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2020,49 (9)

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2020,49 (7)

2020,49 (6)

2020,49 (9) 
封面故事:对诸多客观实在所具有属性的认识绘制了人类认知经典世界的物理图像。源于认识经典世界的物理直觉告诉我们,物理本体与其拥有的属性是不可分离的。然而,这样的物理直觉并不适用于微观量子世界。近期,中国科学院量子信息重点实验室李传锋教授等人与南开大学陈景灵教授合作,通过对处于超纠缠状态的双光子实施新型的量子弱测量,首次实现了光子的偏振与其本体分离,进而实现两个光子偏振的无接触交换。该研究成果展现了“量子柴郡猫”的独特量子特性,揭示了量子世界中物质与其物理属性灵活多变的关系,加深了人们对“什么是物理实在”这一物理学基本问题的认识。该工作发表于Nature Communications,2020,DOI:10.1038/s41467-020-16761-0。


2020,49 (8) 
封面故事:太阳风与地球偶极磁场相互作用形成了巨大的磁层空间,刻画磁层空间的物质和能量输运规律对于理解近地空间天气至关重要。极光就是磁层空间动态变化的缩影,是空间环境变化的指示器。近期,中国科学院地质与地球物理研究所何飞副研究员等人结合我国完全自主知识产权的风云三号卫星广角极光成像仪极光图像和其他探测数据,首次揭示出极光边界波动是等离子体层顶表面波的光学表象,并发现这一磁层空间多圈层耦合物理过程是磁层空间环境扰动中的常态,对地球空间能量输运具有关键影响,更新了磁层物质和能量输运图像。这一物理过程也可能存在于其他行星磁层空间中,为今后行星空间物理研究工作提供了关键的方向指导。该工作发表于《自然·通讯》(Nature Communications,2020,DOI:10.1038/s41467-020-15506-3)。


2020,49 (7) 
封面故事:超快动力学和高压物理学以往是两个独立的凝聚态物理学科,如果将二者结合起来,不仅实现了仪器研发的突破和进步,而且发现压强诱导的超快动力学特性,将有望开启一个新的交叉领域。中国科学院物理研究所赵继民研究组与高压科学研究中心丁阳研究组合作,成功搭建了一套真正原位(on-site in situ)的高压泵浦—探测超快光谱实验装置,研究了强关联材料Sr2IrO4的高压超快动力学,发现了压强诱导的声子瓶颈效应,对应着电子结构的能隙锐减。该装置在加压、校压过程中无需将样品和对顶砧移出光路,避免了移动和旋转。该研究将带来“高压超快动力学”这一新分支领域的开启、成型、发展,对促进极端条件下的凝聚态物理研究有重要意义。该研究成果近期发表于Chinese Physics Letters (Express Letter) 37,047801 (2020)。


2020,49 (6) 
封面故事:单线态和三线态是有机分子激发态的两种主要状态。由于三线态回归基态属于自旋对称性禁阻,因此三线态材料具有不同于单线态材料的新颖性质,在光电和生物等领域具有广泛的应用前景。如何通过分子设计开发高性能三线态有机半导体材料,是一项非常具有挑战性的工作。近期,中国科学院大学黄辉团队通过结合D-A结构和扭曲构象,制备了具有大π中心的三线态受体材料,基于该材料的有机太阳能电池能量转换率超过了15%,研究表明该材料的三线态激子被分离利用,有利于太阳能电池性能的提升。同时,该团队通过碲吩和吡咯单体摩尔比的调节,实现了三线态聚合物纳米粒子的光动力和光热性能的精准调控(如图),在近红外激光辐射下,该类纳米粒子对小鼠肿瘤具有显著的治疗效果。该系列成果已经于近期发表于《德国应用化学》(2020, DOI:10.1002/anie.202006081; DOI: 10.1002/anie.202004181)。


2020,49 (5) 
封面故事:延迟选择实验证明了用经典的波与粒子的观点描述光并不可行,提供了研究光的性质的新方向。南京大学马小松课题组在量子延迟选择实验的基础上,利用纠缠光子对的远程关联特性弥补了量子延迟选择实验中的局域性漏洞,在满足严格的爱因斯坦局域性条件下,观测到了光子波动态与粒子态的量子叠加。图中是实验的整体框架。光子(红色)表现出波动性还是粒子性取决于干涉仪的设置;干涉仪的状态则由一对纠缠光子(蓝色)控制;分隔两地的纠缠光可以实现远程的量子控制;底部的干涉图案展示了光子波动性与粒子性的量子叠加结果。该工作发表于《自然·光子学》(Nature Photonics, 2019, 13:872—877),为光量子调控提供了新的手段。


