对称性及其破缺程度.文章首先回顾了超核物理的起源,随后简要列举了在核物理、粒子物理以及天体物理等领域中,与超核物理相关的几个前沿热点问题,并指出研究超子-核子相互作用的重要性.接下来着重介绍超子-核子相互作用的理论研究历史及发展现状.在现有的相关工作中,研究方法主要包括唯象模型、格点量子色动力学模拟和手征有效场论.其中手征有效场论作为低能区量子色动力学的有效理论,在研究介子、重子等微观系统中展现出了独特的优势.因此,文章特别介绍了基于手征有效场论的超子-核子相互作用的最新理论研究进展.     

非绝热量子动力学模拟方法及其在凝聚态体系中的应用

密度泛函理论(density functional theory, DFT)可以准确地预测由电子和原子核组成的普通物质的基态电子结构,而当涉及量子体系含时演化的模拟时,比如模拟超快激光与分子或凝聚态体系相互作用的激发态动力学过程,就需要发展实时密度泛函理论(real-time time-dependent density functional theory, rt-TDDFT)和非绝热动力学相结合的新颖计算方法.本文介绍了基于rt-TDDFT的Ehrenfest动力学方法,并结合路径积分分子动力学提出了RPTDAP量子动力学方法. RP-TDAP方法引入了非绝热效应和原子核的量子效应,可以对电子波函数和原子核波包构成的耦合系统进行量子化动力学模拟.这些方法使我们不仅可以准确地理解激发态电子结构、电声相互作用、光致电荷传输、光化学反应等非绝热过程的内在机理,而且可以超越平均场理论给出一个全新的视角来描述原子核的量子行为.本文还应用这些方法研究了几个重要的非绝热动力学现象,说明这些方法可以广泛地用于复杂体系的量子激发超快动力学研究.     

当前粒子物理研究的新困难

“间隙阵发效应”实验发现(1992),在多重强子产生过程中电荷—电荷相互作用很强.微扰量子色动力学与量子电动力学的计算结果只有实验值的百分之一.л介子产生对碰撞质子自旋的依赖实验(1980--1991)指出:电荷(同位旋)与自旋之间存在动力学关联,然而量子色动力学的计算得到零结果.强子动量与质量的关联,不同强子间的质量关联,以及质量起源问题,都要求加强非微扰量子场论的研究.量子解析动力学在公理化场论基础上综合了四方面的研究:(1)     

转角双层MoS2莫尔超晶格中接近室温的关联电子态

<正>通过转角或晶格失配构造二维范德华材料莫尔超晶格为凝聚态物理、材料物理、光学等领域的研究注入了新的活力.过去几年的理论和实验工作表明^[1～5],二维材料莫尔超晶格系统是研究和调控强关联与拓扑量子物态的理想平台.具体而言,基于多种二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格,研究者先后实现了包括莫特绝缘体、强关联电子晶体态、近藤晶格、量子自旋霍尔效应、整数与分数量子反常霍尔效应等在内的一系列强关联和拓扑量子物态.     

高能散射强相互作用唯象学研究进展

高能散射是研究物质基本结构及其相互作用规律的基本实验手段,探索新物理必然涉及的强相互作用唯象分析和精确计算尤为重要.本文围绕强子产生介绍高能散射强相互作用的最新唯象学研究进展,主要包括量子色动力学微扰计算概述、强相互作用软硬界面的预禁闭结构(色连接、重子数涨落等)、色单态预禁闭集团的强子化物理图像及重要的强子化模型(弦碎裂模型、集团碎裂模型、夸克组合模型等)、强子产生涉及的相关强子结构和强子波函数的研究与应用等.     

量子速度极限研究进展

研究量子速度极限不仅有助于理解量子力学基本问题,而且在量子模拟、量子非平衡热力学等领域亦有重要意义.本文首先介绍了封闭系统中两个重要的量子速度极限——Mandelstam-Tamm界和Margolus-Levitin界以及封闭系统的量子速度极限统一界.在开放量子系统中,由于系统与环境相互作用,量子系统一般不能实现正交态演化,研究开放系统量子速度极限需要考虑初态与末态之间测地线的度量方式.本文讨论了基于不同几何度量所建立的量子速度极限以及开放系统的量子速度极限统一界.基于量子力学的规范不变特性,我们建立了一个新的量子速度极限界,将量子系统演化速度与几何相位关联起来,说明量子速度极限对量子热力学、几何操控量子系统动力学演化具有重要意义.此外,基于半经典Wigner函数表示,我们也建立了量子速度极限界.最后,本文回顾了外部环境与量子系统动力学过程对量子系统演化速度极限的重要影响,并对量子速度极限的下一步研究作出展望.     

