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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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高温超导是凝聚态物理研究的一个基本问题, 也是21世纪亟待攻克的关键科学难题之一. 其研究不仅揭示了大量新奇的量子现象, 深化了对量子多体物理的理解, 还极大地促进了实验技术的创新以及关联量子理论与方法的发展. 更为重要的是, 高温超导是一个非微扰的强关联量子系统, 其研究为非微扰量子理论的突破提供了理想的实验平台, 是系统构建非微扰量子场论的关键驱动力. 当前, 高温超导研究面临着诸多挑战, 要取得实质性突破, 不仅需要发展基于新原理的实验探测技术, 构建新的量子多体理论框架和研究手段, 更重要的是要通过对已有实验现象和效应的深入分析, 挖掘这些现象之间的内在关联和规律, 为揭示高温超导机理提供关键线索, 同时推动量子多体理论的整体发展.
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超高场磁共振成像(ultra-high field magnetic resonance imaging, UHF-MRI)是主磁场强度为7 T及以上磁共振成像的统称. 与传统磁共振成像相比, UHF-MRI具有更高的信噪比和对比度. 因此, 在临床医学及神经科学等领域, 该技术的运用能够显著提高信号的探测灵敏度和图像的空间分辨率, 从而提供更丰富的生理病理信息. 目前, UHF-MRI在大脑功能和代谢成像两个方面发挥了重要的作用. 在脑功能研究方面, 高分辨率的皮层功能柱和分层成像有助于揭示神经信息流的方向; 在脑代谢研究中, 氢核与多核的波谱及成像技术提供了更精确的代谢信息, 有望在功能性和代谢性疾病的病理研究中取得重要突破. 本文介绍了UHF-MRI的发展历史和理论基础, 梳理了其关键优势及在脑功能和代谢成像应用研究中的现状, 总结了当前面临的挑战, 并提出了未来重点研究方向.
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作为一种物质表征的重要技术手段, 固态核磁共振已经在物理学、材料科学、化学、生物学等多个学科领域得到广泛的应用. 近年来, 得益于固态核磁共振体系中丰富的多体相互作用和多样的脉冲控制手段, 该技术逐渐在前沿的量子科技中展现出重要的研究价值和应用潜力. 本文系统性地介绍了固态核磁共振体系的研究对象和理论基础, 包括该系统中重要的核自旋相互作用机理及其哈密顿量形式, 列举了动力学解耦、魔角旋转等典型的固态核自旋动力学调控手段. 此外, 我们重点展示了近年来在固态核磁共振量子控制方面取得的前沿进展, 包括核自旋极化增强技术、弗洛凯哈密顿量的调控技术等. 最后, 我们结合一些重要的研究工作阐述了固态核磁共振量子控制技术在量子模拟领域中的应用.
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中微子振荡是一个有趣的物理现象, 其量子性能够在宏观距离的振荡上得以保持并被检测到. 中微子振荡的量子资源特性是一个值得探索的主题, 这种在粒子物理学和量子信息学之间建立起的联系, 对于研究基本粒子的基本性质以及探索将中微子作为一种资源应用于量子信息处理的可能性而言, 都有着重要意义. 因此, 中微子物理学与量子信息理论的交叉研究受到了越来越多的关注. 这篇综述主要介绍利用量子资源理论来表征三味中微子振荡的量子资源特性, 包括量子纠缠、量子相干、量子非局域性和熵不确定度等. 除此之外, 还介绍了三味中微子振荡中的量子资源理论的权衡关系, 主要基于单配性关系和完全互补性关系, 这些权衡关系可以帮助我们有效理解量子资源如何在中微子振荡中转化和分配. 中微子振荡的量子信息理论研究仍处于不断发展中, 期望本综述能为该领域的发展带来启示.
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随着对拓扑态体系理解的深入, 大家普遍认为非平庸的拓扑态直接关联于某些独特的拓扑界面. 基于这一思路, 通过构建不同的拓扑界面, 能够实现对不同自由度输运的调控. 目前, 拓扑界面态已经在多类拓扑体系中被实现, 并且在相关领域引起了广泛关注. 拓扑界面态主要表现出两个基本特点: (i)它是受拓扑保护的; (ii)由于两侧体系的不同又会展现出独特的输运性质. 特别地, 不同特性的拓扑界面态在空间自由度体系中会表现出新奇的拓扑输运特性. 这些输运特性是构建新型拓扑器件的重要理论基础. 结合我们近年的理论工作以及相关进展, 本综述介绍了基于拓扑界面态的可编程集成电路以及层电子学器件的最新进展与未来展望.
