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國(guó)際上第一個(gè)鈮酸鋰有源光量子芯片 一、項(xiàng)目分類 重大科學(xué)前沿創(chuàng)新、關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、成果簡(jiǎn)介 南京大學(xué)物理學(xué)院祝世寧院士的科研團(tuán)隊(duì)，研制出國(guó)際上第一個(gè)鈮酸鋰有源光量子芯片。該芯片集成了微型化光學(xué)超晶格糾纏光源、波導(dǎo)量子干涉器、波分復(fù)用器及電光調(diào)制器等不同功能器件,實(shí)現(xiàn)了糾纏光子的高效產(chǎn)生、高速電光調(diào)制并完成相應(yīng)的信息處理功能。該芯片由光纖耦合輸入輸出,能在室溫穩(wěn)定工作，工作電壓低于3.55V，調(diào)控速率可達(dá)40GHz。芯片的多項(xiàng)核心指標(biāo)如糾纏光子產(chǎn)率、調(diào)諧速率、調(diào)諧帶寬等創(chuàng)下當(dāng)時(shí)國(guó)際最高水平，為光量子集成光學(xué)和信息處理開(kāi)辟了一條和硅基芯片不同的技術(shù)路線。 成果以編輯推薦形式發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快訊》(Phys. Rev. Lett. ,2014)上，被國(guó)際Physics、IEEE Spectrum等科技媒體重點(diǎn)評(píng)述。成果也成功入選中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展(2014)，以此為主要成果之一的“光學(xué)超晶格中糾纏光子的產(chǎn)生、調(diào)控和應(yīng)用”獲2020年高等學(xué)校自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。以此成果為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)成功獲批和完成基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目，研制出多種高性能量子光源。

本成果成功制備了一種高量子效率的碳點(diǎn)。該碳點(diǎn)在鈍化后具有尺寸均一、分散性良好、發(fā)光強(qiáng)度高等特點(diǎn)。值得說(shuō)明的是該碳點(diǎn)量子效率高達(dá)83%，超越了該研究領(lǐng)域全球的最高值，位居首位。將碳點(diǎn)成功應(yīng)用在了LED器件上，LED呈現(xiàn)明亮的白色光，且色度坐標(biāo)（0.3308,0.3312）非常接近于純白光（0.33,0.33），是一個(gè)高色純度的LED白色熒光粉。

本專利發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)提供一種非碳電極、原料豐富、成本低、快速高效、自下而上的固態(tài)碳量子點(diǎn)的制備方法。碳量子點(diǎn)是一種新型碳納米材料，具有原料豐富、性質(zhì)穩(wěn)定、毒性小、生物相容性好等諸多優(yōu)勢(shì)，在細(xì)胞成像、光電學(xué)、生化傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，已經(jīng)有很多關(guān)于碳量子點(diǎn)方法制備的報(bào)道，主要分為自上而下和自下而上兩大類，其中前者主要通過(guò)剝離技術(shù)從大尺寸的碳原材料剝落下碳納米顆粒，包括激光剝離法、電弧放電法、電化學(xué)氧化法等，這一類方法操作簡(jiǎn)單、原料豐富，可大批量生產(chǎn)碳量子點(diǎn)，但一般需要較復(fù)雜的碳量子點(diǎn)分離純化處理步驟；后者一般以有機(jī)分子（如：葡萄糖）為原材料，通過(guò)碳化的方式將這些分子轉(zhuǎn)化為碳量子點(diǎn)，包括水熱法、微波法等，這類方法合成的碳量子點(diǎn)形貌和尺寸容易控制、表面易修飾，但是一般需要選取合適的特定原料分子。而且，所有上述方法制備出的碳量子點(diǎn)一般為分散溶液的形式，與固態(tài)形式相比，溶液形式的碳量子點(diǎn)的儲(chǔ)存和運(yùn)輸都不方便，為了得到固態(tài)碳量子點(diǎn)，一般需要冷凍干燥方式進(jìn)行處理碳量子點(diǎn)溶液，這種處理方式耗時(shí)長(zhǎng)，且需要專門的儀器設(shè)備。因此，探索一種兼具自上而下和自下而上兩種方法優(yōu)點(diǎn)、簡(jiǎn)單、高效地制備固體碳量子點(diǎn)的方法是非常有必要的。