2020,49 (4) 
封面故事:光子角动量对光与物质相互作用具有重要影响。光子角动量可分为与偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位关联的轨道角动量。通常光子角动量都是沿光束传播方向。近来研究表明在强聚焦光场和瞬逝波光场中存在光子横向自旋角动量。那么是否存在光子横向轨道角动量呢?上海理工大学詹其文教授研究团队最新的研究成果给出了肯定的答案。他们成功利用在空间频率—频率域内的涡旋相位调控,实现了时空域内的多色光涡旋和光子横向轨道角动量。新的光子角动量自由度在光子自旋霍尔效应、量子纠缠和光子自旋—轨道耦合效应等方面可能会展示独特的性质,也可望应用于高速光通信、光学微纳操控和新型光电器件等领域。该研究成果2020年2月24日发表于《自然—光子学》(Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum. Nat. Photon., 2020. https://www.nature.com/articles/s41566-020-0587-z)


2020,49 (3) 
封面故事:这是由中国科学院国家天文台刘继峰和张昊彤科研团队利用郭守敬望远镜(LAMOST)发现的一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞LB-1。相应研究见:Liu et al. Nature,2019,575:618-621。迄今为止,天文学家发现的二十多颗恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别,质量均为3到20倍太阳质量。LB-1从未在任何X射线观测中被探测到,研究团队突破利用X射线寻找黑洞的限制,提供了一种利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞的新方法。目前恒星演化理论预言太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。


2020,49 (2) 
封面故事:本期封面展示了北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究组与电子科技大学李言荣、熊杰研究团队以及布朗大学的James M. Valles Jr 教授等合作,在高温超导钇钡铜氧(YBCO)纳米多孔薄膜中证实了二维反常金属态(一种新物质态)的存在。图中黑色材料为钛酸锶(STO)衬底,蓝紫色材料为具有周期性孔洞阵列的YBCO薄膜。薄膜表面红色和蓝色的小球和箭头,以及它们中间的黑色曲线,代表自旋方向相反的电子组成的库珀对玻色子。这种非长程相干的玻色子构成了反常金属态,亦被称为玻色金属或量子金属。相关研究发表于Science (C. Yang et al. Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition,Science, 2019, 366: 1505)。这一发现结束了是否存在二维反常金属态这一长达三十多年的学术争议,对量子材料的认知具有重要意义,并有望开启新的物理学。


2020,49 (1) 
封面故事:磁子(Magnon)是自旋波量子化的准粒子。磁子具有在绝缘磁性材料中无热耗散、低阻尼、长距离传输自旋信息的优势,而且具有GHz~THz波段本征频率、以及振幅和相位的波动特性。磁子型器件可避免传统芯片中因电荷运动引发的焦耳热问题,有望实现低功耗、高速信息存储与逻辑运算功能及应用。探索上述磁子器件的一个关键前提是实现磁子操控磁性。近期,大连理工大学王译教授与新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授组成的研究团队在磁子操控磁矩方面取得重要进展。他们成功利用磁子驱动广泛应用的Ni81Fe19和Co40Fe40B20铁磁薄膜磁矩发生180°翻转,突破了通过有热耗散电子自旋注入操控磁矩的传统技术,而且器件在室温下运行,磁子转矩效应显著。该工作将促进磁子学发展以及后摩尔时代器件革新。该成果已于2019年11月29日在国际学术刊物《科学》发表(Science,2019,366:1125)。


2019,48 (12) 
封面故事:超导量子计算平台可集成多个量子比特,相干时间长、操控和读出精度高,是实用化、可扩展量子计算主要技术路线之一。衡量量子计算平台性能的一个标志性成果是多量子比特纠缠态的制备,特别是Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的实验制备。近期,由浙江大学王浩华课题组与中国科学院物理研究所范桁、郑东宁课题组所组成的超导量子计算团队,在长期合作的基础上,又与中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位密切合作,在超导多量子比特纠缠态的制备方面取得重要进展。他们成功将全局量子纠缠的量子比特数目推进到20个,特别是实现了18个量子比特GHZ态制备,其保真度超过GHZ多体真纠缠的判据阈值,并首次展示了20量子比特5组分薛定谔猫态,刷新了固态系统纠缠量子比特数世界纪录。该成果已于8月9日在国际学术刊物《科学》发表(Science,2019,365: 574)。


2019,48 (11) 
封面故事:中国散裂中子源是国家“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首,旨在为我国材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等领域的科学研究,提供一个设施先进、功能强大的科研平台。该项目落户广东省东莞市,总投资约23亿元,由中国科学院和广东省人民政府共同建设。2018年3月,中国散裂中子源按期、高质量地完成了工程建设任务;同年8月顺利通过国家验收,投入正式运行,向国内外用户开放。这是继英国散裂中子源、美国散裂中子源和日本散裂中子源之后,全球第四台脉冲型散裂中子源,其综合性能进入国际同类装置先进行列,填补了我国脉冲中子应用领域的空白,并迅速取得了首批重要科学成果。目前北京的中国先进研究堆、四川绵阳的中国绵阳研究堆也已开启运行,这三大国家中子源使我国中子散射研究和应用迎来了快速发展的契机。《物理》编辑部特组织专题,从工程、能源、生命科学等多角度撰文,以满足读者对这一大科学装置的深度了解。


