量子反常霍尔效应研究进展

量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场的量子霍尔效应.它不但为手征量子霍尔态的理解和应用提供了一个理想的研究平台,还可以用于构建多种新奇拓扑量子物态.本文回顾了近年来量子反常霍尔效应实验方面的研究进展,包括对磁性掺杂拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应相关机理的深入研究、基于量子反常霍尔绝缘体的各种异质结构的制备及性质研究,以及可能具有更高工作温度的量子反常霍尔效应材料体系的探索等.这些研究进展对量子反常霍尔效应的未来发展方向和凝聚态物理的发展具有重要的启示作用.     

低维磁性拓扑绝缘体与拓扑半金属

磁性与拓扑性之间复杂的相互作用引起了越来越多的关注.磁性拓扑材料展示了多种新奇的物理效应,有望应用于未来低功耗高速自旋电子学器件.本文从量子霍尔效应出发,回顾了磁性拓扑材料,包括陈绝缘体、反铁磁拓扑绝缘体、磁性外尔半金属及其他磁性拓扑态等在理论与实验上的进展,并详细介绍了我们课题组最近几年在磁性拓扑材料方面的理论工作.这些工作不仅增进了对磁性拓扑态分类的理解,也提供了实验上可能实现的材料体系.     

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.     

拓扑半金属表面态的输运特性

拓扑电子体系是近年来凝聚态物理学的研究前沿,它以非平庸的体态拓扑以及奇异的表面态为主要特征.输运测量是研究拓扑电子体系最常用和最有效的手段之一,输运研究与新奇物理效应的探索以及电子器件相关应用都有密切的联系.基于拓扑绝缘体的输运研究已经广泛地开展,其中的输运信号仅由拓扑表面态贡献;而拓扑半金属中体态和表面态共存,这在给输运研究带来复杂性的同时,也预示着更为丰富的物理现象有望被发现.大多数针对拓扑半金属输运性质的研究集中于其体态,而其表面态的贡献通常被认为小到可以忽略.需要指出,通过巧妙构筑输运器件结构,表面态可以贡献很强的输运信号并导致新奇而丰富的输运性质.本文介绍了若干典型拓扑半金属体系中表面态导致的新奇输运性质,包括拓扑节线半金属中鼓面表面态导致的共振自旋翻转反射及其输运信号,外尔半金属中费米弧表面态的奇异安德烈夫反射、法布里-珀罗干涉和门电压调控的栗弗席兹相变,以及这些效应对外场的奇特响应.本文介绍的研究成果为拓扑半金属表面态的探测与调控提供了新的思路.     

拓扑超导与马约拉纳费米子

拓扑超导体是由具有配对能隙的体态以及由马约拉纳(Majorana)费米子所组成的无能隙表面态所构成的,其中马约拉纳费米子的反粒子就是它自身.马约拉纳费米子态是研究非阿贝尔统计的理想平台,能构成容错型拓扑量子计算的拓扑量子比特,具有丰富的物理意义和巨大的潜在应用价值.因此,近年来拓扑超导体和马约拉纳费米子的研究在凝聚态物理领域吸引了许多关注.本文综述了在凝聚态物理领域内实现拓扑超导的不同方法,从零维到一维马约拉纳费米子态,即马约拉纳费米子束缚态到马约拉纳费米子边缘态,进行综合的阐述.这些马约拉纳费米子态分别是局域化的和传播的量子态,但仍保持着非阿贝尔统计规律和拓扑特性.对不同的材料系统,从一维的量子线到二维的材料平台,从混合系统到本征材料系统,都会进行详细的介绍和讨论.最后还总结了证明拓扑超导体的可能存在性的相关理论和实验结果,并展望实现拓扑量子计算的前景和手段.     

拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子霍尔效应是一种可以在宏观尺度出现的量子现象,由二维电子系统在强磁场下所具有的独特拓扑性质所引起.长期以来人们一直希望能够实现不需外磁场的量子霍尔效应,以便将其应用于低能耗电学器件.磁性拓扑绝缘体薄膜可能具有的量子化的反常霍尔效应即是一种可以在零磁场下出现的量子霍尔效应.本文介绍了拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应的概念发展及量子反常霍尔效应如何在磁性掺杂拓扑绝缘体中实验实现,并探讨了量子反常霍尔效应在低能耗器件方面的应用前景.     

