Vol. 67, No. 12 (2018)
2018年06月20日
总论
2018, 67 (12): 120201.
doi:10.7498/aps.67.20180487
摘要 +
实时密度泛函理论是基于含时Kohn-Sham方程，从实空间实时模拟材料激发态性质的第一性原理计算方法.本文介绍如何利用基于数值原子轨道基的含时密度泛函理论和软件TDAP（Time Dependent Ab initio Package），研究凝聚态物质与光场之间的相互作用.通过引入电磁场的长度规范和速度规范，该方法的适用范围从低维结构拓展到固体材料，且不受微扰论的限制，实现了对大规模、真实凝聚态体系的动力学性质的精确模拟.文中以几个有代表性的工作为例，说明该方法对于研究量子系统中新奇的超快量子动力学现象有着广泛的应用前景.
2018, 67 (12): 120301.
doi:10.7498/aps.67.20180710
摘要 +
量子计算和量子模拟在过去的几年里发展迅速，今后涉及多量子比特的量子计算和量子模拟将是一个发展的重点.本文回顾了该领域的主要进展，包括量子多体模拟、量子计算、量子计算模拟器、量子计算云平台、量子软件等内容，其中量子多体模拟又涵盖量子多体动力学、时间晶体及多体局域化、量子统计和量子化学等的模拟.这些研究方向的回顾是基于对现阶段量子计算和量子模拟研究特点的考虑，即量子比特数处于中等规模而量子操控精度还不具有大规模逻辑门实现的能力，研究处于基础科研和实用化的过渡阶段，因此综述的内容主要还是希望管窥今后的发展.
2018, 67 (12): 120302.
doi:10.7498/aps.67.20180755
摘要 +
量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果；重点讨论1）如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控，2）金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段，3）自旋态相干操控技术在量子传感中的应用；最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.
2018, 67 (12): 120601.
doi:10.7498/aps.67.20180847
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在众多电化学储能技术中，室温钠离子电池除具有能量密度高、循环寿命长的特点外，还具有其他电池体系所不具有的资源丰富和成本低廉的优势，是一种较理想的规模储能电池体系.中国科学院物理研究所自2011年以来致力于低成本、安全环保的钠离子电池技术的研发，在正、负极材料和电解质材料开发中取得了多项原创性的研究成果，并研制出Ah级钠离子软包电池.例如，首次发现Cu2+/Cu3+氧化还原电对高度可逆并设计了Na-Cu-Fe-Mn-O基低成本层状氧化物正极材料；首次通过简单的一步碳化法制备出性价比高的无烟煤基负极材料；首次将一种新型的钠盐NaFSI应用于碳酸酯非水电解质以大幅度提升电极材料的性能等.本文综述了物理所在钠离子电池材料及器件研究中所取得的重要进展和突破，期待经过进一步不懈地努力为实现钠离子电池的产业化做出重要贡献.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2018, 67 (12): 124201.
doi:10.7498/aps.67.20180724
摘要 +
传统实芯光纤无法克服材料本身固有的非线性、色散、瑞利散射、光照损伤等缺陷，微结构空芯光纤有望解决这些本征性问题，可以为高功率激光、非线性光学、生物光子学、量子光学、光纤传感、光通信等应用提供一个理想而方便的媒介.在技术实现的道路上存在着光子禁带空芯光纤和反谐振空芯光纤两种选项.后者具有宽带导光和高激光损伤阈值等优点，但是一直受困于较高的传输损耗.这一情况随着最近几年人们对反谐振导光机理和光纤制作技术研究的快速推进正在逐渐发生转变.本文回顾了我们团队五年来开展的系统性的理论和实验工作，介绍了一套直观的可定量计算的反谐振导光机制理论，展示了最新研制的高性能光纤.通过合理利用光纤结构中的局域性和全局性特征，突破了半解析计算反谐振空芯光纤限制损耗的难题；通过对光纤拉制条件的精密控制，制作出了紫外到中红外波段的各型光纤；并对进一步提高光纤性能和在此基础上的更丰富的光学应用研究进行了展望.
