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量子光源是量子信息处理的关键器件之一, 是量子计算、量子通信、量子模拟等应用的重要基础, 基于量子光源制备量子态并提升其编码容量是量子信息技术发展的重大挑战. 轨道角动量 (OAM) 是光子一种无限维的空间自由度, 其空间模式构成无限维完备的正交基, 利用OAM制备高维量子态可大幅提升量子信息处理容量, 是高维量子信息处理的关键资源. 随着光量子技术的进步, 多种重要光量子器件已可在集成化芯片上实现. 然而, 微纳尺度下制备高维OAM量子态仍是实现量子光源集成化的挑战, 亟需深入研究和突破. 本文综述并讨论了集成化OAM量子光源的研究进展及其研究中面临的热点和难点问题, 为推进高维量子光源在量子信息处理中的研究及实用化进程提供参考.
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高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川省稻城县海子山, 它的广角切伦科夫望远镜阵(WFCTA)主要是通过观测广延大气簇射过程中产生的切伦科夫光信号对宇宙线进行研究. WFCTA 的标定、模拟和重建都和大气深度有关, 目前使用的大气深度模型是美国标准大气深度廓线模型. 本研究中将美国标准大气深度廓线模型与卫星 TIMED搭载的红外辐射计SABER记录到的LHAASO处14—50 km处的大气深度廓线进行比较, 同时也与LHAASO处地面气象站记录的大气深度进行比较, 美国标准大气模型的大气深度均偏小. MSISE-90大气模型描述了地球大气中从地面到热层的中性温度和密度, 进一步研究发现MSISE-90大气模型与TIMED/SABER和LHAASO处地面标准气象站记录的大气深度的一致性较好. 根据MSISE-90大气模型计算得到LHAASO处的大气深度均值廓线在1月最低, 其次是2月、3月、4月、11月和12月, 这也是 WFCTA运行的最佳观测月份. 4月份的大气边界层最高, 其大气深度存在约2%的日变化. 利用美国标准大气模型的函数形式, 拟合每月的4.4—100 km处的大气深度廓线, 得到了LHAASO处的每月的大气深度廓线模型, 并比较了30°天顶角入射的100 TeV 的宇宙线质子在MSISE-90大气模型和美国标准大气模型中产生的切伦科夫光的横分布的差异, 二者最大差异约可以达到20%.
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利用粒子模拟程序研究了百拍瓦极端光场条件下, 锥形等离子体通道对激光脉冲的整形和重离子加速的影响. 研究发现, 由于非线性干涉和聚焦效应, 锥形等离子体通道能够整形激光脉冲时空波形并增强激光强度. 对于强度为5.46 × 1022 W/cm2、束腰半径为10 μm的线偏振激光入射夹角θ = 10°的锥形等离子体通道, 可获得紧聚焦 (束腰半径< 1 μm)、超高强度 (强度提高6倍) 的整形激光. 利用该激光加速通道末端的超薄平靶发现, 辐射反作用力能够有效地抑制由于电子加热和激光强度横向不均匀引起的超薄平靶横向膨胀, 延长超薄平靶透明时间, 使得金离子得到充分加速, 最终可获得截止能量高达约 240 GeV的金离子. 研究结果有望为未来百PW激光重离子加速实验方案设计及其在核-核碰撞中的应用研究提供理论参考.
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自然界的许多活性物质都处在复杂的环境中, 例如动物群体穿过丛林、微生物在土壤中迁移、细菌被设计用于感知肿瘤的多孔环境等. 活性物质在复杂环境中的行为是一个值得探究的课题, 在生物物理、医疗工程、工业领域具有可观的应用意义. 本文用活性哑铃代表细菌等具有形状各向异性的活性物质, 采用郎之万动力学模拟, 研究它们渗透有限多孔介质的行为. 研究发现在低温和适当的活性力下, 活性哑铃能在介质内外聚集并形成4种稳定的聚集结构. 4种聚集结构分别是中空巨聚集、介质内中空聚集、密实巨聚集、介质内密实聚集. 定向运动的持久性决定了活性哑铃的聚集程度. 4种聚集结构的密度、极性序参量、热力学温度在介质内外的分布有明显的区别. 本研究结果有助于进一步理解活性物质在复杂环境中的生命活动, 为微流器件的设计、药物的输运等医学操作提供新的思路.
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激光介质热效应引起的谐振腔模场结构变化成为高功率涡旋激光器的一个关键问题. 本文建立了环形光泵浦薄片激光晶体的温度场及热形变计算模型, 将热效应像差作为谐振腔衍射积分方程的微扰, 研究热效应对激光器模场结构的影响规律. 具体研究了Nd:YAG, Nd:YLF和Nd:YVO4薄片涡旋激光器的模场结构随泵浦功率、晶体吸收系数、晶体厚度的变化规律. 研究结果表明, 热效应使涡旋激光器模谱产生径向展宽, 模式纯净度下降. 泵浦功率越大, 高阶径向模式占比越大, 模场结构越复杂. 泵浦功率升高时, Nd:YVO4激光器的模谱展宽最大, Nd:YAG激光器的模谱展宽最小. 晶体吸收系数越大, 模谱展宽越严重; 激光晶体厚度减小时, 模谱展宽呈增宽趋势.