簡(jiǎn)單、實(shí)用，低成本實(shí)驗(yàn)儀器做前沿物理學(xué)研究。

量子隱形傳態(tài)是建立遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比二維系統(tǒng)，高維量子網(wǎng)絡(luò)具有更高的信道容量、更高的安全性等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)高效的高維量子隱形傳態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前量子信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 為了實(shí)現(xiàn)高維量子通信，李傳鋒、柳必恒等人從2016年開(kāi)始采用光子的路徑自由度編碼，解決了路徑比特的相干性問(wèn)題[PRL 117, 220402 (2016)]，制備出了高保真度的三維糾纏態(tài)[PRL 117, 170403(2016)]；解決路徑維度擴(kuò)展問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)[PRL 125, 080503 (2020)]；解決路徑自由度的傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]等。研究組從2017年起開(kāi)始了高維量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。然而理論研究表明，在線性光學(xué)體系中，必須采用輔助粒子才能實(shí)現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)。 為了實(shí)現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個(gè)輔助糾纏光子對(duì)就可以高效的實(shí)現(xiàn)d維的量子隱形傳態(tài)，從而解決了資源消耗問(wèn)題。然后實(shí)驗(yàn)上利用主動(dòng)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑間的相位鎖定，干涉可見(jiàn)度在45小時(shí)內(nèi)保持在0.98的水平，從而利用六光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維的量子隱形傳態(tài)。研究組對(duì)三維量子隱形傳態(tài)過(guò)程做了過(guò)程層析，保真度達(dá)到0.596，以7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了經(jīng)典極限值1/3，證實(shí)了三維量子隱形傳態(tài)過(guò)程的量子特性。高效的高維量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)為構(gòu)建高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:量子隱形傳態(tài)是建立遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比二維系統(tǒng)，高維量子網(wǎng)絡(luò)具有更高的信道容量、更高的安全性等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)高效的高維量子隱形傳態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前量子信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 為了實(shí)現(xiàn)高維量子通信，李傳鋒、柳必恒等人從2016年開(kāi)始采用光子的路徑自由度編碼，解決了路徑比特的相干性問(wèn)題[PRL 117, 220402 (2016)]，制備出了高保真度的三維糾纏態(tài)[PRL 117, 170403(2016)]；解決路徑維度擴(kuò)展問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)[PRL 125, 080503 (2020)]；解決路徑自由度的傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]等。研究組從2017年起開(kāi)始了高維量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。然而理論研究表明，在線性光學(xué)體系中，必須采用輔助粒子才能實(shí)現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)。 為了實(shí)現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個(gè)輔助糾纏光子對(duì)就可以高效的實(shí)現(xiàn)d維的量子隱形傳態(tài)，從而解決了資源消耗問(wèn)題。然后實(shí)驗(yàn)上利用主動(dòng)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑間的相位鎖定，干涉可見(jiàn)度在45小時(shí)內(nèi)保持在0.98的水平，從而利用六光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維的量子隱形傳態(tài)。研究組對(duì)三維量子隱形傳態(tài)過(guò)程做了過(guò)程層析，保真度達(dá)到0.596，以7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了經(jīng)典極限值1/3，證實(shí)了三維量子隱形傳態(tài)過(guò)程的量子特性。高效的高維量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)為構(gòu)建高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院孫磊教授為第一作者、物信學(xué)院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊《陶瓷國(guó)際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發(fā)表的題為“Al2O3過(guò)渡層優(yōu)化對(duì)ZnO量子點(diǎn)與CuO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射增強(qiáng)作用”（英文題為“Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization”）的論文。 本論文研究ZnO QDs 與傳統(tǒng)一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以一維氧化物納米棒為基體為 ZnO QDs 提供良好的定向電荷傳輸，同時(shí) ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場(chǎng)發(fā)射性能，提出了詳細(xì)的電勢(shì)疊加效應(yīng)和形成機(jī)制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現(xiàn)孤島狀分布且生長(zhǎng)密度低，通過(guò)表面改性工程利用原子層沉積(ALD)工藝先在 CuO NWs 基體上沉積 Al2O3 薄膜，均勻的 Al2O3 薄膜為 ZnO QDs 的生長(zhǎng)提供了良好的成核表面，同時(shí)可以降低基體表面的電子勢(shì)壘高度。這種金屬氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)在很多應(yīng)用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質(zhì)結(jié)密度提高，具有固有光捕獲效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。研究成果為改善單一納米材料器件的場(chǎng)發(fā)射性能提供了有效途徑，也為制備新型結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射器件奠定理論基礎(chǔ)。

