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亮点文章 | 《物理学报》2024年第22期

已有 32 次阅读 2024-11-29 10:47 |系统分类:论文交流

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用于超快扫描电子显微镜的光发射电子枪及电子光学模拟

杨冬，李中文，田源，孙帅帅，田焕芳，杨槐馨，李建奇

物理学报, 2024, 73(22):222901

doi: 10.7498/aps.73.20241245

超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合，能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究，对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义。本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作，阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计，定量分析了偏压，阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系。分析结果显示，当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后，通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm，配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用。此外，也分析了反射镜分布对电子光路的影响，发现当阳极高出反射镜1.4 mm后，图像畸变几乎消失。还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响，结果表明随着偏压的增大，光发射的时间零点会推后且时间展宽变大。这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础。

图1 (a) 超快扫描电子显微镜原理图；(b) 三种激励模式的电子枪原图；(c) 热助光发射电子枪结构图(左)与原理图(右)

同行评价

超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合，能够实现对光诱导表面电荷动力学过程的直观研究，对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测有非常重要的意义。本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的超快改造工作，围绕光发射电子枪开展了系统研究，并利用有限元分析研究了不同设置（比如偏置电压、反射镜等）对电子光路的影响，对未来光发射电子枪的设计和加工提供了指导。论文内容丰富、结论合理。

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编辑推荐特邀综述

通用量子计算模型：一个资源理论的视角

王东升

物理学报, 2024, 73(22):220302

doi: 10.7498/aps.73.20240893

近几十年，量子信息物理极大地促进了量子理论的现代发展，并在通信、计算、计量等方面展现了巨大的应用前景。理论基础之一是通用量子计算模型理论，用于描述量子信息的演化特别是其大规模的应用，也是算法和纠错码等设计的基础。本文着重从物理的角度介绍近期在通用量子计算模型上的研究，结合量子资源理论对量子信息的刻画，发展了能统一描述不同计算模型的理论框架。研究发现，结合通用性和容错性的要求，可以构建模型的分类表，它包含上百种不同的通用量子计算方案，其中多数尚未得到深入研究。本文重点讨论了在通用性方面即针对信息不同表示形式的四个家族的模型，其中一类模型是近期提出的量子冯·诺依曼架构，它可以绕开在量子程序存储和量子控制单元上的不可能定理，从而构建可量子编程的计算机体系。另外还探讨了量子芯片与算法设计、量子资源与优势等问题。本研究展现了通用量子计算模型研究的丰富性和复杂性，也为量子计算机的建造和量子信息的应用提供了更多的可能。

图6 通用量子计算模型分类表。第I类模型即形式类有12个模型，第II类模型即演化类有9个模型，因而一共108个完备的模型(灰色方格)。其中研究最多的是基于线路模型的各种方案。信道家族的模型统称为量子冯·诺依曼模型或架构。模型之间也可以进行混合搭配

同行评价

通用量子计算理论是量子计算的重要问题。本文从量子资源理论的角度，系统地研究了多种通用量子计算模型，对领域发展的脉络进行了较为细致的梳理，给出了较为详实的文献引述，具有学术参考价值。

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编辑推荐特邀综述

冷冻光学显微镜技术在光合作用研究中的发展与应用

张先骏

物理学报, 2024, 73(22):229201

doi: 10.7498/aps.73.20241072

在植物中，光合作用的高效光电转化效率归因于色素蛋白复合体中所建立的强大捕光网络与灵活的能量转移机制。对色素蛋白复合体结构与功能的解析是光合作用研究中的重要方向，对人工光合作用研究和能源可持续发展战略具有指导意义。随着冷冻电子显微镜的快速发展，大量复合体的精密结构得以解析。冷冻光学(光谱)显微镜是冷冻电子显微镜的重要互补技术，发展至今已有约35年的历史。该方法通过光谱特征可精确识别多种色素蛋白复合体，而低温成像不仅有效地抑制了单个复合体或细胞样品的光损伤，还限制了复合体中色素间的uphill能量转移，从而提高荧光量子收率。冷冻光学显微镜不仅成为表征单个蛋白质的结构动态与捕光功能的有力工具；还为可视化和定量复杂的光合成分在细胞体内的空间分布提供了可能性。因此，该技术的应用极大地发展了在微观尺度下分析色素蛋白结构与功能的研究领域，这对于光合作用研究体系的推进具有重大意义。本文从单分子光谱与单细胞光谱技术两方面总结了冷冻光谱显微镜技术在自然光合作用中的主要应用与取得的成果，其中包括探究色素蛋白复合体的捕光功能与蛋白质动态的关联，复合体中能量异质性的表征，在细胞体内可视化光合蛋白的能量调控机制等。

