2023年 72卷 第20期
2023, 72(20): 200304.
doi: 10.7498/aps.72.20230993
摘要:
相对论重离子碰撞中产生了高温高密解禁闭的夸克胶子等离子体(QGP), 研究QGP的性质是高能核物理目前最重要的物理目标之一. 其中, 应用喷注淬火作为硬探针研究QGP的性质是一个非常重要的手段. 喷注淬火指的是相对论重离子碰撞中产生的高能部分子穿过QGP时, 通过强相互作用导致的能量损失效应. 本文主要介绍喷注淬火效应的最新研究进展, 具体包含喷注淬火效应对强子、喷注和喷注子结构的介质影响, 以及目前理论上面临的问题和困难.
相对论重离子碰撞中产生了高温高密解禁闭的夸克胶子等离子体(QGP), 研究QGP的性质是高能核物理目前最重要的物理目标之一. 其中, 应用喷注淬火作为硬探针研究QGP的性质是一个非常重要的手段. 喷注淬火指的是相对论重离子碰撞中产生的高能部分子穿过QGP时, 通过强相互作用导致的能量损失效应. 本文主要介绍喷注淬火效应的最新研究进展, 具体包含喷注淬火效应对强子、喷注和喷注子结构的介质影响, 以及目前理论上面临的问题和困难.
2023, 72(20): 200303.
doi: 10.7498/aps.72.20230907
摘要:
高能核物理旨在探索和理解物质在夸克与胶子层次的组成及演化的基本规律. 然而, 从量子色动力学第一性原理出发来求解高能核物理, 经典计算却存在本质困难. 近几年来, 量子计算因给模拟高能核物理提供了潜在的根本性解决方案而受到了较大的关注. 本文简要回顾了高能核物理量子模拟的现状, 介绍了态制备及光锥关联函数测量等典型量子算法, 并通过强子散射振幅和有限温有限密物质相结构的研究, 分别展示了量子计算在解决高能核物理中含时问题和符号问题上的优势.
高能核物理旨在探索和理解物质在夸克与胶子层次的组成及演化的基本规律. 然而, 从量子色动力学第一性原理出发来求解高能核物理, 经典计算却存在本质困难. 近几年来, 量子计算因给模拟高能核物理提供了潜在的根本性解决方案而受到了较大的关注. 本文简要回顾了高能核物理量子模拟的现状, 介绍了态制备及光锥关联函数测量等典型量子算法, 并通过强子散射振幅和有限温有限密物质相结构的研究, 分别展示了量子计算在解决高能核物理中含时问题和符号问题上的优势.
2023, 72(20): 201401.
doi: 10.7498/aps.72.20230908
摘要:
在重夸克自旋对称性下构造量子数为\begin{document}$J^{{\rm{PC}}}=1^{--}$\end{document} ![]()
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在重夸克自旋对称性下构造量子数为
2023, 72(20): 201201.
doi: 10.7498/aps.72.20230948
摘要:
在相对论重离子碰撞中, 接近光速的重离子产生的超强电磁场, 由于洛伦兹收缩效应可等效为线性极化的准实光子, 进而诱发光子-光子相互作用产生正负轻子对. 相对论重离子对撞机RHIC和大型强子对撞机LHC上的国际合作实验在非超周边重离子碰撞中观测到相干光致产生过程, 发现正负轻子对的横动量分布相比于其在超周边碰撞发生显著的展宽, 为研究解禁闭物质——夸克胶子等离子体的电磁性质提供了新途径. 本文主要回顾相对论重离子碰撞中光子-光子相互作用对碰撞参数依赖的实验研究, 并讨论其在侦测夸克胶子等离子体电磁性质方面的重要意义.
在相对论重离子碰撞中, 接近光速的重离子产生的超强电磁场, 由于洛伦兹收缩效应可等效为线性极化的准实光子, 进而诱发光子-光子相互作用产生正负轻子对. 相对论重离子对撞机RHIC和大型强子对撞机LHC上的国际合作实验在非超周边重离子碰撞中观测到相干光致产生过程, 发现正负轻子对的横动量分布相比于其在超周边碰撞发生显著的展宽, 为研究解禁闭物质——夸克胶子等离子体的电磁性质提供了新途径. 本文主要回顾相对论重离子碰撞中光子-光子相互作用对碰撞参数依赖的实验研究, 并讨论其在侦测夸克胶子等离子体电磁性质方面的重要意义.
2023, 72(20): 201101.
doi: 10.7498/aps.72.20230869
摘要:
通过分析淬火近似下高统计量格点两点关联函数实部与虚部对规范场采样的分布, 给出了一种可能的实、虚部分布间的定量关系, 并通过计算实部与虚部的非平庸统计相关性对该关系加以验证. 利用该实、虚部的统计相关性, 格点关联函数的方差可以得到约40%的改进. 这些结果为进一步理解格点计算中统计误差的物理来源以及发展信号改进方案提供了全新的思路.
通过分析淬火近似下高统计量格点两点关联函数实部与虚部对规范场采样的分布, 给出了一种可能的实、虚部分布间的定量关系, 并通过计算实部与虚部的非平庸统计相关性对该关系加以验证. 利用该实、虚部的统计相关性, 格点关联函数的方差可以得到约40%的改进. 这些结果为进一步理解格点计算中统计误差的物理来源以及发展信号改进方案提供了全新的思路.
2023, 72(20): 208101.
doi: 10.7498/aps.72.20230887
摘要:
自2004年成功实现石墨烯的机械剥离制备以来, 二维材料凭借其独特的结构和物理化学性质, 在电子、光电和能源等领域引起了广泛的研究和发展. 在合成方法方面, 科研人员在传统的机械剥离、液相剥离、气相沉积、湿化学合成以及纳米材料相工程等基础上, 进一步推进了原子台阶方法, 用于制备高质量、大尺寸二维单晶材料(2DSCM). 本文详细介绍了近几年关于原子台阶调控2DSCM生长的代表性工作. 首先, 对研究背景进行了简要介绍; 然后, 讨论了2DSCM的主要合成方法, 并分析了外延制备非中心对称材料的困难及原因; 之后, 介绍了通过原子台阶辅助制备2DSCM的生长机制和最新进展, 分析了原子台阶调控2DSCM成核的理论基础及通用性, 并对未来实现大尺寸、方向可控的2DSCM的挑战和发展方向进行了预测; 最后, 系统展望了台阶方法制备大尺寸2DSCM在未来规模化芯片器件方向的潜在应用.
