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中国人民大学物理学系三项国际前沿研究取得突破
2021-03-09 09:25:35
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来源:理学院
编辑:王 思琪

中国人民大学物理学系三个研究团队分别在离子阱量子模拟、新奇量子磁性、低维量子材料制备与调控等物理学前沿领域研究中取得了突破性进展,相关成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《自然·通讯》(Nature Communications)和《自然·材料》(Nature Materials)等国际顶级期刊上,为同领域的相关研究贡献力量。

在教育部刚刚公布的《教育部办公厅关于公布2020年度国家级和省级一流本科专业建设点名单的通知》中,中国人民大学物理学专业入选国家级一流本科专业建设点。

物理学系自主搭建离子阱量子实验平台

张威和张翔团队近期取得重要研究成果

背景介绍

随着工业技术水平的快速发展,以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿,激发革命性的科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。离子阱系统是用于精确操控量子状态的精密科学仪器,是量子计算及量子信息处理领域中最早被提出、也是一直处于引领地位的实验体系之一。中国人民大学物理学系量子光学和离子阱教学实验平台,是我校自主研究搭建,于2016年起由物理学系张威教授和张翔副教授组织筹划,开设地点位于中国人民大学理工楼。现已搭建了多套能够同时囚禁两种离子(镱离子和钙离子)的高性能离子阱,实现并掌握了离子的装载、激光冷却、初态制备、量子态荧光探测、微波相干控制、Raman激光相干控制与基态冷却等重要技术,正在进行多个基于囚禁离子的量子计算、量子模拟、量子精密测量以及量子机器学习的实验。

该实验室是目前国内最前沿的囚禁离子量子科学实验室之一。搭建过程中,团队成员坚持技术导向,核心设备离子阱与核心的集成控制系统,由团队成员自己研制而成。建成的离子阱实验系统,在量子计算,量子模拟,量子精密测量等领域具有广阔的应用前景。

研究成果

近日,该团队利用实验系统囚禁单个离子并实现了宇称时间反演对称性的非厄米模型,成功测量了其量子演化过程,并提出了通过测量直接确定奇异点(Exceptional Point, EP)的方法,同时引入了周期性的系统哈密顿量,建立并测得丰富的相图。该成果的研究论文《基于单离子的宇称时间对称系统奇异点探测》(Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion)于2021年2月23日刊发于国际物理学顶级学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 126, 083604 (2021))。该论文全部作者单位均为中国人民大学,包括第一作者物理系博士生丁亮宇,通讯作者张威教授和张翔副教授,其他作者博士生施凯烨、张球新及已毕业硕士研究生申丹娜。该工作从理论方案、实验设计、系统搭建、数据采集处理到文章撰写,均完全由该小组独立完成,这也标志着中国人民大学离子量子阱科学实验室已经正式开启了向量子科学最前沿领域的研究攻关旅程。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、教育部装备预研联合基金以及中国人民大学研究基金的资助与支持。

(中国人民大学物理学系离子量子科学实验室)

于伟强团队在量子磁性材料的拓扑相研究中取得重要突破

背景介绍

物理学家Berezinskii、Kosterlitz 和 Thouless 在磁性材料中提出一种实空间拓扑相变,后以此命名为BKT相变,为超越朗道对称破缺理论范式的研究开启了一个新世界。Kosterlitz 和 Thouless藉此理论获得2016年诺贝尔物理学奖,然而在磁性材料中BKT相的探寻一直未能实现。

于伟强团队一直致力于凝聚态核磁共振和极端条件调控,在我校成功搭建了国内最低温的核磁共振谱仪系统,这也是是该实验成功的关键因素之一。该团队近年来重点对量子磁性材料进行研究,揭示了多种新奇量子态和量子相变现象。除本项成果外,他们还发现了磁场诱导的近Kitaev量子自旋液体态[物理评论快报,2017,高被引论文],在一维依辛链材料的一维量子临界点[物理评论快报,2019]等。这些成果对强关联体系中新凝聚态物质的认识和量子计算等方面具有一定意义。

研究成果

近期,中国人民大学于伟强核磁共振团队和南京大学、中科院物理所、北京航空航天大学和复旦大学等几个团队合作,首次在磁性晶体材料中找到BKT相存在的实验证据,这一工作为BKT理论提供了一个具体的例子和理想的平台,为其研究打开了新的突破点,对未来的拓扑物态的研究具有一定意义。