低维量子材料的研究进展

许多新奇的量子效应可以在一些特殊的材料中被观察或者观测到，这一类材料是量子效应的载体，被称为量子材料。对量子材料的研究正在引领新的技术革命，是多个研究领域的前沿热点方向。由于低维材料中电子与电子之间的关联性和电子明显的限域效应，其中存在着丰富且奇妙的量子效应或者行为。文章主要从材料中的量子效应出发介绍了影响量子材料基本特性的几种机理，并着重介绍了几种低维量子材料(拓扑绝缘体、石墨烯、硅烯、锗烯)的发展历程、发展现状和目前所面临的挑战。     

纳米金属氢FCC结构的Kubo效应的量子理论研究

早在量子力学建立初期,H_2和H_2~ 团簇的研究就具有重要的科学意义。通过对H_2分子的定量研究揭示了化学键的本质并开创了现代化学键理论,而H_2~ 的精确解为直接考察量子化学中各种近似方法提供了依据。近年来,随着天体物理、空间技术和新材料技术的发展,特别是为满足研究高密度能源材料和高温超导材料的金属氢的需要,开展H_n和H_n~ (n>2)团簇的研究已势在必行,一方面,它是物理学的重要前沿领域,利用量子力学的新理论和新方法来研究H_n和H_n~ 可了解少数氢原子团簇的凝聚规律及如何过渡到大块材料,为材料设计提供依据,且不断完善和改进现有的处理凝聚态问题的理论方法,这种从原子分子层次出发来研究和设计新材料是当今材料科学发展的一大趋势;另一方面,特别是继芶清泉提出了金属氢的高压合成机理后,接着又提出了从H_n和H_n~ 团簇相互作用的定量计算与分析入手,进而研究金属氢的结构与性质的重要途径,该物理思想实际上把经超高压合成的金属氢视为由纳米级的氢原子团簇H_n组成,即金属氢是一种纳米金属材料。而一般纳米金属材料的一个重要性质是其电离能具有明显的Kubo效应,即纳米级的金属颗粒(或团簇)中很难增加或减少一个电子,因而这些超细颗粒或团簇具有强烈保持电中性的能力。过去我们用改进的排列     

量子点与分子器件中的近藤效应

近藤效应是低温凝聚态物理研究的重要领域, 指的是低温下稀磁合金电阻随温度降低而反常增加的多体现象. 在量子点系统中, 其表现为低温下电导随温度降低而升高. 本文重点描述了量子点系统中平衡近藤效应、非平衡近藤效应, 以及当单态与三重态发生简并时含有偶数个电子的量子点产生的近藤效应的基本特征和物理原理. 并指出基于有机材料的单原子/单分子晶体管为近藤效应的研究提供了全新的途径.     

面向声学操控和声学反演的拓扑声学与多相孔隙介质声学

<正>拓扑声学属于声学和凝聚态物理学研究中的新兴研究领域,是研究声波在特殊拓扑结构中传播的学问.它是基于物质拓扑态的概念,在凝聚态物理学中发展起来的,后来扩展到包括声学和光子学等其他学科.人们可以利用某些声学介质的拓扑性质,设计声超常材料以实现声学操控.可以说,拓扑声学是声学与拓扑学交叉融合的结果,是近代声学前沿研究热点之一.多相孔隙介质声学是研究声波与由多种物质组成的孔隙介质相互作用和应用的学问.     

Topology in parity-time-symmetric quantum walks

The study of non-Hermitian systems with parity-time(PT) symmetry is a rapidly developing frontier in recent years. Experimentally, PT-symmetric systems have been realized in classical optics by balancing gain and loss, which holds great promise for novel optical devices and networks. Here we report experimental realization of passive PT-symmetric quantum dynamics for single photons by temporally alternating photon losses in the quantum walk(QW) interferometers. The ability to impose PT symmetry allows us to realize and investigate Floquet topological phases driven by PT-symmetric QWs. We observe topological edge states between regions with different topological invariants. Topological invariants can be defined by winding numbers, Zak phases, general geometry phases and can be calculated. Can they be detected directly? We give an answer by reporting the experimental detection of bulk topological invariants in non-unitary QWs. The topological invariant of the non-unitary quantum walk is manifested in the quantized average displacement of the walker, which is probed by monitoring the photon loss. Furthermore, we report the experimental study of dynamic quantum phase transitions(DQPTs) and photonic skyrmions using discrete-time QWs. We simulate quench dynamics between distinct Floquet topological phases using quantum-walk dynamics, and experimentally characterize DQPTs and emergent skyrmion structures. Our results pave the way for realizing quantum mechanical PT-synthetic devices and augurs exciting possibilities for exploring topological properties of non-Hermitian systems using discrete-time QWs.     

