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Variational quantum simulation of thermal statistical states on a superconducting quantum processer

Xue-Yi Guo(郭学仪), Shang-Shu Li(李尚书), Xiao Xiao(效骁), Zhong-Cheng Xiang(相忠诚), Zi-Yong Ge(葛自勇), He-Kang Li(李贺康), Peng-Tao Song(宋鹏涛), Yi Peng(彭益), Zhan Wang(王战), Kai Xu(许凯), Pan Zhang(张潘), Lei Wang(王磊), Dong-Ning Zheng(郑东宁), and Heng Fan(范桁)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (1):  010307

量子系统的有限温平衡态对理解凝聚态物理和统计物理中的各种新奇现象具有重要作用。由于多体系统希尔伯特空间维数的指数增长，经典计算机很难做到有效模拟。量子计算技术由于其量子并行性被认为是有效模拟量子多体系统的一种手段，最近，利用变分量子本征求解器（VQE）制备系统基态以及模拟系统的演化有系列进展，但展示量子计算处理有限温平衡态乃至高激发态能力的工作仍比较少，尤其是在含噪声中等规模的（NISQ）量子器件上。

本论文在超导量子处理器上实现了一种经典-量子混合算法来制备量子系统的有限温平衡态。通过将经典机器学习中的生成模型和变分量子算法结合，在实验中制备了5个比特的海森堡XX和XXZ模型的吉布斯态，并展示该方法具有良好的可扩展性和自验证性。同时，实验中还展示了该方法可以制备目标系统的任一激发态，这对在量子计算机上实现对本征态热化假设（ETH）和多体局域化（MBL）的研究具有重要意义。文中也提出一种在量子计算机上计算热力学可观测量的一种减少误差的方法，大大提高了结果的精度和应用性。本论文展示了超导量子计算技术在研究量子热力学问题上的应用前景，对经典-量子混合计算技术的发展具有重要意义。

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Different roles of surfaces' interaction on lattice mismatched/matched surfaces in facilitating ice nucleation

Xuanhao Fu(傅宣豪) and Xin Zhou(周昕)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (2):  028202

作为我们熟知的现象，自然界中水在过冷条件（0℃以下）结冰，一般都是由与水相互作用的其他材料（基底或杂质）促进冰晶成核诱导发生。不同材料表面微观性质结构不同，对过冷水冰晶成核的影响差别巨大，导致冰晶成核温度从很高（非常接近零度）到低至零下30℃-40℃不等。而理解材料复杂多样的各种特征与其促进冰成核能力的关系，对材料、物理、生物、气候与环境等学科有重要意义，是相关领域长期以来的研究热点。通常认为，晶体材料表面与冰晶格匹配（如AgI）能很强促进冰核形成，但更多发现表明许多有非常类似冰结构的材料(如CuBr等)仅有非常弱的促冰能力。近年来，大量实验与模拟研究聚焦这个问题，发现不仅仅是材料表面的晶格结构，许多其他特征，如原子种类、带电性或极性、微纳米结构、表面粗糙度、柔性等众多因素都能对冰成核有复杂影响，虽总结出一些经验性规律，但缺乏普遍性结论。

本文基于分子动力学模拟，研究了几百种参数不同的晶体表面的结冰能力，发现表面各种细节结构对水结冰影响的敏感性与其晶格对冰晶的匹配性不同有很大关系。当材料表面晶格结构与冰晶不匹配时，表面对水分子的平均相互作用能决定冰成核，有普适关系，而与表面的众多细节特征无直接关系；但当表面晶格与冰晶匹配时，情况有很大不同，此时甚至表面原子与水分子间的相互作用函数细节都可能敏感调制水结冰发生。

研究材料表面结构及与水分子间相互作用调制冰晶成核的机理，对理解水的性质结构这一基本科学问题，以及发展设计防结冰材料等应用有重要意义。本文结果加深了对这个领域的认识，对进一步发展普适模型，统一理解各种材料表面纷繁复杂的结冰规律有重要帮助。

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Reconstruction and functionalization of aerogels by controlling mesoscopic nucleation to greatly enhance macroscopic performance

