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亮点文章 | 《物理学报》2024年第17期

已有 152 次阅读 2024-10-22 14:29 |系统分类:论文交流

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活性三嵌段共聚物的凝胶化转变

石子璇，金燕，金奕扬，田文得，张天辉，陈康

物理学报, 2024, 73(17):170501.

doi: 10.7498/aps.73.20240796

活性物质的自推进特征引发了许多非平衡自组织现象，而聚合物链的构象自由度可以使链产生独特的平衡自组装行为，这激发了活性物质与聚合物物理的交叉研究。本文通过分子动力学模拟，研究了自驱动活性对ABA 型三嵌段共聚物凝胶化转变的调控。研究结果表明活性嵌段共聚物凝胶的塌缩源于自驱动活性引起的网络链运动，活性越大则凝胶网络越容易产生大直径空洞。在凝胶网络的拓扑缺陷方面，当A嵌段之间吸引强度较大时，环链比例随活性力增强而增大，吸引强度较小时情况则相反。交联点的分支数随活性的变化除了受到吸引强度的影响，还与链刚性有关。在动力学方面，活性聚合物的定向运动会引发稳定聚合物凝胶整体的反常扩散。本文的研究有助于增进对活性聚合物集体行为的认识，为高分子活性材料的设计和应用提供了新的思路。

图1 单体非键相互作用和活性力示意图，红色圆形表示A单体，蓝色圆形表示B单体，中间嵌段的一些B单体在图中被省略

同行评价

论文采用分子动力学模拟研究了自驱动对ABA型三嵌段共聚物凝胶化转变的调控以及在结构和动力学方面的特点。结果表明活性嵌段共聚物凝胶的塌缩源于自驱动活性引起的网络链运动，得到了网络拓扑均匀性与自驱动以及吸引力之间的关系。活性聚合物的定向运动会引发稳定聚合物凝胶整体的反常扩散。该研究对高分子活性材料的设计和应用有指导意义。

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编辑推荐观点和展望

分数量子霍尔液体中的几何自由度及类引力子元激发

杨昆

物理学报, 2024, 73(17):177801.

doi: 10.7498/aps.73.20240994

拓扑在凝聚态物理中的应用始于量子霍尔效应的研究，并逐渐成为现代凝聚态物理的主旋律。其重要性在于它描述物理系统的普适性质。但基于拓扑场论的分数量子霍尔液体宏观描述并非完备。本文从微观角度出发讨论分数量子霍尔液体中的几何自由度及其量子动力学，揭示其基本元激发为自旋为2的类引力子并据有特定手性，着重讨论该手征类引力子的实验探测。

图2 用Wen^[1] 的舞蹈规则类比来说明1/3填充Laughlin 态中的类引力子激发及其手性，左图为在 Laughlin 基态(或舞蹈规则)中，一对舞者的最小相对角动量为3，以确保他们之间有足够的距离；右图为类引力子激发对应于相对角动量从3变为1的一个电子对(费米子波函数的反对称性只允许奇数相对角动量)；这在 Laughlin 态下是不允许的，因此，它对应于一种激发，即文献[2]检测到的“引力子”，换句话说，拉曼过程通过将相对角动量为3的电子对(左图)变成相对角动量为1的电子对(右图)来产生“引力子”；该激发的角动量为 1 – 3 = –2，对应引力子手性为–2. 对于2/3及3/5填充的空穴状态，由于空穴的手性与电子相反，引力子手性变为 +2，引自文献[3] ([1] Wen X G 2004 Quantum Field Theory of Many-body Systems: From the Origin of Sound to An Origin of Light and Electrons (Oxford: Oxford University Press); [2] Liang J H，Liu Z Y，Yang Z H，Huang Y L，Wurstbauer U，Dean C R，West K W，Pfeiffer L N，Du L J，Pinczuk P 2024 Nature 628 78; [3] Yang K 2024 The Innovation 5 100641)

