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拓扑材料的超导性质研究
发现当涡旋线的端点处在具有费米弧的表面时,涡旋线的两端可实现马约拉纳零模。而且,三位研究人员发现对这两类拓扑半金属,伴随涡旋产生的塞曼劈裂效应可非常显著地增大保护马约拉纳零模稳定性的拓扑能隙,而对拓扑绝缘体,塞曼劈裂效应对拓扑能隙的作用则始终是负面的压制。此项工作极大地拓展了实现和研究马约拉纳零模的材料。
中山大学 2021-04-13
一种无自旋无级变速单元
本发明公开了一种无自旋无级变速单元,旨在提供一种在一定变速比范围内均能避免自旋效率损失的无级变速单元,一种无自旋无级变速单元,包含无自旋输入锥盘(5)、无自旋输出锥盘(7)、无自旋滚轮(6),借助夹紧力使得其相互压紧接触,靠牵引传递动力,滚轮摆动一定角度实现调速,无自旋输入锥盘(5),无自旋输出锥盘(7)的回转曲面的母线是一种对数曲线。在调速过程中这种无自旋无级变速单元的无自旋输入锥盘(5)、无自旋输出锥盘(7)、无自旋滚轮(6)的回转轴线以及接触点的公切线均交于一点。本发明可用于替换各类环面型无级变速器中的无级变速单元。
四川大学 2016-10-11
量子金属态的证实
量子材料与量子相变是本世纪凝聚态物理与材料领域的研究热点。量子相变与传统的热力学相变不同,是在绝对零度下调节非热力学参量而发生的相变,相变点附近量子涨落而非热涨落起了重要作用。作为量子相变的经典范例,二维超导-绝缘体相变以及超导-金属相变研究获得了2015年美国凝聚态物理最高奖巴克利奖。在量子相变过程中,除超导基态和绝缘基态外,量子金属态是否存在于二维超导体系一直是理论与实验上争论的焦点(Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019))。根据安德森标度理论,由于量子干涉效应以及相位相干长度在零温下发散的特性,载流子在趋于绝对零度时会表现出局域化效应,因此理论上不存在二维量子金属基态。尽管实验上在各种二维电子体系发现了量子金属态的可能迹象,但受低临界温度的制约以及外界高频噪声的影响(Science Advances 5, 3826 (2019)),二维量子金属态的存在与否仍存在着巨大争议,是近三十年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。 最近,北京大学物理学院量子材料中心王健教授、博雅博士后刘易与合作者在高温超导纳米多孔薄膜中首次完全证实了量子金属态的存在。通过调节反应离子刻蚀的时间,研究团队在高温超导钇钡铜氧(YBCO)多孔薄膜中实现了超导-量子金属-绝缘体相变。量子金属态存在的直接证据是体系的电阻随着温度降低表现出饱和特性,在高温超导体YBCO薄膜中,该电阻饱和温度高达5K,这一温度相比于传统超导体系提高了1-2个数量级,大大提升了量子金属态的稳定性和实验结果的可信度。通过高频滤波器极低温对照实验表明,是否添加滤波器对体系的电阻在低温下的饱和规律没有明显的作用,有效地排除了外界高频噪声对实验的影响,为量子金属态的存在提供了可靠的实验证据。实验还揭示了量子金属态的霍尔电阻为零欧姆,意味着量子金属态具有与超导体类似的粒子空穴对称性(particle-hole symmetry)。 此外,实验表明量子金属态在低温下满足欧姆定律且具有巨磁阻效应,这些发现也与理论上对量子金属态的预期吻合。 研究团队通过系统的极低温电输运测试发现,超导,金属与绝缘这三个量子基态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁通振荡,这表明量子金属态与传统金属不同,是玻色金属态,揭示了库珀对玻色子对量子金属态的形成起到了主导作用。