该成果于2020年11月在线刊发在《自然·通讯》上。中国人民大学博士生胡泽、湖北师范大学马祯、中科院物理所廖元达、北京航空航天大学李涵为该论文的共同第一作者,于伟强教授、温锦生教授、孟子杨教授、李伟教授和戚扬教授为共同通讯作者,中国人民大学为论文第一单位。该工作得到了科技部、国家自然科学基金、以及中国人民大学研究基金的支持。

(核磁共振设备和实验示意图)

季威及合作团队发现空气中稳定且层间磁性高度可调的二维原子晶体

背景介绍

电子同时具有电荷与自旋两个内禀自由度,电荷在电场下的定向运动产生电流,自旋的有序排列则导致磁性。过去的几十年,人们把电子的电荷属性利用到了极致,令我们充分享受了网络和数字时代的便利。1988年,费尔(Albert Fert)和克鲁伯格(Peter Grünberg)发现了“巨磁电阻效应”,揭示了电子的另外一个属性——自旋的作用,唤醒了沉睡多年的电子自旋自由度,开创了“自旋电子学”的新领域,并被授予了2007年诺贝尔物理学奖。这项发现直接导致了磁盘存储能力呈几何级数地增长,进而推动了大数据时代提前到来。

以石墨烯(2010年诺贝尔物理学奖)为代表的二维材料是一类层状晶体,每层仅由一个或几个原子层通过共价键链接构成,层间则通过范德瓦尔斯等非共价相互作用结合。与传统材料相比,二维材料在材料表征、物性测量和外场调控等方面有得天独厚的优势,如与自旋电子学强强联合,可以为探索低维磁性基本物理和潜在器件应用提供理想的平台。

2017年,实验证实在单层CrI3中和在弱磁场辅助下的双层Cr2Ge2Te6中可以稳定存在铁磁序。迄今为止,实验上已经在CrI3,、Cr2Ge2Te6、CrTe2、MnSex、Fe3GeTe2等几种二维材料中观测到了本征铁磁性。目前所探索的大多数二维磁体在空气环境条件下稳定性不高,直接合成困难,后期器件加工条件苛刻。这些单层、少层材料通常只能在受控的环境 (如手套箱) 中机械剥离体相材料获得,产率不高且层厚控制不佳。因此,找到一种空气稳定、厚度可调的二维磁性材料对该领域发展壮大具有重要意义。

研究成果

近日,中国人民大学物理学系季威教授、王聪博士等人与湖南大学段曦东教授、加利福尼亚大学段镶锋教授团队合作,通过理论计算结合实验测量,在国际上首次发现CrSe2是具有厚度依赖层间反铁磁——铁磁耦合转变特性(如下图)且在空气中高度稳定的二维磁性材料。这初步克服了此前困扰科学界良久的二维磁性材料空气稳定性不足的困难,在发现磁性薄膜信息存储功能(磁性薄膜的巨磁电阻效应)33年后,将其功能单元薄膜厚度减小到不足1纳米(十亿分之一米)的原子极限,实现了空气中稳定且磁性高度可调的二维原子晶体。

(CrSe2层数依赖磁性变化现象的物理起源)

这些研究结果为今后的基础科学研究提供了全新体系平台,为实现更高密度的磁信息存储和更高灵敏度的磁性探测等自旋电子学应用提供了新材料选择。相关研究工作发表在3月1日在线出版的《自然·材料》(Nature Materials,DOI: 10.1038/s41563-021-00927-2)上。

物理学系博士后王聪博士(2019年中国人民大学吴玉章奖学金获得者)和湖南大学黎博教授、加利福尼亚大学万众博士、陈鹏博士为论文的共同第一作者。物理学系季威教授和湖南大学段曦东教授、加利福尼亚大学段镶锋教授为论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由中国人民大学完成,实验部分由合作单位完成。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部、中国科学院和中国人民大学的资助。

《自然·材料》是《自然》期刊在材料科学领域的子刊,也是该领域的旗舰期刊,年发文量仅约200篇,2020年影响因子39.7。继2020年10月物理学系王聪博士、季威教授等在《自然·纳米技术》发文后,此项成果是他们在半年内第二次在《自然》专业领域的顶级子刊上发文。