同行评价

分数量子霍尔液体作为凝聚态物理中的极端强关联系统，其展现的拓扑序和分数电荷准粒子激发无疑是这一领域最为引人入胜的特性之一。而关于其电中性元激发的理解，尤其是长波极限下的行为，更是近年来研究的热点。由于分数量子霍尔拓扑量子态具有体边对应关系，因此目前理论和实验对拓扑态研究较多的是其边缘态激发。体态激发中关心的较多的是分数电荷准粒子激发。理论上知道体内还存在电中性的集体激发模式，由于其自旋为2，称之为磁旋子激发，目前人们对这种激发模式了解甚少，尤其是其长波极限下的物理性质。本论文是关于分数量子霍尔效应中近年来关于几何自由度描述中涉及的磁旋子激发的类引力子假设相关理论和实验进展的一个综述和展望。文章主要从分数量子霍尔液体的几何理论出发，为我们提供了一个全新的视角来审视和理解这一复杂物理系统。通过深入研究其中的几何自由度及其量子动力学过程，我们不仅能够揭示出系统基本元激发的性质和行为规律，还能够为探索更广泛的量子多体系统、拓扑相变以及量子引力等前沿领域提供有益的启示和借鉴。未来随着实验技术的不断进步和理论研究的深入发展，我们有理由相信关于分数量子霍尔液体的更多秘密将被逐一揭开。由于南京大学实验小组的论文发表后，对凝聚态中引力子的发现引起了广泛的讨论和争议，本文在结尾也澄清了跟量子引力的本质区别，具有重要的意义。

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《物理学报》创刊90周年

磁约束燃烧等离子体物理的现状与展望

孙有文，仇志勇，万宝年

物理学报, 2024, 73(17):175202.

doi: 10.7498/aps.73.20240831

本文从设计和运行托卡马克聚变堆需求的角度，简要概述了托卡马克高约束运行方案和高能量粒子约束涉及的关键物理的发展现状和挑战。过去几十年中，托卡马克高约束模式物理研究取得了重要进展，明确了聚变堆运行区的主要稳定性和约束的限制条件及其性能优化的主要调控手段，发展了感应、混合和稳态等若干可能适用于未来托卡马克聚变堆的运行方案。在反应堆阿尔法粒子加热主导的条件下，潜在主导阿尔法粒子输运损失的阿尔芬不稳定性的线性谱特征和激发机制得到了充分的理解；在阿尔芬不稳定性的非线性饱和、阿尔法粒子约束，及通过加热沉积和微观湍流对等离子体约束的影响等方面开展了大量的实验和理论探索。当前，磁约束聚变物理已进入临近点火燃烧等离子体研究的新阶段，面临着全新的挑战，如：聚变堆条件下如何实现高能量阿尔法粒子对等离子体有效自加热；在阿尔法粒子自加热为主条件下，如何通过调控等离子体关键参数分布维持等离子体稳定性和高约束性能，实现聚变堆高效安全运行；能否建立全尺度模型，实现聚变堆复杂等离子体的长时间动力学过程的准确预测等。这些关键问题的解决，可为未来聚变堆的设计和运行奠定坚实的物理基础，同时推动等离子体学科的发展。

图1 托卡马克聚变堆运行的归一化参数区示意图，其中不同曲线代表一个理想的聚变堆需要满足的不同等离子体物理限制条件的示意分布，如最低聚变功率需求(蓝色曲线)，稳定性极限限制(红色曲线)，最低聚变增益因子需求限制(绿色曲线)和高能量粒子约束限制(紫色曲线)，以及其他一些限制条件(灰色虚线)等

同行评价

文章很清晰的介绍了“磁约束燃烧等离子体物理的现状与展望”，对聚变同行认识和理解燃烧等离子体很有帮助。

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编辑推荐

《物理学报》创刊90周年

自组装生物分子软物质材料及其物理特性

韩旭，薛斌，曹毅，王炜

物理学报, 2024, 73(17):178103.

