中國人民大學物理學系三項國際前沿研究取得突破

　　中國人民大學物理學系三個研究團隊分別在離子阱量子模擬、新奇量子磁性、低維量子材料制備與調(diào)控等物理學前沿領(lǐng)域研究中取得了突破性進展，相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）、《自然·通訊》（Nature Communications）和《自然·材料》（Nature Materials）等國際頂級期刊上，為同領(lǐng)域的相關(guān)研究貢獻力量。

　　在教育部剛剛公布的《教育部辦公廳關(guān)于公布2020年度國家級和省級一流本科專業(yè)建設(shè)點名單的通知》中，中國人民大學物理學專業(yè)入選國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點。

　　物理學系自主搭建離子阱量子實驗平臺

　　張威和張翔團隊近期取得重要研究成果

　　背景介紹

　　隨著工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展，以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對人類社會產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。離子阱系統(tǒng)是用于精確操控量子狀態(tài)的精密科學儀器，是量子計算及量子信息處理領(lǐng)域中最早被提出、也是一直處于引領(lǐng)地位的實驗體系之一。中國人民大學物理學系量子光學和離子阱教學實驗平臺，是我校自主研究搭建，于2016年起由物理學系張威教授和張翔副教授組織籌劃，開設(shè)地點位于中國人民大學理工樓?，F(xiàn)已搭建了多套能夠同時囚禁兩種離子（鐿離子和鈣離子）的高性能離子阱，實現(xiàn)并掌握了離子的裝載、激光冷卻、初態(tài)制備、量子態(tài)熒光探測、微波相干控制、Raman激光相干控制與基態(tài)冷卻等重要技術(shù)，正在進行多個基于囚禁離子的量子計算、量子模擬、量子精密測量以及量子機器學習的實驗。

　　該實驗室是目前國內(nèi)最前沿的囚禁離子量子科學實驗室之一。搭建過程中，團隊成員堅持技術(shù)導向，核心設(shè)備離子阱與核心的集成控制系統(tǒng)，由團隊成員自己研制而成。建成的離子阱實驗系統(tǒng)，在量子計算，量子模擬，量子精密測量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　研究成果

   　　近日，該團隊利用實驗系統(tǒng)囚禁單個離子并實現(xiàn)了宇稱時間反演對稱性的非厄米模型，成功測量了其量子演化過程，并提出了通過測量直接確定奇異點（Exceptional Point, EP）的方法，同時引入了周期性的系統(tǒng)哈密頓量，建立并測得豐富的相圖。該成果的研究論文《基于單離子的宇稱時間對稱系統(tǒng)奇異點探測》（Experimental Determination of PT-Symmetric Exceptional Points in a Single Trapped Ion）于2021年2月23日刊發(fā)于國際物理學頂級學術(shù)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters 126, 083604 (2021)）。該論文全部作者單位均為中國人民大學，包括第一作者物理系博士生丁亮宇，通訊作者張威教授和張翔副教授，其他作者博士生施凱燁、張球新及已畢業(yè)碩士研究生申丹娜。該工作從理論方案、實驗設(shè)計、系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集處理到文章撰寫，均完全由該小組獨立完成，這也標志著中國人民大學離子量子阱科學實驗室已經(jīng)正式開啟了向量子科學最前沿領(lǐng)域的研究攻關(guān)旅程。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、教育部裝備預(yù)研聯(lián)合基金以及中國人民大學研究基金的資助與支持。

　?。ㄖ袊嗣翊髮W物理學系離子量子科學實驗室）

　　于偉強團隊在量子磁性材料的拓撲相研究中取得重要突破

　　背景介紹

　　物理學家Berezinskii、Kosterlitz 和 Thouless 在磁性材料中提出一種實空間拓撲相變，后以此命名為BKT相變，為超越朗道對稱破缺理論范式的研究開啟了一個新世界。Kosterlitz 和 Thouless藉此理論獲得2016年諾貝爾物理學獎，然而在磁性材料中BKT相的探尋一直未能實現(xiàn)。

　　于偉強團隊一直致力于凝聚態(tài)核磁共振和極端條件調(diào)控，在我校成功搭建了國內(nèi)最低溫的核磁共振譜儀系統(tǒng)，這也是是該實驗成功的關(guān)鍵因素之一。該團隊近年來重點對量子磁性材料進行研究，揭示了多種新奇量子態(tài)和量子相變現(xiàn)象。除本項成果外，他們還發(fā)現(xiàn)了磁場誘導的近Kitaev量子自旋液體態(tài)[物理評論快報，2017，高被引論文]，在一維依辛鏈材料的一維量子臨界點[物理評論快報，2019]等。這些成果對強關(guān)聯(lián)體系中新凝聚態(tài)物質(zhì)的認識和量子計算等方面具有一定意義。

　　研究成果

　　近期，中國人民大學于偉強核磁共振團隊和南京大學、中科院物理所、北京航空航天大學和復旦大學等幾個團隊合作，首次在磁性晶體材料中找到BKT相存在的實驗證據(jù)，這一工作為BKT理論提供了一個具體的例子和理想的平臺，為其研究打開了新的突破點，對未來的拓撲物態(tài)的研究具有一定意義。

