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。     

天使粒子

<正>基本粒子在物理学领域是指构成物质的最小、最基本的单位,分为费米子和玻色子两种。1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克(P.A.M.Dirac)预言:宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。这一理论曾被视为真理。1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(E.Majorana)预言了存在这样一种粒子——反粒子就是其本身,即马约拉纳费米子。目前的基本粒子中,除了仍缺乏本质了解的中微子外,尚无已知的马约拉纳费米子。     

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。     

二维新型量子体系的设计、物性探测及调控研究进展

作为一种典型的受限小量子体系,二维量子体系具有丰富的物理规律和新奇的物理效应,是探索低维物理和开展量子调控的理想材料体系。本文重点介绍新型小量子体系的理论研究和计算模拟,二维新型材料体系的构筑、物性探测与调控,新型理论计算方法和前沿实验技术的开发等方面的研究进展。在理论方面,发现二维材料激发态的普适性规律,揭示拓扑/超导体系中的演生超对称,发展第一性原理非线性光学计算方法;在实验方面,在铁基超导薄膜的制备和量子序的研究、准晶石墨烯的电子结构和石墨烯的手征对称性破缺的实现、氧化物薄膜及二维材料的离子调控等方面取得重要进展,并发展高分辨扫描超导量子干涉器等。这些原创性科学研究加深了人们对复合二维量子体系丰富量子态和新奇物理现象的理解,增强了我国在小量子体系制备、物性探测与调控方面的国际影响力。     

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。     

物理学怪才马约拉纳失踪之谜

历史记载着一类人的奇闻轶事,这类人的共同特点,就是他们神秘地从地球上消失而不留下痕迹。而他们不同凡响的失踪故事,作为史册中最引人入胜的未解之谜的一部分,以神秘的传说被流传下来。在这些神秘失踪的人中,就有被称为怪才的著名物理学家马约拉纳……怪才的行为经常与众不同在20世纪30年代物理学界曾有过这样一位杰出的怪才——埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana,1906~1938?),他的生命(在     

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Dzyaloshinsky-Moriya相互作用和人工的磁斯格明子研究

磁性斯格明子是一种实空间拓扑准粒子,它展现出丰富、新奇的物理性质,为自旋电子学的研究提供了新的方向。另一方面,由于其具有尺寸小、稳定性高、易操控等特性,在未来的存储器件中也有潜在应用价值。本文简单介绍了在国家重点研发计划量子调控与量子信息重点专项(2017YFA0303200)资助下,对基于Dzyaloshinsky-Moriya相互作用和人工的两种磁性斯格明子进行的系统研究。     

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。     

马约拉纳费米子的特性及其发现的意义

美国东部时间6月21日(北京时间6月22日),国际顶级物理学刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者率先观测到物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)的论文。在物理学领域,基本粒子有两大家族:费米子家族(如电子、质子)和玻色子家族(如光子、介子),分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为,每一种粒子都有它的反粒子,费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样但脾气完全     

高温超导量子干涉器

20世纪70年代初期,利用超导体的体宏观量子效应研制出一种灵敏度非常高的电子学元件——SQUID（超导量子干涉器）。90年代后,用高温超导材料和自有技术制成的HTc SQUID传感器的磁场检测灵敏也能达到5×10^-14T／Hz^1/2。目前,许多试验都已证实,HTc SQUID传感器不但能大幅度提高传统电子学仪器、装备和系统的性能和技术指标,还可能形成许多全新的应用。本文简单介绍了超导量子干涉器以及它在我国心磁图仪研制、大地电磁测量中的应用研究现状。     

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。     

试评量子力学解释之论争(下)

玻姆在《量子理论》[27]一书中对EPR实验作了有重大意义的重新表述。他考虑一对自旋1╱2的粒子所构成的单态系统。在两粒子分离之后,用斯特恩—盖拉赫磁铁对其中一个粒子选择任意方向测量自旋,必使另一粒子非定域关联地进入相应方向的反自旋态之中。我们将称这种经玻姆重新表述的实验为EPRB实验。显然,EPRB实验可直接用于级联辐射双光子和湮没辐射光子对的情形中,从而启示人们去做光子对偏振态的非定域关联实验。这样,EPRB实验就成了量子理论基础研究中一项重要的可行性实验了。     

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。     

规范理论解释和结构实在论

随着量子规范场论和粒子物理标准模型的成功,对规范理论进行解释成为了物理哲学和科学哲学的紧迫任务.目前,美国科学哲学家希利从经典规范理论的非局域规范势属性观角度发展和乐解释.遗憾的是,把这种和乐解释推广到量子化的规范场论时却遇到圈表象自身的困难,特别是和乐解释中的圈表象的非局域性跟量子力学福克表象中希尔伯特空间粒子的局域性不一致问题.论文在比较规范理论解释和量子引力的结构实在论解释基础上,根据建构性的结构实在论对和乐解释的困境进行分析,认为规范理论解释最好按照从量子规范理论到经典规范理论的路线可能找到新的出路,包括从中深究规范场论跟量子力学的关系问题.     

量子隐形传态过程的因果关系分析

事件概念较粒子概念更为基本.利用基于事件概念的Bunge状态空间模型,对量子隐形传态过程中的相互作用及因果关系进行了论证和分析.量子信息传递中有相互作用的发生,展现了违背"定域性作用"假设的非定域性,体现了一种新型的非定域性因果关系的存在.用不确定性原理阐明了量子信息传递中有"能量波动",并将之看做是对经典因果性中"能量传递"概念的拓展.     

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。     

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.     

光通信波段多频道量子通道的实验研究

安全和高速的信息传递与处理是现代生活的重要基石。量子计算机的出现将使得该基石面临新的机遇与挑战,其将提供全新的信息处理技术,又将彻底瓦解目前使用的信息安全系统,比如加密电邮和电子银行等。量子因特网使用量子通道中传递的光量子信息将量子计算机等节点连接起来,可以帮助我们最大限度地发挥量子计算机的优势,同时保障我们不受到其对信息安全的冲击。实现量子信息高保真、长距离、大容量传递是现阶段量子因特网的核心任务,主要是通过量子纠缠分发后的量子隐形传态这一技术路线来实现,相关工作统称为量子通道研究。现阶段,在纠缠分发之后进行量子隐形传态的实验研究,仅在城域光纤网络中得到了实现,但距离限制在数10 km内,且保真度和容量均无法达到量子密钥分发等量子信息应用的技术需求。可见,现有的量子通道研究在距离、保真度和容量等方面都还有很长的路要走,构建高性能量子通道实验研究平台是发展量子因特网的必经之路。我们拟搭建的高性能量子通道平台包括:光通信波段多频道宽带原子频梳研究系统、光纤网络中频分复用量子隐形传态实验研究系统、光通信波段量子通道基础链路模型等3个子系统,它们之间既相互独立又可有机连接成一个整体。