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國際上第一個鈮酸鋰有源光量子芯片 一、項目分類 重大科學前沿創新、關鍵核心技術突破 二、成果簡介 南京大學物理學院祝世寧院士的科研團隊，研制出國際上第一個鈮酸鋰有源光量子芯片。該芯片集成了微型化光學超晶格糾纏光源、波導量子干涉器、波分復用器及電光調制器等不同功能器件,實現了糾纏光子的高效產生、高速電光調制并完成相應的信息處理功能。該芯片由光纖耦合輸入輸出,能在室溫穩定工作，工作電壓低于3.55V，調控速率可達40GHz。芯片的多項核心指標如糾纏光子產率、調諧速率、調諧帶寬等創下當時國際最高水平，為光量子集成光學和信息處理開辟了一條和硅基芯片不同的技術路線。 成果以編輯推薦形式發表在物理學頂級期刊《物理評論快訊》(Phys. Rev. Lett. ,2014)上，被國際Physics、IEEE Spectrum等科技媒體重點評述。成果也成功入選中國光學十大進展(2014)，以此為主要成果之一的“光學超晶格中糾纏光子的產生、調控和應用”獲2020年高等學校自然科學獎一等獎。以此成果為基礎，團隊成功獲批和完成基金委重大科研儀器研制項目，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。該碳點在鈍化后具有尺寸均一、分散性良好、發光強度高等特點。值得說明的是該碳點量子效率高達83%，超越了該研究領域全球的最高值，位居首位。將碳點成功應用在了LED器件上，LED呈現明亮的白色光，且色度坐標（0.3308,0.3312）非常接近于純白光（0.33,0.33），是一個高色純度的LED白色熒光粉。

本專利發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，設計提供一種非碳電極、原料豐富、成本低、快速高效、自下而上的固態碳量子點的制備方法。碳量子點是一種新型碳納米材料，具有原料豐富、性質穩定、毒性小、生物相容性好等諸多優勢，在細胞成像、光電學、生化傳感器等領域具有巨大的應用潛力。目前，已經有很多關于碳量子點方法制備的報道，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、電化學氧化法等，這一類方法操作簡單、原料豐富，可大批量生產碳量子點，但一般需要較復雜的碳量子點分離純化處理步驟；后者一般以有機分子（如：葡萄糖）為原材料，通過碳化的方式將這些分子轉化為碳量子點，包括水熱法、微波法等，這類方法合成的碳量子點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一般為分散溶液的形式，與固態形式相比，溶液形式的碳量子點的儲存和運輸都不方便，為了得到固態碳量子點，一般需要冷凍干燥方式進行處理碳量子點溶液，這種處理方式耗時長，且需要專門的儀器設備。因此，探索一種兼具自上而下和自下而上兩種方法優點、簡單、高效地制備固體碳量子點的方法是非常有必要的。

簡單、實用，低成本實驗儀器做前沿物理學研究。

成果描述：苯酚是重要的基本有機化工原料，在工業上具有廣泛的用途，其需求量大，主要用于生產雙酚Ａ(亞異丙基二酚)和酚醛樹脂，也用于生產己內酰胺、苯胺、烷基酚、脂肪酸等產品, 此外，苯酚還可直接用作化學試劑、防腐劑和消毒劑。近年來，由于電子通訊、汽車工業和建筑業的迅猛發展，苯酚的一些下游產品需求增長較快，相應帶動了對苯酚需求的強勁增長，世界苯酚需求大約以年均3%~4%的速度增長。目前世界上生產苯酚的主要方法有異丙苯法、甲苯-苯甲酸法。其中異丙苯法是目前世界上生產苯酚最主要的方法，其生產能力約占世界苯酚總生產能力的92 %，目前，苯酚合成工藝正向無廢、少廢、不聯產丙酮技術發展。 本成果提供原料易得、價廉、制備成本低、性能穩定、壽命長、可重復使用的催化劑。采用活性炭直接作為苯羥基化制取苯酚的催化劑，可獲得單程收率12%，選擇性75-80%，重復10次左右活性保持基本不變；經硝酸氧化改性的活性炭浸漬負載硫酸鐵后烘干，制得載鐵活性炭，采用載鐵活性炭作為催化劑，可實現溫和條件下（30℃，接近常溫）高選擇性制取苯酚，收率可提高到20%，選擇性達到90%以上；采用連續流動反應器體系，在優化的工藝條件下，最好可得到苯酚收率28.1%和選擇性大于98%。此成果中的載鐵活性炭有較好的的實用性，可用于取代苯的環氧化。市場前景分析：該項技術可應用于化工生產企業，使用該項技術，可以避免副產物，苯酚單程收率高，原料可回收進一步使用，生產過程更容易達到環評要求。與同類成果相比的優勢分析：催化劑活性評價： 30 °C、苯:H2O2為 1:3、載鐵催化劑用量0.5g、反應時間4~7 h，苯酚收率> 20 %。 催化劑穩定性評價： 30 °C、苯:H2O2為 1:3、載鐵催化劑用量0.5g、反應時間4~7 h，催化劑重復3次，活性保持基本不變。 國內先進。