Chen-Lu Jiao(焦晨璐), Guang-Wei Shao(邵光伟), Yu-Yue Chen(陈宇岳), and Xiang-Yang Liu(刘向阳)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (3):  038103

在介观尺度的结构重建与介观掺杂，柔性材料可能获得全新的性能或属性。本研究通过微晶纤维素-二氧化锰（MCC-MnO₂）纳米晶体对海藻酸钠气凝胶（SA）的介观重构与掺杂，成功地开发出一种具有优良去污能力的新型气凝胶介观新材料，使其具有高效的金属离子（如Cu²⁺和Pb²⁺）和有机染料（如刚果红和亚甲蓝）的去除能力。在多轮去污操作后，对污染物还保持非常强的去污能力。

该研究确证了柔性材料的介观重建的可行性，使得通过重建介观结构来创建介观功能材料成为可能。

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Tunable phonon-atom interaction in a hybrid optomechanical system

Yao Li(李耀), Chuang Li(李闯), Jiandong Zhang(张建东), Ying Dong(董莹), and Huizhu Hu(胡慧珠)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (4):  044213

近些年，悬浮光力系统成为物理学领域的研究热点之一。悬浮光力系统可以以超高的精度控制纳米微粒的多个运动自由度，使其不仅在精密测量领域展现出极大的应用前景，而且为前沿基础物理问题的研究提供了一个理想的实验平台。随着量子基态冷却的实现，悬浮光力系统的研究也正式步入量子领域。如何精确地操控悬浮微粒的量子态成为悬浮光力系统下一步发展所面临的问题之一。

为解决上述问题，本文作者理论上研究了一个新型的混合悬浮光力系统，其中，一个中性原子和一个纳米微粒同时悬浮在一个光学腔中。腔中驻波光场作为桥梁，同时与原子和微粒耦合，使它们间形成一个等效的相互作用。这个相互相作用依赖于腔光场且易于调控，通过简单地改变腔光场失谐，就能实现声子-原子相互作用在JC形式和anti-JC形式间的转换。基于这种可控的等效相互作用，通过调控原子就可以精确操控微粒质心运动的量子态，例如，将微粒质心运动制备在任意Fock态以及相应的量子叠加态上、操控微粒质心运动在不同Fock态间转换等。该工作有望应用在量子精密测量、量子信息、以及前沿基础问题研究等方面，促进悬浮光力学的发展和进步。

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Stability of the topological quantum critical point between multi-Weyl semimetal and band insulator

Zhao-Kun Yang(杨兆昆), Jing-Rong Wang(王景荣), and Guo-Zhu Liu(刘国柱)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (5):  056401

二重Weyl半金属和三重Weyl半金属是最近发现的物质拓扑态，在理论和实验上都得到了广泛的研究。如果在费米能级处打开普通带隙，则二重Weyl半金属和三重Weyl半金属可以转变为拓扑平庸的能带绝缘体。值得注意的是，在从二重Weyl半金属或三重Weyl半金属到能带绝缘体的相变中出现了拓扑量子临界点（TQCP）。这种TQCP很值得深入研究，因为它可能表现出惊人的特性。然而，尚不清楚这样的TQCP对弱扰动是否稳定。一个特别有趣的问题是检验TQCP对现实材料中总是存在的无序的稳定性。据我们所知，这个问题在以前的论文中从未被系统地讨论过。本文首次对这个问题进行了系统的理论研究。作者使用重整化群（RG）方法来处理在TQCP激发的无带隙费米子与各种类型的无序之间的相互作用，并得到了所有模型参数的耦合RG方程。研究结果证明二重Weyl半金属和带绝缘体之间的TQCP是不稳定的，并且可以很容易地通过任何类型的弱无序转变为可压缩的扩散金属。如果系统仅包含沿z轴的随机矢量势，则三重Weyl半金属和带绝缘体之间的TQCP流向稳定的强耦合不动点，但当存在其他类型的随机势时，TQCP变为可压缩的扩散金属。本文的研究有助于理解真实材料中多重外尔半金属到能带绝缘体拓扑相变点附近的新奇物理现象。

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Tunable correlation in twisted monolayer-trilayer graphene