量子信息技术纵览

量子信息技术经过近三十年突飞猛进的发展,在理论和技术方面已经获得了举世瞩目的成就.本文主要对量子信息技术各个热点研究分支的发展进行了概括性的介绍,涉及到量子密码、量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学、量子信息物理基础等各个领域.此外,也讨论了原子、分子和光物理、固体物理的各个分支(超导约瑟夫森结系统、半导体量子点自旋系统、金刚石氮-空穴色心系统)、离子阱、核磁共振系统等各种物理体系在量子信息技术中的应用和发展.通过对量子信息技术的研究和积累,人们调控微观世界的能力获得了显著的提高.量子密码技术已经接近实用化,长程量子通信的原理性验证也不存在原则上的障碍.量子模拟技术快速发展,已经接近经典计算机可以模拟的极限.同时,量子度量学也获得了快速的发展.本综述不仅反映了国际量子信息技术发展的状况,而且也提炼了近年来中国量子信息科学技术在国际上取得的成就.这些成就表明,中国已经成为量子信息世界版图中一股不可或缺的力量.     

半导体超晶格与量子微结构研究30年

半导体超晶格与量子阱系指对电子具有一维量子限制作用的多层超薄异质结人工材料,量子微结构泛指对电子具有二维和三维量子约束性质的量子线与量子点介观系统.这类低维体系的研究是近30年来半导体科学技术中,尤其是半导体物理学领域内一个发展最迅速的活跃前沿.它的研究兴起,不仅对信息科学技术,而且对低维物理、材料科学以及纳米技术的发展,正在产生着革命牲的影响.本文着重回顾与评述了30年来半导体超晶格与量子微结构在材料生长工艺、体系维度变化、物理效应产生以及新型器件应用等方面所取得的一系列重大进展,并对其在21世纪的发展作了初步展望.     

量子纠缠与时空结构

众所周知，自然界中存在着四种基本相互作用，分别为强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用与引力相互作用。然而，前三者可以在量子力学的框架下自洽，只有特殊的引力相互作用尚未与其他相互作用统一。因此，追求引力的量子化是现代物理学最迫切和首要的目标。物理学家们发现，可以利用量子场论的方法来研究引力理论。在这过程中，我们发现量子纠缠、几何以及时空定域性之间的关系，这似乎暗示了通往量子引力的研究方向。通过量子纠缠，我们希望进一步探索量子引力领域，为引力的量子化找到一个突破口，从而发现时空的本质。文章简要回顾量子纠缠熵的历史发展，并讨论纠缠熵与几何之间的关系。     

晶格匹配型单量子阱GaAs/AI_xGa_(1-x)As半导体电极的光电化学行为

近年来,在半导体光电化学领域中,半导体超晶格(量子阱)材料作为一种新型的光电极的研究已引起人们广泛的注意和重视.由于半导体超晶格(量子阱)能带的量子化,因此具有许多完全不同于体材料的新特性,如其量子阱中的激子受到阱宽的限制不仅寿命长于相应的体材料,而且有较强的光吸收性能;量子阱中光生热载流子的能量驰豫明显慢于体材料,具有较长的热载流子寿命,大大增强了热载流子效应以及其载流子迁移率大于体材料等.这些特性都有利于提高光能的转换效率.本文研究了晶格匹配型单量子阱GaAs/Al_xGa_(1-x)As电极     

拓扑量子材料的研究进展

拓扑量子材料近年来已经成为凝聚态物理领域研究的国际前沿课题。在过去的几十年中凝聚态物理学者对量子霍尔效应进行了广泛研究,提出了一种基于拓扑序的研究范式,并且将拓扑这一数学概念与能带理论相结合,成功将其引入到固体电子材料的理论、计算与实验研究之中。拓扑材料具有奇特的表面态和低能耗的电子输运等性质,这些效应是由于拓扑量子态受到严格的对称性保护,对于普通的材料杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,并可以通过量子调控或相变改变其拓扑性质。这一新兴研究领域为未来的电子材料和器件,乃至基于量子拓扑体系与计算的信息技术创新探索提供了多种可能。对整个材料学的发展而言,拓扑概念的引入使人们对物质的研究更加深入,并且开始使用更加先进的数学工具描述新材料的属性。文章从拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料计算科学的角度探讨拓扑量子材料的一些基本概念以及近年来国内外的研究进展。     

