高鸿钧和丁洪联合研究团队是第一次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳费米子,相比其它体系,该体系拥有更高温、更纯净、结构更简单的优点。实验需要利用He-3极低温强磁场扫描隧道显微镜对FeTe0.55Se0.45单晶样品进行观察,他们提出了基于单晶表面外延的高质量、大面积的石墨烯生长技术,在国际上率先实现了在Ru(0001)表面获得缺陷可控、1个厘米大小的、连续的单晶石墨烯;首次成功构筑了新型二维过渡金属单硫化物──单层硒化铜;在国际上首次实现单个自旋量子态的可逆操控及其在超高密度量子信息存储中的原理性应用;在国际上首次实现了朗德g因子原子尺度的空间分辨……2019年年初这项成果被中国科学院院士和中国工程院院士们列为“2018年中国十大科技进展”之一。 2)百花齐放推陈出新的核心芯片技术探索 A、从外形酷似巨大的“鹦鹉螺”加速器说起 2014年以来中科院物理所丁洪课题组,利用上海光源“梦之线”的同步辐射光束照射钽砷(TaAs)晶体,发现了韦尔(H. Weyl)费米子。这正涉及与彭罗斯说的里奇张量引力圆周运动产生的引力子有关。因为外形酷似巨大“鹦鹉螺”的全球顶级中能的第三代同步辐射大科学装置,是上海张江国家科学中心的国家大科学装置的软X射线自由电子激光的上海光源装置,圆形的“螺壳”内,3台加速器负责“出产”同步辐射光。无数电子以近乎光速昼夜不停地高速旋转。每每转弯,就会沿切线方向放射出一束束不同波长的高品质同步辐射光,通过光束线最终照射在各个实验站的样品上。试运行中“同步辐射光源+X射线自由电子激光”的实验,显示里奇张量引力圆周运动产生的引力子是存在的。 B、单层氧化物钙钛矿二维晶体膜的实现 2019年6月6月日南京大学聂越峰教授课题组,采用分子束外延技术对非层状结构的氧化物钙钛矿材料进行单原子层精度的生长与转移,结合王鹏教授课题组的透射电子显微镜的结构分析,成功制备出基于氧化物钙钛矿体系的新颖二维材料。由于氧化物钙钛矿体系具有优异的电子特性,这项由南京大学、美国加州大学尔湾分校和美国内布拉斯加-林肯大学的研究人员合作完成的该成果,开启了一扇通往具有丰富强关联二维量子现象的大门。 据研究团队带头人潘晓晴教授说,自2004年石墨烯被发现以来,以其为代表的各类二维原子晶体材料由于具有丰富多样的物理、化学性质以及在信息传输和能源存储器件等领域的广泛应用前景而受到人们极大的关注。目前已知二维材料,无论是机械剥离还是人工生长,都依赖于其特殊的层状结构特性及原子层间的弱键合作用。尽管非层状结构的氧化物钙钛矿体系由于电子的强关联效应呈现出极为丰富的物理和化学特性及其丰富多彩的量子现象,其原子层厚度的超薄二维材料的制备仍然是有待攻克重大难题。 2016年斯坦福大学H课题组,利用脉冲激光沉积技术在水溶性材料过渡层上生长钙钛矿氧化物薄膜,通过溶解过渡层的方式获得了自支撑的钙钛矿薄膜,为制备二维材料提供了新思路。然而,他们在尝试制备只有原子层厚度的超薄二维材料时碰到了难以克服的困难,使得钙钛矿氧化物二维材料的探索又陷入了困境。但区别于斯坦福课题组所采用的脉冲激光沉积技术,聂越峰教授课题组采用了一种叫分子束外延的薄膜生长技术来制备氧化物钙钛矿二维材料。 通过改进原位监控技术与采用高精度的逐层生长方法,成功实现了超薄氧化物钙钛矿薄膜的制备与转移的突破,获得原子层厚度的高质量氧化物钙钛矿二维材料。王鹏教授课题组利用多种先进球差校正透射电子显微镜结构分析技术实现了二维极限下电镜样品制备、层数标定和精细晶体结构表征,直接观测到钙钛矿BiFeO3薄膜在二维极限下出现若干新颖现象。这样重大突破性工作的实现,得益于先进的分子束外延薄膜生长技术,与亚原子分辨电子显微分析技术的有机结合,以及研究人员之间的密切合作。在石墨烯等传统二维材料中,电子的运动相对自由,不太受其他电子的影响;而在很多氧化物钙钛矿材料中,电子之间存在很强的相互作用,正是这种电子间的强关联作用促成了包括高温超导在内的各种新奇的量子态。实现钙钛矿二维材料,在二维体系中加入这种电子间的强关联作用,有望获得更丰富而有趣的强关联二维量子现象及应用。 C、方忠院士开辟电子拓扑态研究新方向 2019年11月22日公布增选为中国科学院的院士的方忠教授, 带领的中科院物理研究所为固体材料中电子拓扑态研究开辟新方向,是继“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”、“韦尔费米子”之后发现的“三重简并费米子”这种新型费米子,它就不但能促进人们认识电子拓扑物态,开发新型电子器件,也能促进人们认识理解里奇张量、韦尔张量等结合的量子引力信息隐形传输。 德国普朗克研究所的科学家,在磷化钼中观测到极低电阻行为的这种类似韦尔引力子的新型费米子的独特表现,但众多研究人员认为,从基本粒子组成虽然是分为玻色子和费米子看,但宇宙中存在狄拉克费米子、韦尔费米子和马约拉纳费米子三种类型的费米子也有可能的。因为他们都没有去联系彭罗斯说的量子引力里奇张量、韦尔张量,产生的引力子来深度联系──正因为电子、光子、引力子等三重简并费米子态或玻色子态,与时空连续的宇宙空间不同,电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性,导致传统理论四维时空中没有的新型费米子,而虚数和复数时空的引力子是可以穿越四维以上多维时空和高维时空的。寻找新型费米子拓扑物态延伸进引力子玻色子领域,是一个挑战性的前沿科学问题。 D、可重构的太赫兹超表面实施方案 2019年6月4日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,提出的可重构的太赫兹超表面实施方案实现了任意、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──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。
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