(注:传统金属中导电是电子,也即费米子)实验发现,对于超导态的样品,量子振荡振幅随温度的降低迅速增加而发散; 对于绝缘态的样品,振幅随温度的降低先迅速增加然后在低温下衰减; 而对于量子金属态的样品,振幅随温度的降低先迅速增加然后在低温下饱和。进一步分析揭示出振荡振幅饱和对应于相位相干长度饱和,是量子金属形成的一种可能机制。有意思的是通过调控正常态电阻仅两个数量级,量子振荡振幅从超导态样品到最绝缘的样品变化了九个数量级,这意味着多孔高温超导体系具备很好的相位相干调控性。 该工作于2019年11月14日在线发表于学术期刊《Science》上。(DOI: 10.1126/science.aax5798;https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798)。北京大学王健教授、布朗大学James M. Valles Jr 教授、电子科技大学熊杰教授是本文的共同通讯作者,电子科技大学博士生杨超和北京大学博士后刘易为文章共同第一作者,北京大学为第一通讯作者单位。这一工作的主要合作者还包括布朗大学Jimmy Xu教授,北京大学林熙研究员,北京师范大学刘海文研究员,清华大学姚宏教授,电子科技大学李言荣院士等。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、量子物质科学协同创新中心、中科院卓越创新中心、低维物理国家重点实验室开放基金、北京市自然科学基金、北京市交叉科学与技术基金、博士后科学基金等支持。 二维高温超导体系中量子玻色金属态的证实是王健研究组与合作者继量子格里菲斯奇异性发现以来(Science 350, 509 (2015)); Nature Communications 10, 3633 (2019)),在二维超导量子相变领域的又一重要突破。该工作为国际上争论了三十多年的量子金属态的存在提供了有力的证据,并为研究量子金属态提供了新思路。该工作也得到了美国科学院院士斯坦福大学Steven A. Kivelson教授的高度评价,评论文章发表在Journal Club for Condensed Matter Physics(凝聚态物理期刊俱乐部)上。Kivelson教授指出:“这一工作对量子材料的理解具有基础性的重要意义”。图一, 钇钡铜氧(YBCO)纳米多孔薄膜中的超导-量子金属-绝缘体量子相变。(A)用多孔氧化铝(AAO)模板蚀刻法制备YBCO纳米多孔薄膜的工艺示意图。(B) YBCO纳米多孔薄膜扫描电镜(SEM)图像。(C) YBCO纳米多孔薄膜的几何结构示意图。(D)不同刻蚀时间下YBCO纳米多孔薄膜的电阻对温度的依赖关系。超导态(SC)、反常金属态(AM1)、过渡态(TS)和绝缘态(INS)四种典型薄膜的电阻温度曲线用黑色表示。图二,量子金属态证据。(A)量子金属态薄膜和超导薄膜的输运曲线。其中低温下电阻的饱和行为为量子金属态的特征。(B) 量子金属态薄膜极低温输运曲线。是否采用高频滤波器并不改变量子金属态饱和电阻的特征。插图: 量子金属态薄膜的I-V曲线,符合欧姆定律,亦为量子金属态的证据。(C)典型量子金属态薄膜的霍尔电阻和纵向电阻随温度的变化图。霍尔电阻(Rxy)在低温下趋于零,而纵向电阻不为零,表现出量子金属态的特征。插图: 量子金属态薄膜不同温度下的霍尔电阻(Rxy)。(D) 量子金属态薄膜的巨磁阻效应,与理论上对量子金属态的预期相符。图三,库柏对在量子相变过程中的相干性衍变 (A)超导态、(B) 量子金属态、(C)绝缘态的磁导振荡图。 (D) 不同温度下,所有YBCO薄膜的磁导振荡的振幅。对于量子金属态薄膜,磁导振荡的振幅随温度的降低在5 K左右而饱和。而超导态薄膜磁导振荡的振幅在低温下发散,绝缘态薄膜磁导振荡的振幅随着温度降低先增加后减小。(E) 通过相位相干的近似模型,计算得到量子金属态的相位相干长度在低温下饱和。揭示了量子金属形成的一种可能机制。
