中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系三項(xiàng)國(guó)際前沿研究取得突破

　　中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別在離子阱量子模擬、新奇量子磁性、低維量子材料制備與調(diào)控等物理學(xué)前沿領(lǐng)域研究中取得了突破性進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）、《自然·通訊》（Nature Communications）和《自然·材料》（Nature Materials）等國(guó)際頂級(jí)期刊上，為同領(lǐng)域的相關(guān)研究貢獻(xiàn)力量。

　　在教育部剛剛公布的《教育部辦公廳關(guān)于公布2020年度國(guó)家級(jí)和省級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)名單的通知》中，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)專業(yè)入選國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

　　物理學(xué)系自主搭建離子阱量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　張威和張翔團(tuán)隊(duì)近期取得重要研究成果

　　背景介紹

　　隨著工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。離子阱系統(tǒng)是用于精確操控量子狀態(tài)的精密科學(xué)儀器，是量子計(jì)算及量子信息處理領(lǐng)域中最早被提出、也是一直處于引領(lǐng)地位的實(shí)驗(yàn)體系之一。中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系量子光學(xué)和離子阱教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是我校自主研究搭建，于2016年起由物理學(xué)系張威教授和張翔副教授組織籌劃，開設(shè)地點(diǎn)位于中國(guó)人民大學(xué)理工樓?，F(xiàn)已搭建了多套能夠同時(shí)囚禁兩種離子（鐿離子和鈣離子）的高性能離子阱，實(shí)現(xiàn)并掌握了離子的裝載、激光冷卻、初態(tài)制備、量子態(tài)熒光探測(cè)、微波相干控制、Raman激光相干控制與基態(tài)冷卻等重要技術(shù)，正在進(jìn)行多個(gè)基于囚禁離子的量子計(jì)算、量子模擬、量子精密測(cè)量以及量子機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)。

　　該實(shí)驗(yàn)室是目前國(guó)內(nèi)最前沿的囚禁離子量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室之一。搭建過程中，團(tuán)隊(duì)成員堅(jiān)持技術(shù)導(dǎo)向，核心設(shè)備離子阱與核心的集成控制系統(tǒng)，由團(tuán)隊(duì)成員自己研制而成。建成的離子阱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在量子計(jì)算，量子模擬，量子精密測(cè)量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　研究成果

   　　近日，該團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)囚禁單個(gè)離子并實(shí)現(xiàn)了宇稱時(shí)間反演對(duì)稱性的非厄米模型，成功測(cè)量了其量子演化過程，并提出了通過測(cè)量直接確定奇異點(diǎn)（Exceptional Point, EP）的方法，同時(shí)引入了周期性的系統(tǒng)哈密頓量，建立并測(cè)得豐富的相圖。該成果的研究論文《基于單離子的宇稱時(shí)間對(duì)稱系統(tǒng)奇異點(diǎn)探測(cè)》（Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion）于2021年2月23日刊發(fā)于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 126, 083604 (2021)）。該論文全部作者單位均為中國(guó)人民大學(xué)，包括第一作者物理系博士生丁亮宇，通訊作者張威教授和張翔副教授，其他作者博士生施凱燁、張球新及已畢業(yè)碩士研究生申丹娜。該工作從理論方案、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集處理到文章撰寫，均完全由該小組獨(dú)立完成，這也標(biāo)志著中國(guó)人民大學(xué)離子量子阱科學(xué)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)正式開啟了向量子科學(xué)最前沿領(lǐng)域的研究攻關(guān)旅程。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、教育部裝備預(yù)研聯(lián)合基金以及中國(guó)人民大學(xué)研究基金的資助與支持。

　?。ㄖ袊?guó)人民大學(xué)物理學(xué)系離子量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

　　于偉強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在量子磁性材料的拓?fù)湎嘌芯恐腥〉弥匾黄?/strong>

　　背景介紹

　　物理學(xué)家Berezinskii、Kosterlitz 和 Thouless 在磁性材料中提出一種實(shí)空間拓?fù)湎嘧?，后以此命名為BKT相變，為超越朗道對(duì)稱破缺理論范式的研究開啟了一個(gè)新世界。Kosterlitz 和 Thouless藉此理論獲得2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，然而在磁性材料中BKT相的探尋一直未能實(shí)現(xiàn)。

　　于偉強(qiáng)團(tuán)隊(duì)一直致力于凝聚態(tài)核磁共振和極端條件調(diào)控，在我校成功搭建了國(guó)內(nèi)最低溫的核磁共振譜儀系統(tǒng)，這也是是該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素之一。該團(tuán)隊(duì)近年來重點(diǎn)對(duì)量子磁性材料進(jìn)行研究，揭示了多種新奇量子態(tài)和量子相變現(xiàn)象。除本項(xiàng)成果外，他們還發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)誘導(dǎo)的近Kitaev量子自旋液體態(tài)[物理評(píng)論快報(bào)，2017，高被引論文]，在一維依辛鏈材料的一維量子臨界點(diǎn)[物理評(píng)論快報(bào)，2019]等。這些成果對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中新凝聚態(tài)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和量子計(jì)算等方面具有一定意義。

　　研究成果

　　近期，中國(guó)人民大學(xué)于偉強(qiáng)核磁共振團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)、中科院物理所、北京航空航天大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等幾個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，首次在磁性晶體材料中找到BKT相存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，這一工作為BKT理論提供了一個(gè)具體的例子和理想的平臺(tái)，為其研究打開了新的突破點(diǎn)，對(duì)未來的拓?fù)湮飸B(tài)的研究具有一定意義。