Dongdong Ding(丁冬冬), Ruirui Niu(牛锐锐), Xiangyan Han(韩香岩), Zhuangzhuang Qu(曲壮壮), Zhiyu Wang(王知雨), Zhuoxian Li(李卓贤), Qianling Liu(刘倩伶), Chunrui Han(韩春蕊), and Jianming Lu(路建明)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (6):  067204

近年来，摩尔超晶格界面上的电子关联现象如绝缘体、超导、磁性等新奇物性成为研究热点之一，范德瓦尔斯异质结体系亦逐渐从魔角双层石墨烯发展到各种各样的多层结构。不同于前者，多层石墨烯异质结的电子能带结构受垂直电场调控，从而为电场调控各种新奇物性提供了新机遇。

本文首次构筑了转角为1.2°的单层和三层石墨烯异质结并在强磁场和变温条件下开展关联绝缘体的电学输运研究。研究表明，关联绝缘态在导带和价带具有不对称性，并与电位移场密切相关，其根源在于范霍夫奇点。在电位移场-载流子浓度二维相图中，范霍夫奇点表现为纵向电阻峰和零霍尔电阻，其具有类似的导带-价带不对称性并严重依赖电位移场、磁场的调控；当它遇到平带半填充时，高电子态密度带来的电子关联性驱动产生具有能隙的关联绝缘态。同时，利用电阻温度曲线得到的费米速度也验证了导电和价带之间电子关联性的差异。本文的研究有助于我们更加深入地理解摩尔超晶格中的电子关联现象，并推动更丰富的转角堆叠平带体系的深入探索和物性调控研究。

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Electronic states of domain walls in commensurate charge density wave ground state and mosaic phase in 1T-TaS₂

Yan Li(李彦), Yao Xiao(肖遥), Qi Zheng(郑琦), Xiao Lin(林晓), Li Huang(黄立), and Hong-Jun Gao(高鸿钧)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (7):  077101

1T-TaS₂中的畴壁对材料的电子性能影响很大，对畴壁电子态的研究一直是该领域的重要方向之一。1T-TaS₂畴壁上的电子关联强度显著降低，是研究电荷密度波与关联电子之间的相互作用的理想对象。大量的实验和理论研究表明，不同原子结构的畴壁具有从绝缘态到导电态的不同电子态；处于不同畴壁密度的具有相同原子结构的畴壁也有不同的电子态。例如，当畴壁密度显著增加时，1T-TaS₂从公度电荷密度波（CCDW）-莫特绝缘体相转变为金属态；在CCDW相，通过在针尖施加电压脉冲可以产生高密度的畴壁，从而产生金属态的马赛克相。因此，畴壁的电子态不仅与原子结构有关，还与畴壁的密度相关。这一复杂性阻碍了对畴壁中电子态的理解，因此需要对不同密度下多种类型的畴壁进行更深入的研究。

本文研究了1T-TaS₂中不密度的畴壁上的电子态，对大面积CCDW畴之间、大CCDW畴与小CCDW畴之间和马赛克相的畴壁进行了扫描隧道显微谱(STS)测量。我们发现，对于大面积CCDW畴之间的畴壁上和畴壁边，其STS呈V形，且在费米面处没有电子态。对于介于大小CCDW畴之间的畴壁边，其费米面处存在电子态，表明其处于金属态，而其畴壁则保持绝缘态。对于处于马赛克相的畴壁，其与畴内的电子态趋于相同，可以为金属态或绝缘态。我们的工作有助于进一步理解1T-TaS₂中CCDW与关联电子之间的相互作用。

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Electric modulation of anisotropic magnetoresistance in Pt/HfO_2-x/NiO_y/Ni heterojunctions

Xiaoyu Ye(叶晓羽), Xiaojian Zhu(朱小健), Huali Yang(杨华礼), Jipeng Duan(段吉鹏), Cui Sun(孙翠), and Run-Wei Li(李润伟)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (8):  087305