量子隱形傳態是建立遠距離量子網絡的關鍵技術之一。相比二維系統，高維量子網絡具有更高的信道容量、更高的安全性等優點，受到人們的廣泛關注。如何實現高效的高維量子隱形傳態，從而實現高效的高維量子網絡是當前量子信息領域的研究熱點之一。 為了實現高維量子通信，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[PRL 117, 170403(2016)]；解決路徑維度擴展問題，實現了32維量子糾纏態[PRL 125, 080503 (2020)]；解決路徑自由度的傳輸問題，實現了高維量子糾纏態在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的實驗研究。然而理論研究表明，在線性光學體系中，必須采用輔助粒子才能實現高維量子隱形傳態。 為了實現高維量子隱形傳態，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個輔助糾纏光子對就可以高效的實現d維的量子隱形傳態，從而解決了資源消耗問題。然后實驗上利用主動反饋技術實現路徑間的相位鎖定，干涉可見度在45小時內保持在0.98的水平，從而利用六光子系統實現了三維的量子隱形傳態。研究組對三維量子隱形傳態過程做了過程層析，保真度達到0.596，以7個標準差超過了經典極限值1/3，證實了三維量子隱形傳態過程的量子特性。高效的高維量子隱形傳態的實現為構建高效的高維量子網絡打下堅實的基礎。

項目成果/簡介:量子隱形傳態是建立遠距離量子網絡的關鍵技術之一。相比二維系統，高維量子網絡具有更高的信道容量、更高的安全性等優點，受到人們的廣泛關注。如何實現高效的高維量子隱形傳態，從而實現高效的高維量子網絡是當前量子信息領域的研究熱點之一。 為了實現高維量子通信，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[PRL 117, 170403(2016)]；解決路徑維度擴展問題，實現了32維量子糾纏態[PRL 125, 080503 (2020)]；解決路徑自由度的傳輸問題，實現了高維量子糾纏態在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的實驗研究。然而理論研究表明，在線性光學體系中，必須采用輔助粒子才能實現高維量子隱形傳態。 為了實現高維量子隱形傳態，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個輔助糾纏光子對就可以高效的實現d維的量子隱形傳態，從而解決了資源消耗問題。然后實驗上利用主動反饋技術實現路徑間的相位鎖定，干涉可見度在45小時內保持在0.98的水平，從而利用六光子系統實現了三維的量子隱形傳態。研究組對三維量子隱形傳態過程做了過程層析，保真度達到0.596，以7個標準差超過了經典極限值1/3，證實了三維量子隱形傳態過程的量子特性。高效的高維量子隱形傳態的實現為構建高效的高維量子網絡打下堅實的基礎。

項目成果/簡介:福州大學至誠學院孫磊教授為第一作者、物信學院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領域國際權威期刊《陶瓷國際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發表的題為“Al2O3過渡層優化對ZnO量子點與CuO納米線復合結構的場發射增強作用”（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 與傳統一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質結構，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 ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場發射性能，提出了詳細的電勢疊加效應和形成機制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現孤島狀分布且生長密度低，通過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 的生長提供了良好的成核表面，同時可以降低基體表面的電子勢壘高度。這種金屬氧化物異質結構在很多應用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質結密度提高，具有固有光捕獲效應等優點。研究成果為改善單一納米材料器件的場發射性能提供了有效途徑，也為制備新型結構的場發射器件奠定理論基礎。

