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北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心的韓偉研究員和謝心澄院士，以及日本理化學(xué)研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在國際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰寫綜述文章，介紹“自旋流--新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領(lǐng)域的前沿進(jìn)展。 自旋電子學(xué)起源于巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，與相關(guān)研究的不斷深入，新的自旋流現(xiàn)象與機(jī)制不斷被拓展，相關(guān)研究證明一系列的粒子或者準(zhǔn)粒子攜帶的自旋都能夠形成自旋流，比如磁性絕緣體中的磁振子、超導(dǎo)體中自旋三重態(tài)和準(zhǔn)粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導(dǎo)態(tài)等。尤其是對于量子材料而言，由于其往往具有獨(dú)特的自旋性質(zhì)，基于自旋流探針的研究方法就成為了表征量子材料物性的有效手段。 量子材料都是凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿之一，其量子性質(zhì)起源于諸多量子效應(yīng)，包括低維尺寸效應(yīng)，量子限域效應(yīng)，量子相干效應(yīng)，量子阻挫效應(yīng)，能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫裕孕壍礼詈希瑢ΨQ性限制等等。量子材料包括石墨烯，高溫超導(dǎo)體，拓?fù)浣^緣體，外爾半金屬，量子自旋液體，自旋超流體等等。量子材料可以表現(xiàn)出諸多與自旋相關(guān)的量子性質(zhì)，如二維過渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓?fù)浣^緣體當(dāng)中的自旋-動量鎖定等。因?yàn)榱孔硬牧系淖孕龑傩栽谙乱淮牧孔有畔⒋鎯土孔佑?jì)算科學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用潛力，所以研究量子材料的自旋相關(guān)性質(zhì)得到了廣泛關(guān)注。 為了研究量子材料的自旋性質(zhì)，發(fā)展一種易于實(shí)現(xiàn)和操控的高效工具顯得尤為迫切與關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家的不懈努力下，成功的證實(shí)了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測手段。一系列激發(fā)和探測自旋流的方法被提出并得以實(shí)現(xiàn)，從而證實(shí)了基于自旋流探針的量子材料物性研究的廣泛適用性。 迄今為止，相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)自旋流能夠以超導(dǎo)體系中的自旋三重態(tài)庫珀對和超導(dǎo)準(zhǔn)粒子、量子自旋液體中的自旋子、磁性絕緣體和自旋超流體中的磁振子為載體進(jìn)行傳播，相關(guān)物理圖像被總結(jié)在表1中。本篇綜述文章著重介紹了在五類主要的量子材料體系中的基于自旋流探針的物性研究。第一類是超導(dǎo)材料體系，自旋流探針可以被用來驗(yàn)證自旋三重態(tài)的存在以及自旋動力學(xué)的演化過程。第二類是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來驗(yàn)證自旋子攜帶的自旋角動量的有效傳播過程。第三類是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當(dāng)中的集體激發(fā)行為。第四類是雜化量子激發(fā)體系，自旋流以磁振子-聲子雜化模式（磁振子-極化子）或磁振子-光子雜化模式（磁振子-極化激元）為載體進(jìn)行傳播。第五類是自旋超流體系，自旋流以玻色愛因斯坦凝聚中的自旋量子數(shù)為1的玻色子為載體進(jìn)行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。 這些重要的研究進(jìn)展已經(jīng)充分證實(shí)了基于自旋流探針的物性表征對于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會極大的推動新穎量子材料的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)物理性質(zhì)的研究。例如量子霍爾和量子自旋霍爾材料，量子鐵磁體和反鐵磁體，六角晶格體系中的量子手征聲子，自旋和力耦合的量子系統(tǒng)，超導(dǎo)體中的自旋動力學(xué)和鐵磁與超導(dǎo)界面的超導(dǎo)能隙，自旋三重態(tài)超導(dǎo)體中的超導(dǎo)對稱性，強(qiáng)耦合自旋系統(tǒng)中的雜化激發(fā)，拓?fù)浯耪褡硬牧希孔幼孕后w中的自旋子，自旋超流體約瑟夫森效應(yīng)，以及其他任何作為自旋流載體的量子態(tài)。另外，這一領(lǐng)域的進(jìn)展還將推動自旋成像技術(shù)的發(fā)展，如利用自旋極化掃描隧道顯微鏡和氮空位色心顯微鏡技術(shù)對量子材料體系中自旋流的原位探測。

