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物理  
  物理--2020, 49 (10)   发布日期: 2020-10-12

封面故事:超冷原子量子比特具有退相干时间长、可操控精度高、可升级等优点,成为开展量子模拟和计算的理想物理体系之一。但是在之前实验中,由激光束缚原子形成的原子晶格缺陷很多,影响下一步的量子操控应用,需进一步降温降熵。中国科学技术大学潘建伟、苑震生等首次提出了使用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中的新制冷机制,通过绝缘态和超流态之间高效率的热量交换,使系统中的热主要以超流态低能激发的形式存在,再用精确的调控手段将超流态移除,从而获得低熵的完美填充晶格。实验制冷后系统的熵降低了65倍,晶格中原子填充率达到99.9%。实验中还开发了两原子比特高速纠缠门,获得了纠缠保真度为99.3%的1250对纠缠原子。(封面设计:苑震生、梁琰、石千惠)

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评述

缪子源及多学科研究和应用 Hot!

唐靖宇,周路平,洪杨
2020, 49(10): 645-656     全文: PDF (7242 KB)   ( 下载: 947 )
摘要

缪子作为粒子物理标准模型中基本粒子中的一种,因其易产生且性质独特,常被用来作为探针开展从粒子物理研究到基于一种所谓μSR (缪子自旋共振、旋转和弛豫的缩写) 技术的多学科研究平台、再到缪束技术的应用等不同领域的科学研究,因此,高性能的缪子源是国际上综合性科学研究的重要实验平台。文章介绍缪子的基本性质、缪子束流的产生、主要应用领域、国际缪子源发展现状和趋势、特别是我国缪子源及缪子科学的发展潜力。随着中国散裂中子源实验缪子源的即将建设,我国缪子科学必将迎来一个极大的发展机遇。

纪念量子力学诞生120周年

关于量子力学的基本原理 Hot!

郑伟谋
2020, 49(10): 658-667     全文: PDF (3162 KB)   ( 下载: 895 )
摘要

文章抽选关于量子力学基本原理的几个题目,包括量子力学与经典物理学的对比、量子概念的产生、薛定谔方程的出现、全同性原理和量子路径积分等,作些说明。目的在于激发读者思考量子力学的本质在哪里。

前沿进展

纳米材料热传导中的新奇物理效应 Hot!

张刚,段文晖
2020, 49(10): 668-678     全文: PDF (6716 KB)   ( 下载: 821 )
摘要

纳米尺度热传导是物理科学、材料科学和工程热物理等相关学科的研究热点。除基础研究上的意义外,这个方向的研究在微纳米器件温度控制、新能源、热防护等重大工程技术领域也有着重要的应用价值。文章主要介绍一维、二维纳米材料(包括纳米管、纳米线、石墨烯及其他二维材料)的热传导性质。由于篇幅所限,文章集中讨论在低维体系热传导中的新奇物理效应,如碳纳米管热导率随长度的发散行为,硅纳米线中的声子相干性,以及石墨烯热传导性质的尺寸效应。文章侧重强调低维纳米材料热传导与宏观体材料热传导特性的本质区别。

经典回顾

学得浅碎不如无——四元数、矢量分析与线性代数关系剖析 Hot!

曹则贤
2020, 49(10): 680-687     全文: PDF (3724 KB)   ( 下载: 824 )
摘要

四元数是哈密顿对二元数,即复数,的推广,其成功开启了近世代数的大门。哈密顿将四元数的纯虚部称为vector,汉译矢量。由三维世界矢量的四元数乘积引入了点乘和叉乘的概念。麦克斯韦从泰特那里学会了四元数,针对微分矢量运算发明了散度和旋度的概念,三分量的普通四元数世界矢量被麦克斯韦和亥维赛德用于电磁学的表述,于是有了我们今天熟悉的麦克斯韦方程组的形式,吉布斯和亥维赛德由此各自独立地发展出了矢量分析。矢量分析是对严谨的四元数代数的实用主义裁剪,用处是明显的,危害也是巨大的。乱糟糟的∇点乘叉乘让电-动力学成为大多数物理类学生的噩梦。泰特为捍卫四元数进行了艰苦卓绝的斗争,但结果还是矢量分析大行其道。哈密顿追求建立一般的多重代数,吉布斯试图将三维矢量分析推广,加上格拉斯曼创立的线性展开的学问以及佩尔斯创立的线性结合代数,于是有了线性代数。差不多同时期诞生的矩阵理论、格拉斯曼代数和克利福德代数同它们都有亲密的内在联系,也都是物理表述的数学基础。弄清楚四元数、矢量分析和线性代数背后的代数学知识和相互间的关系,普通物理教科书中的数学表述可能就不那么令人迷惑了,也能理解为什么电-动力学里的矢量叉乘又叉乘怎么在量子力学里——据说波函数也是矢量——咋就不见了。顺便说一句,矢量之所以是矢量在于它所遵循的代数结构,它无需有方向、甚至也可以没有长度。

实验技术

看得见的无线通信技术——可见光通信 Hot!

