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高性能表面电极离子阱是构建可扩展离子阱量子计算机的关键平台. 在室温下实现多离子相干操控, 是迈向量子纠错与大规模集成的关键步骤. 本文报道了在自主研制的室温表面电极离子阱中, 单离子与多离子相干操控的研究进展. 该芯片阱在轴向与横向分别实现了低至0.074(8) quanta/ms(@833 kHz)与0.237(51) quanta/ms(@1.3 MHz)的加热率. 结合电磁诱导透明(EIT)冷却与边带冷却, 单离子被冷却至平均声子数0.04(2)以下. 在此基础上, 利用载波与边带跃迁对多达20个离子进行了全局相干操控, 观测到由集体振动模式介导的离子间耦合, 并清晰地展示了不同位置离子因高阶振动模式向量差异而呈现出的特异相干演化行为. 本工作充分验证了在微型表面电极离子阱的单势阱中囚禁与相干操控链状和二维多离子的能力, 为在芯片电极离子阱中实现高效的多离子纠缠态制备和量子模拟奠定了物理基础.
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近年来, 机器学习在材料科学中的应用显著加快了新材料的发现, 特别是在结合第一性原理计算等传统方法后, 能够高效筛选已有数据库中的潜在高性能材料. 然而, 此类方法大多局限于已有化学空间, 难以实现对全新材料结构的主动设计. 为突破这一瓶颈, 基于生成模型的材料逆向设计方法逐渐兴起, 成为探索未知结构与性质空间的重要手段. 尽管当前生成模型在晶体结构生成方面取得了初步进展, 但如何实现目标性质导向的材料生成仍面临显著挑战. 本文首先介绍了近年来在材料生成领域中具有代表性的生成模型, 包括CDVAE, MatGAN以及MatterGen, 分析其在结构生成上的基本能力与局限. 随后重点探讨如何将目标性质有效引入生成模型, 实现性质导向的结构生成, 具体包括基于目标性质向量的Con-CDVAE、融合结构约束与引导机制的SCIGEN、通过适配器实现性质调控的微调版MatterGen以及结合隐空间搜索优化的CDVAE隐变量优化策略. 最后总结当前性质导向生成机制面临的挑战, 并展望其未来的发展方向. 本文旨在为研究者深入理解和拓展性质驱动的材料生成方法提供系统性参考和启发.
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二维材料的发光特性与各向异性构成了微纳偏振发光器件实现与性能优化的物理基础. 然而, 并非所有天然二维材料体系同时具备强本征发光与强各向异性, 这在很大程度上限制了其在偏振可控发光器件中的应用潜力. 针对这一问题, 本研究基于范德瓦耳斯工程策略, 构建了由单层MoS2与低对称性NbIrTe4组成的异质结, 从而实现了高效发光特性与强各向异性响应的协同耦合. 角分辨偏振光致发光测试结果表明, NbIrTe4中固有的各向异性势场能够有效地改变单层MoS2的面内晶格对称性, 诱导其光致发光过程呈现明显的偏振依赖性, 并显著地提升激子的各向异性辐射强度. 本研究不仅揭示了范德瓦耳斯异质结中发光各向异性产生的微观物理机制, 还为新一代高性能偏振发光器件的结构设计与性能调控提供了可行的理论指导与实验依据.
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太阳风中的He离子与H2O分子碰撞的电荷转移截面是天体等离子体建模等领域所需的重要数据. 然而, 当前对应太阳风速度范围的中低能区He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面实验测量数据有限, 基于第一性原理的理论计算尚未开展. 本工作利用含时密度泛函非绝热耦合分子动力学模型, 计算了1.33—1800 keV宽能量范围内He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面. 模拟采用反转碰撞框架, 探究了电荷转移和电子离子耦合动力学, 发现H2O分子的单电荷转移截面有较强的分子取向依赖特性, 并且低能区和高能区不同分子取向对截面的贡献有显著区别. 截面计算结果与已有的实验以及经典理论模型数据较为符合, 表明本文所用理论方法和数值框架不仅适用于处理非裸核离子和分子碰撞的电荷转移过程, 还能定量分析分子取向对截面的影响. 这为后续复杂碰撞体系的相关截面计算奠定了基础. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00193 中访问获取.
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温稠密和热稠密极端条件下的物质黏性在诸多场景有着重要应用, 例如: 惯性约束聚变靶丸设计、天体结构演化研究、极端条件下界面不稳定性和混合发展规律研究等. 由于黏性实验技术能够达到的温压范围非常有限, 因而, 极端条件下物质黏性数据的获取方式主要是通过理论计算. 本文阐述了计算温稠密和热稠密极端条件下物质黏性的多种理论方法, 包括以量子分子动力学模拟(QMD)为代表的数值模拟方法和以随机游走屏蔽势黏性模型(RWSP-VM)为代表的解析公式. 通过评估从低原子序数到高原子序数的多种单质(H, C, Al, Fe, Ge, W, U)的黏性数据, 讨论了各种方法的适用条件, 评估了各种解析公式的可靠性和适用范围. 可以看到, 数值模拟方法获得的数据量以及覆盖范围仍然有限, 不同的数值模拟方法之间还存在一定分歧, 解析公式仍然是快速获取大量黏性数据的可靠方式. 基于物理建模和模拟数据的拟合公式, 例如单质等离子体(OCP)模型、集成的Yukawa黏性模型(IYVM)等, 兼顾了模拟数据的精度和解析计算的效率. 基于物理建模的RWSP-VM, 不依赖于模拟数据, 却在较宽温压范围内具有与模拟数据相当的精度, 是获取温稠密和热稠密物质黏性数据的高效方法. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00180 访问获取.
