4)从银河系方面认识重元素材料起源的研究 恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分,通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。类似银河系这样的大型星系,被认为是通过并合矮星系形成的,但天文学家对银河系中有多少恒星来自于矮星系以及这些恒星具有什么样的特征仍知之甚少。2019年4月30日人民网报道,中科院国家天文台赵刚研究员领导的中日合作研究团队,证实银河系内一颗重元素(包括银、铕、金、铀等)含量超高的恒星,起源自被银河系瓦解的矮星系,首次揭示了这类稀有恒星的吸积起源,深化了对重元素产生机制的认识,为基于恒星化学成分识别来自附近矮星系的恒星提供了重要线索。 他们依托我国重大科技基础设施LAMOST望远镜提供的海量光谱数据,在银河系晕内发现了目前已知铁含量最高的快中子俘获过程元素超丰恒星──快中子俘获过程是重元素产生的重要机制之一,例如铕(Eu), 金(Au)和铀(U)等重元素都属于快中子俘获过程元素。这颗恒星的铕相对于铁的丰度是太阳的10倍有余,大大超出同类恒星的平均值,目前在银晕中仅发现了30多颗该类型的恒星。更为新奇的是,这颗恒星的镁元素以及其它alpha元素(包括硅、钙和钛等元素)的含量异常低,仅为同类恒星的五分之一,而具有类似化学成分的恒星在银河系近邻矮星系中却是普遍存在。这是国际上首次在银河系中发现低镁的快中子俘获过程元素超丰恒星。 通过与日本国立天文台的天文学家进行后续8米光学望远镜高分辨率光谱联合观测,研究团队确定了这颗恒星中24种元素的含量,并与矮星系恒星和银晕场星进行了细致比较。对比发现这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明显不同于银河系的晕族恒星,表明这颗恒星来自于被银河系瓦解的矮星系,是银河系并合事件的确切和可靠的化学证据。进一步的分析显示这颗恒星是在其原属的矮星系,经历了极为罕见的中子星并合事件之后形成的。 中子星并合产生大量的快中子俘获过程元素, 显著提高了矮星系内快中子俘获过程元素的含量。这颗恒星的发现首次揭示了银河系内快中子俘获过程元素超丰恒星的吸积起源,为银河系并合矮星系提供了清晰的证据,显示银晕中的快中子俘获过程元素超丰恒星极可能全部来自于瓦解的矮星系,同时为中子星并合是快中子俘获过程发生的主要天体物理场所提供了证据支持。它的化学丰度特征将有助于识别吸积自附近矮星系的恒星,为研究银河系的并合历史提供理想的示踪体,加深人类对星系形成和演化的认识。 5)前沿科学量子通信材料资源的开发 A、潘建伟院士团队量子物理实验室的目标 2016年8月16日我国墨子号量子科学实验卫星发射成功,在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发、地星量子隐形传态等三大科学目标,在量子通信领域跻身国际领先地位。量子物理实验室,需要激光器、电子学、材料学、探测技术等方面的材料和人才。中国科技大学教授潘建伟院士为组建实验室,国内国外两头跑,将一批有志于从事量子物理研究的年轻学生送出国门,他们有一条不成文的约定:学成后必须回国。2019年3月22日中国科大新闻网报道,潘建伟获美国光学学会2019年度伍德奖──由于“在量子力学基础和光量子信息,包括量子力学非定域性检验、量子密钥分发、量子隐形传态以及光量子计算领域的先驱性实验研究贡献而获此荣誉”。这是自伍德奖设立40余年来,中国科学家在本土的研究工作首次获得该奖。 2019年1月21日“观察者”网报道,中国科大教授潘建伟、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得突破── 在量子模拟研究方向上,人们首先研究的是理论上可以处理的问题,通过理论和实验比较来演示量子模拟的可靠性和潜在的优越。2016年潘建伟、陈帅等在超冷原子量子模拟中,实现了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚,发展了超冷原子人造规范场模拟凝聚态拓扑问题的新途径;2017年潘建伟、陆朝阳等针对玻色取样任务的光量子计算原型机,超越了早期的电子管和晶体管计算机,但仍需要技术上的进一步发展才可能超越目前的经典超级计算机。 量子模拟最有前途的现实应用,是真正解决那些经典数值计算方法无法有效求解的重要多体问题。例如在化学物理领域通过量子力学计算原子分子相互作用势能面,以及模拟粒子在这一势能面下分子碰撞的动力学,就是这样一类重要科学问题。理论上计算原子分子的势能面,需要求解多电子体系的薛定谔方程来得到电子系统的基态能量。由于电子之间存在强关联,其基态能量无法精确求解。因此理论量子化学发展各种方法来近似求解势能面,并在小质量少电子的分子体系取得了成功。但是对大质量多电子的分子体系,理论计算的势能面已经无法可靠地模拟分子碰撞中的动力学行为。通过构建针对特定问题的专用量子模拟系统,势能面的信息可以由实验测量原子分子的散射共振来获得。散射共振的测量结合理论建模可以准确地反推出势能面的全局信息,从而给出势能面最精准的刻画。 分子的散射共振是典型的量子现象,只有在超低温度下才会显现出来。近年来,随着超冷原子分子技术的发展,完全可控的超冷基态分子可以从接近绝对零度的原子气中被制备出来。自2008年美国科学院院士黛博拉·金和叶军的联合实验小组,制备了铷钾超冷分子以来,多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测,十多年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。在该项研究中中国科大教授潘建伟、赵博等成功观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振。 在实验中他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子,并将之与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这是一个令人振奋的工作──当前超冷化学研究的主要困难,在于势能面的短程部分的信息无法从以往的实验中获取,这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则,是当前原子分子物理研究的亮点。
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