doi: 10.7498/aps.73.20240947

自组装生物分子软物质材料是以生物分子或生物分子基元为构建单元，通过自组织过程形成的一类新型软物质材料。因其组成单元的生物特性和其中弱相互作用驱动组装的特征，这类材料通常具有高度生物相容性、可逆组装、动态响应和微结构可控性等优势，在生物医学、组织工程和柔性传感等领域中被广泛关注并得到了相关研发和应用。本文简要介绍自组装生物分子软物质材料的基本构建原理和物理特性，并以氨基酸、多肽分子等组装单元为例，对三类自组装生物分子软物质材料(纳米材料、凝胶材料和复合材料)的自组装分子机制、材料构建思路、力学特性和功能应用场景做了具体阐述。我们认为自组装生物分子软物质材料的研究，将从结构单元的发掘和相关特性的表征，向多功能性质定制与前端应用集成方向发展，从而研发出崭新的复合智能生物软物质材料，进一步促进其在生物医学、有机半导体和软体机器人等新兴领域中的应用。

图1 通过构建双网络或引入固体纳米材料构建自组织生物分子软物质复合材料 (a) 含自组装纳米纤维或纳米带的聚合物-超分子双网络水凝胶示意图；(b) 石墨烯复合水凝胶的成胶原理示意图(上)，制备过程展示(左下)以及可注射性质展示(右下)；(c) 传统“三明治”式凝胶和多肽包覆的石墨烯水凝胶的结构和等效电路示意图(上)、应变响应电容传感(中)和3D打印特性(下)

同行评价

文章首先对自组装生物分子软物质材料的基本构建原理和物理特性进行了介绍，作者以氨基酸、多肽分子等组装单元为例，对纳米材料、凝胶材料和复合材料的自组装分子机制、材料构建思路、力学特性和功能应用场景作了详细叙述。最后，作者考虑到了当下人工智能的发展，致力于将自组织生物分子软物质材料与尖端应用结合，实现技术突破和进一步产业化发展。该综述的研究工作具有较强的理论意义和应用价值。

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编辑推荐专题：量子通信和量子网络

多域跨协议量子网络的域间密钥业务按需提供策略

陈越，刘长杰，郑伊佳，曹原，郭明轩，朱佳莉，周星宇，郁小松，赵永利，王琴

物理学报, 2024, 73(17):170301.

doi: 10.7498/aps.73.20240819

现有的城域量子网络大多基于单一的量子密钥分发协议实现，将不同协议实现的城域量子网络进行互联是大规模量子网络的发展趋势，但其域间密钥业务提供仍存在成功率低、密钥供需不适配等问题。针对以上问题，本文面向多域跨协议量子网络提出了两种域间密钥业务按需提供策略，分别是基于BB84(Bennett-Brassard-1984)旁路优先的按需提供策略和基于测量设备无关(measurement-device-independent，MDI)旁路优先的按需提供策略。同时，设计了内嵌两种策略的域间密钥业务按需提供算法。仿真结果表明，所提策略能够在双域和三域量子网络中高效完成域间密钥业务的按需提供。相比传统策略，两种按需提供策略可将多域量子网络的密钥供需均衡度提高1个数量级以上，MDI旁路优先策略在低密钥率需求下可将域间密钥业务请求成功率提升30%。此外，所提策略可在一定程度上降低域间密钥业务提供的成本，提高现实安全水平。

图1 仿真使用的多域量子网络拓扑 (a) 双域拓扑；(b) 三域拓扑

同行评价

该论文针对多域跨协议量子网络中域间密钥业务提供成功率低、密钥供需不适配的问题，提出两种域间密钥业务按需提供策略，有效提高了密钥供需均衡度，降低了域间密钥业务提供的成本，为大规模量子保密通信网络提供了技术参考，具有重要的科学价值和应用前景。

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编辑推荐仪器与测量

超冷离子源研究进展

周文长，方锋，罗长杰，牟宏进，卢亮，邹丽平，程锐，杨杰，杜广华

物理学报, 2024, 73(17):173701.