北京大學量子材料中心王健研究組在硅襯底上外延生長了高質量超薄晶態鉛膜，與北京大學謝心澄院士、林熙研究員和北京師范大學劉海文研究員合作在極低溫下觀測到反常量子格里菲斯奇異性，并給出理論解釋。這一發現揭示了超導漲落與自旋軌道耦合效應對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金屬相變中的普適性。 超導-絕緣體與超導-金屬相變是量子相變的經典范例，已有三十余年的研究歷史。所謂量子相變，是指在絕對零度下系統處于量子基態時隨著參數變化而發生的相變。近年來，隨著薄膜和器件制備工藝的提高，二維晶態超導體系逐漸成為了研究量子相變的理想平臺，得到了國際學術界的廣泛關注。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的相關研究中發現了超導-金屬相變中的量子格里菲斯奇異性 (Science 350, 542 (2015)), 并被同期perspective評論文章Science 350, 509 (2015)專題報道。隨后被液態柵極技術發明人東京大學Iwasa教授的綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽為二維晶態超導中三個最重要的主題之一。量子格里菲斯奇異性的研究表明，無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時，二維超導體系的動力學臨界指數發散。 最近，王健研究組通過超高真空分子束外延生長技術在硅襯底上制備出宏觀尺度高質量晶態薄膜，并實現了厚度為亞納米尺度的原子層級可控生長。在此基礎上，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個原子層厚（約1納米）的晶態鉛膜中發現了一種具有反常相邊界的超導-金屬相變，并揭示了其中的反常量子格里菲斯奇異性。根據平均場理論，超導體的上臨界場會隨著溫度降低而逐漸增加。然而，系統的極低溫實驗表明，4個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（onset Bc2）在低溫下也逐漸降低。沿著反常相邊界對鉛膜的磁阻曲線進行標度理論分析發現，在趨近于量子臨界點附近臨界指數隨著磁場減小而迅速增大直至發散，該現象與前期實驗中發現的臨界指數隨著磁場增大而發散的行為不同，故稱為反常量子格里菲斯奇異性。考慮到這類二維超導體系具有很強的自旋軌道耦合，研究團隊基于超導漲落理論發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漲落效應的共同作用下，超導-金屬相邊界偏離平均場理論而向外突出，并在反常相邊界處呈現出量子格里菲斯奇異性。這一新奇量子相變的發現，證實了量子格里菲斯奇異性在不同相邊界的超導-金屬相變中具有普適性，并進一步揭示出自旋軌道耦合與超導漲落效應對于超導-金屬相變的影響，為深入理解二維晶態超導體中的量子相變現象提供了一個新的視角。圖1 四個原子層厚晶態鉛膜中的反常量子格里菲斯奇異性。(a) 鉛膜在零磁場下的超導轉變曲線。插圖是輸運測量結構示意圖。(b) 在0到5特斯拉不同外加磁場下鉛膜電阻隨溫度的變化曲線。 (c) 鉛膜在低溫下表現出反常相邊界，與超導漲落唯象理論模型一致。 (d) 臨界指數隨著磁場減小而迅速增大，直至發散，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漲落的作用下，平均場理論的相邊界（藍色虛線）向外突出形成新的相邊界（紅色實線）。當溫度低于T^'時，紅色實線代表反常相邊界。沿著反常相邊界趨于無限隨機量子臨界點B_c^*可以觀測到反常量子格里菲斯奇異性。 該工作于2019年8月12日發表于著名學術期刊《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，北京大學王健教授和北京師范大學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）、博士后王慶艷（已出站），和林熙組博士生閃普甲。 該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金、博士后科學基金、中央高校基本科研基金的支持。

福州大學至誠學院孫磊教授為第一作者、物信學院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領域國際權威期刊《陶瓷國際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發表的題為“Al2O3過渡層優化對ZnO量子點與CuO納米線復合結構的場發射增強作用”（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 與傳統一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質結構，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 ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場發射性能，提出了詳細的電勢疊加效應和形成機制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現孤島狀分布且生長密度低，通過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 的生長提供了良好的成核表面，同時可以降低基體表面的電子勢壘高度。這種金屬氧化物異質結構在很多應用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質結密度提高，具有固有光捕獲效應等優點。研究成果為改善單一納米材料器件的場發射性能提供了有效途徑，也為制備新型結構的場發射器件奠定理論基礎。