北京大学 2021-04-11
清华大学交叉信息研究院段路明课题组成功制备飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态
清华大学交叉信息研究院段路明研究组在微波量子信息处理领域取得重要进展,首次在实验中借助超导量子电路成功制备了相干态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态,并验证了不同“猫”态之间以及多体“猫”态和超导量子比特之间的量子纠缠。
清华大学 2022-03-16
高速相干光子保密机
已有样品/n高速率光信息传输安全性问题未得到很好解决。一方面光信号截获技术在国内外都取得重大进展,国内外已经研究成功多种光通信信号的截获装置。另一方面,量子计算等高性能计算技术的快速发展,严重威胁基于密码学的传统加解密通信技术的安全性。已有的抗截获光通信技术,或者是安全性受到高性能计算挑战(电域数据加密);或者是受色散及信道噪声影响,难以实现长距离传输(光混沌);或者是受光器件限制,难以实现高安全性;或者是虽然安全性
华中科技大学 2021-01-12
汽车车身结构拓扑优化设计
在给定的汽车车身设计区域内寻求结构具有最优化材料分布,使得在规定的载荷和边界 条件下,汽车车身结构具有最大刚度。设计时:①车身结构拓扑优化工作在车身大骨架的初始划分阶段即进行;②以求出的结构最优拓扑解为指导,结合车身结构设计的实际经验,在 原有车身结构的基础上建立优化车身结构的概念性 CAD 模型。经过拓扑优化后的车身结构, 其刚度可提高 1.35 倍。适合于对轻型客车、微型客车的车身结构进行拓扑优化设计。
南京工程学院 2021-04-13
光子微球生物芯片技术
本技术利用光子晶体微球的颜色对待测生物分子进行编码,一种颜色的微球可以检测一种分子,与微孔板或者微流控芯片相结合,通过自动化的流体控制和光学检测完成样品中多个组分的同时检测,获得2011教育部自然科学一等奖和2014瑞士国际发明展特别金奖,同时获专利授权10余项。本技术成果包括了光子微球、微流控芯片和自动化芯片分析检测仪三部分,可以用于肿瘤、感染性疾病(HIV、SARS、肝炎、禽流感等)、心血管疾病(高血压、心脏病)检测等。希望合作研发和生产,投资规模在200万人民币左右。
东南大学 2021-04-13
光子-激子强耦合相互作用
构建了多激子与单个表面等离激元模式耦合相互作用的全量子理论,给出了简洁的实现强耦合作用的“量子光学极限条件”。依据该理论,研究团队精心设计和制备出方形银包金纳米棒结构,实现了将光子局域在71 nm3 的超小模体积内,同时,巧妙地实现了单激子偶联以及小于0.9 nm的超短作用距离的精确控制,最终实现了单个J-aggregate激子与单根纳米方棒之间高达~41.6 meV的耦合作用强度,在室温下成功观测到1-7个激子与单个等离激元纳米方棒的强耦合相互作用。
中山大学 2021-04-13
针对自旋流--新颖量子材料灵敏探针的研究