北京大學(xué)量子材料中心王健研究組在硅襯底上外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量超薄晶態(tài)鉛膜，與北京大學(xué)謝心澄院士、林熙研究員和北京師范大學(xué)劉海文研究員合作在極低溫下觀測(cè)到反常量子格里菲斯奇異性，并給出理論解釋。這一發(fā)現(xiàn)揭示了超導(dǎo)漲落與自旋軌道耦合效應(yīng)對(duì)于量子相變的重要影響，揭示出量子格里菲斯奇異性在二維超導(dǎo)金屬相變中的普適性。 超導(dǎo)-絕緣體與超導(dǎo)-金屬相變是量子相變的經(jīng)典范例，已有三十余年的研究歷史。所謂量子相變，是指在絕對(duì)零度下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時(shí)隨著參數(shù)變化而發(fā)生的相變。近年來(lái)，隨著薄膜和器件制備工藝的提高，二維晶態(tài)超導(dǎo)體系逐漸成為了研究量子相變的理想平臺(tái)，得到了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。王健研究組與謝心澄院士、馬旭村研究員、林熙研究員、薛其坤院士等合作者在前期二維超導(dǎo)的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)-金屬相變中的量子格里菲斯奇異性 (Science 350, 542 (2015)), 并被同期perspective評(píng)論文章Science 350, 509 (2015)專題報(bào)道。隨后被液態(tài)柵極技術(shù)發(fā)明人東京大學(xué)Iwasa教授的綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽(yù)為二維晶態(tài)超導(dǎo)中三個(gè)最重要的主題之一。量子格里菲斯奇異性的研究表明，無(wú)序可以定性地改變量子相變的臨界行為，其主要特征是趨于量子臨界點(diǎn)時(shí)，二維超導(dǎo)體系的動(dòng)力學(xué)臨界指數(shù)發(fā)散。 最近，王健研究組通過(guò)超高真空分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)在硅襯底上制備出宏觀尺度高質(zhì)量晶態(tài)薄膜，并實(shí)現(xiàn)了厚度為亞納米尺度的原子層級(jí)可控生長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，王健教授與謝心澄院士、林熙研究員、劉海文研究員等人合作，在4個(gè)原子層厚（約1納米）的晶態(tài)鉛膜中發(fā)現(xiàn)了一種具有反常相邊界的超導(dǎo)-金屬相變，并揭示了其中的反常量子格里菲斯奇異性。根據(jù)平均場(chǎng)理論，超導(dǎo)體的上臨界場(chǎng)會(huì)隨著溫度降低而逐漸增加。然而，系統(tǒng)的極低溫實(shí)驗(yàn)表明，4個(gè)原子層厚的鉛膜的相邊界在低溫下具有非常新奇的反常特性：隨著溫度降低，鉛膜的上臨界場(chǎng)（onset Bc2）在低溫下也逐漸降低。沿著反常相邊界對(duì)鉛膜的磁阻曲線進(jìn)行標(biāo)度理論分析發(fā)現(xiàn)，在趨近于量子臨界點(diǎn)附近臨界指數(shù)隨著磁場(chǎng)減小而迅速增大直至發(fā)散，該現(xiàn)象與前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的臨界指數(shù)隨著磁場(chǎng)增大而發(fā)散的行為不同，故稱為反常量子格里菲斯奇異性。考慮到這類二維超導(dǎo)體系具有很強(qiáng)的自旋軌道耦合，研究團(tuán)隊(duì)基于超導(dǎo)漲落理論發(fā)展了一套新的唯象理論模型，定量地解釋了這一反常相邊界。在自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)的共同作用下，超導(dǎo)-金屬相邊界偏離平均場(chǎng)理論而向外突出，并在反常相邊界處呈現(xiàn)出量子格里菲斯奇異性。這一新奇量子相變的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了量子格里菲斯奇異性在不同相邊界的超導(dǎo)-金屬相變中具有普適性，并進(jìn)一步揭示出自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)對(duì)于超導(dǎo)-金屬相變的影響，為深入理解二維晶態(tài)超導(dǎo)體中的量子相變現(xiàn)象提供了一個(gè)新的視角。圖1 四個(gè)原子層厚晶態(tài)鉛膜中的反常量子格里菲斯奇異性。(a) 鉛膜在零磁場(chǎng)下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。插圖是輸運(yùn)測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 在0到5特斯拉不同外加磁場(chǎng)下鉛膜電阻隨溫度的變化曲線。 (c) 鉛膜在低溫下表現(xiàn)出反常相邊界，與超導(dǎo)漲落唯象理論模型一致。 (d) 臨界指數(shù)隨著磁場(chǎng)減小而迅速增大，直至發(fā)散，是反常量子格里菲斯奇異性的特征。圖2 反常量子格里菲斯奇異性相圖示意圖。在自旋軌道耦合和超導(dǎo)漲落的作用下，平均場(chǎng)理論的相邊界（藍(lán)色虛線）向外突出形成新的相邊界（紅色實(shí)線）。當(dāng)溫度低于T^'時(shí)，紅色實(shí)線代表反常相邊界。沿著反常相邊界趨于無(wú)限隨機(jī)量子臨界點(diǎn)B_c^*可以觀測(cè)到反常量子格里菲斯奇異性。 該工作于2019年8月12日發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》。(Nature Communications 10, 3633 (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-11607-w): https://www.nature.com/articles/s41467-019-11607-w 北京大學(xué)王健研究組博雅博士后劉易和研究生王子喬為文章共同第一作者，北京大學(xué)王健教授和北京師范大學(xué)劉海文研究員是本文的共同通訊作者。其余作者包括謝心澄院士，林熙研究員，以及王健研究組本科生唐鉞、博士生劉超飛、陳澄、邢穎（已畢業(yè)）、博士后王慶艷（已出站），和林熙組博士生閃普甲。 該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、北京市自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金、中央高校基本科研基金的支持。

