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                研究与进展:超强激光驱动等离子体结构靶、二维量子片普适和规模制备、可重构的太赫兹超表面实施方案、单自旋量子调控

                发布时间:2020-11-18 阅读次数:4025

                超强激光驱动等离子体结构靶


                近期,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在超强激光与等离子体结构靶相互作用的研究中取得进展,首次提出等离子体中的粒子角动量振荡效应。这种效应将会在与振荡相关的物理过程(如THz和X光辐射、粒子加热等)中带来重要影响,为激光加速粒子提供了新的研究思路。相关研究成果发表在[New Journal of Physics 21, 043022 (2019)]上。


                拉盖尔-高斯光束具有螺旋等相位面和中心相位奇点,从而携带一定的轨道角动量。光的轨道角动量在光学微操纵、量子纠缠、光学通信、天体物理等领域具有广泛的应用。近年来,随着CPA技术将激光发提升到相对论强度,超强拉盖尔-高斯光束也具备了极高的轨道角动量密度。螺旋相位板是一种光学厚度随方位角螺旋上升的结构靶,可对入射的高斯光束进行相位调制,利用等离子体螺旋相位板就可以产生超强拉盖尔-高斯光束。当超强拉盖尔-高斯光束与等离子体相互作用时,会产生许多新的物理效应,如中空尾场、涡旋状高次谐波和伽马光子、反射光偏离、“涡旋刀”操纵粒子束等。


                该研究中,科研人员将一束相对论强度的线偏振高斯光束正入射到两个系列的等离子体螺旋相位板上。每个系列的螺旋相位板都能产生一定拓扑荷的拉盖尔-高斯光束。其中一个系列的螺旋相位板的厚度随方位角单调上升(称为SPF),而另一个系列的厚度随方位角重复了多个周期(称为MPF)。研究人员观察到,在相互作用时,SPF中的粒子角动量会随着时间而振荡,而MPF却无此现象。理论分析发现,角动量振荡效应由结构靶表面的非对称电场产生,并且通过调整结构靶的表面结构可以实现粒子角动量振荡幅度的增强或减弱。螺旋相位板在振荡过程中也会获得一定的净角动量,这表明高斯光束与结构靶的相互作用可以对靶内粒子进行角向加速。并且产生的拉盖尔-高斯光束的拓扑荷越大,角向加速的效果就越明显。这一研究成果对激光加速粒子提供了新的物理机制和研究思路,对涉及粒子加速的诸多领域都具有重要的指导意义。审稿人评价该研究工作“非常有趣和新颖,采用的模型有效地解释了角动量振荡行为”。


                该项研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导(B类)科技专项等的支持。


                来源:中国科学院上海光学精密机械研究所

                 


                二维量子片普适和规模制备


                二维(材料)量子片是二维材料和量子体系不断发展和交叉的产物,由于其兼具二维材料的本征特性以及量子限域和突出的边缘效应,因此受到广泛关注。然而二维量子片的制备方法纷繁芜杂,各具特色,却始终未见报道同时具有普适性和规模化的制备策略。普适和规模制备方法的缺失,一方面极大限制了二维量子片的工业化应用;另一方面使得系统深入研究二维量子片的性质陷入困境。显然,二维量子片普适和规模制备方法的建立具有重大的理论和现实意义。

                中国科学院国家纳米科学中心张勇课题组前期成功实现了过渡金属二硫族化合物本征量子片的规模制备(Nano Lett. 2017, 17, 7767-7772)。该制备方法结合盐辅助球磨和超声辅助溶剂剥离,虽然实现了规模化制备,不过仍然具有局限性。相比于过渡金属二硫族化合物(如二硫化钼、二硫化钨等,面内断裂强度16-30 GPa),石墨和氮化硼具有更高的面内断裂强度(如单层石墨烯的面内断裂强度高达130 GPa;少层氮化硼的面内断裂强度高达70 GPa)。因此,直接由(未经任何处理的)本体层状材料出发,通过全物理(如全机械/力)过程,实现二维量子片的普适和规模制备,具有巨大的挑战性。


                近期,张勇课题组联合刘新风课题组以及北京大学高鹏课题组和中科院化学研究所车延科课题组合作攻关,实现了二维材料量子片的普适和规模制备。由石墨、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨本体层状材料出发,通过硅球辅助球磨和超声辅助溶剂剥离相结合的全物理方式,成功实现了石墨烯量子片、氮化硼量子片、二硫化钼量子片、二硫化钨量子片的规模制备。单循环产率分别高达35.5、33.6、30.2、28.2 wt%,比现有方法提高了1-2个数量级,为二维量子片的工业化应用奠定了坚实基础。所得二维量子片均为本征结构,为探索其原初性质并揭示内在机理提供了极大便利。这种普适和规模制备方法的建立,使得在相同协议/标准上建设二维量子片完整数据库/图书馆成为可能,势必会加速二维材料量子片的全面和细致探索。上述各种量子片在溶液和薄膜中均具有良好的分散性,而且展示出优异的性能。如固态荧光,寿命为纳秒量级,达到实用化要求;非线性饱和吸收,绝对调制深度高达59%,相对调制深度高达89%,与单层石墨烯相当;饱和强度低至sub-10 kW/cm2 (sub-1 nJ/cm2),比之前报道降低了1-2个数量级。相关研究成果以内封面形式发表在Materials Horizons (Mater. Horiz. 2019, DOI: 10.1039/c9mh00272c)上。制备方法已申请中国发明专利。


