基于原子操纵技术的人工量子结构研究

扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段.利用这种手段,人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构,通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制,实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控.原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合,使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件,因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具.本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点,然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展,以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展,最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.     

限域量子态调控研究

电子、激子和声子等量子态在固体中的行为早已被人们所熟知. 然而，当体系的尺寸只有纳米量级的时候，已有的固体理论常常不能适用，需要新的低维物理理论的建立. 我们系统研究了低维体系限域量子态（包括电子、激子和声子）的行为对环境、应力、压力及光的响应和性质的调控. 较早认识到低维体系之显著的表面-体积比对量子态性质调控之有效性，系统地揭示了低维体系的一系列由表面和应力决定的新颖性质，证明了低维体系的表面和应力效应同量子限域效应同等重要. 本文概况了如下五个方面的结果：（1）一种使用应力效应调控电子能带结构的方法和（2）一种使用表面效应调控电子能带结构的方法（这两个方法都可将低维体系能带从间接能隙调控至直接能隙能带结构）；（3）一种低维体系表面掺杂方法，该方法将在低维体系掺杂中取代传统方法；（4）量子点表面诱导的光致异构现象；（5）基于表面自催化半导体低维结构的形成机理. 希望我们的研究工作有助于促进低维体系在光电子、纳电子、环境、能源、生物和医学等领域的应用.     

表面纳米结构的自组装生长

无论是对低维基本物理以及其中新奇量子现象的探索与认识,还是微电子工业水平的持续发展,都迫切地需要掌握一种能够精确、可靠地操控表面纳米结构的方法.自组织生长,即粒子聚集时由于介观尺度力场或受限运动作用而导致的自发有序现象,在原子尺度上可以实现对纳米结构的精确控制,而在介观尺度上又可以调节这些微观结构单元的组织构型.文章结合作者近年来在表面纳米结构生长与物理性质研究方面所做过的工作,从自组织生长的原理出发,介绍了对金属纳米线、有序分子薄膜以及合金量子点阵列生长进行人工操控的方法.     

非晶材料与物理近期研究进展

由于结合了金属和玻璃的特性,非晶合金表现出许多新奇和优异的力学和物理性质,在很多领域具有广泛的应用前景.非晶合金具有连续可调的成分、简单无序的原子结构、丰富多变的材料性质,为研究非晶态物理中的许多共性科学问题提供了理想的模型材料.块体非晶合金的发展更是将玻璃和液体及其相关科学问题的研究推进到凝聚态物理和材料科学的研究前沿.中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室亚稳材料合成、结构及性能研究组(EX4组)近二十年来一直致力于非晶材料和物理的研究,在新型非晶合金的制备、物性以及相关机理的研究上取得了许多重要成果.本文介绍团队最近在非晶材料和物理机理方面取得的研究成果,包括非晶合金的动力学行为和调控、非晶合金的表面动力学、功能应用以及材料探索新方法等.     

功能分子结构的组装和单分子物性：基于密度泛函理论的第一性原理计算与扫描隧道显微学（Ⅰ）

在单个分子的层次上研究低维分子纳米结构的生长,理解组装机制并实现结构与特性的有效控制,是低维体系物理及其器件研究的重要内容.本文在基于密度泛函的第一性原理计算的基础上,对功能分子在金属表而上的自组装特性等进行了综述.对理论方法作了简要介绍后,综述了第一性原理计算方法在研究金属基底上分子自组装结构、界面特性、结构控制、单分了成像机制、单分子量子调控以及单分子输运性能等方面的应用.最后对基于密度泛函的第一性原理计算在解释功能分子组装与界面物理化学特性方面的发展前景进行了展望.     

功能分子结构的组装和单分子物性:基于密度泛函理论的第一性原理计算与扫描隧道显微学(I)

在单个分子的层次上研究低维分子纳米结构的生长,理解组装机制并实现结构与特性的有效控制,是低维体系物理及其器件研究的重要内容。本文在基于密度泛函的第一性原理计算的基础上,对功能分子在金属表面上的自组装特性等进行了综述。对理论方法作了简要介绍后,综述了第一性原理计算方法在研究金属基底上分子自组装结构、界面特性、结构控制、单分子成像机制、单分子量子调控以及单分子输运性能等方面的应用。最后对基于密度泛函的第一性原理计算在解释功能分子组装与界面物理化学特性方面的发展前景进行了展望。     

光电子衍射与表面结构分析

光电子衍射是近年来发展成熟的研究外延表面和吸附表面的原子位型、结构、化学键、磁性等物理化学性质的表面分析方法。本文概述了其基本原理以及在理论、实践两方面的最新进展。并且具体阐述了在不同的实验条件下光电子衍射基本的数据处理方法 ,并结合一些近几年发展起来的技术如光电子全息、自旋分辨的光电子衍射 (SPPD)、磁二向色性角分布 (MDAD)等讨论了光电子衍射在各种低维体系中的应用     

光电子衍射与表面结构分析

光电子衍射是近年来发展成熟的研究外延表面和吸附表面的原子位型、结构、化学键、磁性等物理化学性质的表达分析方法。本概述了其基本原理以及在理论、实践两方面的最新进展,并且具体阐述了在不同的实验条件下光电子衍射基本的数据处理方法,并结合一些近几年发展起来的技术如光电子全息、自旋分辨的光电子衍射（SPPD）、磁二向色性角分布（MDAD）等讨论了光电子衍射在各种低维体系中的应用。     

半导体量子结构中量子力学新效应

量子力学波函数的相位、相干性与退相干,正成为当前物理学研究的一个热点,半导体材料及其低维量子结构,以其制备工艺的精良和物理研究的透彻而成为最佳研究对象,对于半导体量子结构中载流子相位和关联的实验研究,主要遵循两路线：（1）使系统特征尺度与相干长度可比,研究介观系统与小量子系统输运过程中量子相干效应;（2）发展超短脉宽激光器与超快探测技术,研究与相干时间可比的时间尺度内的动力学,文章结合笔者的研究工作,着重介绍半导体及其量子结构中超快光学过程研究,包括电声子散射的量子动力学,直流与THz交流电场驱动的半导体超晶格激子态、吸收光谱与四波混频谱,动力学Fano共振和多体相互作用中超越平均场近似的重要性。     

基于冷原子的非平衡量子多体物理研究

量子多体物理和非平衡物理相结合,是当前物理学研究的重要机遇和挑战.非平衡量子多体物理不仅是当前物理学多个分支共同感兴趣的问题,而且是发展新兴量子科技不可或缺的理论基础.冷原子体系为研究非平衡量子多体物理提供了理想的平台.冷原子等人工量子体系的优势,体现在研究孤立系统热化、和环境耦合导致的耗散、系统参数的扫描、跳变和周期驱动等多种非平衡动力学过程.本文结合笔者的研究成果,给出3个具体的例子,展示基于冷原子的非平衡量子多体物理的研究,如何突破拓扑物理研究的已有框架,发展新的测量量子多体关联的方法,以及丰富规范理论研究的内涵.这类研究聚焦量子多体系统的拓扑、关联等基本性质,利用冷原子体系的优势以实现理论和实验的定量结合,以期提炼出具有普适性的物理规律,并推广到凝聚态物质、核物质等其他物理系统的非平衡过程.