2018, 67 (12): 124202.
doi:10.7498/aps.67.20180564
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两束双色激光脉冲能在大气中产生MV/cm的强太赫兹波.本文主要介绍了我们最近的三项理论和实验工作，澄清了双色激光方案的物理机制这个长期存在的问题，并对该方案进行了推广.为了在气体中有效地产生太赫兹波，在广泛研究的双色激光方案中两束激光的频率比2/1总是被取为1：2.首先从理论上预测采用其他频率比时，此方案仍能有效地工作，并通过实验进行证实.实验上观察到在新的频率比2/1=1：4，2：3下，也能有效地产生太赫兹波；观察到通过旋转较长波长的激光脉冲的偏振方向，能够有效地调节太赫兹波的偏振，但是旋转波长较短的激光脉冲的偏振方向，太赫兹波的偏振几乎没有变化，这违背了多波混频理论中极化率张量对称性的要求；采用不同的频率比时，太赫兹能量定标率并没有显示出明显的区别，这与多波混频理论预测的能量定标率不符.这些实验结果与等离子体电流模型及粒子模拟结果符合得很好.因此，该研究不仅对双色激光方案进行了推广，而且证实了其物理机制应该归结为等离子体电流模型.
2018, 67 (12): 124203.
doi:10.7498/aps.67.20180706
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超快激光经过透明介质时由于非线性作用光谱会得到展宽，甚至能够产生超过一个倍频程的相干超连续光谱，这样的光源能够压缩得到几个甚至单个光周期的超短脉冲，并在现代超快科学的各个领域得到了广泛应用.实验中已经在气体、液体和固体中都观测到了光谱的展宽，目前较为成熟的方法是使用充满惰性气体的空芯光纤和具有高非线性效应的固体材料展宽光谱.但空芯光纤由于芯径限制无法用于高能量激光脉冲的光谱展宽，而固体材料又容易被高功率密度的脉冲激光损坏.随着激光技术的发展其脉冲能量不断提高，一种新的、利用多片薄固体介质实现光谱展宽的方式被提出.多片薄的非线性介质可以实现光谱展宽的逐片累积，而且避免了激光在介质中因自聚焦产生过高功率密度带来的损坏.目前使用这种方法已经在实验上得到了近毫焦尔量级的倍频程光谱，覆盖了近紫外到中红外的整个区域，并实现了脉冲压缩.本文简要回顾了超快激光在固体中光谱展宽的发展历程，概述了新型薄片固态介质产生超连续光谱的原理，对近年来使用此新方法的实验进行了简要分析，并对其发展前景进行了展望.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2018, 67 (12): 127401.
doi:10.7498/aps.67.20180627
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铁基超导体中普遍存在着反铁磁、超导和向列相，因此研究向列相的性质及其与反铁磁、超导的关系对于理解铁基超导体的低能物理及高温超导电性具有非常重要的作用.所谓向列相是指电子态自发破缺了晶格的面内四重旋转对称性而形成的有序态，从而导致样品的某些物理性质出现了两重的各向异性.我们通过自主研发的单轴压强装置，可以在低温下原位改变压强，测量电阻的变化，从而得到向列极化率.本文介绍了我们利用该装置在最近几年研究铁基超导体的向列相和向列涨落所取得的一些成果，包括详细研究了BaFe2-xNixAs2体系中的向列量子临界点及其量子临界涨落，并提出了基于向列涨落强弱调节的铁基超导体统一相图.这些结果表明，向列相及其涨落与反铁磁和超导均有很强的耦合，对于理解铁基超导体中磁性和超导电性非常关键.
2018, 67 (12): 127501.
doi:10.7498/aps.67.20180712
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磁电耦合效应是指磁场控制电极化或者电场控制磁性的物理现象，它们为开发新型电子器件提供了额外的物理状态自由度，具有巨大的应用潜力.磁电耦合系数作为磁电耦合材料的重要参量，体现了材料磁化和电极化的耦合性能，其随外加物理场的变化可以表现出非线性回滞行为，具备作为非易失存储的物理状态特征.本文讨论了基于磁电耦合效应如何建立起电荷-磁通之间的直接关联，继而实现了第四种基本电路元件并构建了完整的电路元件关系图.在此基础上，研究了多铁性异质结中的非线性磁电耦合效应，并利用其独特的电荷-磁通关联特性，开发了基于磁电耦合系数的电写-磁读型非易失性信息存储、逻辑计算与类神经突触记忆等一系列新型信息功能器件.
