亮点文章
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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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非平衡稠密等离子体中电子离子能量弛豫对理解惯性约束聚变、实验室等离子体和天体物理中的非平衡演化以及宏观热力学和输运性质至关重要. 受密度及温度等环境效应的影响, 等离子体中多种物理效应之间的竞合作用共同主导电子离子能量弛豫过程. 本文从量子Lenard-Balescu动理学方程出发, 建立了考虑电子和离子集体激发及其耦合效应的能量弛豫模型, 并在此基础上采用电子离子解耦、静态极限和长波近似构建了不同的简化模型, 系统研究了静态屏蔽、动态屏蔽、电子和离子等离激元激发及其耦合等效应对电子离子能量弛豫的影响机制. 通过不同模型之间的对比, 发现电子离子集体激发之间的耦合效应以及中等波长和短波区间的屏蔽效应对温热稠密等离子体中电子离子能量弛豫有着显著的影响. 这一结论表明, 准确描述等离子体中的动态响应和屏蔽效应将制约着相关物理体系中非平衡演化建模的精确性和有效性.
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自发极化强度是衡量铁电材料极化能力的关键指标. 新兴的纤锌矿铁电材料因较高的自发极化而受到广泛关注, 但目前对影响这一性质的关键因素的理解仍然不足. 本文旨在通过结合机器学习和第一性原理方法来解决这一问题. 首先, 计算了40种二元和89种简单三元纤锌矿材料的自发极化强度, 并从元素基本属性、晶体结构参数和电子性质中提取了多种特征. 随后, 采用Boruta算法和距离相关系数分析方法进行特征筛选, 提出了一个全面而精确的纤锌矿材料自发极化强度的机器学习预测模型. 进一步借助SHapley Additive exPlanations分析方法, 阐明了影响自发极化强度的关键因素是阳离子离子势的均值IPi_Aave和晶胞参数a等. 本研究弥补了目前对自发极化强度多因素的影响机制理解的缺乏, 为系统评估新兴纤锌矿材料的自发极化强度提供了帮助, 有助于加快性能优异的纤锌矿铁电材料的筛选. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00073 中访问获取.
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高平均功率(>500 W)、大脉冲能量(>1 mJ)飞秒光纤激光对包括阿秒光学在内的众多科研领域极为重要. 受限于增益光纤较小的模场面积, 多种非线性效应将从单根增益光纤放大产生的飞秒脉冲的能量限制在百微焦量级. 平均功率和脉冲能量的进一步提升需要使用相干合成技术, 将多路光纤的输出合成为一束. 本文搭建了一套基于填充孔径相干合成的高功率大能量超快光纤激光系统, 采用商用掺镱棒状光纤并利用随机并行梯度下降法实现四路放大器之间的相位锁定. 在重复频率为1 MHz时, 该相干合成系统输出平均功率为753 W, 经过光栅对压缩后的平均功率为672 W, 脉冲宽度为242 fs, 对应的脉冲能量为0.67 mJ, 系统具备良好的稳定性. 降低重复频率至500 kHz, 该系统输出压缩后的脉冲平均功率为534 W, 脉冲宽度为247 fs, 对应脉冲能量可达1.07 mJ. 脉冲的平均功率和能量均可通过增加合成路数进一步提升, 通过添加已着手研发的延迟和指向锁定系统, 有望通过八路相干合成实现平均功率超过1 kW、脉冲能量超过2 mJ的飞秒脉冲输出.
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