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深振荡脉冲磁控溅射(deep oscillation magnetron sputtering, DOMS)以一系列微脉冲振荡波形的形式向靶提供能量, 提供高密度等离子体的同时能够实现完全消除电弧放电和提高靶材原子离化率, 实现高质量薄膜的沉积制备. 针对DOMS微脉冲放电形式拓宽放电参数空间, 提高工艺灵活性的特点, 建立脉冲等离子体整体模型, 测量充电电压DCint = 300—380 V和微脉冲开启时间τon = 2—6 μs的Cr靶放电电压电流, 将电压电流波形作为模型输入条件, 获得DOMS放电等离子体参数随时间变化规律. 充电电压300 V, 等离子体峰值密度由τon = 2 μs的1.34×1018 m–3增至τon = 3 μs的2.64×1018 m–3, τon由3 μs增至6 μs时, 等离子体峰值密度基本不变. 靶材离化率随τon变化趋呈现相近趋势, 由τon = 2 μs的12%增至τon = 3 μs的20%, τon进一步增至6 μs, 离化率基本保持不变. 固定τon = 6 μs, DCint由300 V升高至380 V, 等离子体峰值密度由2.67×1018 m–3增至3.90×1018 m–3, 金属离化率由21%增至28%. DOMS放电具有高功率脉冲磁控溅射典型的金属自溅射现象, 峰值自溅射参数Πpeak随功率密度线性增大, 表明峰值功率密度是调控DOMS放电中金属自溅射的主要参数. Πpeak最高达到0.20, 金属自溅射程度远高于常规脉冲直流磁控溅射, 等离子体密度和沉积通量中金属离化率提高, 原子沉积带来的阴影效应减轻, 是DOMS沉积薄膜质量提高的原因.
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将光电子器件集成到硅片上是光电子集成器件研发的首要步骤. 自旋光电子学太赫兹辐射源, 通常是由纳米厚度的铁磁/非磁性金属多层膜结构组成, 在飞秒激光辐照下能产生高质量、宽带太赫兹脉冲辐射. 本文利用飞秒激光脉冲在生长于硅衬底上的Ta/CoFeB/Ir铁磁/非磁性金属异质结中实现了高效、宽带的太赫兹相干脉冲辐射. 首先, Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹脉冲的极性随外加磁场的反转而反转, 太赫兹辐射的物理机制可以归结为超快自旋流-电荷流转换. 其次, 通过改变抽运激光的激发能量密度, 研究了Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹辐射饱和现象. 此外, 通过研究Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹发射特性随Ir层厚度的依赖关系, 不仅优化了器件的辐射强度, 而且获得了Ir层在太赫兹频率下的自旋扩散长度(~(0.59 ± 0.12) nm). 该值小于通过自旋抽运技术获得的GHz频率下的自旋扩散长度(1.34 nm), 表明不同频率范围对应于不同的电子输运机理.
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以量子信息领域中常使用的Werner态为研究对象, 详细地研究了其在两种非马尔科夫相位阻尼环境, 即Random-Telegraph (RT)噪声环境、Ornstein-Uhlenbeck (OU)噪声环境, 以及非马尔科夫振幅阻尼(AD)环境中演化后的量子非局域关联检验情况. 分别推导了Werner态在RT, OU以及AD环境中密度矩阵随时间的演化结果. 基于Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式, 对演化后的量子态进行了详细的量子非局域关联检验研究. 结果表明, Werner态在RT噪声环境和AD环境中存在信息回流现象, 导致其量子非局域关联特性存在周期性振荡变化的现象, 即随演化时间的增加, 量子态能够从不具备量子非局域关联特性重新回到具有量子非局域关联特性的情况. 而在OU噪声环境中, 由于不存在信息回流现象, 量子非局域关联检验值将随演化时间的增加而降低. 同时, 本文还详细给出了Werner的保真度、量子态与非马尔科夫环境的耦合强度、OU噪声环境和AD环境的线宽、RT环境噪声的翻转率等参数与成功进行量子非局域关联检验的演化时间之间的关系.
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在少电子原子精密光谱测量中, 产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键, 也是改善实验测量信噪比的决定性因素. 本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案. 激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得, 根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件, 计算得到亚稳态He, Li+和Be2+的制备效率分别可达3%, 6%和2%以上. 与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比, 激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率, 也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响. 利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域.
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早在1965年, 于渌先生发表在《
》的经典理论工作就指出: 超导能隙在磁性杂质周围会产生微弱的周期性振荡. 近十年来, 一系列高分辨率的扫描隧道显微实验观测到超导体内能隙在空间中的微弱振荡行为并指认为配对密度波. 据此情况, 李东海等理论学者近期指出, 在多种情况下, 杂质拆对散射构成的干涉效应也会导致能隙在空间形成周期性振荡. 我们讨论这两种观点的对立与统一, 以及它们和实验的联系.
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