2018, 67 (12): 127901.
doi:10.7498/aps.67.20180689
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高分辨率电子能量损失谱仪利用单色平行电子束入射样品表面，与表面吸附基团的化学键振动、表面声子、电子及其集体激发模式等相互作用而被散射，通过分析散射电子的能量和动量，可以测量表面化学键、晶格动力学、电子态占据以及表面等离激元等的精确信息，是表面科学研究的有力工具.最近，能够对电子能量、动量做二维成像探测分析的半球形电子能量分析器被引入电子能量损失谱仪，实现了高能量、动量分辨率的高效率测量.在对FeSe/SrTiO3界面超导增强物理机制的研究中，不同厚度的FeSe膜表面的电子能量损失谱表明衬底光学声子产生的偶极电场能够穿透到薄膜内部，诱导较强的电子-声子耦合作用，从而增强薄膜中电子的配对作用，进而使超导转变温度显著提高.三维拓扑绝缘体Bi2Se3表面大动量范围的电子能量损失谱还显示出一支奇异的电子集体激发模式，其色散特征不受晶格周期性的限制，而且其寿命和强度几乎不随动量的增加而衰减.这说明在拓扑绝缘体表面，不仅是狄拉克电子态本身，其集体激发也受到拓扑保护.充分发挥新型电子能量损失谱仪观测表面元激发分辨率高、动态范围大的优势，将有力地推动表面界面凝聚态物理问题研究的深入和发展.
2018, 67 (12): 127101.
doi:10.7498/aps.67.20180767
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在强关联电子体系中，轨道、自旋和晶格等自由度之间的相互作用一直是研究的热点.这些自由度之间的竞争和共存产生了复杂新奇的物理现象，如超导现象、量子相变、自旋有序、拓扑相变、金属绝缘转变等，这些丰富的物理现象来源于不同的有序态或量子涨落之间的竞争和耦合.自旋轨道耦合作用是指粒子的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用，在4d/5d基化合物中，由于电子的运动速度较快，自旋轨道耦合的效应不可忽视，可能表现出与3d基化合物不同的物性.例如，在含4d/5d过渡族金属元素的超导体中，其电子配对的机制可能不同于常规的s波Bardeen-Cooper-Schrieffer超导体.本文以几种典型的4d/5d基超导体为例，对其晶体结构和超导物性及其内在联系进行了详细论述，重点探讨了阴离子共价键强弱对晶体结构、相变和超导物性的影响，希望引起相关研究者对该类超导体的重视.
2018, 67 (12): 127402.
doi:10.7498/aps.67.20180343
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具有烧绿石结构的Cd2Ru2O7在形成长程反铁磁序的同时进入反常的金属态.采用高压高温方法制备了一系列Pb掺杂的Cd2-xPbxRu2O7（0 x 2）多晶样品，并系统研究了其晶体结构和电阻率、磁化率、热电势等物理性质.尽管Pb2Ru2O7是泡利顺磁金属，但少量Pb2+掺杂的样品Cd1.8Pb0.2Ru2O7却呈现出明显的金属-绝缘体转变，与施加静水压和少量Ca2+掺杂的效果类似.通过与类似的烧绿石Ru5+氧化物进行对比，提出Cd2Ru2O7中的Ru5+-4d3电子态恰好处于巡游到局域过渡的区域，少量Pb2+掺杂造成的晶格无序增强了电子的局域性，使得形成反铁磁序的同时伴随出现了金属-绝缘体转变.这表明具有烧绿石结构的Ru5+氧化物是研究巡游-局域电子转变的理想材料体系.
2018, 67 (12): 127403.
doi:10.7498/aps.67.20180770
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单晶薄膜形态的高温超导材料对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.多带的铁基高温超导体往往呈现丰富的物理现象，并具有较高的超导临界参数.特别是近年发现的插层（Li，Fe）OHFeSe超导体，无论对高温超导机理还是应用研究而言，都日益受到重视，已成为铁基家族中重要的典型材料.但是，该化合物含有OH键，加热易分解.因此，现有的常规高温成膜技术均不适用于生长该薄膜材料.为解决这一生长难题，我们最近发明了基体辅助水热外延生长法，实现了超导薄膜制备技术上的突破.本文简要介绍用此软化学成膜技术首次成功制备出（Li，Fe）OHFeSe单晶薄膜.该薄膜材料具有优良的结晶质量和较高的超导临界参数，特别是其高的临界电流密度和上临界场对应用开发有实际价值.因此，（Li，Fe）OHFeSe超导单晶薄膜的成功合成，为机理研究和应用开发分别提供了重要的实验载体和备选材料.另外，该薄膜技术也有望应用于其他功能材料的探索与合成，尤其是对常规手段难以获取的材料更具重大价值.
2018, 67 (12): 127801.
doi:10.7498/aps.67.20180783
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二维电子光谱是一种同时具有高的时间分辨率和光谱分辨率的非线性光谱学方法.它不仅可以对凝聚相分子复杂动力学过程进行直接测量，还可以测量不同电子态、电子态-振动态之间的量子相干过程.2007年，Flemming课题组利用二维电子光谱于低温77 K的条件下在捕光天线蛋白Fenna-Matthews-Olson中发现了能量传递过程存在量子相干现象.尽管后续的实验研究表明，该体系中实验观测到的量子相干现象不可能是由单纯的电子态相干引起的，然而这一实验现象的报道极大地激发了人们对天然或人工模拟光合系统中存在量子相干传能途径的探索，目前还是一个相当活跃的研究领域.本文旨在通过介绍二维电子光谱学原理、装置及其在光合作用体系能量传递中量子相干现象的应用，使二维电子光谱这种实验方法能够在更多的研究领域得以普及与推广.