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拉曼分布式光纤测温系统基于拉曼斯托克斯(Stokes)散射光和反斯托克斯(anti-Stokes)散射光功率进行温度解调, 拉曼散射光功率直接影响测温精度. 系统中激光脉冲功率以及雪崩光电探测器增益均可能出现随机变化, 从而导致获取的拉曼散射光功率波动, 因此本文提出一种基于动态标定的拉曼分布式光纤测温系统方案, 通过设置温度标定单元并结合提出的功率校正算法, 消除标定单元的温度的动态变化对拉曼散射光功率的贡献, 再基于先前标定的数据, 分别将拉曼Stokes散射光和拉曼anti-Stokes散射光功率校正到同一激光脉冲功率及雪崩光电探测器增益水平, 从而提升系统的测温精度. 系统采用50 ns的激光脉冲, 在4.6 km长的单模光纤上开展测温试验, 结果显示: 在35—95 ℃的测温区间, 基于传统的温度解调算法, 测温偏差为–5.8—1.0 ℃, 均方根误差为4.0 ℃, 而基于动态标定的校正算法, 测温偏差为–0.8—0.9 ℃, 均方根误差为0.5 ℃. 本文提出新的拉曼分布式光纤测温系统具备拉曼散射光功率动态校正功能, 有工程推广价值.
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高精度重力场测绘对地质调查、资源勘探、大地水准面建模等领域具有重要意义. 地面静态绝对重力测绘效率低, 无法覆盖河流、湖泊、山脉等地形条件复杂的区域. 机载绝对重力测绘可以在复杂地形实现快速、连续重力测量, 满足实际应用需求. 本文报道了一种基于量子重力仪的航空绝对重力测量系统, 开展了机载动态绝对重力测量实验. 在飞行高度1022 m、航速240 km/h条件下, 得到3 km滤波后整段测线重力值变化的标准差约为8.86 mGal, 评估了实测重力值与EGM2008模型残差的标准差, 经计算约为8.16 mGal. 本文结果验证了量子重力仪在航空动态绝对重力测量方向的可行性, 为复杂地形条件下的高精度、高分辨率重力场测绘提供了一种新的技术手段.
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进行了1 keV $ {\text{N}}_2^ + $离子束穿越完全放电的白云母微孔膜实验, 测量了零度倾角下离子束入射初期的出射离子二维角分布图. 将离子速度对通道壁介电响应的影响引入镜像电荷力表达式, 对离子在菱形通道内所受镜像电荷力进行了多阶修正. 采用不同近似情况下的镜像电荷力对实验进行了模拟计算, 结果表明离子速度对通道壁介电响应的影响会使镜像电荷力降低. 对比对镜像电荷力进行多阶修正前后的模拟结果, 修正后的结果更接近实验值. 模拟计算出的穿透离子图像和实验测得的图像形状基本吻合, 均未出现体现成型效应的矩形. 但在穿透率和半高宽方面存在差距, 实验二维角分布半高宽比计算结果大, 且实验穿透率明显小于计算结果. 我们分析了模拟计算中的几个可能影响, 评估了束流的真实状态以及束流与微孔之间的夹角等因素对模拟和实验之间的差异的影响. 束流发散度和束流与微孔间的夹角会对模拟结果产生较大影响, 但是这些因素导致的模拟结果与实验出射离子角分布的差别还不够. 本工作提供了离子束作为探针进行微孔表面介电响应研究的可能性.
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采用超声悬浮无容器处理技术, 并结合高速摄影实时分析方法, 研究了丁二腈-樟脑(SCN-DC)共晶型合金在不同声场条件下的液态过冷能力及其结晶过程. 实验发现, SCN-10%DC亚共晶、SCN-23.6%DC共晶和SCN-40%DC过共晶合金熔体获得的最大过冷度分别达22.5 K (0.07TL), 16 K (0.05TE)和32.5 K (0.1TL), 相应的晶体生长速度各为27.91, 0.21和0.45 mm/s. 随着声压的增强, 合金液滴的径厚比逐渐增大. 其过冷度随径厚比的增大先升高后逐渐降低, 最后基本保持不变. 强声场引起的表面形核率增加以及合金液滴振动是阻碍深过冷的主要因素.
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