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钯(Pd)合金较低的摩擦系数和较好的力学性能使得其在用于长时间稳定工作的高精度仪器仪表中具备潜在优势, 但是因为高昂的原料和实验成本导致基础数据缺乏, 无法进行高性能Pd合金的设计. 因此, 本研究利用第一性原理计算了Pd的晶格常数和弹性模量, 并建立Pd与Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni等33种合金元素形成的稀固溶体模型, 计算了混合焓、弹性常数和弹性模量. 研究结果表明, 除Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Os和Ir外, 其他合金元素都可以固溶到Pd中, 元素周期表两侧的合金元素能提高Pd固溶体的延展性, 其中La, Ag和Zn的作用最明显. 通过差分电荷密度分析, Ag掺杂后形成的电子云呈球形分布, 造成延展性提高, Hf掺杂后周围的离域程度最大, 表明Hf与Pd的键合存在较强的离子性, 导致Pd31Hf硬度较高. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00186 中访问获取.
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孤立原子、分子及复杂体系中电子本征时间尺度演化规律及调控机理, 一直是原子分子物理基础科研与量子材料前沿应用十分重要的科学问题. 近二十年阿秒光脉冲产生以及阿秒度量谱学的发展, 为这一科学问题的探索带来新的契机和挑战. 传统飞行时间谱仪、速度动量成像谱仪等探测方式已能在极高时间能量分辨率下揭示阿秒时间尺度光电离电子发射过程中的阿秒散射相移过程, 然而在多体符合测量、三维动量关联方面存在局限性, 这极大限制了对多电子关联、电子-核耦合非绝热超快动力学等物理过程的探索. 为实现对光电离过程中电子、离子三维动量的多维实时观测, 电子-离子符合测量系统中引入了阿秒干涉仪, 发展出符合干涉测量系统. 本文介绍了一种结合阿秒脉冲泵浦-红外飞秒脉冲探测和冷靶反冲离子动量谱仪符合测量的阿秒符合干涉仪, 该装置能够对原子分子体系中所有带电粒子碎片的动量进行阿秒时间分辨成像, 从而深入探究光电离过程的动力学机制; 并着重介绍了近年来阿秒符合干涉仪在原子、分子以及更复杂体系的光电离动力学研究中的应用和取得的突破性进展.
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时间和角度分辨的光电离实验能够跟踪原子分子的几何构型和电子态演化, 这需要在自由电子激光中测量电子离子全空间角分布. 本文报道在上海软X射线自由电子激光装置上的复合速度成像谱仪的首次实验结果. 在263.8 eV下, 用自由电子激光电离Kr和CCl4样品, 通过Andor和TPX3CAM两台相机分别获得电子动量图像与离子质谱. Kr的3p, 3d, 4p光电子及俄歇电子峰的强度与前人实验符合, 角分布参数β与前人计算符合. 同样, CCl4分子 Cl的2p光电子、2p俄歇电子及价壳层电子的角分布也与已有计算结果符合良好. 采用TPX3CAM相机测量了碎片离子的动量分布, 揭示了CCl4的光解离路径. 结果表明, 复合速度成像谱仪在实验中兼具全立体角收集与高分辨率优势, 为自由电子激光光诱导动力学研究提供了可靠的实验平台.
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液相是化学和生物反应的关键环境, 由于溶剂化效应的存在, 液相分子的化学、生物反应动力学表现出显著区别于气相孤立分子的演化行为. 深入地研究液相分子的超快激发态动力学对于揭示复杂化学和生物过程的微观机制具有重要意义. 分子激发态的制备与演化通常发生在阿秒至皮秒的时间尺度, 光电子能谱不仅能够表征激发态分子的电子结构, 对分子构型的演化也很敏感, 被广泛用来研究激发态分子的超快动力学过程. 磁瓶式光电子谱仪、液体微束装置与高次谐波技术的结合, 可以在高真空条件下直接测量出射电子的能量分布及动力学演化信息, 是液相光电子能谱研究的核心手段. 本文系统地总结了该技术在液相超快动力学研究领域的最新进展, 详细地介绍了磁瓶式谱仪的基本工作原理、液体微束靶的制备方法; 讨论了其在生物分子激发态动力学演化、液相分子激发态非绝热过程、分子间库仑衰变和芳香族化合物水溶液的气-液界面性质等研究中的典型应用; 最后对技术瓶颈以及未来发展方向进行了探讨.
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多光子显微镜(multiphoton microscopy, MPM)已成为生物医学领域的重要研究工具. 目前, MPM的驱动激光基于钛蓝宝石激光器, 可提供720—950 nm的波长可调谐飞秒脉冲. 为覆盖1000—1350 nm的第二生物透射窗口, 通常需要引入复杂的光学参量振荡器. 而为增加成像深度, 位于1600—1750 nm 的第三生物透射窗口的光源同样也得到了广泛的关注. 然而, 迄今为止还没有能够同时覆盖三个透射窗口的超快激光源, 这阻碍了MPM在生医领域的广泛应用. 本文发展了一种基于双波长光纤激光器的超快光源, 输出波长在800—1650 nm之间可调谐的四色飞秒脉冲, 覆盖了适合驱动MPM的全部波段. 利用该超倍频程的超快光源驱动MPM, 我们成功地实现了对多种生物医学样品的无标记多模态成像.
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