自2004年成功实现石墨烯的机械剥离制备以来, 二维材料凭借其独特的结构和物理化学性质, 在电子、光电和能源等领域引起了广泛的研究和发展. 在合成方法方面, 科研人员在传统的机械剥离、液相剥离、气相沉积、湿化学合成以及纳米材料相工程等基础上, 进一步推进了原子台阶方法, 用于制备高质量、大尺寸二维单晶材料(2DSCM). 本文详细介绍了近几年关于原子台阶调控2DSCM生长的代表性工作. 首先, 对研究背景进行了简要介绍; 然后, 讨论了2DSCM的主要合成方法, 并分析了外延制备非中心对称材料的困难及原因; 之后, 介绍了通过原子台阶辅助制备2DSCM的生长机制和最新进展, 分析了原子台阶调控2DSCM成核的理论基础及通用性, 并对未来实现大尺寸、方向可控的2DSCM的挑战和发展方向进行了预测; 最后, 系统展望了台阶方法制备大尺寸2DSCM在未来规模化芯片器件方向的潜在应用.
2023, 72(20): 207401.
doi: 10.7498/aps.72.20230830
摘要:
超导体的磁性杂质效应以及其中存在的束缚态(即Yu-Shiba-Rusinov 态)一直受到较多的关注. 最近, 在实验室中, 成功发现了石墨烯类超导材料中Yu-Shiba-Rusinov 态的存在. 本文在实空间建立描述石墨烯材料超导态的有效哈密顿量, 考虑单个磁性杂质, 构造Bogoliubov-de Gennes (BdG)方程, 并对超导序参量做自洽计算, 在此基础上, 理论研究了石墨烯类超导体的磁性杂质效应. 计算结果显示, 仅当超导的配对对称性是传统的s波配对时, 能隙内会出现Yu-Shiba-Rusinov 束缚态, 束缚态的位置以及强度和杂质的磁矩有关, 且强度显示出了明显的正负非对称性, 但对于p+ip和d+id配对对称性, 则不存在能隙内的束缚态. 本文的理论计算结果一方面对实验现象做了合理解释, 另一方面指出了石墨烯和传统超导组成的异质结系统, 石墨烯层由于临近效应诱导出来的超导配对项仍然是s波配对.
超导体的磁性杂质效应以及其中存在的束缚态(即Yu-Shiba-Rusinov 态)一直受到较多的关注. 最近, 在实验室中, 成功发现了石墨烯类超导材料中Yu-Shiba-Rusinov 态的存在. 本文在实空间建立描述石墨烯材料超导态的有效哈密顿量, 考虑单个磁性杂质, 构造Bogoliubov-de Gennes (BdG)方程, 并对超导序参量做自洽计算, 在此基础上, 理论研究了石墨烯类超导体的磁性杂质效应. 计算结果显示, 仅当超导的配对对称性是传统的s波配对时, 能隙内会出现Yu-Shiba-Rusinov 束缚态, 束缚态的位置以及强度和杂质的磁矩有关, 且强度显示出了明显的正负非对称性, 但对于p+ip和d+id配对对称性, 则不存在能隙内的束缚态. 本文的理论计算结果一方面对实验现象做了合理解释, 另一方面指出了石墨烯和传统超导组成的异质结系统, 石墨烯层由于临近效应诱导出来的超导配对项仍然是s波配对.
2023, 72(20): 208502.
doi: 10.7498/aps.72.20230913
摘要:
亚铁磁畴壁在角动量补偿点附近具有非零净磁化强度, 同时具有超快动力学性质, 有望应用于未来的自旋电子学存储和逻辑器件中. 探寻低能耗和高效驱动畴壁的手段和机制可以为实验设计和器件开发提供重要参考. 本文使用理论分析和微磁学模拟研究了亚铁磁畴壁在正弦微波磁场驱动下的动力学行为, 表明了微波磁场在一定的频率范围内可有效驱动畴壁运动, 使得人们可通过调制不同频率的微波磁场来调控畴壁动力学. 本文详细分析和解释了正弦微波磁场驱动亚铁磁畴壁的物理机理, 探讨了双轴各向异性等参数对畴壁运动速度的影响, 表明了磁各向异性和外加微波磁场频率等参量对不同净自旋角动量亚铁磁畴壁的调控行为.
亚铁磁畴壁在角动量补偿点附近具有非零净磁化强度, 同时具有超快动力学性质, 有望应用于未来的自旋电子学存储和逻辑器件中. 探寻低能耗和高效驱动畴壁的手段和机制可以为实验设计和器件开发提供重要参考. 本文使用理论分析和微磁学模拟研究了亚铁磁畴壁在正弦微波磁场驱动下的动力学行为, 表明了微波磁场在一定的频率范围内可有效驱动畴壁运动, 使得人们可通过调制不同频率的微波磁场来调控畴壁动力学. 本文详细分析和解释了正弦微波磁场驱动亚铁磁畴壁的物理机理, 探讨了双轴各向异性等参数对畴壁运动速度的影响, 表明了磁各向异性和外加微波磁场频率等参量对不同净自旋角动量亚铁磁畴壁的调控行为.
2023, 72(20): 207201.
doi: 10.7498/aps.72.20230905
摘要:
平面霍尔效应(planar Hall effect, PHE)是当前凝聚态输运中研究的热点之一. 近年来, 平面霍尔效应, 尤其是拓扑材料中的平面霍尔效应, 引起了人们的广泛关注和研究, 并取得了很大的进展. 不同于普通霍尔效应, 平面霍尔效应中的横向电流、磁场和电场可以出现在同一平面, 无法用洛伦兹力解释, 其很大程度上依赖于磁电阻的各向异性. 本文从理论和实验两个角度介绍拓扑材料中平面霍尔效应的研究进展, 深入分析了导致线性和非线性平面霍尔效应的各种外禀和内禀机制, 并讨论尚待解决的相关问题和未来的发展方向.