　　該成果于2020年11月在線刊發(fā)在《自然·通訊》上。中國人民大學博士生胡澤、湖北師范大學馬禎、中科院物理所廖元達、北京航空航天大學李涵為該論文的共同第一作者，于偉強教授、溫錦生教授、孟子楊教授、李偉教授和戚揚教授為共同通訊作者，中國人民大學為論文第一單位。該工作得到了科技部、國家自然科學基金、以及中國人民大學研究基金的支持。

　?。ê舜殴舱裨O(shè)備和實驗示意圖）

　　季威及合作團隊發(fā)現(xiàn)空氣中穩(wěn)定且層間磁性高度可調(diào)的二維原子晶體

　　背景介紹

　　電子同時具有電荷與自旋兩個內(nèi)稟自由度，電荷在電場下的定向運動產(chǎn)生電流，自旋的有序排列則導致磁性。過去的幾十年，人們把電子的電荷屬性利用到了極致，令我們充分享受了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字時代的便利。1988年，費爾（Albert Fert）和克魯伯格（Peter Grünberg）發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻效應(yīng)”，揭示了電子的另外一個屬性——自旋的作用，喚醒了沉睡多年的電子自旋自由度，開創(chuàng)了“自旋電子學”的新領(lǐng)域，并被授予了2007年諾貝爾物理學獎。這項發(fā)現(xiàn)直接導致了磁盤存儲能力呈幾何級數(shù)地增長，進而推動了大數(shù)據(jù)時代提前到來。

　　以石墨烯（2010年諾貝爾物理學獎）為代表的二維材料是一類層狀晶體，每層僅由一個或幾個原子層通過共價鍵鏈接構(gòu)成，層間則通過范德瓦爾斯等非共價相互作用結(jié)合。與傳統(tǒng)材料相比，二維材料在材料表征、物性測量和外場調(diào)控等方面有得天獨厚的優(yōu)勢，如與自旋電子學強強聯(lián)合，可以為探索低維磁性基本物理和潛在器件應(yīng)用提供理想的平臺。

　　2017年，實驗證實在單層CrI3中和在弱磁場輔助下的雙層Cr2Ge2Te6中可以穩(wěn)定存在鐵磁序。迄今為止，實驗上已經(jīng)在CrI3,、Cr2Ge2Te6、CrTe2、MnSex、Fe3GeTe2等幾種二維材料中觀測到了本征鐵磁性。目前所探索的大多數(shù)二維磁體在空氣環(huán)境條件下穩(wěn)定性不高，直接合成困難，后期器件加工條件苛刻。這些單層、少層材料通常只能在受控的環(huán)境 (如手套箱) 中機械剝離體相材料獲得，產(chǎn)率不高且層厚控制不佳。因此，找到一種空氣穩(wěn)定、厚度可調(diào)的二維磁性材料對該領(lǐng)域發(fā)展壯大具有重要意義。

　　研究成果

　　近日，中國人民大學物理學系季威教授、王聰博士等人與湖南大學段曦東教授、加利福尼亞大學段鑲鋒教授團隊合作，通過理論計算結(jié)合實驗測量，在國際上首次發(fā)現(xiàn)CrSe2是具有厚度依賴層間反鐵磁——鐵磁耦合轉(zhuǎn)變特性（如下圖）且在空氣中高度穩(wěn)定的二維磁性材料。這初步克服了此前困擾科學界良久的二維磁性材料空氣穩(wěn)定性不足的困難，在發(fā)現(xiàn)磁性薄膜信息存儲功能（磁性薄膜的巨磁電阻效應(yīng)）33年后，將其功能單元薄膜厚度減小到不足1納米（十億分之一米）的原子極限，實現(xiàn)了空氣中穩(wěn)定且磁性高度可調(diào)的二維原子晶體。

　?。–rSe2層數(shù)依賴磁性變化現(xiàn)象的物理起源）

　　這些研究結(jié)果為今后的基礎(chǔ)科學研究提供了全新體系平臺，為實現(xiàn)更高密度的磁信息存儲和更高靈敏度的磁性探測等自旋電子學應(yīng)用提供了新材料選擇。相關(guān)研究工作發(fā)表在3月1日在線出版的《自然·材料》（Nature Materials，DOI: 10.1038/s41563-021-00927-2）上。

　　物理學系博士后王聰博士（2019年中國人民大學吳玉章獎學金獲得者）和湖南大學黎博教授、加利福尼亞大學萬眾博士、陳鵬博士為論文的共同第一作者。物理學系季威教授和湖南大學段曦東教授、加利福尼亞大學段鑲鋒教授為論文的共同通訊作者。該工作的理論計算部分由中國人民大學完成，實驗部分由合作單位完成。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、教育部、中國科學院和中國人民大學的資助。

　　《自然·材料》是《自然》期刊在材料科學領(lǐng)域的子刊，也是該領(lǐng)域的旗艦期刊，年發(fā)文量僅約200篇，2020年影響因子39.7。繼2020年10月物理學系王聰博士、季威教授等在《自然·納米技術(shù)》發(fā)文后，此項成果是他們在半年內(nèi)第二次在《自然》專業(yè)領(lǐng)域的頂級子刊上發(fā)文。

來源：人大新聞網(wǎng)