2018, 67 (12): 127201.
doi:10.7498/aps.67.20180906
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自旋（磁）逻辑器件具有数据非易失性、CMOS电路兼容性、操作速度快等优点，是开发计算存储相融合的非冯诺依曼计算机架构的理想候选方案之一.本文进一步演示基于自旋霍尔效应的自旋逻辑方案.利用自旋霍尔效应不仅能够实现基本的布尔逻辑功能和数据存储功能，还可以利用自旋轨道力矩磁矩翻转的对称性要求、偏置磁场要求等，进一步实现自旋逻辑器件的可编程和多功能特性.利用这些特点，同一自旋霍尔逻辑器件可以实现与、或、非、与非、或非等功能.因为这些特性，基于自旋霍尔效应的自旋逻辑单元有望成为后续自旋逻辑器件和电路的核心器件，推动后者的持续开发与广泛应用.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2018, 67 (12): 128101.
doi:10.7498/aps.67.20180588
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实验发现p-n结中局域载流子具有极高抽取效率，同时伴随着吸收系数的大幅度增加.本文报道上述现象的发现和验证过程，以及基于此现象的新型带间跃迁量子阱红外探测器（interband transition quantum well infrared detector，IQWIP）原型器件的性能.采用共振激发光致发光光谱技术，在InGaN量子阱、InGaAs量子阱、InAs量子点等多个材料体系中均观察到了在p-n结电场作用下的载流子高效逃逸现象，抽取效率分别为95%，87.5%，88%.利用含有InGaAs/GaAs多量子阱的PIN二极管，实验尝试了制备新型的IQWIP原型器件.在无表面减反射膜的实验条件下，利用仅100 nm的有效吸收厚度，实现了31%的外量子效率.基于这个数值推算得到量子阱的光吸收系数达到3.7104cm-1，该数值高于传统透射实验测量体材料和量子阱结果.此外，还利用InAsSb/GaSb量子阱材料体系进行了2 m以上波长红外探测的探索.利用上述现象，有望在提高现有器件性能的同时开发出新颖的光-电转换器件.
2018, 67 (12): 128501.
doi:10.7498/aps.67.20180757
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锂电池在使用或储存过程中会出现一定概率的失效，包括容量衰减（跳水）、循环寿命短、内阻增大、电压异常、析锂、产气、漏液、短路、变形、热失控等，严重降低了锂电池的使用性能、一致性、可靠性、安全性.对锂电池失效进行准确诊断并探究其失效机理是锂电池失效分析的主要任务，对锂电池性能提升和技术发展具有深远意义.为了全面且深入地介绍锂电池失效分析，本文从锂电池失效分析的定义、失效表现、失效原因、分析内容、分析流程、困难点等方面进行了简述，希望能为推动中国锂电池失效分析技术的发展起到积极作用.
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2018, 67 (12): 128102.
doi:10.7498/aps.67.20180796
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拓扑半金属已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域，这类材料的单晶生长是研究其物理性质的基础.目前，对于拓扑材料的研究已经形成了以理论计算为指引，对潜在的拓扑材料进行单晶制备，并结合物性测量对理论预言加以验证的科研合作方式.在这种科研团队合作中，单晶生长起衔接作用.本文介绍了近年来拓扑半金属材料单晶生长方法，涵盖了拓扑Dirac半金属、Weyl半金属、Node-Line半金属以及其他打破常规分类的拓扑绝缘体及拓扑半金属材料等，并针对各个材料，详细总结了其生长方法.
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2018, 67 (12): 128103.
doi:10.7498/aps.67.20180732
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作为一种新型的二维半导体材料，单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性，在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展，具体包括：在二硫化钼薄膜的制备方面，通过氧辅助化学气相沉积方法，实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长；在二硫化钼薄膜的加工方面，发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法，为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础；在二硫化钼异质结方面，研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质，为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考；在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面，构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件，验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势；此外，利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术，实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成，获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.