平面霍尔效应(planar Hall effect, PHE)是当前凝聚态输运中研究的热点之一. 近年来, 平面霍尔效应, 尤其是拓扑材料中的平面霍尔效应, 引起了人们的广泛关注和研究, 并取得了很大的进展. 不同于普通霍尔效应, 平面霍尔效应中的横向电流、磁场和电场可以出现在同一平面, 无法用洛伦兹力解释, 其很大程度上依赖于磁电阻的各向异性. 本文从理论和实验两个角度介绍拓扑材料中平面霍尔效应的研究进展, 深入分析了导致线性和非线性平面霍尔效应的各种外禀和内禀机制, 并讨论尚待解决的相关问题和未来的发展方向.
2023, 72(20): 207501.
doi: 10.7498/aps.72.20230954
摘要:
铁电和多铁材料作为未来高性能信息媒介引起广泛关注. 其中铁电畴的形态及演化特征可显著影响材料电导、光伏、磁电耦合等诸多物理性能以及器件功能, 尤其是新奇拓扑畴带来诸多新颖物性, 使得通过畴调控方法设计材料及器件性能成为可能. 深入理解铁电畴及其微观物性调控规律有望为后摩尔时代信息技术带来新的器件设计方案. 本文主要介绍通过多功能扫描探针显微镜研究铁电和多铁材料的微观畴结构和相关物理性能, 及其调控规律和机制, 并在此基础上构筑新原理信息器件.
铁电和多铁材料作为未来高性能信息媒介引起广泛关注. 其中铁电畴的形态及演化特征可显著影响材料电导、光伏、磁电耦合等诸多物理性能以及器件功能, 尤其是新奇拓扑畴带来诸多新颖物性, 使得通过畴调控方法设计材料及器件性能成为可能. 深入理解铁电畴及其微观物性调控规律有望为后摩尔时代信息技术带来新的器件设计方案. 本文主要介绍通过多功能扫描探针显微镜研究铁电和多铁材料的微观畴结构和相关物理性能, 及其调控规律和机制, 并在此基础上构筑新原理信息器件.
2023, 72(20): 200701.
doi: 10.7498/aps.72.20230896
摘要:
本文发展了一种利用逆统计问题中的回归不确定性来自动探索物质相的新方法. 以自驱动活性粒子的群集相变为例, 展示了对于这一类涉及非平衡、非晶格、一阶相变等复杂要素的多体系统, 在训练人工神经网络处理其中的逆统计问题回归任务, 成功重构出系统的噪声强度这一参数之后, 回归结果的不确定性关于实际噪声强度的分布具有非平庸的规律性, 可用于揭示该系统中的群集相变, 并自动提取相变的临界噪声强度. 本文还与两种基于神经网络分类能力的常见方法进行直接对比, 讨论了它们的异同和各自特点. 结果表明, 本文发展的新方法不仅具有使用效率较高和所需预设的物理知识较少等实用优势, 而且更有在理论层面较为自然地与传统物理概念建立联系的可能性, 对于跨领域的不同物理系统都有良好的通用性和有效性.
本文发展了一种利用逆统计问题中的回归不确定性来自动探索物质相的新方法. 以自驱动活性粒子的群集相变为例, 展示了对于这一类涉及非平衡、非晶格、一阶相变等复杂要素的多体系统, 在训练人工神经网络处理其中的逆统计问题回归任务, 成功重构出系统的噪声强度这一参数之后, 回归结果的不确定性关于实际噪声强度的分布具有非平庸的规律性, 可用于揭示该系统中的群集相变, 并自动提取相变的临界噪声强度. 本文还与两种基于神经网络分类能力的常见方法进行直接对比, 讨论了它们的异同和各自特点. 结果表明, 本文发展的新方法不仅具有使用效率较高和所需预设的物理知识较少等实用优势, 而且更有在理论层面较为自然地与传统物理概念建立联系的可能性, 对于跨领域的不同物理系统都有良好的通用性和有效性.
2023, 72(20): 200501.
doi: 10.7498/aps.72.20230825
摘要:
粒子的随机运动被整流为定向运动是非平衡统计物理的重要研究内容. 尽管如此, 在活性粒子整流的研究中, 粒子通常被视为刚性的. 然而, 在软物质中, 粒子通常具有可变形的性质. 本文重点探讨了可形变自驱动粒子在非对称周期通道中的定向运输行为. 由于这些粒子具有可变形的特性, 它们可以通过比自身小的通道. 本文通过数值计算发现, 可形变自驱动粒子能够打破热力学平衡, 在空间不对称的条件下产生定向运动. 粒子的集体运动方向完全由通道的不对称性决定. 本文还发现, 增加自驱动速度和粒子软化都能促进粒子的整流, 而增大密度和旋转扩散则会阻碍粒子的定向运动. 本文的研究成果有助于理解可形变粒子在受限结构中的定向运动行为, 并为相关软物质马达的实验研究提供理论支持.
粒子的随机运动被整流为定向运动是非平衡统计物理的重要研究内容. 尽管如此, 在活性粒子整流的研究中, 粒子通常被视为刚性的. 然而, 在软物质中, 粒子通常具有可变形的性质. 本文重点探讨了可形变自驱动粒子在非对称周期通道中的定向运输行为. 由于这些粒子具有可变形的特性, 它们可以通过比自身小的通道. 本文通过数值计算发现, 可形变自驱动粒子能够打破热力学平衡, 在空间不对称的条件下产生定向运动. 粒子的集体运动方向完全由通道的不对称性决定. 本文还发现, 增加自驱动速度和粒子软化都能促进粒子的整流, 而增大密度和旋转扩散则会阻碍粒子的定向运动. 本文的研究成果有助于理解可形变粒子在受限结构中的定向运动行为, 并为相关软物质马达的实验研究提供理论支持.
