亮点文章
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铜氧超导材料问世以来, 其高温超导的理论机制仍有待解决. 近年来, 铜氧超导领域的实验进展主要集中在利用新型表征手段探索微观机理, 其中同步辐射的建设推进了先进谱学技术的发展. 基于同步辐射的共振非弹性X射线散射技术, 因具有体测量、能量动量分辨及直接探测不同元激发色散关系的能力, 在铜氧超导材料研究中得到了广泛应用. 无论是Bardeen-Cooper-Schrieffer理论框架下粘合库珀对的声子, 还是强关联体系中Hubbard模型预测的磁涨落和竞争序, 都可以用共振非弹性X射线散射实验测量, 并研究它们之间的关联. 本文介绍了利用共振非弹性X射线散射测量铜氧超导材料电荷密度波及相关低能激发, 包括声子异常现象的研究进展, 还介绍了磁激发和超导最高转变温度的关系, 最后对未来的研究方向和面临的挑战进行展望.
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宇宙正反物质的不对称性起源是当今科学的重要未解之谜. 本文简要评述反物质研究历程和近期国际上的相关研究热点. 重点阐述了近些年来, 在相对论重离子碰撞实验中取得的反物质研究进展, 包括发现首个反物质超核(反超氚)、反物质氦4、反超氢4、反质子相互作用的首次测量、正反超氚核的质量和结合能的精确测量等. 在此基础上, 我们讨论了(反)轻核产生的不同物理机制. 同时, 也介绍了反氢原子实验、太空探测反物质等方面取得的最新成果, 并讨论这些进展对认识物质结构的启示.
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随着超快科学和阿秒脉冲技术的发展, 基于孤立阿秒脉冲的泵浦-探测系统由于能实现对电子动力学的时间分辨测量, 已成为人们开展阿秒超快过程研究不可或缺的关键技术. 但要获得稳定可靠的泵浦-探测信号, 需要保证泵浦与探测光之间阿秒级的高精度同步, 较大的抖动将会导致信号产生弥散、甚至被淹埋在噪声中, 从而无法获得真实的物理图像. 由于阿秒脉冲从产生到应用终端之间的距离通常较长, 要实现阿秒时间分辨, 就必须对阿秒光脉冲与泵浦光进行阿秒量级的延时锁定. 针对这一问题, 本文发展了一种新型的双层光路系统, 通过对获得的干涉条纹进行快速傅里叶变换, 将获得的时间抖动量反馈给压电平移台实时补偿光程漂移, 实现了泵浦光与探测光之间阿秒量级的同步锁定. 应用该方案到光路长度从1—10 m的阿秒泵浦探测系统, 得到了锁定精度分别从7.64—31.76 as的结果, 分析表明系统延时误差与距离呈严格的线性关系, 决定数R2= 0.96. 本研究工作表明, 使用小型干涉仪可实现对大科学装置中长距离阿秒泵浦探测系统的锁定精度进行快速检测, 这对如非共线阿秒条纹相机、时间分辨光电子能谱仪、相干合成等应用具有一定的参考意义.
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当超强激光斜入射辐照固体时, 预脉冲会先将固体表面等离子体化, 随后主脉冲将与等离子体相互作用并最终被等离子体反射. 同时, 等离子体中的部分电子将锁定在激光场的加速位相, 随后在激光场中获得有效加速, 该过程被称为锁相电子加速. 由于目前超强激光的电场强度已接近TV/m量级, 因此如果电子在激光场加速位相中停留足够长的时间, 便有可能获得百GeV甚至TeV量级的能量. 本文针对现有的超强激光参数, 通过单电子动力学模型, 对锁相机制中电子在激光场的加速过程展开系统研究. 研究结果表明, 峰值功率为10 PW量级的强激光可将电子直接加速至30 GeV左右. 本研究还给出了锁相加速机制中锁相电子的远场能量角分布, 以及最终能量等与激光场强度的定标关系. 考虑到激光强度的不断提高并且激光锁相电子加速机制也适用于正电子加速, 因此本研究结果将有望应用于小型化正负电子对撞机及高能伽马射线源等领域.