2018, 67 (12): 128801.
doi:10.7498/aps.67.20180657
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近年来，在锂二次电池新材料的研发过程中逐渐建立了基于材料基因组思想的高通量计算理论工具与研究平台.在该平台上，通过将不同精度的计算方法组合，实现了基于离子输运性质的材料筛选；通过将信息学中数据挖掘算法引入高通量计算数据的分析，证实了材料大数据解读的可行性.上述平台实现了在锂电池固体电解质的高通量筛选、优化和设计上进行新材料研发的示范应用，通过高通量计算筛选获得了两种可用于富锂正极包覆材料的化合物Li2SiO3和Li2SnO3，有效改善了富锂正极的循环稳定性；通过对掺杂策略的高通量筛选，获得了提高固体电解质-Li3PS4离子电导率和稳定性的方案；通过高通量结构预测设计了全新的氧硫化物固体电解质LiAlSO；并在零应变电极材料结构与性能的构效关系研究中进行了大数据分析的尝试，分析了零应变电极材料的设计依据.上述材料基因组方法在锂电池材料研发中的应用为在其他类型材料研发中推广这种新的研发模式提供了可能.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2018, 67 (12): 126801.
doi:10.7498/aps.67.20180846
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本文介绍了高鸿钧课题组在物理所20年来的部分代表性工作.研究的主要方向为低维纳米功能材料的分子束外延可控制备、生长机制、物性调控及其在未来信息技术中的原理性应用.从材料的可控制备入手，结合第一性原理的理论计算，阐明材料生长机制和结构与物性的关系，进而实现物性调控和原理性应用.主要内容有：1）纳米尺度海马分形结构的形成及其生长机制；2）STM分辨率的提高及最高分辨Si（111）-77原子图像的获得；3）固体表面上功能分子的吸附、组装及其机制；4）稳定、重复、可逆的纳米尺度电导转变与超高密度信息存储；5）固体表面上单分子自旋态的量子调控及其原理性应用；6）原子尺度上朗德g因子的空间分辨及其空间分布不均匀性的发现；7）晶圆尺寸、高质量、单晶石墨烯的制备及原位硅插层绝缘化；8）几种新型二维原子晶体材料的可控构筑及其物性调控；9）自然图案化的新型二维原子晶体材料及其功能化.这些工作为低维量子结构的构造、物性调控及其原理性应用奠定了基础.
2018, 67 (12): 126101.
doi:10.7498/aps.67.20180681
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由于结合了金属和玻璃的特性，非晶合金表现出许多新奇和优异的力学和物理性质，在很多领域具有广泛的应用前景.非晶合金具有连续可调的成分、简单无序的原子结构、丰富多变的材料性质，为研究非晶态物理中的许多共性科学问题提供了理想的模型材料.块体非晶合金的发展更是将玻璃和液体及其相关科学问题的研究推进到凝聚态物理和材料科学的研究前沿.中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室亚稳材料合成、结构及性能研究组（EX4组）近二十年来一直致力于非晶材料和物理的研究，在新型非晶合金的制备、物性以及相关机理的研究上取得了许多重要成果.本文介绍团队最近在非晶材料和物理机理方面取得的研究成果，包括非晶合金的动力学行为和调控、非晶合金的表面动力学、功能应用以及材料探索新方法等.
2018, 67 (12): 126802.
doi:10.7498/aps.67.20180731
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总结了我们将原位技术和透射电子显微学分析方法相结合，针对纳米材料和器件的结构、形貌、成分以及电势分布等物理性质的动态行为所开展的综合物性表征和分析工作.主要成果有：揭示了C60纳米晶须在焦耳热作用下的结构相变路径；观察到了电荷俘获存储器中的电荷存储位置以及栅极电压诱导的氧空位缺陷；研究了阻变存储器中氧空位通道的形成过程以及导电通道的开关机理.这些成果不但有助于深入理解纳米材料和器件相关功能的物理机理，改善其工作性能，更展示了透射电子显微学在微电子领域强大的研究能力.
2018, 67 (12): 126803.
doi:10.7498/aps.67.20180844
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石墨烯与金属间的相互作用是石墨烯器件研究中的关键问题之一，其涉及石墨烯器件的电学接触、锂离子电池石墨烯电极、石墨烯金属光学等方面.本文重点研究了不同层数的悬空石墨烯表面金纳米膜退火前后的形貌演化过程，观测到两个重要的现象：1）排除基底影响后的悬空石墨烯层数可以通过金纳米膜的形貌特征进行确认，但其随层数的变化趋势与有基底支撑的石墨烯正好相反；2）退火处理后的悬空石墨烯上的金纳米膜形貌演化过程具有类似水滴在荷叶上的行为.对悬空石墨烯表面金属纳米膜在退火前后的形貌变化规律及其现象背后的物理机理进行了详细的讨论和理论解释.