doi: 10.7498/aps.73.20240695

纳米离子束是制备束斑直径在微纳米尺度荷能离子束的先进技术，主要应用于高分辨和高精度的离子束分析、离子束加工和离子束材料改性研究，在材料分析、微纳加工、微电子器件制造和量子计算等方面发挥着重要的作用。高品质离子源作为纳米离子束装置的关键部件，其性能指标直接决定着该装置的技术水平。然而，目前常用的传统离子源存在离子种类单一、能散高和结构复杂等问题，已经难以满足新应用场景下的多离子种类和高分辨的要求，突显出研发新型离子源的重要性和迫切性。随着激光冷却技术的日臻成熟，基于光电离冷原子和激光冷却离子技术可以获得温度在mK甚至μK量级的超冷离子，其低温和易于操控等典型特征极大地促进了超冷离子源的发展。超冷离子具有极小的横向速度发散，可以显著提升离子源的亮度和发射度等品质参数，为纳米离子束技术的革新带来了巨大的发展机遇。因此，超冷离子源的研究对于实现更高亮度、更小尺寸、更低能散、更多样化离子种类以及结构更简化的高品质离子源具有重要的意义。本文综述了近年来超冷离子源的研究进展，从制备原理、产生方式以及典型应用等方面介绍了磁光阱离子源、冷原子束离子源和超冷单离子源在基础研究和应用技术研发方面取得的重要成果，并对超冷离子源的未来发展和应用前景进行了展望。

图1 超冷离子源的发展路线和重要研究进展

同行评价

作者评述了超冷聚焦离子源的研究进展，包括温度在mK及以下、束径在亚微米至亚十纳米的超冷离子源，此类离子源的研制对纳米加工和超高灵敏测试分析，特别是后者具有重要意义，是纳米、亚纳米级离子束测试分析的基础。在评述国内外先进超冷离子源的基础上，作者结合本单位正在研制或计划研制的几种离子源进行了展望。评述内容全面、综合，涵盖轻元素、碱金属（如锂、钠）直至高原子序数的稀土元素（如Pr, Eu, Dy）的离子源，对我国研制聚焦、超冷、高亮度离子源具有参考价值。

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编辑推荐

超快光纤激光器中可控脉冲产生与湮灭动力学

周瑞，李阳，朱润徽，张祖兴

物理学报, 2024, 73(17):174201.

doi: 10.7498/aps.73.20240673

本文采用实时傅里叶变换光谱探测技术，研究了基于泵浦强度调制的超快光纤激光器中锁模脉冲产生与湮灭动力学过程。结果表明：当泵浦调制电压处于高电平时，激光器输出稳定的锁模脉冲。随着调制电压跳变至低电平，锁模脉冲的强度不断降低，而后经历一段衰减振荡阶段后发生湮灭，在~5 μs后孤子从噪声中重建，这一过程伴随着调Q不稳定性的产生。在低电平阶段，激光腔内的湮灭过程连续发生，其周期为~55 μs。通过改变调制泵浦的占空比，能够操控在低电平调制下孤子连续湮灭的次数。进一步，锁模与孤子湮灭的连续切换过程与泵浦调制频率有关，调制频率的升高能够有效缩短两种状态的持续时间从而减少孤子湮灭的次数。此外，通过减小低电平的值，能够降低激光腔内的增益，使得孤子连续湮灭的周期缩短。研究结果有利于深入了解孤子的形成与湮灭动力学，并为超快激光器各种运行机制的发展提供了新的视角。

图1 稳定锁模与孤子湮灭切换过程的实验实时数据 (a) DFT光谱演化图；(b)孤子湮灭前的细节放大；(c)相应的场自相关迹演化；(d)一个呼吸周期内最宽和最窄脉宽的光谱图；(e)孤子重建时的细节放大；(f)相应的场自相关迹演化；(g)调Q不稳定性状态下与稳定锁模状态下的光谱

同行评价

该论文主要使用DFT 技术研究了耗散孤子的连续湮灭过程，提出锁模与孤子湮灭的连续切换过程的周期以及次数与泵浦的调制频率以及泵浦电平的高低有关，提供了一种操控孤子湮灭周期和次数的可行性方法。研究结果有利于深入了解孤子的形成和湮灭动力学，该工作具有较好的创新性和学术价值。