2023, 72(20): 200301.
doi: 10.7498/aps.72.20230914
摘要:
量子模拟是研究和理解量子世界中奇异物理现象的重要手段. 近年来, 人们发现除了量子平台, 经典系统 (如光子晶体、声子晶体和机械振子等) 也能通过类比薛定谔方程的方式模拟量子模型. 其中, 经典电路因具有成本低廉、技术成熟和易于扩展等特点, 成为一个新兴的模拟平台, 并成功模拟了许多重要的量子现象. 与此同时, 非厄米物理突破了传统量子力学中系统哈密顿量的厄米性, 为人们理解量子系统, 尤其是开放量子系统中的物理, 提供了一种新的视角. 非厄米系统由于展现出不同于厄米系统的新奇现象, 在物理学的多个领域中成为新兴的研究对象. 然而, 许多非厄米现象所要求的奇异构型在量子平台上实现的技术门槛相对较高, 例如非厄米趋肤效应通常需要系统具备非互易的格点间跃迁. 因此, 利用操控灵活的经典电路模拟非厄米物理成为一种自然的选择. 本文旨在通过简要介绍非厄米物理的相关知识 (包括数学基础和新奇现象) 以及经典电路的模拟理论 (包括对格点模型的映射理论、非厄米的引入和物理量的测量等), 概述当前经典电路模拟非厄米格点模型的实验进展, 为相关研究工作提供参考, 以推动该领域的进一步发展.
量子模拟是研究和理解量子世界中奇异物理现象的重要手段. 近年来, 人们发现除了量子平台, 经典系统 (如光子晶体、声子晶体和机械振子等) 也能通过类比薛定谔方程的方式模拟量子模型. 其中, 经典电路因具有成本低廉、技术成熟和易于扩展等特点, 成为一个新兴的模拟平台, 并成功模拟了许多重要的量子现象. 与此同时, 非厄米物理突破了传统量子力学中系统哈密顿量的厄米性, 为人们理解量子系统, 尤其是开放量子系统中的物理, 提供了一种新的视角. 非厄米系统由于展现出不同于厄米系统的新奇现象, 在物理学的多个领域中成为新兴的研究对象. 然而, 许多非厄米现象所要求的奇异构型在量子平台上实现的技术门槛相对较高, 例如非厄米趋肤效应通常需要系统具备非互易的格点间跃迁. 因此, 利用操控灵活的经典电路模拟非厄米物理成为一种自然的选择. 本文旨在通过简要介绍非厄米物理的相关知识 (包括数学基础和新奇现象) 以及经典电路的模拟理论 (包括对格点模型的映射理论、非厄米的引入和物理量的测量等), 概述当前经典电路模拟非厄米格点模型的实验进展, 为相关研究工作提供参考, 以推动该领域的进一步发展.
2023, 72(20): 206701.
doi: 10.7498/aps.72.20231203
摘要:
在量子网络体系中, 光是信息的最好载体. 通过探讨光与物质的相互作用, 可以进一步发展量子存储技术. 这种技术能同步接收和按需获取光量子信息, 是建立大规模量子计算和远距离量子通信的基础. 但是, 量子存储的性能直接影响了其实际应用价值和量子信息技术的进步. 在过去的二十多年里, 多种物理体系和量子信息协议中的量子存储已经得到了深入的研究, 其存储性能也得到了显著的提升, 而且其相关的应用也有了广泛的展示. 本文系统梳理了最近十年来关于量子存储的所有性能指标的研究进展, 并根据冷原子体系和固态掺杂离子晶体系的特性, 详细探讨了存储效率、存储寿命、存储保真度和模式容量等方面的发展情况. 同时, 对近期量子存储在量子纠缠、存储辅助增强的多光子过程以及不同粒子量子干涉等方面的典型应用进行了介绍. 最后, 对量子存储的未来发展进行了展望和总结.
在量子网络体系中, 光是信息的最好载体. 通过探讨光与物质的相互作用, 可以进一步发展量子存储技术. 这种技术能同步接收和按需获取光量子信息, 是建立大规模量子计算和远距离量子通信的基础. 但是, 量子存储的性能直接影响了其实际应用价值和量子信息技术的进步. 在过去的二十多年里, 多种物理体系和量子信息协议中的量子存储已经得到了深入的研究, 其存储性能也得到了显著的提升, 而且其相关的应用也有了广泛的展示. 本文系统梳理了最近十年来关于量子存储的所有性能指标的研究进展, 并根据冷原子体系和固态掺杂离子晶体系的特性, 详细探讨了存储效率、存储寿命、存储保真度和模式容量等方面的发展情况. 同时, 对近期量子存储在量子纠缠、存储辅助增强的多光子过程以及不同粒子量子干涉等方面的典型应用进行了介绍. 最后, 对量子存储的未来发展进行了展望和总结.
2023, 72(20): 200601.
doi: 10.7498/aps.72.20230862
摘要:
量子Fisher信息给出参数估计的最优精度极限, 在量子度量学中有重要的应用. 近年来, 在量子系统中实现非厄米哈密顿量的理论与实验研究受到广泛关注. 本文研究基于非厄米哈密顿量本征态的参数估计, 给出其中单参数与两参数估计的量子Fisher信息及其量子Cramér-Rao下界, 计算与分析非互易、具有增益-耗散的Su-Schrieffer-Heeger模型, 非厄米量子Ising链、拓扑陈绝缘体模型和二能级系统中动量及外场参数估计的量子Fisher信息. 结果表明: 在这几个非厄米模型中, 对于单参数估计, 量子Fisher信息在能隙闭合区域和例外点附近显著增大, 从而提高参数估计的精度极限; 对于两参数估计, 量子Fisher信息矩阵的行列式在能隙闭合和例外点附近同样明显增大, 拓扑区域比平庸区域的整体评估精度更高, 且由陈数确定两参数估计误差的拓扑下界.
量子Fisher信息给出参数估计的最优精度极限, 在量子度量学中有重要的应用. 近年来, 在量子系统中实现非厄米哈密顿量的理论与实验研究受到广泛关注. 本文研究基于非厄米哈密顿量本征态的参数估计, 给出其中单参数与两参数估计的量子Fisher信息及其量子Cramér-Rao下界, 计算与分析非互易、具有增益-耗散的Su-Schrieffer-Heeger模型, 非厄米量子Ising链、拓扑陈绝缘体模型和二能级系统中动量及外场参数估计的量子Fisher信息. 结果表明: 在这几个非厄米模型中, 对于单参数估计, 量子Fisher信息在能隙闭合区域和例外点附近显著增大, 从而提高参数估计的精度极限; 对于两参数估计, 量子Fisher信息矩阵的行列式在能隙闭合和例外点附近同样明显增大, 拓扑区域比平庸区域的整体评估精度更高, 且由陈数确定两参数估计误差的拓扑下界.
