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  物理--2022, 51 (5)   发布日期: 2022-05-12

封面故事:高次谐波技术可将激光拓展到软X射线波段,为阿秒物理提供了前所未有的方法学支持。继上世纪80 年代首次在气体中观测到高次谐波之后,人们就不断尝试在固体中产生高次谐波,以实现固体中的布洛赫振荡,进而为理解固体内在结构及能带间、能带内的超快动力学过程提供最直观的观测手段。然而,受限于驱动激光参数和固体能带特性,实现固体高次谐波至今依然颇具挑战。近期,中国科学院物理研究所方少波和同事们利用超倍频程光谱相干合成技术,建成了合成光场调控固体高次谐波实验研究平台。不仅在优化延时的条件下获得了近单周期极端光场,而且观测到高次谐波的增强效应,同时拓展了高次谐波截止区的光子能量,展现了其在超快科学研究领域的应用前景。该工作发表于Applied Physics Letters,2022,120:121105。

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特约专稿

圆桌论坛:对21世纪物理学的愿景展望 Hot!

《物理》编辑部
2022, 51(5): 293-302     全文: PDF (7022 KB)   ( 下载: 467 )
摘要

2021年9月22—23日,清华大学携手中国物理学会和香港中文大学,在清华大学大礼堂举行了庆祝杨振宁先生百年华诞学术思想研讨会。大会特别设置了“圆桌论坛”环节,邀请物理学界几位非常具有代表性的学者,围绕21世纪物理学的发展趋势展开深入讨论。此次论坛一共邀请了6位嘉宾,由中国物理学会理事长张杰院士担任主持人,其他5位嘉宾按照发言顺序分别是:中国科学院高能物理研究所陈和生院士、香港中文大学杨纲凯教授、美国犹他大学吴咏时教授、中国科学院物理研究所向涛院士、中国科学院理论物理研究所蔡荣根院士。嘉宾们以其精湛的物理学功力和深厚积累,围绕物理学未来发展的趋势进行了深入的观点交锋和激烈的思想碰撞,所论及物理问题的深度和广度充分体现了中国物理学界对于物理学未来发展的见识和愿景。清华大礼堂现场气氛热烈,当天通过直播平台观看会议的超过10万,参会者都为圆桌论坛的精彩纷呈和深刻洞见而赞叹,堪称中国物理学家一次高水平的思想交流。
或许在未来的某一天,当我们回忆这次圆桌论坛的观点和预言时,也许会更加深刻地体会其深刻意义。《物理》编辑部经活动主办方授权,根据圆桌论坛视频整理成文,并经受邀嘉宾审阅定稿,刊登于此,以期更多华人读者领略当日圆桌讨论的精髓,尤其希望更多的青年读者能够从本次圆桌讨论的观点和展望中获益。

新型半导体材料和器件专题

激子绝缘体 Hot!

娄文凯,常凯
2022, 51(5): 303-309     全文: PDF (9200 KB)   ( 下载: 443 )
摘要

激子绝缘体是20世纪60年代初由诺贝尔物理学奖获得者莫特提出的一种新物相。众所周知,激子是固态系统中最典型的集体激发之一,简单地可视为电子—空穴由于库仑相互作用而形成的束缚对。在常规绝缘体或半导体材料中,单粒子能隙远大于激子束缚能。而在某些特殊的材料体系,如窄能隙半导体和二维材料中,激子的束缚能可能大于体系的单粒子能隙,因此体系内会自发形成大量的激子,进入激子绝缘体相。激子绝缘体是体系的基态,低浓度下激子可视为组合玻色子,在低温下会形成宏观相干态——激子玻色—爱因斯坦凝聚。文章简要地回顾了激子绝缘体的发展历史,并介绍了激子绝缘体、玻色—爱因斯坦凝聚和自旋超流的最新进展。

二维材料的新奇物理及异质结的能带调控 Hot!

高琦璇,钟浩源,周树云
2022, 51(5): 310-318     全文: PDF (7452 KB)   ( 下载: 434 )
摘要

以石墨烯为代表的层状材料具备显著区别于三维材料的新奇物理特性。更为重要的是,原子级平整的二维材料使得科学家们可以将不同的二维材料通过堆垛或者把相同的二维材料通过堆垛加扭转构成范德瓦耳斯异质结。通过层间耦合作用,可对异质结的能带结构和物理性质进行有效调控,从而衍生出单个二维材料所不具备的新奇物性。范德瓦耳斯异质结的能带调控极大地拓宽了二维材料的科学研究和应用前景。

二维材料类脑器件 Hot!

王爽,梁世军,缪峰
2022, 51(5): 319-327     全文: PDF (10329 KB)   ( 下载: 369 )
摘要

研究类脑器件是构建一个能够与大脑相媲美的类脑信息处理系统的重要基础。二维材料凭借优异的电学与光电特性、可多自由度调控以及可三维垂直集成等优势,为设计多功能的类脑器件提供了丰富的材料和机制选择。文章围绕二维材料及异质结类脑器件的设计展开,通过总结最近的重要研究进展,探究该领域未来可能面临的机遇与挑战。

太赫兹量子器件光电测试技术与系统 Hot!

