亮点文章
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通道蛋白精确调控生命活动中物质跨膜转运, 为信号传递和能量代谢等复杂功能提供了结构保障. 单分子荧光技术与单通道膜片钳技术偶联对于解析其“结构-动力学-功能”的关联至关重要. 为解决二者联用中细胞内的高荧光背景限制单分子信号采集的难点, 本研究提出了一种选择性局部激发光路, 在活细胞上表面构建可控范围的局域照明场, 实现其中单分子荧光成像与动态追踪. 基于可调照明范围和区域, 达成照明光斑与玻璃电极的亚微米级共定位, 有效获取细胞贴附式单通道电流记录, 及高信噪比的单分子荧光时间轨迹. 本工作建立了一个可用于揭示通道蛋白结构-功能耦联机制的、具有普适性的单分子水平研究框架.
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研究了两相重费米子超导体CeRh2As2在不同磁场下的电热输运行为. 零场电阻率显示, CeRh2As2在临界温度Tc = 0.34 K发生超导转变. 在外加磁场为1 T时, 电阻率在T0$ \approx $0.42 K附近出现极小值, 该特征可能源于费米面嵌套引发的能隙部分打开, 标志着体系进入磁有序态, 但在零场条件下未观察到这一现象. 在T0至2 K温区, 体系表现出$ \rho\sim{{T}}^{0.44} $的非费米液体行为, 说明其靠近量子临界点. 当外加磁场达到7 T时, 超导转变被完全压制, 电阻率在低温下恢复费米液体行为. CeRh2As2的零场热导率在Tc附近未观测到显著异常, 这一现象可能与样品较高的剩余电阻率以及伴随超导转变和T0相变发生的载流子浓度下降相关, 需要优化样品的制备从而减小晶格缺陷或化学无序对热输运测量的影响. 施加磁场后, 热导率曲线相较零场小幅上移. 当温度为0.15 K时, 热导率随磁场增大而升高, 随着外场升至5 T以上, 热导率趋于饱和. 在7 T的正常态, 我们发现电阻率和热导率满足Wiedemann-Franz定律, 表明电荷输运与热输运均由同一类准粒子主导, 这与该磁场下电阻率呈现的费米液体行为相吻合.
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相互作用量子系统在精密测量领域正受到广泛的关注, 尤其是量子关联态的实现以及相互作用系统的动力学研究, 为量子资源提供了全新的研究方向, 推动了基于相互作用系统的传感技术的深入探索. 然而, 现有研究主要局限于单一物理量的测量, 如何利用相互作用系统实现多物理量的精密测量仍亟待实验验证. 本研究基于超低场条件下强相互作用核自旋系统, 并结合高灵敏的原子磁力计实现信号读出, 成功实现了三维矢量磁场的精密测量, 测量精度达到10–11 T, 方向分辨率高达0.2 rad. 有效克服了传统方法中因外部参考场引入的校准误差和技术噪声的限制. 通过实验上的优化, 基于相互作用的传感器在测量精度上实现了5个数量级的提升, 为开发超高精度的新型量子传感器开辟了全新的技术路径.
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量子多体伤痕态的弱遍历性动力学与本征态热化假说相悖, 在淬火动力学中局域可观测量出现周期振荡. 这种现象通常与伤痕态二分纠缠熵的亚体积定律有关. 纠缠熵呈现出异常值, 与能谱主体相分离. 本文使用精确对角化的方法数值模拟了准一维分形子模型中的彩虹伤痕态, 该态由一系列远距离的四体纠缠组成, 依次分布于中心对称的四个格点, 其二分纠缠熵遵循体积定律. 研究发现该态在未与能谱主体分离的情况下, 表现出了弱热化现象. 当引入横场破坏模型的子系统对称性后, 弱热化特性随即消失. 进一步地, 在分形子模型中提出了彩虹伤痕态的制备方案, 通过调制局域的四体交换相互作用和$ \hat{\sigma}^z$门, 从尼尔态出发, 实现了高保真度的态制备. 分析相互作用的强度噪声影响, 该方案表现出一定的鲁棒性. 本文证明了分形子模型中彩虹伤痕态的存在, 为非平衡量子系统中弱热化的研究提供了新的途径.
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在离子光钟实验系统中, 离子的运动效应是衡量一套光钟性能的主要指标之一, 是目前限制各类不同离子光钟具有更低不确定度的关键影响因素. 在第一套液氮低温钙离子光钟的基础上(2022 Phys. Rev. Appl. 17 034041 ), 我们研制了新一套液氮钙离子光钟的物理系统, 并对其离子囚禁装置进行了较大改进, 主要包括以下两方面: 通过引入射频电压的主动稳定装置, 将液氮低温钙离子光钟的径向宏运动频率的长期漂移抑制到了小于$1\;\mathrm{kHz}$水平; 通过改进离子阱鞍点位置剩余电压的补偿方案, 进一步将液氮低温钙离子光钟中附加微运动造成的频移抑制至小于$1.0\times10^{-19}$. 这些改进有助于提升离子的冷却效率与提高离子温度的评估精度. 通过对宏运动红蓝边带的测量, 精确评估了Doppler冷却后离子的振动平均声子数, 对应的离子温度为0.78 mK, 接近Doppler冷却极限. 此外, 稳定的宏运动频率为下一步在液氮低温钙离子光钟上实施三维边带冷却创造了良好条件, 也为推动液氮低温钙离子光钟的系统不确定度进一步降低至$10^{-19}$量级打下了基础.