                该研究得到国家自然科学基金、中科院人才计划和国家纳米科学中心启动基金的支持。


                来源:中国科学院国家纳米科学中心



                可重构的太赫兹超表面实施方案


                近期,中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室研究员司徒国海课题组与首都师范大学物理系教授张岩课题组合作提出可重构的太赫兹超表面实施方案。该技术方案在太赫兹波段实现了任意、快速、精准的波前调制,为可重构超表面的发展提供了新的思路和实验验证。相关成果已发表在Advanced Optical Materials 7, 1801696(2019)上。  


                超表面是由一系列人工设计的亚波长天线组成的平面结构。与传统光学元件相比,拥有超细、超薄并能实现精确、任意波前调制的优点,在光学互连、集成光学、微纳光学等方面具有重要应用。但如何实现其动态可调性仍是目前所面临的主要挑战。

                  

                研究团队使用高强度飞秒激光器,基于光电导效应,将图案投射到硅片上产生超表面效应,以调制太赫兹脉冲。太赫兹的输出随投影图案的改变而发生相应的变化,从而实现光控可重构太赫兹超表面。用光照射半导体硅片时,产生载流子并导致电导率增加。当电导率上升到某个值时,被照射区域可视为金属或弱金属化材料。由于金属结构常用于超表面,故图案化的光照半导体可实现类似的功能;当撤去照明光时,载流子迅速复合到初始状态。

                  

                该方案可以实现超表面的擦除和重写,并且具有三大优势:一、结构简单,只需一片极薄硅片(10μm);二、操作简便,通过控制光照便可实现任意调制转换;三、调制速度高,每秒可达4000帧。该方案可用于实时成像、光学开关、产生非线性效应的时变材料、信息处理、显微镜的逐点扫描、自适应光学等领域。


                该项研究成果得到国家“973”计划、国家自然科学基金等的支持。


                来源:中国科学院上海光学精密机械研究所



                单自旋量子调控


                中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中科院微观磁共振重点实验室研究团队建立了在量子系统中实现基于非厄米哈密顿量的量子调控普适理论,并通过对金刚石量子比特的高精度量子操控,首次在单自旋体系中观测到宇称时间对称性破缺。该研究成果以Observation of parity-time symmetry breaking in a single spin system 为题,于5月31日在线发表在国际期刊《科学》上[Science 364, 878 (2019)]。


                实现对量子系统的调控是人类认识并利用微观世界规律的必然诉求,也是诸多前沿科学领域的核心要素。自旋作为一种重要的量子调控研究体系,在世界各国的量子计划中均被列为重点研究对象。开展单自旋量子调控研究有助于人们在更深层次上认识量子物理的基础科学问题,将有力推动基于量子力学原理的量子信息科学、量子精密测量、量子导航等诸多前沿学科研究。杜江峰研究组长期在固态自旋量子调控及应用方面进行研究,系统性提出了固态自旋量子调控实验方法新理念,并立足国内自主研制了一系列国际领先的自旋调控实验装备,在自制装备上系统性地发展了单自旋量子调控技术,把微观磁共振手段推广应用于物理、生物、化学等前沿科研中。该文是他们继实现世界最高精度的单自旋量子操控之后,将目标聚焦于如何在单自旋体系中实现非厄米哈密顿量的操控,以期实现新奇的物理学现象观测。


                众所周知,量子体系的状态演化由哈密顿量确定并服从薛定谔方程。在传统量子力学框架中,实的能量本征值由哈密顿量满足厄米性所保障。然而,Bender于1998年提出一类满足宇称时间对称性的非厄米哈密顿量也可保证物理能量本征值为实数,可以描述包括开放系统在内更普遍的对象,从而拓展了量子力学的范畴。尤其值得指出的是,非厄米哈密顿量所描述的物理体系能够展示出一些新奇的物理性质,因此激发了物理学界强烈的研究兴趣。尽管宇称时间对称哈密顿量的概念源于对量子力学框架的拓展,但是通常的量子体系由厄米哈密顿量所描述,从而要在通常的量子体系中实现宇称时间对称哈密顿量的演化具有巨大挑战。先前的理论指出引入耗散过程可实现宇称时间对称哈密顿量,然而耗散会不可避免地破坏量子相干性,非常不利于在量子系统中开展相关研究,因此之前绝大部分相关研究为基于经典物理体系开展模拟实验。


                杜江峰研究组提出了一种新理论方案,通过引入一个辅助比特在量子系统中研究由非厄米哈密顿量所支配的演化规律。该方法对非厄米哈密顿量本身没有任何限制,包括任何维度及含时演化,均只需要消耗一个辅助比特的代价来实现。基于此方案,研究组将金刚石中的一个氮-空位缺陷中的电子自旋用作系统比特,一个核自旋作为辅助比特,实现了宇称时间对称哈密顿量,并观测到宇称时间对称性破缺现象。实验结果首次展示了单自旋量子态在宇称时间对称哈密顿量支配下的演化。通过调节哈密顿量的参数,可以清晰地观测到从对称性未破缺到对称性破缺的相变过程(如图所示)。实验结果验证了新方案的可行性,为进一步研究非厄米哈密顿量相关的新奇物理性质提供了坚实的基础。


                该工作使得人们能够用一种更普遍的方式来实现量子调控,从而开启了实验研究非厄米量子力学的新篇章。该成果适用于在各种量子体系实现任意非厄米哈密顿量,从而为开展广泛的量子力学基础问题研究,例如在非厄米哈密顿量下研究新拓扑不变量、量子热力学以及开放系统中的退相干和耗散等提供实现途径。另外基于相变点可以提高量子测量的灵敏度,有望在基于金刚石色心的量子精密测量领域得到重要应用。  


                中科院微观磁共振重点实验室博士研究生伍旸和硕士研究生刘文权为该文并列第一作者,杜江峰和研究员荣星为论文的共同通讯作者。 


                此项研究得到科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。


                来源:中国科学技术大学