利用电场驱动磁性纳米薄膜中的离子输运可以构建一维磁性纳米导电结构，从而改变磁性薄膜的磁化强度、磁化方向和磁电输运等行为。该方法具有速度快、功耗低以及稳定性好等优点，在信息存储器、逻辑计算器等自旋电子器件中具有重要应用潜力。然而，过去的研究主要集中于控制单一种类离子迁移构建单一组分的磁性纳米导电结构，仅能产生对称磁电阻效应，难以推广到更多的应用领域。

针对以上问题，本研究创新地设计了Pt/HfO_2−𝑥/NiO_𝑦/Ni磁性纳米异质结，通过精确调控电场的极性和大小，协同控制氧离子和镍离子的输运，成功构建了具有混合组分的新型磁性纳米导电结构。研究结果显示，该器件呈现独特的各向异性磁电阻效应，其中面外磁电阻具有部分不对称性。该器件在宽温度范围（5 K~300 K）内表现出良好的稳定性，且电阻在正负饱和磁场下的变化量与角度之间呈现良好的线性关系，有望用于灵敏检测磁场方向，在磁传感器和导航等领域具有应用潜力。本研究不仅提出了一种构建新型一维纳米磁性导电结构的重要方法，而且为设计高性能磁纳米传感器件提供了全新的思路。

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Emergence of correlations in twisted monolayer-trilayer graphene heterostructures

Zhang Zhou(周璋), Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Xiao Lin(林晓), Jinhai Mao(毛金海), and Hong-Jun Gao(高鸿钧)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (9):  097203

石墨烯的莫尔电子体系正发展为调控新型量子态的重要平台。转角双层石墨烯作为最简单的结构，在理论和实验上都显示出有效构建平带的特性。直觉上这个图像也适用于转角多层石墨烯，转角（M +N）层石墨烯将在M层和N层之间的界面处出现两个低能平带。将这个概念扩展到转角多层石墨烯异质结有望创造更丰富的关联态，因为体系的对称性和能带结构发生了改变。

在这项工作中，我们研究了转角单层-三层石墨烯异质结（Bernal堆叠三层）的电输运特性。我们观察到全填充（ν = ± 4）处的电阻峰，并且电阻极大值区域高度依赖于电荷密度和电位移场。在转角为1.45°的样品中，在高位移场（D < -0.3 V/nm）下，我们发现了莫尔超晶格整数填充（ν = 1, 2）处的关联相，并且其在一定磁场（> 0.04ϕ₀，ϕ₀代表莫尔超晶格的磁通量子）下得到稳定。更进一步，我们从扫描磁场的朗道扇图中观察到关联态的简并打开。我们的结果展示了莫尔工程在转角单层-三层石墨烯中的有效性，并为电场可调关联相提供了参考，将推动对转角多层石墨烯的更深入研究。

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Combination of density-clustering and supervised classification for event identification in single-molecule force spectroscopy data

Yongyi Yuan(袁泳怡), Jialun Liang(梁嘉伦), Chuang Tan(谭创), Xueying Yang(杨雪滢), Dongni Yang(杨东尼), and Jie Ma(马杰)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (10):  108702

单分子力谱技术，如光镊、磁镊、原子力显微镜等，已经成为揭示生物分子动力学信息的重要工具。目前而言，从单分子力谱中精确提取动力学和热力学信息需要处理大量的数据集，如在拉伸实验中，需要从力-长度拉伸曲线（FECs，force-extension curves）中提取断裂力；或者在恒力实验中，需要在长度-时间曲线（ETTs，extension-time trajectories）中区分分子的不同构象和统计不同构象的停留时间。然而，这种数据处理往往需要花费大量的时间和人力。尽管目前已有一些算法可以从单分子力谱中识别一些特定事件，但这些算法存在各自的局限，比如一些算法需要设置许多参数才能正确提取断裂力，使用起来并不方便；一些算法要求输入的数据具有较高的质量，如不能有显著的基线漂移，这样才能正确区分分子的不同构象，从而给实验数据分析造成了一定的限制。

为解决上述问题，本文基于密度聚类和有监督学习提出了一种新的单分子力谱分析方法——“ACCESS”，用于提取FECs中的断裂力和识别ETTs中的构象态。该方法的创新性在于：（1）在拉伸实验中，“ACCESS”可以根据分子打开的状态数将FECs分割为对应的片段，从而定位断裂力及其对应的构象态。（2）在恒力实验中，“ACCESS”可以精确地从ETTs中识别折叠态和展开态，即使数据受到严重的基线漂移影响，也能正确识别出分子的各种状态。（3）本方法在实践中只需要三个简单且物理意义明确的输入参数，因此操作起来十分方便。