2023, 72(20): 200305.
doi: 10.7498/aps.72.20230902
摘要:
传播子在路径积分理论中扮演着核心角色, 因此在路径积分理论可使用的多个现代量子物理领域中有重要价值. 然而, 由于其一直未能在实验中被直接测量, 基于路径积分表述研究量子系统的实验进展受到了严重制约. 最近, 基于波函数直接测量方法, 我们提出了传播子测量方案, 并利用单光子实验首次成功实现了传播子的实验测量. 此外, 在这项研究中还首次演示了量子力学的最小作用量原理. 该研究成功解决了路径积分实验研究中的技术难题. 本文综述了此领域的研究进展, 具体为简述波函数直接测量的基本概念和研究进展, 并详细介绍传播子测量的理论模型、实验设计和实验结果. 最后, 介绍了一个重要的应用范例, 即通过传播子测量实现最小作用量原理的实验演示. 本文综述的传播子测量研究进展, 将为今后使用该方法开展相关实验研究提供重要的参考.
传播子在路径积分理论中扮演着核心角色, 因此在路径积分理论可使用的多个现代量子物理领域中有重要价值. 然而, 由于其一直未能在实验中被直接测量, 基于路径积分表述研究量子系统的实验进展受到了严重制约. 最近, 基于波函数直接测量方法, 我们提出了传播子测量方案, 并利用单光子实验首次成功实现了传播子的实验测量. 此外, 在这项研究中还首次演示了量子力学的最小作用量原理. 该研究成功解决了路径积分实验研究中的技术难题. 本文综述了此领域的研究进展, 具体为简述波函数直接测量的基本概念和研究进展, 并详细介绍传播子测量的理论模型、实验设计和实验结果. 最后, 介绍了一个重要的应用范例, 即通过传播子测量实现最小作用量原理的实验演示. 本文综述的传播子测量研究进展, 将为今后使用该方法开展相关实验研究提供重要的参考.
2023, 72(20): 200502.
doi: 10.7498/aps.72.20230842
摘要:
耦合Stuart-Landau极限环系统为研究含振幅自由度的自持续振荡系统同步相变和集体动力学提供了一个重要的范式模型. 本文研究了平均场反馈下全局耦合Stuart-Landau极限环系统中3种典型的可解集体动力学: 非相干态、振幅死亡及锁频态. 在热力学极限\begin{document}$N\rightarrow\infty$\end{document} ![]()
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耦合Stuart-Landau极限环系统为研究含振幅自由度的自持续振荡系统同步相变和集体动力学提供了一个重要的范式模型. 本文研究了平均场反馈下全局耦合Stuart-Landau极限环系统中3种典型的可解集体动力学: 非相干态、振幅死亡及锁频态. 在热力学极限
2023, 72(20): 200302.
doi: 10.7498/aps.72.20230906
摘要:
半导体量子点量子比特是最有希望实现量子计算的候选者之一. 其中自旋单态-三重态量子比特因具有全电控制和读取准确的优良性质而备受关注. 为增强对电荷噪声的免疫, 通常引进强脉冲驱动以尽可能加快门操作速度. 但是, 强驱动脉冲引起的复杂动力学导致旋波近似不再适用, 反而会阻碍高保真度比特操作的实现. 本文提出了一种增加简单的正交脉冲的方法, 可以很好地抑制强驱动引起的高频振荡项的操作错误. 数值计算结果表明, NOT门的保真度在无噪声时可达99.99%且操作时间只需2 ns. 特别地, 即便电荷噪声强度到了\begin{document}$ 2\ \mu{\rm{eV}} $\end{document} ![]()
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半导体量子点量子比特是最有希望实现量子计算的候选者之一. 其中自旋单态-三重态量子比特因具有全电控制和读取准确的优良性质而备受关注. 为增强对电荷噪声的免疫, 通常引进强脉冲驱动以尽可能加快门操作速度. 但是, 强驱动脉冲引起的复杂动力学导致旋波近似不再适用, 反而会阻碍高保真度比特操作的实现. 本文提出了一种增加简单的正交脉冲的方法, 可以很好地抑制强驱动引起的高频振荡项的操作错误. 数值计算结果表明, NOT门的保真度在无噪声时可达99.99%且操作时间只需2 ns. 特别地, 即便电荷噪声强度到了
2023, 72(20): 200306.
doi: 10.7498/aps.72.20230985
摘要:
超导-冷原子复合系统因能够实现快速门操控、长寿命存储和光纤中长距离传输等特点, 被认为是实现两台超导量子计算机光互联的最有潜力的复合体系之一. 本文综述了近年来基于超导-冷原子复合系统实现两台超导量子计算机光互联的研究进展, 包括超导芯片与冷原子相干耦合、微波光波相干转换和超导量子比特与量子转换器长程微波互联. 对该复合量子系统的研究将为超导量子计算机之间的实用化光纤互联奠定物理和技术基础, 有望在分布式超导量子计算机和杂化量子网络中获得广泛应用.
超导-冷原子复合系统因能够实现快速门操控、长寿命存储和光纤中长距离传输等特点, 被认为是实现两台超导量子计算机光互联的最有潜力的复合体系之一. 本文综述了近年来基于超导-冷原子复合系统实现两台超导量子计算机光互联的研究进展, 包括超导芯片与冷原子相干耦合、微波光波相干转换和超导量子比特与量子转换器长程微波互联. 对该复合量子系统的研究将为超导量子计算机之间的实用化光纤互联奠定物理和技术基础, 有望在分布式超导量子计算机和杂化量子网络中获得广泛应用.
2023, 72(20): 208501.
doi: 10.7498/aps.72.20230837
摘要:
电润湿是指通过改变作用于液体-固体电极间的电势, 来影响固体和液体间的界面张力, 从而改变固液界面的润湿性, 即接触角, 使液滴产生形变、位移的现象. 电润湿电子纸显示是基于快速响应微流体操控技术的新型反射式“类纸”显示技术. 该技术拥有已商业化的电泳电子纸显示产品低能耗、视觉健康、可柔性等优点, 同时突破了“彩色”和“视频播放”两项当前束缚电子纸显示技术应用领域的瓶颈. 未来, 电润湿电子纸显示将为我国军用、民用市场提供全天候“绿色”显示产品, 具有千亿规模的直接市场和巨大产业辐射力. 本文对电润湿显示器件中涉及的多个物理方向, 特别是润湿与电润湿、两相流体力学、微观与界面物理、光物理、电介质物理、热物理、瞬态物理等, 进行了系统综述; 并且对基本器件工作原理、微观与介观物理图像、器件运行内在机制、器件可靠性等进行了全面介绍.