同行评价

本文综述了冷冻光谱显微镜技术在自然光合作用中的主要应用与取得的成果，该方法是将光合膜冷冻至低温及极低温状态，使得光系统I和II及其他天线蛋白的光谱特征更加明显，同时极大地抑制了样品的光损伤。由于是光学显微成像技术，其空间分辨率不足以和冷冻电镜媲美，但是光谱学有更丰富的谱学特征，使其成为冷冻电子显微镜的重要互补技术。文章对于国内物理学相关领域的发展具有一定的推动作用。

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编辑推荐仪器与测量

基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展

黄远志，杨传浩，何颂平，马瑞松，郇庆

物理学报, 2024, 73(22):228701

doi: 10.7498/aps.73.20241367

21世纪以来，扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用。为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率，人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum，UHV)和低温(low temperature，LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM)。目前，大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(⁴He)，使SPM的温度达到约4.2 K。然而由于⁴He元素在自然界中含量低且因需求日益增长，导致液氦价格急剧飙升，严重影响到了⁴He相关低温设备的正常运行。为应对上述问题，干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向。在此背景下，将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合，搭建干式低温扫描探针显微镜，成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一。本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面，介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统。最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战，探讨了该技术未来的发展方向。

图17 基于远端液化方案的Dry-LT-STM系统的三维模型^{[23] ([23] He G, Wei Z X, Feng Z P, Yu X D, Zhu B Y, Liu L, Jin K, Yuan J, Huan Q 2020 Rev. Sci. Instrum. 91 013904)}

同行评价

扫描探针显微镜（SPM）在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用。超高真空（UHV）和低温（LT）环境 SPM 系统（UHV-LT-SPM），具有更小的热漂移、更低的噪声等优势。由于液氦价格昂贵，严重影响了相关低温设备的正常运行。目前干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向，将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合，搭建干式低温扫描探针显微镜，是目前国际研究热点。该文从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及设备性能等方面，介绍分析了目前已经报道的几种干式 LT-SPM 系统和自己研制的远端液化型干式扫描探针显微镜LT-SPM 系统，总结了干式 LT-SPM 系统所遇见的问题和挑战，探讨了该技术未来的发展方向。对SPM 系统（UHV-LT-SPM）的研制和发展具有重要的参考和指导意义。

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编辑推荐仪器与测量

基于⁷Li冷原子操控的超高真空测量

成永军，董猛，孙雯君，吴翔民，张亚飞，贾文杰，冯村，张瑞芳

物理学报, 2024, 73(22):220601

doi: 10.7498/aps.73.20241215

国际单位制的重新定义促进真空计量体系向量子化转变，真空参数的量子化是国际真空测量学领域目前最具引领性、前瞻性和颠覆性的研究方向之一，量子真空测量是基于微观粒子体系的量子效应，利用光学手段和量子力学理论实现真空参数的精密测量。本文通过自主研制的冷原子真空测量装置操控⁷Li原子，利用锂冷原子在磁光阱和磁阱中的逃逸损失特性开展了超高真空测量实验研究，结果表明，针对N₂，Ar，He，H₂四种真空常用气体分子，在3×10^–8—4×10^–5 Pa真空范围，⁷Li冷原子真空测量的不确定度最大为7.6%—6.0% (k = 2)，⁷Li冷原子的真空反演结果与传统电离真空计的测量结果具有良好的一致性，其相对灵敏度因子的最大偏差小于8%，验证了冷原子量子真空测量的准确性和可靠性，研究成果对促进全新跨代真空测量技术发展，满足空间科学探测、超精密测量与高端装备制造等需求具有重要意义。

图3 ⁷Li冷原子真空测量装置原理图

同行评价

真空度的高精度测量和精确计量是重要前沿问题。本文通过自主研制的冷原子真空测量装置操控⁷Li原子，利用锂冷原子在磁光阱和磁阱中的逃逸损失特性开展了超高真空测量实验研究，并和传统电离真空计比对，相对灵敏度因子的最大偏差为8%，具有重要科学意义和应用前景。

