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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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2024, 73 (18): 188702.
doi:10.7498/aps.73.20240915
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单分子运动追踪是研究软物质体系尤其是生命体系动力学过程和分子相互作用的重要方法, 但如何理解生命体系中单分子运动行为的复杂性仍是一个巨大的挑战. 针对这一问题, 本工作提出了一种可对单分子轨迹进行高效识别和分类的、基于无监督学习的“两步归类法”: 首先利用熵约束最小二乘法对扩散轨迹的受限程度进行区分, 继而通过统计检验将非受限轨迹划分为亚扩散、正常扩散和超扩散等不同运动模式类型. 利用该方法, 本工作解析了DOPC模型细胞膜和活细胞膜内的单分子扩散运动特征, 揭示了胆固醇成分对二者的差异影响. 结果显示: 模型膜和活细胞膜均包含多种不同的扩散模式; 在DOPC模型膜体系中, 胆固醇成分会阻碍膜内的分子扩散运动, 且阻碍程度与胆固醇含量正相关; 在活细胞体系中, 分子运动速率显著低于模型膜体系, 并且, 胆固醇的去除会进一步减慢分子扩散速率.本研究有助于从单分子运动角度深入理解生物分子运动行为的复杂性及其对体系环境的依赖性.
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活性物质的自推进特征引发了许多非平衡自组织现象, 而聚合物链的构象自由度可以使链产生独特的平衡自组装行为, 这激发了活性物质与聚合物物理的交叉研究. 本文通过分子动力学模拟, 研究了自驱动活性对ABA 型三嵌段共聚物凝胶化转变的调控. 研究结果表明活性嵌段共聚物凝胶的塌缩源于自驱动活性引起的网络链运动, 活性越大则凝胶网络越容易产生大直径空洞. 在凝胶网络的拓扑缺陷方面, 当A嵌段之间吸引强度较大时, 环链比例随活性力增强而增大, 吸引强度较小时情况则相反. 交联点的分支数随活性的变化除了受到吸引强度的影响, 还与链刚性有关. 在动力学方面, 活性聚合物的定向运动会引发稳定聚合物凝胶整体的反常扩散. 本文的研究有助于增进对活性聚合物集体行为的认识, 为高分子活性材料的设计和应用提供了新的思路.
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量子光源是量子信息处理的关键器件之一, 是量子计算、量子通信、量子模拟等应用的重要基础, 基于量子光源制备量子态并提升其编码容量是量子信息技术发展的重大挑战. 轨道角动量 (OAM) 是光子一种无限维的空间自由度, 其空间模式构成无限维完备的正交基, 利用OAM制备高维量子态可大幅提升量子信息处理容量, 是高维量子信息处理的关键资源. 随着光量子技术的进步, 多种重要光量子器件已可在集成化芯片上实现. 然而, 微纳尺度下制备高维OAM量子态仍是实现量子光源集成化的挑战, 亟需深入研究和突破. 本文综述并讨论了集成化OAM量子光源的研究进展及其研究中面临的热点和难点问题, 为推进高维量子光源在量子信息处理中的研究及实用化进程提供参考.
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在少电子原子精密光谱测量中, 产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键, 也是改善实验测量信噪比的决定性因素. 本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案. 激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得, 根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件, 计算得到亚稳态He, Li+和Be2+的制备效率分别可达3%, 6%和2%以上. 与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比, 激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率, 也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响. 利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域.
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吸收成像是超冷原子实验中定量测量的基础. 典型的成像过程涉及记录探测光场和原子吸收光场的照片. 在拍摄这两张照片的时间间隔内, 由于探测光不可避免的抖动, 会在成像过程中引入条纹噪声模式. 常规的条纹去除算法虽然可以抑制这种噪声, 但由于其忽略了原子吸收效应对噪声信号的调制, 使得原子团上会出现无法完全消除的剩余条纹, 并且这一现象会随着原子密度的增大而愈发明显. 本文提出了一种创新的增强条纹去除算法, 该方法考虑了原子的吸收效应, 并通过主动调制噪声信号的强度, 从根本上避免了剩余条纹的产生并显著提高了成像的信噪比. 在处理均匀费米气体的吸收成像时, 新算法成功将表征原子密度波动的相对标准偏差降低约37%. 此外, 本文还利用该方法对6Li费米原子超流中的第二声波进行了定量观测. 与传统的条纹去除算法相比, 我们的新方法将密度波关联函数的对比度提高了近4倍, 密度响应谱强度提升约15%. 上述结果表明, 增强条纹去除算法不仅可以有效地抑制条纹噪声, 而且更有利于在高密度原子体系中识别和探测一些重要物理效应.
