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探索凝聚态中的马约拉纳粒子专题编者按
张富春
2020, 69 (11): 110101.  出版时间: 2020-06-01
摘要 +
水流在旋转黑磷纳米管内轴向驱动特性
张忠强, 范晋伟, 张福建, 程广贵, 丁建宁
2020, 69 (11): 110201.  出版时间: 2020-06-01
摘要 +
运用分子动力学方法模拟研究了旋转的黑磷纳米管对管内水流的轴向驱动特性, 研究结果表明: 手性黑磷纳米管在旋转时会驱动管内水分子沿轴向运动, 运动方向由纳米管转向决定; 管内水流的流速和驱动力会随着黑磷管转速的提高而增大. 采用黑磷双壁Couette模型计算分析了水-黑磷界面的摩擦系数及滑移特性, 阐明了黑磷表面天然的各向异性微结构是旋转黑磷管轴向驱动水流的本质原因. 构建了在双层黑磷纳米管间填充水分子的模型, 发现内外黑磷管同时旋转时, 管间水分子的轴向运动会增强. 纳米管半径也会对水分子的定向运动产生影响, 具体表现为在相同转速下, 随着纳米管半径的增大, 管内水分子在轴向上的运动速度会减小, 而受力则会增大; 双壁黑磷纳米管在旋转时管内水分子的轴向运动情况和单壁黑磷纳米管模型差异很小, 证明黑磷管层数对水流驱动效果的影响不明显; 温度对水流驱动效果的影响规律取决于管内压强和温度对流固界面摩擦系数的耦合作用, 当温度低于常温时水分子在轴向上的速度和受力会随着温度的升高而增大, 当温度达到常温时则趋于平稳. 研究结果可为基于黑磷纳米管的流体传动器件的设计和应用提供理论基础.

封面文章

铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模
孔令元, 丁洪
2020, 69 (11): 110301.  出版时间: 2020-06-01
摘要 +
作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体, 具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注. 由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质, 拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难, 为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向. 时至今日, 人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM. 实验发现, 铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰, 具有很好的应用前景. 拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一. 本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展. 在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上, 本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为; 借助波函数、准粒子中毒等实验, 解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制; 结合现有马约拉纳理论, 深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量. 最后, 本文采用“从量子物理到量子工程”的视角, 综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性, 为未来潜在的工程应用提供有益指导. 本文以物理原理为线, 注重理论与实验结合, 旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁, 帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.
马约拉纳零能模的非阿贝尔统计及其在拓扑量子计算的应用
何映萍, 洪健松, 刘雄军
2020, 69 (11): 110302.  出版时间: 2020-06-01
摘要 +
自1937年被预言以来, 马约拉纳费米子在粒子物理领域和暗物质领域就广受关注. 它们在凝聚态物理中的“副本”, 马约拉纳零能模(Majorana zero mode, MZM), 被指出可以通过拓扑超导实现, 并由于满足非阿贝尔统计及可以用来实现容错的量子计算机而成为凝聚态领域最受关注的研究方向之一. 尤其在近二十年中, 马约拉纳零能模在理论和实验方面均取得了诸多重要进展, 一些综述文章对此做了较详细介绍. 本文将会重点回顾MZM的非阿贝尔统计性质以及它们在量子计算中的应用. 文章的第一部分首先简单介绍了凝聚态系统中MZM的理论发展并概述了在人工异质结体系中寻找MZM的最新理论和实验进展. 然后介绍了MZM非阿贝尔统计的基本概念, 并讨论这一性质怎样应用到量子计算中. 接下来重点讨论了利用MZM平台实现量子计算机的两个关键步骤: MZM非阿贝尔编织操作的实验实现方案和MZM量子比特的读取. 在这一部分里, 本文分别详细列举了现有的比较受关注的实现MZM编织操作和量子比特的读取实验装置. 最后, 文章介绍了在对称性保护的拓扑超导系统中实现马约拉纳的对称保护非阿贝尔统计的可能性.
特征γ射线谱分析的蒙特卡罗模拟技术
邓力, 李瑞, 王鑫, 付元光
2020, 69 (11): 112801.  出版时间: 2020-06-01
摘要 +
蒙特卡罗方法(MC)是模拟核探测问题的理想方法, 用中子照射客体, 中子诱发产生非弹γ和俘获γ, 通过特征γ射线能谱和时间谱分析, 确定客体核素组成和重量百分比. 本文基于非弹γ和俘获γ时间门测量技术, 给出了脉冲源发射下探测器响应计数公式. 在中子与核作用产生次级光子方面, 采用期望值估计(expect value estimator, EVE)产光. 为了避免大量小权光子模拟带来的计算存储量增加, 设计了EVE产光与直接估计(direct estimator, DE)产光耦合. 仅增加少量计算时间, 便实现了特征γ射线解谱. 数值模拟在自主MC软件JMCT上开展, 计算结果初步验证了方法的正确有效性.