傳統(tǒng)的光學(xué)顯微系統(tǒng)受到阿貝衍射極限原理的限制，無法分辨尺度小于~200nm的事物，為了突破衍射極限，超分辨熒光顯微技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在生物成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)成像采集過程，超分辨方法主要可分為兩類。一種是單分子定位顯微方法（SMLM），通過熒光分子的光開關(guān)特性，孤立每個(gè)發(fā)光分子進(jìn)行單獨(dú)定位。此類方法具有不受衍射極限限制的特點(diǎn)，可以得到10-40nm的超高分辨率，但由于分子激活漂白的循環(huán)步驟使得采集速度和成像時(shí)間較慢。另一種是如結(jié)構(gòu)光照明等寬場成像的超分辨顯微技術(shù)，可以通過獲得相鄰區(qū)域/熒光分子間一定程度的響應(yīng)差異來實(shí)現(xiàn)分辨率的提升。寬場成像的方法具有較高的時(shí)間采集效率，但由于同時(shí)激發(fā)視野內(nèi)的全部分子，使得其分辨能力往往在100nm以上。目前還缺乏一種方法在理論上可以有效的兼顧寬場成像的時(shí)間采集效率和單分子定位方法的空間分辨率，因此亟需提出一種基于寬場成像對熒光分子高效調(diào)制的技術(shù)方案。 超分辨方法其本質(zhì)都是通過識別單個(gè)熒光分子的獨(dú)立的發(fā)射特性獲得該分子的空間定位。如果可以對寬場成像中衍射極限以內(nèi)各個(gè)發(fā)光分子熒光發(fā)射差異實(shí)現(xiàn)主動控制，則有可能獲得更好的超分辨顯微結(jié)果。近期，物理學(xué)院介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室極端光學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了基于量子相干控制原理主動調(diào)制分子熒光發(fā)射而獲得超分辨熒光顯微的方法（SNAC），在寬場成像下實(shí)現(xiàn)了分辨率的提升。課題組在ZnCdS量子點(diǎn)體系下獲得衍射極限范圍內(nèi)各個(gè)量子點(diǎn)的差異化激發(fā)。通過設(shè)計(jì)多個(gè)整形脈沖，單個(gè)ZnCdS量子點(diǎn)的熒光差異性會得到增強(qiáng)。課題組通過周期性改變整形脈沖和傅立葉增強(qiáng)提取熒光響應(yīng)的差異。同時(shí)，主動控制的圖像采集方案可以有效的抑制系統(tǒng)中不隨調(diào)制周期變化的泊松隨機(jī)噪聲和CMOS工藝導(dǎo)致的固定噪聲，極大的提升了信噪比。接著，利用獨(dú)立開發(fā)的混合周期（Combination-FFT）和多高斯擬合定位算法獲得最終的超分辨重建結(jié)果。研究模擬了鄰近雙點(diǎn)熒光發(fā)射的超分辨定位，其結(jié)果可以很好的分辨出低至50nm的相鄰熒光分子。對于密集標(biāo)記的線性結(jié)構(gòu)，SNAC的分辨能力同樣有顯著性的提高，獲得了30nm左右的徑向定位精度。在量子點(diǎn)標(biāo)記的COS7細(xì)胞樣品的維管結(jié)構(gòu)區(qū)域清晰的觀測到了維管的平行取向和姿態(tài)排布以及纖維交叉區(qū)域的95.3nm的鄰近雙峰，顯示出了比已有多種寬場超分辨方法更好的重建結(jié)果。這個(gè)研究將脈沖整形作為新的控制維度引入熒光超分辨，并將寬場超分辨成像技術(shù)的分辨率提升到了與單分子定位方法接近的50nm的水平。

量子照明雷達(dá)是新興的研究方向，是量子信息技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物。而量子信息技術(shù)又是古老的量子力學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，不少研究者因晦澀的量子力學(xué)而望而卻步。為了降低量子照明雷達(dá)的神秘感，打破抽象壁壘，我們創(chuàng)造性地發(fā)展了量子照明雷達(dá)的高效仿真技術(shù)，對于未來實(shí)現(xiàn)量子雷達(dá)的普及與推廣具有重要意義。 截止目前，尚未見到關(guān)于量子照明雷達(dá)仿真平臺的相關(guān)報(bào)道。而該成果基于MATLAB這一易于上手的計(jì)算機(jī)數(shù)值平臺，溝通了抽象的量子力學(xué)與具體的量子目標(biāo)探測之間的橋梁，具有創(chuàng)新性和國內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)先進(jìn)性。 經(jīng)過近五年的研究和近兩年教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)，該成果不斷豐富和完善，通過可視化的工作界面，可以給出量子信號源的關(guān)鍵物理參數(shù)分析、量子態(tài)演化過程、多份量子態(tài)條件下量子照明雷達(dá)的虛警概率分析等多個(gè)方面的圖形化界面，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。鑒于量子雷達(dá)技術(shù)是未來新體制雷達(dá)的重要技術(shù)途徑之一，本成果將有望在空間、水下目標(biāo)探測方面取得應(yīng)用，市場應(yīng)前景廣闊。截止到目前，該成果已經(jīng)應(yīng)用于高年級本科生的培養(yǎng)與實(shí)訓(xùn)和北京某研究所的新體制目標(biāo)探測項(xiàng)目研發(fā)中。

在化學(xué)反應(yīng)中，量子干涉現(xiàn)象普遍存在。但是，想要準(zhǔn)確理解這些干涉產(chǎn)生的根源非常困難，因?yàn)檫@些干涉圖樣復(fù)雜，且在實(shí)驗(yàn)上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。H+H2及其同位素的反應(yīng)，是所有化學(xué)反應(yīng)中最簡單的。該體系只涉及三個(gè)電子，因此比較容易精確計(jì)算出這三個(gè)原子在不同構(gòu)型時(shí)的相互作用力。在此基礎(chǔ)上，通過求解相應(yīng)的描述化學(xué)反應(yīng)過程的薛定諤方程，就能夠?qū)崿F(xiàn)分子反應(yīng)動力學(xué)過程的計(jì)算機(jī)模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學(xué)反應(yīng)過程。研究團(tuán)隊(duì)在2019年先期理論研究

國際上第一個(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)國際最高水平，為光量子集成光學(xué)和信息處理開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)頂級期刊《物理評論快訊》(Phys. Rev. Lett. ,2014)上，被國際Physics、IEEE Spectrum等科技媒體重點(diǎn)評述。成果也成功入選中國光學(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，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，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)、簡單、高效地制備固體碳量子點(diǎn)的方法是非常有必要的。

簡單、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題。然后實(shí)驗(yàn)上利用主動反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑間的相位鎖定，干涉可見度在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)。研究組對三維量子隱形傳態(tài)過程做了過程層析，保真度達(dá)到0.596，以7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差超過了經(jīng)典極限值1/3，證實(shí)了三維量子隱形傳態(tài)過程的量子特性。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)。