电润湿是指通过改变作用于液体-固体电极间的电势, 来影响固体和液体间的界面张力, 从而改变固液界面的润湿性, 即接触角, 使液滴产生形变、位移的现象. 电润湿电子纸显示是基于快速响应微流体操控技术的新型反射式“类纸”显示技术. 该技术拥有已商业化的电泳电子纸显示产品低能耗、视觉健康、可柔性等优点, 同时突破了“彩色”和“视频播放”两项当前束缚电子纸显示技术应用领域的瓶颈. 未来, 电润湿电子纸显示将为我国军用、民用市场提供全天候“绿色”显示产品, 具有千亿规模的直接市场和巨大产业辐射力. 本文对电润湿显示器件中涉及的多个物理方向, 特别是润湿与电润湿、两相流体力学、微观与界面物理、光物理、电介质物理、热物理、瞬态物理等, 进行了系统综述; 并且对基本器件工作原理、微观与介观物理图像、器件运行内在机制、器件可靠性等进行了全面介绍.
2023, 72(20): 204207.
doi: 10.7498/aps.72.20231521
摘要:
涡旋光因其具有光学轨道角动量 (orbital angular momentum, OAM) 而在近二十年倍受关注. 由于具有不同 OAM的涡旋光相互正交, 涡旋光在光通信领域展现了巨大的潜力, 为未来实现高速、大容量的光通信技术提供了潜在的解决方案. 本文旨在介绍涡旋光OAM模式解复用技术的基本原理、小型化器件加工方法和在光通信领域的新兴应用. 首先, 回顾OAM模式解复用工作原理的发展历程; 随后, 针对涡旋光OAM模式解复用, 将介绍多种典型的小型化器件制备方法; 最后探讨基于轨道角动量的涡旋光模式解复用在通信领域中的新兴应用, 并对OAM模式解复用的未来发展趋势及前景进行了深入分析和展望.
涡旋光因其具有光学轨道角动量 (orbital angular momentum, OAM) 而在近二十年倍受关注. 由于具有不同 OAM的涡旋光相互正交, 涡旋光在光通信领域展现了巨大的潜力, 为未来实现高速、大容量的光通信技术提供了潜在的解决方案. 本文旨在介绍涡旋光OAM模式解复用技术的基本原理、小型化器件加工方法和在光通信领域的新兴应用. 首先, 回顾OAM模式解复用工作原理的发展历程; 随后, 针对涡旋光OAM模式解复用, 将介绍多种典型的小型化器件制备方法; 最后探讨基于轨道角动量的涡旋光模式解复用在通信领域中的新兴应用, 并对OAM模式解复用的未来发展趋势及前景进行了深入分析和展望.
2023, 72(20): 204204.
doi: 10.7498/aps.72.20230911
摘要:
非简并双光子吸收是两个能量不同的光子同时被介质吸收, 产生一次电子从基态经过一个中间虚态向激发态跃迁的非线性光学效应. 非简并双光子吸收与简并双光子吸收相比, 由于中间态共振效应, 吸收系数得到了几十倍甚至几百倍的增大, 因此在多个非线性光学应用中具有极大的潜力. 本文首先介绍双光子吸收的基本原理, 解释了非简并双光子吸收的增强机制; 然后详细介绍双光子吸收的基本测量方法; 接着综述三维半导体材料、有机荧光分子、二维材料与量子点的非简并双光子吸收相关研究; 最后重点总结了其在红外探测与成像、双光子荧光显微成像、全光开关与光调制等领域的应用进展, 并对领域领域的未来发展进行了展望.
非简并双光子吸收是两个能量不同的光子同时被介质吸收, 产生一次电子从基态经过一个中间虚态向激发态跃迁的非线性光学效应. 非简并双光子吸收与简并双光子吸收相比, 由于中间态共振效应, 吸收系数得到了几十倍甚至几百倍的增大, 因此在多个非线性光学应用中具有极大的潜力. 本文首先介绍双光子吸收的基本原理, 解释了非简并双光子吸收的增强机制; 然后详细介绍双光子吸收的基本测量方法; 接着综述三维半导体材料、有机荧光分子、二维材料与量子点的非简并双光子吸收相关研究; 最后重点总结了其在红外探测与成像、双光子荧光显微成像、全光开关与光调制等领域的应用进展, 并对领域领域的未来发展进行了展望.
2023, 72(20): 208701.
doi: 10.7498/aps.72.20230853
摘要:
基于结构光照明 (structured illumination, SI) 的超分辨荧光共振能量转移(super resolution fluorescence resonance energy transfer, SR-FRET) 成像技术(SISR-FRET) 可以通过解析活细胞内亚衍射区域的FRET信号来研究细胞器精细结构上的分子结构与功能. SISR-FRET成像中激发发射通道切换导致成像速度较慢, 限制了SISR-FRET在快速成像中的应用. 针对此问题, 本文提出一种双通道结构光照明超分辨定量FRET成像系统和方法, 通过在成像光路中加入FRET双通道成像和配准模块, 实现了SISR-FRET激发发射通道的空分切换以及通道复用. 结合通道亚像素配准校正的图像重建算法, 双通道SISR-FRET可以在保持定量超分辨FRET分析的同时提升了3.5倍时间分辨率. 利用搭建的多色SIM系统进行了活细胞表达靶向线粒体外膜FRET标准质粒的超分辨成像实验, 验证了双通道SISR-FRET的时空分辨率增强和FRET定量分析的保真度.
基于结构光照明 (structured illumination, SI) 的超分辨荧光共振能量转移(super resolution fluorescence resonance energy transfer, SR-FRET) 成像技术(SISR-FRET) 可以通过解析活细胞内亚衍射区域的FRET信号来研究细胞器精细结构上的分子结构与功能. SISR-FRET成像中激发发射通道切换导致成像速度较慢, 限制了SISR-FRET在快速成像中的应用. 针对此问题, 本文提出一种双通道结构光照明超分辨定量FRET成像系统和方法, 通过在成像光路中加入FRET双通道成像和配准模块, 实现了SISR-FRET激发发射通道的空分切换以及通道复用. 结合通道亚像素配准校正的图像重建算法, 双通道SISR-FRET可以在保持定量超分辨FRET分析的同时提升了3.5倍时间分辨率. 利用搭建的多色SIM系统进行了活细胞表达靶向线粒体外膜FRET标准质粒的超分辨成像实验, 验证了双通道SISR-FRET的时空分辨率增强和FRET定量分析的保真度.