福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院孫磊教授為第一作者、物信學(xué)院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊《陶瓷國(guó)際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發(fā)表的題為“Al2O3過(guò)渡層優(yōu)化對(duì)ZnO量子點(diǎn)與CuO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射增強(qiáng)作用”（英文題為“Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization”）的論文。 本論文研究ZnO QDs 與傳統(tǒng)一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以一維氧化物納米棒為基體為 ZnO QDs 提供良好的定向電荷傳輸，同時(shí) ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場(chǎng)發(fā)射性能，提出了詳細(xì)的電勢(shì)疊加效應(yīng)和形成機(jī)制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現(xiàn)孤島狀分布且生長(zhǎng)密度低，通過(guò)表面改性工程利用原子層沉積(ALD)工藝先在 CuO NWs 基體上沉積 Al2O3 薄膜，均勻的 Al2O3 薄膜為 ZnO QDs 的生長(zhǎng)提供了良好的成核表面，同時(shí)可以降低基體表面的電子勢(shì)壘高度。這種金屬氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)在很多應(yīng)用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質(zhì)結(jié)密度提高，具有固有光捕獲效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。研究成果為改善單一納米材料器件的場(chǎng)發(fā)射性能提供了有效途徑，也為制備新型結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射器件奠定理論基礎(chǔ)。

"本項(xiàng)目研發(fā)的新型量子吸藍(lán)光材料，用于防藍(lán)光眼鏡，防藍(lán)光護(hù)眼貼膜等產(chǎn)品。可用于防護(hù)液晶（LCD）和有機(jī)電致發(fā)光（OLED）手機(jī)，電腦顯示器等電子產(chǎn)品顯示器屏幕發(fā)出的高能藍(lán)光，實(shí)現(xiàn)健康護(hù)眼的目的。 該種新型量子吸藍(lán)光材料具有超強(qiáng)的光波過(guò)濾功能，比市面現(xiàn)有主流吸藍(lán)光材料效果高10－100倍，處于世界領(lǐng)先水平。在技術(shù)層面優(yōu)于市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品。依托于先進(jìn)的新型量子技術(shù)制備防藍(lán)光護(hù)眼鏡片和護(hù)眼貼膜，可高效吸收藍(lán)光，從根本上解決電子產(chǎn)品藍(lán)光傷害這一社會(huì)痛點(diǎn)問(wèn)題。 本項(xiàng)目量子防藍(lán)光眼鏡和貼膜產(chǎn)品的生產(chǎn)有兩條技術(shù)路線，主要步驟如下： 1、無(wú)機(jī)吸藍(lán)光材料分散在聚合物基材（如聚碳酸酯,聚丙烯酸酯）中直接成型； 2、無(wú)機(jī)吸藍(lán)光材料分散在紫外光固化膠水中，采用涂布技術(shù)制作鏡片或者可貼合膜片。"