北京大学量子材料科学中心的韩伟研究员和谢心澄院士,以及日本理化学研究所的Sadamichi Maekawa教授,受邀在国际著名刊物《自然-材料》(Nature Materials)上撰写综述文章,介绍“自旋流--新颖量子材料的灵敏探针”这一新兴领域的前沿进展。 自旋电子学起源于巨磁阻效应的发现,在当时而言,自旋流指的仅仅是电子自旋的传播。随着自旋电子学的蓬勃发展,与相关研究的不断深入,新的自旋流现象与机制不断被拓展,相关研究证明一系列的粒子或者准粒子携带的自旋都能够形成自旋流,比如磁性绝缘体中的磁振子、超导体中自旋三重态和准粒子、量子自旋液体中的自旋子、自旋超导态等。尤其是对于量子材料而言,由于其往往具有独特的自旋性质,基于自旋流探针的研究方法就成为了表征量子材料物性的有效手段。 量子材料都是凝聚态物理与材料科学领域的研究前沿之一,其量子性质起源于诸多量子效应,包括低维尺寸效应,量子限域效应,量子相干效应,量子阻挫效应,能带结构的拓扑性,自旋轨道耦合,对称性限制等等。量子材料包括石墨烯,高温超导体,拓扑绝缘体,外尔半金属,量子自旋液体,自旋超流体等等。量子材料可以表现出诸多与自旋相关的量子性质,如二维过渡金属硫族化合物中的自旋-谷耦合,以及拓扑绝缘体当中的自旋-动量锁定等。因为量子材料的自旋属性在下一代的量子信息存储和量子计算科学当中的应用潜力,所以研究量子材料的自旋相关性质得到了广泛关注。 为了研究量子材料的自旋性质,发展一种易于实现和操控的高效工具显得尤为迫切与关键。幸运的是,在实验物理学家和理论物理学家的不懈努力下,成功的证实了自旋流探针能够作为量子材料的有效探测手段。一系列激发和探测自旋流的方法被提出并得以实现,从而证实了基于自旋流探针的量子材料物性研究的广泛适用性。 迄今为止,相关实验已经证实自旋流能够以超导体系中的自旋三重态库珀对和超导准粒子、量子自旋液体中的自旋子、磁性绝缘体和自旋超流体中的磁振子为载体进行传播,相关物理图像被总结在表1中。本篇综述文章着重介绍了在五类主要的量子材料体系中的基于自旋流探针的物性研究。第一类是超导材料体系,自旋流探针可以被用来验证自旋三重态的存在以及自旋动力学的演化过程。第二类是量子自旋液体材料体系,自旋流探针可以被用来验证自旋子携带的自旋角动量的有效传播过程。第三类是磁性绝缘体体系,自旋流以磁振子的形式传播,描述了磁有序材料当中的集体激发行为。第四类是杂化量子激发体系,自旋流以磁振子-声子杂化模式(磁振子-极化子)或磁振子-光子杂化模式(磁振子-极化激元)为载体进行传播。第五类是自旋超流体系,自旋流以玻色爱因斯坦凝聚中的自旋量子数为1的玻色子为载体进行传播,这种玻色子可以为电子-空穴激子或者是磁振子。 这些重要的研究进展已经充分证实了基于自旋流探针的物性表征对于量子材料而言是一种行之有效的研究手段。因此,这一方法将会极大的推动新颖量子材料的发现和相关物理性质的研究。例如量子霍尔和量子自旋霍尔材料,量子铁磁体和反铁磁体,六角晶格体系中的量子手征声子,自旋和力耦合的量子系统,超导体中的自旋动力学和铁磁与超导界面的超导能隙,自旋三重态超导体中的超导对称性,强耦合自旋系统中的杂化激发,拓扑磁振子材料,量子自旋液体中的自旋子,自旋超流体约瑟夫森效应,以及其他任何作为自旋流载体的量子态。另外,这一领域的进展还将推动自旋成像技术的发展,如利用自旋极化扫描隧道显微镜和氮空位色心显微镜技术对量子材料体系中自旋流的原位探测。
北京大学 2021-04-11
通讯波段碳化硅色心的室温自旋操控
郭光灿院士团队的李传锋、许金时、王俊峰等人与其合作者在国际上首次实现了碳化硅中氮-空位(NV)色心的室温相干操纵,并且实现了单个NV色心的可控制备和光探测磁共振谱的探测。这种色心的发光波长在通讯波段,在量子通信和量子网络中具有重要用途,基于这种色心自旋的量子器件十分适合光电集成以及产业化。该成果于2
中国科学技术大学 2021-01-12
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