2019,48 (10) 
封面故事:本期封面显示的是由大连理工大学赵纪军教授课题组在太阳能电池领域首次发现具有反向量子阱(QW)分布的一系列二维Rud-dlesden-Popper钙钛矿材料(2D-RPPs),并成功使用该材料制备太阳能电池。相应研究详见: Wei Y et al. Adv. Energy Mater.,2019,9:1900612。近年来,有机—无机金属杂化钙钛矿材料因其可调的带隙、高吸收系数、长载流子扩散长度、低缺陷态密度等特性受到了广泛的关注。在该研究中,他们采用环己甲胺(CMA)为间隔阳离子,制备出结构为(CMA)2(MA)n-1PbnI3n+1的2D-RPPs。与先前报道的RPP不同,这种新钙钛矿材料的沉积膜表现出反向量子阱(QW)分布的多个相:即小n值的相主要分布在薄膜表面,而大n值相集中在薄膜底部。这种材料薄膜的制备方法简单,光电性能优,稳定性好。可在常温室内环境下,通过旋涂法直接形成高品质的薄膜,无需热浇筑、添加剂等复杂工艺辅助。该工作为人们在制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池方面提供了新思路,在未来光电子器件领域将会有更为广泛的应用前景。


2019,48 (9) 
封面故事:四百多年前伽利略将望远镜指向星空,人类逐步打开完整的电磁波段认识多彩的宇宙。五十多年前,天体中微子的成功探测是又一里程碑。相对于电磁力和弱力,万有引力最早受关注,与其相关的引力波信号亦于2015年成功捕捉!
引力波“窗口”会帮助人们澄清哪些迷惑呢?2017年发现的双中子星并合事件标志着包括引力波在内的多信使天文学的开端。左上图是引力波天文台记录的数据,显示双中子星并合旋进阶段辐射引力波的频率(纵轴)随时间(横轴)的增加。该事件的射电、红外、光学、X射线及γ射线等电磁信号也都被成功探测。这些研究无疑将有助于认识双星演化及其最终爆发过程、致密物态、宇宙膨胀等物理,并更精确地检验引力理论。本期邀请专家评述这一历史性事件,以飨读者。


2019,48 (8) 
封面故事:本期封面显示的是由国家纳米科学中心中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室以及中国科学院纳米科学卓越创新中心张勇研究组首次实现了二维量子片的普适和规模制备。相应的研究发表于Materials Horizons杂志(Xu et al. Robust production of 2d quantum sheets from bulk layered materials. Materials Horizons,2019,DOI:10.1039/c9mh00272c)。在该研究中,他们直接由未经任何处理的本体层状材料出发,通过硅球辅助球磨与超声辅助溶剂剥离相结合的全物理方式,成功实现了二维材料本征量子片的普适和规模制备。这项研究成果为构建二维量子片完整数据库/图书馆提供了有力保障,同时为量子物理研究及应用带来了全新机遇。


2019,48 (7) 
通过模仿生物系统主动愈合伤口,自修复材料能够主动修复缺陷以应对复杂的外部环境,从而获得更高的生存寿命。然而与生物体相同,总有一些“疑难杂症”是常规自愈系统无能为力的。电树损伤便是绝缘材料老化中的“顽疾”,是造成电力装置和电子器件过早失效的主因。清华大学电机系何金良教授团队量身定做了一种“缺陷靶向磁热”自愈疗法,利用纳米颗粒在聚合物中的熵耗散迁移行为,结合超顺磁纳米颗粒的磁热效应,实现了热塑性绝缘材料的电树枝损伤修复和电气绝缘性能恢复。这一研究成果于2018 年12 月31 日在线发表于Nature Nano-technology。打破了电树破坏不可修复的传统认知,实现了电树老化过程的逆转和电介质材料的“返老如新”,为大幅提高电力装置和电子设备的使用寿命和可靠性提供了全新的方法。(来源于清华映像)


2019,48 (6) 
封面故事:本期封面显示的是由中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心潘建伟、赵博研究组首次观测到超低温下分子和原子间磁场可调的散射共振。相应的研究发表于Science杂志(Yang et al. Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold 23Na40K+40K collisions.Science,2019,363:261)。在该研究中,他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这些散射共振提供了对含有高达49个电子的钾-钠-钾三原子分子复杂体系势能面的超高精度测量,成功获取了势能面在短程部分的重要信息。这项研究成果为精确模拟量子化学中多电子问题提供了高度可控的强有力的研究工具。

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