2023, 72(20): 204301.
doi: 10.7498/aps.72.20230732
摘要:
微波热声成像是一种以生物组织电特性差异为原理基础的多物理场耦合成像方法. 其采用脉冲微波作为激发源, 通过热弹性效应产生的超声波呈递深层生物组织的结构与功能信息, 融合了微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点. 目前已在无损脑结构成像、乳腺肿瘤筛查、人体关节炎成像、肝脂肪含量检测等方面展现出了广阔的医学应用前景, 有望成为新的物理医学影像方法. 本文对微波热声成像技术的物理原理、系统装置以及近来的代表性研究进展进行了系统性的介绍, 并分析探讨了微波热声成像技术值得关注的发展方向以及面临的挑战.
微波热声成像是一种以生物组织电特性差异为原理基础的多物理场耦合成像方法. 其采用脉冲微波作为激发源, 通过热弹性效应产生的超声波呈递深层生物组织的结构与功能信息, 融合了微波成像高对比度和超声成像高分辨率的优点. 目前已在无损脑结构成像、乳腺肿瘤筛查、人体关节炎成像、肝脂肪含量检测等方面展现出了广阔的医学应用前景, 有望成为新的物理医学影像方法. 本文对微波热声成像技术的物理原理、系统装置以及近来的代表性研究进展进行了系统性的介绍, 并分析探讨了微波热声成像技术值得关注的发展方向以及面临的挑战.
2023, 72(20): 204201.
doi: 10.7498/aps.72.20230912
摘要:
激光点扫描荧光显微镜凭借高分辨率、高灵敏度、高特异性、可光学层切三维成像和动态成像等优势, 已成为生命科学研究中广泛应用的重要工具. 随着研究者对生命科学研究的逐渐深入, 由于受光学衍射极限影响和逐点扫描探测的限制, 传统点扫描共聚焦显微镜的时空分辨率已无法完全满足相关研究需求, 在实际应用中面临诸多挑战. 近二十年来, 超分辨荧光显微成像技术取得了重要进展, 研究人员发展了多种高空间分辨率、高时间分辨率的点扫描荧光显微成像技术, 对于生物成像等具有重要意义. 然而, 有关该领域最新进展的综述论文较少, 系统地讨论、总结基于点扫描的高时空分辨荧光显微成像技术的研究进展, 对于其未来研究发展极为重要. 本文主要从时间分辨率与空间分辨率两个维度分别介绍了各类点扫描荧光显微成像技术的基本原理及相关进展, 并介绍了高时空分辨显微成像技术及应用, 最后讨论展望了高时空分辨点扫描荧光显微镜的未来发展趋势和挑战.
激光点扫描荧光显微镜凭借高分辨率、高灵敏度、高特异性、可光学层切三维成像和动态成像等优势, 已成为生命科学研究中广泛应用的重要工具. 随着研究者对生命科学研究的逐渐深入, 由于受光学衍射极限影响和逐点扫描探测的限制, 传统点扫描共聚焦显微镜的时空分辨率已无法完全满足相关研究需求, 在实际应用中面临诸多挑战. 近二十年来, 超分辨荧光显微成像技术取得了重要进展, 研究人员发展了多种高空间分辨率、高时间分辨率的点扫描荧光显微成像技术, 对于生物成像等具有重要意义. 然而, 有关该领域最新进展的综述论文较少, 系统地讨论、总结基于点扫描的高时空分辨荧光显微成像技术的研究进展, 对于其未来研究发展极为重要. 本文主要从时间分辨率与空间分辨率两个维度分别介绍了各类点扫描荧光显微成像技术的基本原理及相关进展, 并介绍了高时空分辨显微成像技术及应用, 最后讨论展望了高时空分辨点扫描荧光显微镜的未来发展趋势和挑战.
2023, 72(20): 204202.
doi: 10.7498/aps.72.20230900
摘要:
生命体是一个高度有序化的结合体, 细胞和组织的基本生物过程本质上受生物分子构象和排列的控制, 其中生物分子的排列有序度、取向、螺旋和折叠等特征与生物组织的生理功能密切相关. 偏振成像可以获取生命体或材料的微观排列结构, 取向和手性等构象信息, 在材料学检测, 生物影像领域得到了广泛的应用, 但其成像深度和解析偏振信息等方面存在困难. 光声成像以电磁波为激发源, 以超声为载体传递信息, 成为一种结合光学高对比度和超声深穿透性的无损成像方式, 利用扩散光子激发目标并检测由此产生的声响应可以打破光学扩散极限的限制. 近年来一种偏振光声成像技术作为偏振光学成像的补充, 在保证成像深度的同时可以获取介质的三维偏振信息, 为组织的偏振测量提供了一种有效而直接的策略, 预示着在生物成像和材料检测两方面的巨大潜力. 本文总结了偏振光声成像技术的发展, 首先阐明了偏振光声成像的物理原理和技术方法, 随后从生物组织成像和纳米材料检测两个应用领域展开介绍了偏振光声显微成像、偏振光声计算层析成像和偏振光声纳米材料分子成像的相关研究进展, 并且简要论述了偏振光在组织中传播时因颗粒尺寸、密度、排列等因素产生的退偏情况, 最后展望了偏振光声成像的应用前景.
生命体是一个高度有序化的结合体, 细胞和组织的基本生物过程本质上受生物分子构象和排列的控制, 其中生物分子的排列有序度、取向、螺旋和折叠等特征与生物组织的生理功能密切相关. 偏振成像可以获取生命体或材料的微观排列结构, 取向和手性等构象信息, 在材料学检测, 生物影像领域得到了广泛的应用, 但其成像深度和解析偏振信息等方面存在困难. 光声成像以电磁波为激发源, 以超声为载体传递信息, 成为一种结合光学高对比度和超声深穿透性的无损成像方式, 利用扩散光子激发目标并检测由此产生的声响应可以打破光学扩散极限的限制. 近年来一种偏振光声成像技术作为偏振光学成像的补充, 在保证成像深度的同时可以获取介质的三维偏振信息, 为组织的偏振测量提供了一种有效而直接的策略, 预示着在生物成像和材料检测两方面的巨大潜力. 本文总结了偏振光声成像技术的发展, 首先阐明了偏振光声成像的物理原理和技术方法, 随后从生物组织成像和纳米材料检测两个应用领域展开介绍了偏振光声显微成像、偏振光声计算层析成像和偏振光声纳米材料分子成像的相关研究进展, 并且简要论述了偏振光在组织中传播时因颗粒尺寸、密度、排列等因素产生的退偏情况, 最后展望了偏振光声成像的应用前景.