谭智勇,曹俊诚
2022, 51(5): 328-336     全文: PDF (10420 KB)   ( 下载: 330 )
摘要

光电测试技术是太赫兹辐射研究的重要基础技术。文章首先介绍两种太赫兹量子器件的工作原理和最新进展,随后主要介绍太赫兹量子器件在脉冲激光功率测量技术、快速调制与直接探测技术、激光偏振转换与测量以及光纤损耗测量技术及相关测试系统中的应用。最后总结基于太赫兹量子器件的光电测试技术的特点和优势,并对未来的发展进行展望。

物理学史钩沉

黑体辐射公式的多种推导及其在近代物理构建中的意义(Ⅶ) Hot!

曹则贤
2022, 51(5): 337-346     全文: PDF (3856 KB)   ( 下载: 430 )
摘要

一锤定音的本领来自对十八般兵器的样样精通。 ——作者
庞加莱(Henri Poincaré,1854—1912),法国数学家、物理学家、工程师、哲学家,数学界最后一个啥都懂的人。庞加莱以数学家、物理学家的身份闻名于世,其对相对论和量子力学的建立都有开创性的贡献,参见拙作《磅礴为一》。庞加莱的物理研究涉及各个领域,自然会关切黑体辐射的研究。庞加莱批评普朗克的理论缺失振子间交换能量的机制,为此他提出两个可能:其一为多普勒效应,不同运动速度的振子会发出不同的频率;其二,不同本征频率振子间的碰撞导致频率迁移。这个批评对黑体辐射研究意义不大。

 
研究快讯

高密度极性拓扑结构与硅基半导体的集成 Hot!

韩露,吴迪,聂越峰
2022, 51(5): 347-349     全文: PDF (5332 KB)   ( 下载: 426 )
摘要

拓扑学作为数学中的一个重要分支,主要研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性质和不变量。近年来,拓扑学与材料科学的关联日益紧密,拓扑的概念逐渐被引入研究凝聚态物理中的奇异态,包括实空间中具有新颖极化/自旋构型的拓扑结构以及倒易空间中的拓扑现象等。铁电薄膜由于场致翻转的非易失性自发极化,在信息存储/处理、传感、谐振和能源等先进纳米功能器件中具有重要应用价值,因此探索其中的新颖拓扑结构及其物性成为当前凝聚态物理研究的重点之一。

物理攫英

时间晶体:一种新物态的探索

蔡子 编译
2022, 51(5): 351-353     全文: PDF (9114 KB)   ( 下载: 327 )
摘要

由于其迷人的魅力,晶体在过去几个世纪里一直吸引着我们的注意。人们所熟知的晶体,从雪花到钻石,通常都是由原子或分子在空间中规则排列所构成的。对晶体的研究帮助我们建立了一整套框架,可以用于理解其他的空间有序相,例如超导体、液晶和铁磁相。

庞加莱的狭义相对论

庞加莱的狭义相对论之三:思想与观念

金晓峰
2022, 51(5): 354-364     全文: PDF (4594 KB)   ( 下载: 467 )
摘要
庞加莱发表于1898年的《时间的测量》,1900年的《洛伦兹理论和作用与反作用力原理》,1902年的《科学与假设》,1904年的《数学物理的现状与未来》等四篇文章和书籍,不仅深刻地影响了同时代学者的思维方式,而且一百多年来也始终是普通知识分子了解和认识科学及科学哲学的经典文献。(1)他最先提出相对性原理,主张不存在所谓绝对空间和绝对运动,而只存在物体间的相对运动。(2)他最先提出光速不变原理,认为这是谈论异地同时性的基础。(3)他始终不相信以太的真实存在,认为那只是形而上学家的事情,即使作为说明现象的方便假定,也终有一天会被认为是没用的东西而遭抛弃。(4)他最先将洛伦兹为计算方便而引进的“对应态”和“局域时间”等辅助概念,看成是运动参照系中的真实物理量,并通过光信号对异地钟进行同步的方法,得到一级近似下动系和静系的时间变换公式:t′= t -vx/c2。(5)他最先意识到,如果作用与反作用力原理仅适用于物质系统而不涉及以太,则它与麦克斯韦—洛伦兹方程组是不相容的;同时,一束电磁辐射就等价于惯性为m=E/c2 的一种假想流体(fictitious fluid)。
物理学漫谈

计算能力的摩尔定律

姬扬
2022, 51(5): 365-366     全文: PDF (5711 KB)   ( 下载: 276 )
摘要
现在的中学不讲计算(加减乘除不算的),大学前两年基本上也不涉及计算。很多大学生,包括理工科的大二学生,并不了解现代计算的威力,也不理解我们为什么要强调定性和半定量分析。
物理思想进课堂

诸“势”同一理,举一可反三

祖宏迪,强艳,白欣
2022, 51(5): 367-369     全文: PDF (3610 KB)   ( 下载: 264 )
摘要
将英文potential翻译为“势”,是物理学名词翻译中很传神的一例。从“因势利导”、“蓄势待发”、“仗势欺人”等词汇中,我们能够品读出“势”是因姿态、地位而具有的某种“东西”,这种“东西”并不需要直接表现为行为和动作,但我们能切实感受到它的存在。物理学中的“势”正是这样的概念,它是一个只和状态、位置有关的物理量,当对象处于这些状态、位置时便会具有一定的“做功”能力——势能(或称位能)。
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