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多主元合金概念的提出颠覆了传统物理冶金的理念, 极大地拓展了材料设计空间. 合金相图从热力学角度揭示成分、热力学与结构之间的关系, 对指导材料优化具有重要意义. 传统实验方法测定相图费时耗力, 且面临着测量条件、成分控制、高温高压等因素限制, 系统评估相图和热力学性质困难. 在此工作中, 我们以典型等原子比镍钴铬合金为原型材料, 采用元动力学、动态概率增强采样和扩展系综模拟相结合的方法, 克服原子尺度模拟的时间尺度限制, 系统地绘制了镍钴铬在高温、高压条件下的温度-压力相图, 并计算了不同热力学条件下该材料体心立方晶体与液体相变的自由能面. 基于自由能路径, 量化了晶化和熔化相变过程中, 激活能、激活体积、激活熵与温度、压力的关系, 从而揭示了压力和温度分别通过影响激活体积和激活熵, 进而影响熔化和晶化动力学的物理机制. 该研究为理解多主元合金的热力学与相变动力学提供了理论支持, 探索了其在极端条件下结构稳定性.
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低维电子材料与超导材料的复合体系一直是研究介观输运和低维超导特性的重要平台, 其中具有强自旋轨道耦合效应的低维结构与超导宏观量子态结合呈现出丰富的量子现象, 为探索新物性和研制新型拓扑量子器件提供了一个理想的平台. 采用高质量的一维电子材料构筑超导复合器件, 探索受限量子体系与超导界面的量子输运现象和器件调控机制迅速成为研究的前沿和热点. 其中的关键问题在于理解纳米尺度下低维体系与超导界面的特征散射机制和量子输运过程, 研究电荷态与拓扑局域态的耦合机制, 实现对拓扑态本征输运特性的探测, 在此基础上为研制新型超导纳电子器件和拓扑量子器件探索新原理和新方法. 由于多种能量尺度和束缚态的竞争, 介观尺度下的超导复合结构在器件物理、结构设计以及测量方案上都存在前所未有的挑战. 本文回顾了基于一维电子体系的超导复合器件的近期进展, 聚焦在以半导体纳米线和碳纳米管为代表的实验体系, 简要介绍了从材料和器件物理, 到输运测量的主要现象和实验挑战. 最后本文对一维体系拓扑量子器件的研制和输运研究进行了总结和展望.
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超快退磁的发现提供了一种使用超短激光产生超快自旋流的新手段, 从而可能更快地操纵材料磁性. 然而, 这一过程仍未被理解, 尤其是超快自旋流在层间转移中的影响因素尚不明晰. 本文利用超扩散自旋输运模型对Ni/Ru/Fe自旋阀结构体系的超快自旋输运机制进行了深入研究, 尤其关注层间自旋转移效率对铁磁层超快磁动力学的影响. 本研究计算出铁磁层在不同磁化排列下的退磁差异, 并通过调节间隔层厚度, 揭示出超快自旋输运在磁动力学中的关键作用. 此外, 还确定了热电子自旋流在间隔层中的自旋衰减长度. 通过控制激光的薄膜吸收, 进一步发现了能够引起铁磁层瞬态磁化增强的条件. 这些结果对于理解热电子自旋流的输运机制具有重要意义, 为未来控制超快自旋流提供了理论基础.
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针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz—1 Hz频段激光强度噪声需求, 基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点, 采用零偏置电压方案, 结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路, 优化跨阻电容以及跟随电路; 进一步通过主动温控对光电二极管控温来稳定光电二极管响应度, 研发出在0.1 mHz—1 Hz频段内超低电子学噪声的光电探测器. 利用自研的强度噪声评估系统对其噪声进行时域及频域全面评估测试, 实验结果表明: 所研发探测器的电子学噪声谱密度达到2×10–6 V/Hz1/2@0.1 mHz—1 Hz, 探测器增益能够达到 35 kV/W @1064 nm. 该探测器噪声性能比空间引力波探测中对激光强度噪声(1×10–4 V/Hz1/2)的要求小两个数量级, 为高增益光电反馈控制以及空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件及技术支撑.
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高电荷态重离子的双电子复合精密谱实验不仅能够为天体物理、聚变等离子体物理等研究提供诊断和建模的关键原子物理数据, 还可以用于检验强电磁场条件下的量子电动力学(QED)效应、相对论效应以及电子关联效应等基本物理模型. 我国正在建设的“十二五”大科学装置强流重离子加速器(HIAF), 其中高精度环形谱仪(SRing)装备有450 kV电子冷却器和80 kV超冷电子靶装置, 能够在宽质心能量范围(从meV到几十keV)内对高电荷重离子开展双电子复合谱精密测量. 本文首先采用分子动力学方法模拟了SRing上超冷电子靶的电子束温度分布, 结果表明, 热阴极产生的电子束经过磁场的绝热膨胀和电场加速后, 电子束的横向温度从100 meV降至5 meV以下, 而纵向温度则能从100 meV降至0.1 meV以下, 这为开展高分辨和高精度的双电子复合实验提供了独一无二的实验条件. 接着分析了SRing上超冷电子靶的电子束温度对双电子复合实验中共振峰能量分辨的影响, 以类锂$ {}_{~\,54}^{129}{{\mathrm{X}}{\mathrm{e}}}^{51+} $和$ {}_{~\,92}^{238}{{\mathrm{U}}}^{89+} $重离子为例, 模拟了SRing上的双电子复合共振谱, 并与兰州重离子储存环CSRe上的模拟结果进行了比较. 结果表明, 基于SRing超冷电子靶的双电子复合精密谱学实验在质心系能量较低的时候具有极高的能量分辨, 能够测量更为精细的双电子复合共振结构. 本研究为SRing上开展高电荷态重离子双电子复合谱精密测量检验强场QED效应和提取原子核结构信息等前沿实验奠定了坚实的基础.
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