　　該成果于2020年11月在線刊發(fā)在《自然·通訊》上。中國(guó)人民大學(xué)博士生胡澤、湖北師范大學(xué)馬禎、中科院物理所廖元達(dá)、北京航空航天大學(xué)李涵為該論文的共同第一作者，于偉強(qiáng)教授、溫錦生教授、孟子楊教授、李偉教授和戚揚(yáng)教授為共同通訊作者，中國(guó)人民大學(xué)為論文第一單位。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、以及中國(guó)人民大學(xué)研究基金的支持。

　　（核磁共振設(shè)備和實(shí)驗(yàn)示意圖）

　　季威及合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)空氣中穩(wěn)定且層間磁性高度可調(diào)的二維原子晶體

　　背景介紹

　　電子同時(shí)具有電荷與自旋兩個(gè)內(nèi)稟自由度，電荷在電場(chǎng)下的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，自旋的有序排列則導(dǎo)致磁性。過去的幾十年，人們把電子的電荷屬性利用到了極致，令我們充分享受了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字時(shí)代的便利。1988年，費(fèi)爾（Albert Fert）和克魯伯格（Peter Grünberg）發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻效應(yīng)”，揭示了電子的另外一個(gè)屬性——自旋的作用，喚醒了沉睡多年的電子自旋自由度，開創(chuàng)了“自旋電子學(xué)”的新領(lǐng)域，并被授予了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了磁盤存儲(chǔ)能力呈幾何級(jí)數(shù)地增長(zhǎng)，進(jìn)而推動(dòng)了大數(shù)據(jù)時(shí)代提前到來。

　　以石墨烯（2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）為代表的二維材料是一類層狀晶體，每層僅由一個(gè)或幾個(gè)原子層通過共價(jià)鍵鏈接構(gòu)成，層間則通過范德瓦爾斯等非共價(jià)相互作用結(jié)合。與傳統(tǒng)材料相比，二維材料在材料表征、物性測(cè)量和外場(chǎng)調(diào)控等方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如與自旋電子學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，可以為探索低維磁性基本物理和潛在器件應(yīng)用提供理想的平臺(tái)。

　　2017年，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在單層CrI3中和在弱磁場(chǎng)輔助下的雙層Cr2Ge2Te6中可以穩(wěn)定存在鐵磁序。迄今為止，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)在CrI3,、Cr2Ge2Te6、CrTe2、MnSex、Fe3GeTe2等幾種二維材料中觀測(cè)到了本征鐵磁性。目前所探索的大多數(shù)二維磁體在空氣環(huán)境條件下穩(wěn)定性不高，直接合成困難，后期器件加工條件苛刻。這些單層、少層材料通常只能在受控的環(huán)境 (如手套箱) 中機(jī)械剝離體相材料獲得，產(chǎn)率不高且層厚控制不佳。因此，找到一種空氣穩(wěn)定、厚度可調(diào)的二維磁性材料對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展壯大具有重要意義。

　　研究成果

　　近日，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系季威教授、王聰博士等人與湖南大學(xué)段曦東教授、加利福尼亞大學(xué)段鑲鋒教授團(tuán)隊(duì)合作，通過理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)CrSe2是具有厚度依賴層間反鐵磁——鐵磁耦合轉(zhuǎn)變特性（如下圖）且在空氣中高度穩(wěn)定的二維磁性材料。這初步克服了此前困擾科學(xué)界良久的二維磁性材料空氣穩(wěn)定性不足的困難，在發(fā)現(xiàn)磁性薄膜信息存儲(chǔ)功能（磁性薄膜的巨磁電阻效應(yīng)）33年后，將其功能單元薄膜厚度減小到不足1納米（十億分之一米）的原子極限，實(shí)現(xiàn)了空氣中穩(wěn)定且磁性高度可調(diào)的二維原子晶體。

　?。–rSe2層數(shù)依賴磁性變化現(xiàn)象的物理起源）

　　這些研究結(jié)果為今后的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了全新體系平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)更高密度的磁信息存儲(chǔ)和更高靈敏度的磁性探測(cè)等自旋電子學(xué)應(yīng)用提供了新材料選擇。相關(guān)研究工作發(fā)表在3月1日在線出版的《自然·材料》（Nature Materials，DOI: 10.1038/s41563-021-00927-2）上。

　　物理學(xué)系博士后王聰博士（2019年中國(guó)人民大學(xué)吳玉章獎(jiǎng)學(xué)金獲得者）和湖南大學(xué)黎博教授、加利福尼亞大學(xué)萬眾博士、陳鵬博士為論文的共同第一作者。物理學(xué)系季威教授和湖南大學(xué)段曦東教授、加利福尼亞大學(xué)段鑲鋒教授為論文的共同通訊作者。該工作的理論計(jì)算部分由中國(guó)人民大學(xué)完成，實(shí)驗(yàn)部分由合作單位完成。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部、中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)人民大學(xué)的資助。

　　《自然·材料》是《自然》期刊在材料科學(xué)領(lǐng)域的子刊，也是該領(lǐng)域的旗艦期刊，年發(fā)文量?jī)H約200篇，2020年影響因子39.7。繼2020年10月物理學(xué)系王聰博士、季威教授等在《自然·納米技術(shù)》發(fā)文后，此項(xiàng)成果是他們?cè)诎肽陜?nèi)第二次在《自然》專業(yè)領(lǐng)域的頂級(jí)子刊上發(fā)文。

來源：人大新聞網(wǎng)