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合肥先进光源是一个第四代衍射极限储存环光源, 计划于2028年投入运行, 凭借其高亮度和高相干性X射线, 将突破当前X射线技术研究关联电子系统所面临的时空分辨率瓶颈, 为理解这些材料中新奇物性的本质和微观起源提供关键信息. 本文介绍了合肥先进光源的主要科学目标和技术优势, 重点阐述了角分辨光电子能谱、磁圆二色、相干X射线散射和相干X射线成像等核心技术在量子材料和关联电子系统研究中的应用前景. 这些技术将能精细解析电子/自旋/轨道态的分布和动力学过程, 揭示各种新奇量子现象, 以及关联电子体系中各种序参量的涨落. 合肥先进光源的建成将为解码复杂量子态和非平衡演化行为提供先进的技术支持, 最终推动量子材料和关联电子系统在能源、信息等前沿领域的应用.
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镍基超导体目前分为一价镍氧化物超导体和高压镍基超导体两个家族, 其中电荷序的研究受到了广泛关注. 这是因为电荷序是强关联电子体系尤其是铜氧化物超导体的研究重点之一, 其不仅对于理解电子关联性有着重要意义, 与非常规超导电性也有着潜在的联系, 而镍基超导体的发现为电荷序与超导电性的研究提供了新的契机. 本文总结了镍基超导体电荷序的实验研究进展, 讨论了镍基超导体中电荷序的存在与否、具体构型以及微观性质等, 以期为进一步深入研究该主题提供新的思路.
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缪子自旋弛豫/旋转技术 (muon spin relaxation/rotation, μSR) 是一种高度灵敏的原子尺度磁性探测手段. 随着μSR技术的不断发展, 其在凝聚态物理研究中愈加重要. 本文简要介绍μSR技术的优越性和独特性, 概述近期μSR技术在凝聚态领域的几项重要进展和挑战, 包括镍基超导体La3Ni2O7和 (R, Sr)NiO2的磁性基态研究、笼目晶格超导体AV3Sb5(A= K, Rb)的电荷密度波研究、NaYbSe2量子自旋液体“海洋”中沉浸的自旋“磁滴”和Cr2O3磁电表面附近磁单极子的研究, 并简单阐述了国际上缪子源的建设情况和升级进展.
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共振非弹性X射线散射(resonant inelastic X-ray scattering, RIXS)是一种先进的基于同步辐射和自由电子激光光源的光进光出的谱学探测手段. 在过去的十几年, RIXS的能量分辨不断被提高, 其对凝聚态物质的研究也从最初的晶体场分裂和电荷转移激发, 发展到产生于包括电荷、自旋、轨道、晶格4个量子自由度的集体激发行为及相关的序参量. 本文总结了近几年高分辨软X射线RIXS在量子材料领域, 如铜基和镍基高温超导材料等离子激发及磁激发的研究, 量子材料中的集体轨道激发、激子激发和高阶磁激发, 以及对磁性金属和拓扑磁性材料中磁激发的探测.
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在超导和强关联电子材料的研究中, 通过引入压力和应变改变晶格参数和对称性, 是调控体系电子性质的有效实验手段. 在静水压和外延薄膜面内应变的调控中, 晶格参数的变化可以引起电子结构的显著改变, 进而诱导出新奇的物理现象. 相比这两种方法, 近年来开始被广泛采用的单轴应变调控方法, 除了可以改变晶格参数, 还可以直接破缺和调控体系的对称性, 影响体系的电子有序态乃至集体激发. 弹性单轴应变作为对称性破缺场, 可以作为电子向列相及其涨落的探针; 应变对超导和电子向列相的调控, 也可以为理解体系中电子态的微观机制提供实验依据. 本文将介绍单轴应变调控的基本概念、实验方法的发展, 以及采用这些方法调控铁基超导体中的超导和电子向列相等方面的一些研究进展, 并简单介绍单轴应变在其他量子材料中的应用.
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中国散裂中子源二期升级工程包含建设缪子实验终端和一条表面缪子束线, 并规划未来建设负缪子束线和衰变缪子束线. 表面缪子束线预计2029年建成出束, 有望成为我国首个人造缪子源实验平台. 缪子自旋弛豫/旋转/共振谱学和负缪子X射线分析谱学是缪子源平台最重要的应用技术, 分别在材料磁性分析和元素成分无损测量方面具有独特优势, 在磁性、超导、新能源、科技考古等多学科领域取得了大量瞩目成果. 本文围绕中国散裂中子源缪子实验终端及其谱仪建设, 分别介绍了缪子自旋弛豫/旋转/共振谱学和负缪子X射线分析谱学的基本原理、特色优势, 以及基于缪子实验终端的谱仪物理设计和应用展望; 最后展望了该缪子实验终端未来的缪子束线规划和更多样化的应用场景.
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