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编辑推荐数据论文

OH⁺离子14个Λ-S态和27个Ω态光谱性质的理论研究

邢伟，李胜周，张昉，孙金锋，李文涛，朱遵略

物理学报, 2024, 73(22):223101

doi: 10.7498/aps.73.20241301

在选择合适的活性空间和基组、考虑各种物理效应(标量相对论效应、核–价电子关联效应、完备基组极限和自旋–轨道耦合效应)的基础上，本文利用优化的icMRCI+Q方法获得了X³Σ^–/a¹Δ/b¹Σ⁺/A³Π/c¹Π(OH⁺)←X²Π(OH)精确的电离能、OH⁺离子14个Λ-S态和相应的27个Ω态势能曲线。利用全电子icMRCI/cc-pCV5Z + SOC理论获得了6个Ω态[，，(1)2，(2)2，(2)1和(1)0^–]之间的跃迁偶极距。并且本文获得的电离能、光谱和振动–转动跃迁数据与现有的测量值符合得非常好。研究发现: 1) (1)2(υ' = 0—6，J' = 2，+)的辐射寿命随着υ'的增大而逐渐缩短，辐射宽度随着υ'的增大而逐渐增宽；(1)2(υ' = 0—6，J' = 2，+)–(υ''，J'' = 1，–)自发辐射较弱。2) (2)2第一势阱(υ' = 0—2，J' = 2，+)，(2)1(υ' = 0—9，J' = 1，+)和(1)0–(υ' = 0—8，J' = 0，+)的辐射寿命都是随着υ'的增大而逐渐增长，辐射宽度都随着υ'的增大而逐渐变窄；(2)2第一势阱(υ' = 0—2，J' = 2，+)– (υ''，J'' = 1，–)，(2)1(υ' = 0—9，J' = 1，+) – (υ''，J'' = 1，–)和(1)0–(υ' = 0—8，J' = 0，+)– (υ''，J'' = 1，–)的自发辐射很强。3) (2)2第一势阱(υ' = 0—2，+)，(2)1(υ' = 0—9，+)和(1)0^–(υ' = 0—8，+)的辐射寿命都是随着J'的增大而逐渐增长。本文数据集可在科学数据银行数据库 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00058中访问获取。

图2 OH⁺离子27个Ω态的势能曲线

同行评价

文章在考虑了各种物理效应(标量相对论效应、核–价电子关联效应、完备基组极限和自旋–轨道耦合效应)的基础上，应用icMRCI+Q方法获得了OH⁺离子前五个离解极限对应的14个Λ-S态和相应的27个Ω态势能曲线，具有一定的创新性。基于理论计算的电子结构，求解分子的一维核运动薛定谔方程，获得束缚电子态的光谱常数，研究手段比较成熟，结果可靠可信。

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编辑推荐综述

空间引力波探测中电荷管理系统的紫外光源应用

阮远东，章志昊，贾茳勰，顾煜宁，张善端，崔旭高，洪葳，白彦峥，田朋飞

物理学报, 2024, 73(22):220401

doi: 10.7498/aps.73.20241115

引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波，通过探测引力波可以使得人类从另一个角度去观测宇宙。在空间引力波探测的过程中，惯性传感器中的检验质量会受到太空环境中粒子和射线的作用而积累电荷，影响了引力波探测的精度，因此需要对检验质量上的电荷进行控制，即开展电荷管理。在以往的电荷管理系统中应用紫外汞灯和紫外(UV) LED作为光源，取得了不同的效果。本文主要综述了空间引力波探测中电荷管理系统的紫外光源研究进展。汞灯作为第1代系统光源，虽能完成任务，但有着启动慢、功耗高等缺点。UV LED凭借其体积、功耗等方面的优点，逐步成为目前电荷管理系统的光源。近年来，随着紫外微型LED (UV micro-LED)技术的成熟，其较高的外量子效率和良好的可靠性展示出应用于电荷管理系统的潜力，是未来电荷管理系统可选择的紫外光源之一。

图23 (a)初始电压–5 V电荷管理效果图；(b)初始电压+5 V电荷管理效果图^[51] ([51] Ruan Y D，Li H G，Jia J X，Gu Y N，Zhang Z H，Shen D Q，Hong W，Cui X G，Zhang S D，Bai Y Z，Tian P F 2025 Opt. Laser Technol. 181 111902)

同行评价

本文主要聚焦于对空间引力波探测器中电荷管理和调控而改进灵敏度的实验方案。如所周知，随着LIGO和Virgo对双致密天体合并产生的中频引力波(其频率在几十赫兹到几百赫兹）的成功探测，针对更广频带和更多波源的引力波观测已成为这一领域的当务之急，对后续采用微型紫外LED光源和提升技术水平有一定的学术指导意义。