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编辑推荐数据论文

新型四元硫族化合物光伏特性的高通量筛选和第一性原理研究

康家兴，严全河，曹浩宇，孟威威，徐飞，洪峰

物理学报, 2024, 73(17):176301.

doi: 10.7498/aps.73.20240795

本工作提出了一种对Cu₂ZnSnS₄中Zn元素异价取代策略，探讨了新型四元硫族化合物A₂M₂M 'Q₄ (A = Na，K，Rb，Cs，In，Tl；M = Cu，Ag，Au；M ' = Ti，Zr，Hf，Ge，Sn；Q = S，Se，Te)作为新型太阳能电池吸收层材料的应用潜力。利用第一性原理高通量计算，评估了1350种A₂M₂M'Q₄化合物热力学稳定性、带隙、光谱极限最大效率和声子色散谱等特性。结果表明，有10种热力学和动力学稳定的候选材料，它们表现出合适的带隙，并展现出高的光吸收性能，光谱极限最大效率的理论值均超过30%。它们的电子结构和光学性质类似于Cu₂ZnSnS₄，有望应用于高效单结薄膜太阳能电池。本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00006 中访问获取。

图1 使用高通量第一性原理计算筛选新材料的工作流程示意图

同行评价

本文基于密度泛函理论，使用高通量计算方法，研究了新型四元硫族化合物作为新型太阳能电池吸收层材料的应用潜力。从稳定性、带隙等角度，最终筛选出10种材料具有较好的应用前景。论文思路清晰，研究方法得当，结论可靠。研究结果为相关实验工作提供了重要的理论指导，有利于推动四元硫族化合物研究领域的进一步发展。

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编辑推荐仪器与测量

基于实验室光源的透射X射线纳米分辨显微镜研制

廖可梁，何其利，宋杨，李荣刚，宋茂华，李盼云，赵海峰，刘鹏，朱佩平

物理学报, 2024, 73(17):178701.

doi: 10.7498/aps.73.20240727

透射X射线显微镜(transmission X-ray microscope，TXM)是高精密度的尖端X射线成像设备，是现代科学技术的结晶，可以在纳米尺度上进行无损成像，为物理学、生命科学、材料学和化学等领域的众多科学问题提供了有力的研究工具。虽然国内外很多同步辐射装置都建立了以TXM为核心的纳米CT实验站，但是目前国际上只有个别企业能提供商业化的实验室TXM。究其原因，主要是该仪器涉及众多高难度的工程技术问题，诸如：高亮度实验室X射线源、高分辨率X射线光学元器件、高精度样品台、高灵敏度探测器、仪器对温度和振动等环境因素的超高要求等。为了提高研发高端X射线成像仪器的水平，需要逐个突破在研发X射线纳米CT过程中遇到的技术瓶颈。本文主要讨论了工作能量为5.4 keV的实验室TXM的仪器设计，以及全场成像实验结果。该仪器工作在吸收衬度模式下，成像视野达到了26 μm，可以对30 nm线宽的特征结构实现清晰的成像，西门子星测试卡的功率谱曲线表明该仪器具有分辨半周期为28.6 nm线对结构的潜力。

图1 分辨率测试卡TXM测试结果 (a) 西门子星结构的TXM图像；(b)扣除背底后的西门子星结构的透过率图像；(c)西门子星结构的内环结构局部放大图；(d) 30 nm线宽的栅条结构的透过率分布曲线；(e)径向功率谱强度曲线

同行评价

本文主要讨论了工作能量为5.4 keV的实验室透射X射线显微镜的仪器设计以及全场成像实验结果。测试结果表明，该研发的仪器工作在吸收衬度模式下成像视野可以达到26μm，可以实现对30nm线宽的特征结构的成像。此外，通过西门子星测试卡成像结果的径向功率谱曲线分析表明，该仪器的极限分辨率可以达到28.6nm。这种自主研制的仪器有望在成像领域具有应用价值。

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《物理学报》2024年第17期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/17