D + DBr反应的态-态动力学研究
袁方园, 朱子亮
2020, 69 (11): 113401.  出版时间: 2020-06-05
摘要 +
$ \rm D' + DBr \to D + D'Br $的反应概率、积分截面、微分截面、产物的振动和转动分布以及速率常数等动力学性质, 并与相应的理论和实验结果进行了比较. 结果表明: 计算的速率常数与实验结果十分符合. 微分截面的结果表明: 对于抽取反应, 前向的剥离反应机制在反应过程中占据主导地位; 对于置换反应, 头碰头的反弹机制占据主导地位.">在0—2.0 eV的碰撞能范围内采用含时量子波包方法和二阶分裂算符传播子对初始量子态为(v0 = 0, j0 = 0)的D + DBr反应进行了态分辨理论水平上的动力学计算. 计算了抽取反应通道D + DBr → Br + D2和置换反应通道$ \rm D' + DBr \to D + D'Br $的反应概率、积分截面、微分截面、产物的振动和转动分布以及速率常数等动力学性质, 并与相应的理论和实验结果进行了比较. 结果表明: 计算的速率常数与实验结果十分符合. 微分截面的结果表明: 对于抽取反应, 前向的剥离反应机制在反应过程中占据主导地位; 对于置换反应, 头碰头的反弹机制占据主导地位.
三模腔-原子闭环系统中可控的量子干涉和光子传输
戴雨菲, 陈垚彤, 王岚, 银恺, 张岩
2020, 69 (11): 113701.  出版时间: 2020-06-05
摘要 +
通过构造一个由相互垂直的两腔和一个二能级原子组成的光学腔-原子系统, 研究可控的量子干涉引起的非传统光子传输现象. 该系统中, 两个正交腔之间通过光纤直接耦合和通过放在两腔交叉处的二能级原子间接耦合. 该三模系统支持两个相互垂直的传播方向, 即两探测场相互垂直. 在考虑原子弛豫速率的情况下, 该闭环系统中的光场、腔模与原子跃迁间相互作用所产生的可控量子干涉能导致一些新的对称或非对称的光子输运行为, 如相干完美合成、相干完美透明. 此外, 输运的群速度也可调节, 即产生快慢光效应. 这些过程能够通过调节探测场间相对相位、两腔之间的隧穿耦合强度进行动态调控. 该机制有望用于开发高效的量子信息处理和全光网络的功能元器件(如光开关和路由器等).
两种Ge-Sb-Se薄膜的光学性质及微观结构
潘磊, 宋宝安, 肖传富, 张培晴, 林常规, 戴世勋
2020, 69 (11): 114201.  出版时间: 2020-06-05
摘要 +
提出一种综合利用区域逼近法和柯西拟合法精确获取Ge20Sb15Se65薄膜和Ge28Sb12Se60薄膜透射光谱范围内任意波长处折射率与色散的多点柯西法, 并从理论上证明了该方法的准确性. 实验上, 采用磁控溅射法制备了这两种Ge—Sb—Se薄膜, 利用傅里叶红外光谱仪测得了透射光谱曲线, 运用分段滤波的方法去除噪声, 然后使用多点柯西法得到了这两种薄膜在500—2500 nm波段的折射率、色散、吸收系数和光学带隙. 结果表明Ge28Sb12Se60薄膜的折射率和吸收系数大于Ge20Sb15Se65薄膜, Ge28Sb12Se60薄膜的光学带隙小于Ge20Sb15Se65薄膜. 最后, 利用拉曼光谱对两种薄膜的微观结构进行了表征, 从原子之间的键合性质解释了这两种硫系薄膜不同光学性质的原因.
离轴抽运厄米-高斯模固体激光器
连天虹, 王石语, 寇科, 刘芸
2020, 69 (11): 114202.  出版时间: 2020-06-05
摘要 +
给出了离轴抽运固体激光器多模速率方程组在阈值附近的小信号求解方法, 用这种方法研究了模式随离轴量的变化以及厄米-高斯模的竞争行为. 抽运光斑较小时, 离轴量增加高阶模式依次出现; 抽运光斑较大时, 模式变化呈现复杂性. 用小信号近似得到的模式光子数比例与较高抽运功率下数值求解速率方程组的结果接近, 表明可以用该方法估算实际较高功率激光器的模式分布, 这可以方便这类激光器的研究. 对离轴抽运下的多厄米-高斯模激光器, 阈值附近的模竞争体现为, 随着抽运功率的增加, 第一个净增益由负变正的模式, 光子数随即开始增加, 增加趋势接近线性. 而第二个净增益由负变正的模式, 光子数并不立即开始增加, 而要等到抽运功率进一步增加后才开始增加, 其开始增加后第一个模式的增长趋势变缓. 从动态过程看, 各个模式经过交叉尖峰和交叉弛豫振荡竞争后, 逐渐达到稳态. 实验获得了HG00-HG50模光束, 实验所得到的模式分布与理论计算结果符合很好.
M型少模光纤中模间受激布里渊散射特性及其温度和应变传感特性
李雪健, 曹敏, 汤敏, 芈月安, 陶洪, 古皓, 任文华, 简伟, 任国斌
2020, 69 (11): 114203.  出版时间: 2020-06-05
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少模光纤的受激布里渊散射对于分布式温度/应变传感具有重要应用价值. 本文提出一种纤芯折射率呈M型分布的少模光纤, 详细研究了光学模式LP01和LP11模式内及模式间的布里渊增益谱. 研究结果表明: LP01-LP11模式对的布里渊增益谱中, 其相邻两个布里渊散射峰的频率间隔较宽、增益峰值较大且峰值相差较小. 通过优化光纤结构参数, 提高了基于LP01-LP11模式对布里渊增益谱的温度和应变传感性能, 最小误差分别为0.23 ℃和5.67 με. 该研究对探究少模光纤中模式内及模式间的受激布里渊散射特性具有一定的指导意义, 对提升同时温度和应变传感测量的性能具有一定参考价值.
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