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对蛋白质机器的完整描述应包括其微观结构、热力学和动力学性质与工作机制. 最近兴起的冷冻电镜技术为蛋白质热力学与动力学的研究提供了全新的机遇. 目前已经有一些工作不仅利用冷冻电镜技术解析蛋白质的高分辨率结构, 还结合数据处理方法来分析蛋白质的构象分布并进一步推测其热力学性质. 然而, 利用冷冻电镜技术直接对蛋白质的动力学过程作观测与定量分析的方法还在发展的初级阶段. 本文选取了一个理想的蛋白质系统, 即蓝藻生物钟蛋白对冷冻电镜分析蛋白质非平衡过程的可能性进行探索. 基于已有的实验数据, 将蓝藻生物钟蛋白KaiC的平衡态统计物理模型推广至非平衡态, 对KaiC蛋白处于非平衡态时的动力学特征进行预测. 基于动力学预测结果, 本文揭示了冷冻电镜技术具有分析蓝藻生物钟蛋白的非平衡过程的可能, 为进一步的冷冻电镜实验提供了理论依据.
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高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验研究, 不仅对天体等离子体和聚变等离子体的研究具有重要意义, 而且可以作为一种新的精密谱学工具, 用来检验强场量子电动力学效应、测量同位素移动及提取原子核电荷半径等. 在兰州重离子储存环CSRe上, 安装了专门用于电子-离子复合精密谱学实验的电子束能量调制系统, 质心系下电子-离子碰撞能量的调制范围达到0—1 keV. 在CSRe电子冷却器下游安装了自主研制的塑料闪烁体探测器和多丝正比探测器, 用于探测复合离子. 在此基础上, 使用Kr25+离子在CSRe上进行了首次双电子复合测试实验, 实验测量了质心系能量0—70 eV的双电子复合速率系数. 为了更好地理解实验测量结果, 利用FAC (flexible atomic code)程序计算了Kr25+离子的双电子复合速率系数, 并与实验做了细致对比, 整体符合很好, 而且发现
$ 3{\mathrm{s}}\to 4{\mathrm{l}} \;(\Delta n=1) $
的共振跃迁对实验谱线有很大的贡献. 实验结果表明, CSRe双电子复合实验平台具有非常好的稳定性和可重复性, 能够为下一步开展更高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验、检验强场量子电动力学效应以及原子核性质精密测量等前沿实验提供支持.
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黑体辐射通常具有覆盖整个红外波长范围的宽带光谱, 导致红外波段的大部分能量不能有效利用, 降低了辐射效率. 近年来, 具有二维亚波长人工纳米结构的超构表面因其在调节光学特性方面的灵活性而得到广泛研究, 这为调控热辐射提供了一个理想的平台. 在超构表面中, 采用合成维度方法为热辐射的精细调控开辟了新路径, 尤其突显了超越传统三维体系的物理特性和丰富的拓扑物理. 相比于在三维系统中探索物理现象, 研究一维或二维系统更为可行和高效. 合成维度的方法通过引入系统的结构或物理参数, 为操控光子系统中的内在自由度提供了可能性. 本文研究了利用合成维度方法实现波长选择热辐射. 首先在超晶格模型中构建合成拓扑外尔点, 通过角分辨热辐射谱(ARTES)对合成外尔锥进行实验表征, 在实现了合理的波长选择热辐射的同时能够尽可能地抑制其他波长的辐射, 对于实际的红外应用, 如热光伏和热管理装置, 是必不可少的.
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水下声学在水下通信、水下定位和导航等方面具有广泛的应用. 借助拓扑物理的概念, 研究水基声子晶体中的拓扑态为水下声波的创新性调控提供了一种全新的手段, 既有基础研究价值, 又有重要的应用前景. 本文设计了一种一维的双层铁栅水基声子晶体, 通过把层间的相对横向平移量等效成一个合成维度, 实现了合成二维狄拉克点. 相对平移量的改变导致二重简并能带打开带隙. 伴随着带隙的打开、闭合以及再次打开, 能带发生翻转, 也就是发生拓扑相变, 从一种能谷相变化到另一种能谷相. 在不同能谷相声子晶体构成的界面处, 能谷陈数保证界面态的确定性存在. 数值仿真与实验测量结果吻合良好, 都展示了不同能谷相声子晶体的体能带以及它们之间的界面态色散. 本文提出的水基声子晶体结构简单, 借助合成维度的概念, 为在低维实空间体系中研究高维体系拓扑特性提供了一种有效的途经, 有望为拓扑功能性水声器件的设计提供新思路. 此外, 可以把实空间体系拓展到二维甚至是三维, 并引入更多的合成维度, 用于研究更高维度体系的拓扑态及其输运特性.
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