Recent progress in physical effects of Berry phase in condensed matter systems

In this pedagogically oriented review, we discuss the concept of Berry phase in quantum physics, paying particular attention to their manifestation in Bloch electrons. We have discussed, within the limited scope and passage, a few examples to illustrate the rich and fascinating manifestations of Berry phase in our understanding of many a physical property of a wide range of materials, including optoelectronic responses and quantum transport properties. It is also demonstrated that various topological phases of current interest are characterized by topological numbers, which are in fact incarnations of the Berry phase. A discussion of various techniques for gauge fixing, which may be important to the computation of Berry phase related properties, is also included.     

China＇ s Fundamental Research in Energy Utilizations and Environment

The progress in the science of energy utilizations will act crucial effect on the developments of energy science and technology, which will then promote social and economical developments and fulfill requirements for the national strategic objectives. For the sake of sustainable development, a harmonious blend of energy utilizations and environment considerations will become one of the vital topics in the future research area of energy science. It is suggested that clean and high-efficiency utilization of traditional or fossil energy resources, fundamental investigations on the energy and environment theory, renewable energy utilizations, and the development of nuclear energy are selected as priority research areas during the period of the Tenth Five-year Plan of China, according to the development trend of the world energy science and the research background of Chinese energy science, It is expected to promote the interdisciplinary investigations in the science of energy utilizations and provide scientific and technological supports for the development of related advanced high technologies,     

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。     

China'''' s Fundamental Research in Energy Utilizations and Environment

The progress in the science of energy utilizations will act crucial effect on the developments of energy science and technology, which will then promote social and economical developments and fulfill requirements for the national strategic objectives. For the sake of sustainable development, a harmonious blend of energy utilizations and environment considerations will become one of the vital topics in the future research area of energy science. It is suggested that clean and high-efficiency utilization of traditional or fossil energy resources, fundamental investigations on the energy and environment theory, renewable energy utilizations, and the development of nuclear energy are selected as priority research areas during the period of the Tenth Five-year Plan of China, according to the development trend of the world energy science and the research background of Chinese energy science. It is expected to promote the interdisciplinary investigations in the science of energy u-tilizations and provide scien     

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.     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷，促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料，并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料，具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点，被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域，也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等，文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

光致形变液晶弹性体的研究进展

光能具有环保性、远程可控性、瞬时性等优异的特性,因此光响应性高分子材料受到越来越多的关注。光响应高分子材料是指吸收光能后,能够在分子内或分子间产生化学或物理变化的一类功能高分子材料。通过合理的设计,光响应高分子材料可以产生光致形变,完成诸如伸缩、弯曲、爬行、转动等一些复杂的运动;因此它可以制作成多种柔性智能执行器,在很多领域有着广泛的应用前景。笔者综述了近年来光致形变液晶弹性体材料及其在光驱动型柔性执行器方面的研究进展,并展望了该领域的发展前景。     

面向气候变化的复杂地球系统建模与模拟探索(上)*

地球是开放系统的集合，在现实世界中，任何取自于地球的模拟对象皆包含着耗散与回递的因子，所以它们亦是非线性的。非线性方程式基本上无解，这就是建模与数字化面临的难题。因此本文给出系统的严谨数学定义与其参数，透过自动化模式、线性机械线路、形式语言与其等价的文法规则及混沌系统理论，直接以时空拓扑结构及回递函数、量子方程式与化学反应式之本质，取代偏微积分方程式，以非线性离散数学直接描述所有取自于地球的模拟对象，令数字化模式与模拟对象一致，以解决建模问题，更为科学打开通往数学物理化的门扉，进而从根本上消弭数学与物理间不一致的基础危机。