2023, 72(20): 204206.
doi: 10.7498/aps.72.20230766
摘要:
镧铝硅酸盐玻璃具有稀土离子溶解度高、热稳定性好等优异的光学性能和优良的物理化学性质, 其部分物理化学性质与石英相近, 易与石英玻璃结合进行特种光纤制备, 被认为是一种理想的激光玻璃基质材料. 本文采用传统高温熔融法成功研制出一系列不同浓度Tm3+掺杂镧铝硅酸盐玻璃, 以掺铥镧铝硅酸盐玻璃为纤芯, 采用管棒堆叠法制备出掺铥双包层光子晶体光纤. 实验研究了掺铥镧铝硅酸盐玻璃及其光纤的吸收、荧光、激光等光学特性, 研究结果表明, 掺铥镧铝硅酸盐玻璃及其光子晶体光纤适于2 μm波段激光输出, 为2 μm波段高功率光纤激光器的研究提供了一种新的途径.
镧铝硅酸盐玻璃具有稀土离子溶解度高、热稳定性好等优异的光学性能和优良的物理化学性质, 其部分物理化学性质与石英相近, 易与石英玻璃结合进行特种光纤制备, 被认为是一种理想的激光玻璃基质材料. 本文采用传统高温熔融法成功研制出一系列不同浓度Tm3+掺杂镧铝硅酸盐玻璃, 以掺铥镧铝硅酸盐玻璃为纤芯, 采用管棒堆叠法制备出掺铥双包层光子晶体光纤. 实验研究了掺铥镧铝硅酸盐玻璃及其光纤的吸收、荧光、激光等光学特性, 研究结果表明, 掺铥镧铝硅酸盐玻璃及其光子晶体光纤适于2 μm波段激光输出, 为2 μm波段高功率光纤激光器的研究提供了一种新的途径.
2023, 72(20): 204205.
doi: 10.7498/aps.72.20230915
摘要:
全电介质超材料宽带反射器具备损耗低、反射效率高、结构紧凑等优点, 深入理解其反射带的形成机理对超材料结构和性能的优化、以及进一步设计新型光子器件均具有重要意义. 本文利用离散的硅纳米柱阵列和硅膜底层连接的硅纳米柱阵列分别构造了两个全电介质超材料宽带反射器, 通过求解其准正则模式, 结合散射矩阵理论拟合出了超材料的反射谱. 发现零频准正则模式对拟合准确性有重要影响, 并提出了用色散关系分析法准确求解零频准正则模式. 进一步用高Q值和低Q值准正则模式分别拟合出共振反射谱和背景反射谱. 结果表明, 超材料反射器的宽带反射源于低Q值的准正则模式造成的背景反射. 本文提出的研究方法可进一步拓展, 用于分析Mie共振、准连续域束缚态等共振现象, 为超材料光谱特性的解释提供新的思路.
全电介质超材料宽带反射器具备损耗低、反射效率高、结构紧凑等优点, 深入理解其反射带的形成机理对超材料结构和性能的优化、以及进一步设计新型光子器件均具有重要意义. 本文利用离散的硅纳米柱阵列和硅膜底层连接的硅纳米柱阵列分别构造了两个全电介质超材料宽带反射器, 通过求解其准正则模式, 结合散射矩阵理论拟合出了超材料的反射谱. 发现零频准正则模式对拟合准确性有重要影响, 并提出了用色散关系分析法准确求解零频准正则模式. 进一步用高Q值和低Q值准正则模式分别拟合出共振反射谱和背景反射谱. 结果表明, 超材料反射器的宽带反射源于低Q值的准正则模式造成的背景反射. 本文提出的研究方法可进一步拓展, 用于分析Mie共振、准连续域束缚态等共振现象, 为超材料光谱特性的解释提供新的思路.
2023, 72(20): 204203.
doi: 10.7498/aps.72.20230868
摘要:
纯四次孤子光纤激光器是一种新型的超短脉冲激光器, 能够在四阶色散和自相位调制效应平衡下保持脉冲形状稳定传输. 相比于二阶色散主导下的常规孤子激光器, 纯四次孤子激光器输出的锁模脉冲能量可以高出1—2个数量级, 这将为研制高能量、高峰值功率的光纤激光器提供新思路. 本文系统地回顾了近年来在光纤激光器等非线性光学系统中纯四次孤子的产生以及传输特性, 并探讨了纯四次孤子中已观察到的一些特殊瞬态动力学现象. 同时, 介绍了笔者所在课题组在该研究方向上的最新成果. 最后, 本文对纯四次孤子光纤激光器的应用前景以及发展趋势进行展望, 为相关领域未来的研究提供有价值的参考. 这些结果将有助于更全面认识纯四次孤子光纤激光器的基本物理特性.
纯四次孤子光纤激光器是一种新型的超短脉冲激光器, 能够在四阶色散和自相位调制效应平衡下保持脉冲形状稳定传输. 相比于二阶色散主导下的常规孤子激光器, 纯四次孤子激光器输出的锁模脉冲能量可以高出1—2个数量级, 这将为研制高能量、高峰值功率的光纤激光器提供新思路. 本文系统地回顾了近年来在光纤激光器等非线性光学系统中纯四次孤子的产生以及传输特性, 并探讨了纯四次孤子中已观察到的一些特殊瞬态动力学现象. 同时, 介绍了笔者所在课题组在该研究方向上的最新成果. 最后, 本文对纯四次孤子光纤激光器的应用前景以及发展趋势进行展望, 为相关领域未来的研究提供有价值的参考. 这些结果将有助于更全面认识纯四次孤子光纤激光器的基本物理特性.