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聚焦离子束加工的硅酸钇波导中铕离子的光学与超精细跃迁

肖懿鑫，朱天翔，梁澎军，王奕洋，周宗权，李传锋

物理学报, 2024, 73(22):220303

doi: 10.7498/aps.73.20241070

量子存储是大尺度量子网络的重要组成部分，基于波导等微纳结构的可集成量子存储可以提供更好的可扩展性并实现更低的光电能耗。在众多量子存储候选介质中，¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体具有长达6 h的自旋相干寿命和1 h的相干光存储时间，成为长寿命存储的优异候选材料。本文通过聚焦离子束在¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体表面加工出三角形悬梁臂波导，波导截面的边长为2 μm，长度为20 µm，并对三角形悬梁臂波导中的¹⁵¹Eu³⁺离子的⁷F₀—⁵D₀光学跃迁以及⁷F₀基态的超精细跃迁开展了研究。结果显示，在2 μm尺度的悬梁臂波导中¹⁵¹Eu³⁺离子基本保持了和块状晶体中¹⁵¹Eu³⁺离子一致的跃迁展宽及相干寿命，可以支持量子存储任务的实现。该工作为实现纳米尺度的¹⁵¹Eu³⁺离子可集成量子存储器以及单个¹⁵¹Eu³⁺离子的探测打下基础。

同行评价

论文对通过聚焦离子束加工的¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体悬梁臂波导的光学跃迁和相干寿命进行了验证测试，结果表明其与以往所用的大尺寸的激光直写波导的性能基本一致，可应用于未来量子存储器件的集成化。文章具有较大的科学意义和学术价值，对于开发高性能可集成量子存储器提供了可靠的技术支撑。

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编辑推荐

关联退相位有色噪声通道下熵不确定关系的调控

余敏，郭有能

物理学报, 2024, 73(22):220301

doi: 10.7498/aps.73.20241171

不确定性原理限制了观察者对两个不相容可观测量的精确测量能力，在量子信息科学领域的量子精密测量中扮演着重要角色。本文研究关联退相位有色噪声通道下两量子比特系统的量子存储支撑熵不确定关系，结合通道连续使用间的关联性和动力学演化中的非马尔科夫性调控熵不确定度及其下限。分别选取最大纠缠态和可分离态作为系统的初态，通过调节关联强度和非马尔科夫性发现: 完全关联通道可以最大程度地抑制退相干，降低熵不确定度及其下限，此时非马尔科夫效应不发挥作用；部分关联通道与非马尔科夫效应结合可以在演化中某些时刻更有效地降低熵不确定度及其下限；长时间演化后，系统的熵不确定度及下限达到稳定值，且稳定值只与通道的关联强度有关，通道的关联性越强，稳态的熵不确定度及下限越低。最后分析熵不确定性及其下限降低的物理本质，发现熵不确定度及其下限的降低源于系统量子关联的增加。

同行评价

目前，不确定性关系为量子力学中重要而基本的科学问题，吸引了国内学者的普遍关注，也是热点课题之一。该文探索了关联退相位有色噪声下的不确定性关系演化特性，具体研究不同初态下（最大纠缠和可分态）的不确定性及其下界的动力学，从而揭示了一些有趣的结果。总体来看，本文关注的课题属于量子信息论的前沿问题，值得探索。

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宽带激光辐照平面厚靶的侧向散射

龙欣宇，熊俊，安红海，谢志勇，王佩佩，方智恒，王伟，孙今人，王琛

物理学报, 2024, 73(22):225202

doi: 10.7498/aps.73.20240823

激光等离子体不稳定性(laser plasma instability，LPI)是惯性约束聚变(inertial confinement fusion，ICF)点火过程中的关键问题之一，多年来受到了广泛的关注。其中，宽带激光被认为是解决LPI问题的一个有效途径，并且目前已经有了大量的模拟研究和少量背向、近前向散射的实验研究，但是仍然需要侧向散射的实验研究作为补充。因此，基于输出达数百焦耳的宽带二倍频激光装置“昆吾”，本文针对宽带激光与传统窄带激光驱动平面厚靶产生的等离子体不稳定性的侧向散射以及超热电子产额设计实验。实验结果表明，功率密度为1×10¹⁵ W·cm^–2的宽带激光激发的侧向受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)与侧向受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)在不同角度下的光谱和份额与窄带激光存在显著差异。进一步分析发现，宽带条件下侧向的超热电子份额整体高于窄带，而此时宽带条件下小角度近前向、小角度近背向的SRS份额却远低于窄带，初步的定性分析认为此时SRS可能不是超热电子的主要产生机制，认为此时可能是PDI对超热电子的产生起了主导作用。