综上，本文的研究提出了一个方便易用和高性能的单分子力谱分析方法，未来有希望成为一种较为通用的方法，应用于一系列单分子实验中的事件和构象态的自动识别。

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Fast and perfect state transfer in superconducting circuit with tunable coupler

Chi Zhang(张驰), Tian-Le Wang(王天乐), Ze-An Zhao(赵泽安), Xiao-Yan Yang(杨小燕), Liang-Liang Guo(郭亮亮), Zhi-Long Jia(贾志龙), Peng Duan(段鹏), and Guo-Ping Guo(郭国平)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (11):  110305

对量子信息处理来说，高保真度地从一处传输信息到另一处是基本的需求，这对实现大规模的量子计算非常重要,同时也能帮助发挥出现阶段性能最优的量子处理器的最大潜力。完美态传输方案能实现一维格点链上在某个时刻保真度为1的态传输过程，过程中只依赖于哈密顿量的演化不需要另外的动力学控制，而且可以传输任意远的距离。本文作者在一维链四比特可调耦合超导量子芯片上研究了完美态传输理论的实现，通过给比特加Z快调信号达到比特频率共振，同时给耦合器加Z快调信号使比特间耦合强度满足特定要求来实现完美态传输理论的哈密顿量， 实验上观测到了量子态从一维链的一端传输到另一端的图像。

本文成功实现了快速高保真度的态传输过程，传输时间为 25 ns（与超导体系最短的单个 SWAP 门时间相当），过程保真度为 0.986，使用误差矩阵分析方法分析了态传输过程的误差来源，误差主要来源于样品的退相干。这个工作可以用来实现片上的量子信息处理包括纠缠的产生与分发，同时其中的实验技术可以直接推广到一些更具鲁棒性的态传输实验方案中， 比如拓扑态保护的态传输实验等。

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Chair-like N₆^6- in AlN₃ with high-energy density

Shi-Tai Guo(郭世泰), Zhen-Zhen Xu(徐真真), Yan-Lei Geng(耿延雷), Qi Rui(芮琦), Dian-Chen Du(杜殿臣), Jian-Fu Li(李建福), and Xiao-Li Wang(王晓丽)

Chin. Phys. B, 2023, 32 (12):  126202

全氮盐由于具有较高的能量密度，是作为推进剂和炸药的理想材料。这类化合物的能量主要来源于非分子态氮中N–N单键或N=N双键与N₂分子中N≡N三键的键能之间的巨大差异。目前，已在WN₆，TeN₆和GdN₆中成功预测出椅式N₆阴离子，其强化学键和电荷转移被认为有助于保持结构稳定性，并且WN₆的成功合成已经引起了人们对N₆阴离子的研究兴趣。然而，由于钨(W)或碲(Te)的摩尔质量较大，会降低这些化合物中的氮含量，从而导致低能量密度。相比较，铝原子半径小，价电子密度高，电负性高，并且更易与氮原子形成共价键。因此，利用Al元素形成Al-N全氮盐有望进一步提升能量密度并降低合成条件。

本文通过第一性原理计算并结合CALYPSO结构搜索方法，理论上预测了AlN₃化合物中具有N–N单键的椅式N₆环。预测的R-3m相表现出较好的动力学和热力学稳定性，以及较高的能量密度(5.04 kJ/g)。此外，计算爆速和爆压分别达到12.93 km/s和1009.63 kbar，远高于传统含能材料TNT和HMX，使其成为高能量密度材料领域有前途的候选者。电子特性和成键模式分析表明，化合物通过库仑相互作用和共价键保持稳定。更重要的是，计算出的形成焓表明，该化合物可以通过中等压力(46 GPa)下压缩AlN和N₂来合成。这些发现为合成环境条件稳定的全氮N₆⁶⁻阴离子提供了一种可行的方法，并进一步促进全氮盐的研究。

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