量子点的水相合成及其生物成像分析研究进展

半导体量子点具有宽的激发光谱、窄而对称的发射光谱、高的量子产率以及良好的光稳定性, 因而受到物理、化学、材料科学、生命科学等多个领域研究者的广泛关注. 与有机相合成法相比, 量子点的水相合成方法简单, 合成后不需要将量子点进行相转移, 是有机相合成的重要补充, 已经成为半导体量子点的重要合成方法之一. 本文介绍了量子点常用的一些水相合成方法, 如溶胶法、水热法、微波辅助法及微生物合成法. 在此基础上, 阐述了量子点在细胞成像分析及活体成像分析中的应用, 并对基于量子点的磁性荧光双功能纳米材料在成像分析中的应用及量子点生物毒理效应研究进行了简要的评述.     

Recent advances in coupling between quantum dots and nanoelectromechanical resonators

Micro/nanoelectromechanical systems(MEMS/NEMS)have potential applications in sensing,cooling,and mechanical signal processing.Thanks to the development of modern MEMS fabrication techniques,in analogy to photons,phonons in NEMS attract significant research interests recently.Single-electron tunneling events in quantum-dot-like nanostructures have been widely used in mesoscopic transport studies.Quantum dots are also considered as an ideal candidate platform for solid-state quantum computation.The coupling of these two types of systems has vast application prospects in information storage,transfer and also fundamental physics investigations.The most popular system realizing such coupling is a suspended carbon nanotube,in which the local gates can be used to confine a quantum dot,actuate a resonator and tune the resonant frequency.In this review,we focus on recent progress in this coupled system composed of carbon-based materials and discuss device fabrication,coupling mechanisms,and applications.     

操纵和测量单个量子态——2012年诺贝尔物理学奖简介*

同为68岁的法国科学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）与美国科学家大卫·维因兰德(David J. Wineland)分享了2012年诺贝尔物理学奖。他们的突破性研究,让原本神秘的量子世界不再“与世隔绝”。在量子世界中,粒子行为不遵从经典物理学规律,人类对量子的观测更是难上加难。通过巧妙的实验方法,阿罗什和维因兰德的研究小组成功地实现对单个量子态的测量和控制,颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法。     

量子云计算理论与应用简述

经典计算机在处理大规模数据集或是高强度计算的时候,受硬件工艺与算法原理限制存在性能瓶颈。为了解决此类问题,人们构想出了用量子计算机通过量子力学的微观性质进行计算。近年来实验技术上的突破使得一些科技公司推出了面向公众的量子计算机,以更深刻地理解量子算法并解决一些实际问题。文章介绍了量子云计算的基本原理和发展现状,并给出了量子云计算应用的成功案例,希望以此引起人们对此领域的关注。     

揭秘量子密码、量子纠缠与量子隐形传态

以光子的偏振态为例,对量子力学、量子态、量子密码、量子纠缠和量子隐形传态作简要通俗而又力求准确的介绍。首先通过与经典物理的对比,引进量子力学的基本思想和量子态的基本涵义;接着介绍量子密码的BB84量子密钥分配方案;然后介绍量子纠缠,强调它不违反相对论。在此基础上,介绍了量子隐形传态,强调了经典通信在这个过程中的必不可少。     

物质世界的对称性破缺 ——2008年诺贝尔物理学奖简介

由于对基本粒子物理学中的对称性破缺问题做出了重大理论贡献,美国芝加哥大学恩里科&#8226;费米研究所的美籍日本物理学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、日本筑波高能加速器研究中心的小林诚（Makoto Kobayashi）和日本京都大学汤川理论物理研究所的益川敏英（Toshihide Maskawa）被授予2008年度的诺贝尔物理学奖。本文将简要介绍他们获奖的工作,以及与之相关但尚未解决的宇宙的物质-反物质不对称难题。     

杰出的理论物理学家波波夫的科学成就

本文评述了俄罗斯著名理论物理学家波波夫的科学成就，特别是他在量子场论，规范场论，统计物理和凝聚态理论方面的重要贡献．     

卡什米尔效应*

卡什米尔效应起源于量子场的真空涨落,其正则化需要用到多种数学手段,它在物理学的各个分支,特别是当前在纳米技术中有着重要的应用。这是一个多学科交叉的研究领域,经过了60多年由慢到快的发展之后,当前,它是一个充满挑战和活力的前沿研究领域,有许多未决问题等待人们去探索。