图7 不同角度的超热电子产生情况 (a)能谱图；(b) 份额图

同行评价

该文是一篇有重要科学意义的实验文章，采用独特的“昆吾”宽带激光进行了等离子体散射的系统性对比研究，取得了宝贵的实验数据。实验结果对同行了解宽频带激光与等离子体相互作用的实验现象有参考价值。

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氩气等离子体射流特性: 电压、气流、外磁场的综合影响

周雄峰，陈彬，刘坤

物理学报, 2024, 73(22):225201

doi: 10.7498/aps.73.20241166

大气压等离子体射流具有广阔的应用前景，而电压、气体流速、外磁场均会影响其性能，其综合影响更会使得放电规律复杂化。但是目前缺乏三者组合对射流特性的综合影响研究，无法更全面评估多放电条件下的放电特性规律。因此，本文以交流氩气等离子体射流为对象，研究了电压、外磁场、气体流速三者组合作用对放电的宏观形貌、功率、气体温度、电子激发温度、电子密度、Ar*光谱强度、·OH粒子数密度等参量的影响。结果表明，电压对射流参量的影响规律不受气体流速和外磁场的影响，增大电压能提升放电性能；加入外磁场可以在不引起放电功率显著变化的情况下提升放电性能，尤其是当磁场仅作用于等离子羽时，提升效果最显著；气体流速对射流性能的改变会受到电压和外磁场的影响，并不是在单个放电条件最优的组合情况下取得最佳的射流性能。本研究有助于更全面了解不同放电条件下射流特性，为优化射流性能提供指导，有利于推动大气压等离子体射流技术的发展。

同行评价

论文通过电学、发射光谱和吸收光谱技术诊断，研究报道了电压、气体流速、外磁场三者的组合作用对大气压交流氩气放电等离子体射流物理特性和活性产物的影响。主要结论是电压对射流特性的影响不受气体流速和外磁场影响，加入外磁场可以在不引起放电功率变化的情况下提升射流特性，而气体流速对射流性能的影响受到电压和外磁场的影响。论文研究的复杂多变量放电参数条件下射流物理特性和活性产物变化规律，能为优化射流性能提供一定的参考价值。

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铯原子系统中部分PT对称的研究

薛咏梅，何云辉，韩小萱，白景旭，焦月春，赵建明

物理学报, 2024, 73(22):221101

doi: 10.7498/aps.73.20241200

本文主要研究铯原子Λ型三能级原子的部分PT对称和相变，利用铯原子基态|6S_1/2,F=3〉、|6S_1/2,F=4〉和激发态|6S_3/2,F'=4〉组成Λ型三能级原子系统，由失谐Δ₃ = 607 MHz的探测光与耦合光形成双光子拉曼吸收，构成损耗通道。增加了共振作用于能级|6S_1/2,F=3〉与|6S_3/2,F'=4〉跃迁的泵浦光改变两个基态能级的布居，从而使Λ型三能级系统的吸收减小，在一定条件下形成原子系统的增益通道，从而构成部分PT对称的原子系统。实验中通过改变耦合光和探测光的腰斑比σ，观察到部分PT对称系统中由对称向破缺相的转变。此外研究了探测光束强度分布的不对称程度D_asym，精确地测量了部分PT对称的破缺点，理论计算与实验测量结果相符。本文所报道的部分PT对称性及其相变的结果，为主动操纵非厄米系统中的多维激光束开辟了一条途径，并在设计激光不同部分的光放大和衰减光学器件方面具有潜在的应用价值。

图4 (a) 耦合光与探测光的腰斑比σ=2.14，系统处于部分PT对称区域时对应的探测光的光斑是均匀分布，对应的理论模拟结果(a1)；(b) 耦合光与探测光的腰斑比σ=4.55时，探测光光斑分布呈现不均匀的分布，且左半边暗右半边亮，此时系统处于PT破缺，对应的理论模拟(b1)

同行评价

本文具有很好的原创性，利用铯原子Λ型三能级和光泵浦效应形成损耗和增益通道，构建了部分PT对称的原子系统。改变耦合光和探测光的腰斑比，观察到部分PT对称系统中由对称向破缺相的转变，实验测量与理论计算相吻合。这为非厄米光学系统中多维激光束的控制奠定了基础，也可用于实现部分PT对称相变点的精密测量，对激光束不同部位的光放大器和衰减器的设计具有潜在的应用价值。

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《物理学报》2024年第22期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/22