陈雄斌,闵成彧
2020, 49(10): 688-696     全文: PDF (5056 KB)   ( 下载: 733 )
摘要

可见光通信作为新一代信息技术,除了为移动通信拓展频谱资源外,还具备高速、大容量、安全、节能的技术特点。现有射频通信的5G、6G技术方案能耗很高,而照明、显示用的LED已经无处不在,所以可见光通信将来可用于实现普适的万物光互连。商用照明的荧光型 LED器件的带宽有限,通过均衡技术已经把可见光通信系统的3 dB带宽拓展到了600 MHz,单路二进制开关键控实时通信速率达到了1.39 Gbps。如果采用高阶调制和波分复用技术,多色LED光源的非实时通信总速率已经超过15 Gbps。灯光上网、灯光定位和智能家居系统等创新应用证明了可见光通信与照明或显示融合不是梦,预示看得见的光无线通信将引起更大的技术变革。

物理攫英

末日倒计时100秒

李碧莹 编译
2020, 49(10): 697-698     全文: PDF (2310 KB)   ( 下载: 627 )
摘要
近75年来,世界末日钟的午夜倒计时始终计算着人类距离全球末日的时间。随着时钟比以往任何时候都更接近午夜,Rachel Brazil对物理学家们说:我们必须更加努力以防止灾难。

粒子物理描述黑洞相撞

周书华 编译
2020, 49(10): 699-699     全文: PDF (1473 KB)   ( 下载: 839 )
摘要
两个巨大的黑洞以接近光速的速度相撞,以引力波的形式喷发出超过太阳的能量。科学家利用在具有几公里长臂的激光干涉仪中所产生的微小变形,观测几百万光年以外时空几何中的涟漪。为解释引力波信号需要对所观测到的波形有精确的理论预言,这种预言是通过解爱因斯坦场方程得到的。

从下落的水滴中收集能量

戴闻 编译
2020, 49(10): 700-700     全文: PDF (1571 KB)   ( 下载: 736 )
摘要
两个世纪前,考古学家在古巴比伦废墟中的挖掘,得到了一个有趣的发现——追溯到公元前约1800年,用楔形文字书写的粘土碑。这些碑文包括对迷信行为的描述,神职人员通过倾倒在水上的油形成的图样,预言未来。这篇古文代表了已知最早的关于疏水效应的参考文献。现在两个独立的现代科学家团队已经使用这个想法,开发了非常有效的没有移动部件的纳米发电机。使纳米发电机有效的关键技术是利用疏水效应。
物理学漫谈

一篇论文背后的故事

翁羽翔
2020, 49(10): 701-710     全文: PDF (4086 KB)   ( 下载: 698 )
摘要
每一个科学难题的背后都有一盏点亮的明灯,只不过是这盏明灯被幽闭在不透光的密室里,使得外头的人无从知晓。探索者的努力无非是在厚薄不等的墙上砸开一条裂缝,直到看见里面透出的一线光明。
谈书说人

谈书说人之三:一桩未曾预料到的官司揭开的真相(上)

刘寄星
2020, 49(10): 711-715     全文: PDF (2619 KB)   ( 下载: 706 )
摘要
朗道1968年4月1日晚去世后,他的讣告在4月3日的《真理报》发布,讣告由苏共总书记勃列日涅夫、苏联最高苏维埃主席波德戈尔内、苏联部长会议主席柯西金、苏共中央全体政治局委员、苏联科学院院长凯尔迪什、科学院其他领导人和主要物理学家共同署名,讣告称他为苏联的“国家骄傲”,表明了他在苏联国内享有崇高的地位。
物理学史和物理学家

奋斗 机遇 物理(下)

郝柏林
2020, 49(10): 716-722     全文: PDF (4491 KB)   ( 下载: 917 )
摘要
1963年的暑假我们从莫斯科被调回国,实际上是到国内接受“反修”教育。在苏联一共待了一年半,教育结束后,我就提出来不再回去了。那个时候我们对有没有学位等等,不太有兴趣,回到物理所接着去工作。我的研究生没做完,说是博士生导师,我自己就没有博士头衔,最高学历是大学毕业,头衔就是学士。
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