Jaynes-Cummings晶格模型和Rabi晶格模型的量子相变

采用平均场近似的方法,分别研究了Jaynes-Cummings晶格模型和Rabi晶格模型的量子相变:Mott绝缘体相-超流体相量子相变,探索了光的聚束-反聚束行为,研究了Kerr非线性作用对量子相变与光子统计特征的影响.研究结果表明,在Rabi晶格模型中二能级原子和光子相互作用强度g和格点之间光子跃迁强度J的增大会使晶格体系从Mott绝缘体相向超流体相转变,同时,光子统计行为由聚束转变为反聚束,而Kerr非线性强度的增大抑制了Mott绝缘体相-超流体相相变,但促进了光子聚束与反聚束之间的转变.     

Magnéli相亚氧化钛的莫特相变和磁电性能的模拟计算

基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建纯的单胞与金红石型和锐钛矿型TiO_1.9375超胞模型,并对模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布的计算. 结果表明,与纯的单胞相比,金红石和锐钛矿Magnéli相TiO_1.9375体系体积均变大,稳定性略下降,而且都发生了莫特相变. 其中锐钛矿Magnéli相亚氧化钛表现没有磁性,金红石Magnéli相亚氧化钛有磁性. 锐钛矿Magnéli相亚氧化钛的导电性能比金红石Magnéli相亚氧化钛强. 计算结果与实验结果相一致. 关键词： Magnéli相亚氧化钛 莫特相变 磁电性能 第一性原理     

通往量子自旋液体的新路径——Kitaev模型的材料实现

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的有效自旋为1/2的量子自旋液体模型。该模型可严格求解,具有拓扑序,分数化激发产生马约拉纳费米子与Z₂规范场,提供了对拓扑物理学与非易失性存储技术研究的新思路。区别于三角晶格与笼目格等材料中由于几何阻挫导致的量子自旋液体态,Kitaev量子自旋液体的形成来源于自旋空间中各向异性的Kitaev相互作用。近年来,在真实材料体系中寻找这种相互作用成为了实现量子自旋液体的新途径。其中,具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体 α-RuCl₃被认为是众多候选材料中最具潜力的一种。文章将从实验角度出发,以α-RuCl₃为主要代表体系,介绍近年来在Kitaev量子自旋液体实验研究方面的重要进展,特别是以中子散射为主要手段对材料中与Kitaev量子自旋液体态相关的自旋激发态研究的结果。     

马氏体相变的相场模型研究进展

马氏体相变是一种无扩散位移型一阶相变,会形成针状、表面浮凸等复杂的特征微结构。马氏体相变的特征微结构会显著影响材料的宏观物理力学特性,相关研究具有重要的科学和工程价值。相场模型具有可处理复杂界面演化问题的独特优势,已成为模拟马氏体相变的有力的理论与计算工具。概述了马氏体相变相场模型的研究进展,并分析了相场模型应用于弱马氏体相变和重构型马氏体相变的特点。     

双模Dicke模型的一级量子相变

多光场与多粒子相互作用的多模Dicke模型不但存在着更为丰富的量子相,而且在量子信息中有着重要的应用.本文运用Holstein-Primakoff变换和玻色扩展法研究双模Dicke模型的基态特性并从理论上发现了一个新的一级量子相变.该相变在实验上可以通过测量平均光子数或原子布居数进行观察.     

浅光晶格中量子隧穿现象的实验观测

基于一维水平光晶格的锶原子光晶格钟实验平台,当系统的稳定度和不确定度达到10-18量级以上时,由量子隧穿效应引起的钟频移变得不容忽视.在浅光晶格中,量子隧穿效应会使钟跃迁谱线发生明显的展宽现象,因此,本文通过研究浅光晶格中的量子隧穿现象,为⁸⁷Sr原子光晶格钟系统不确定度的评估奠定基础.本实验在一维⁸⁷Sr原子光晶格钟平台上,利用超稳超窄线宽的698 nm激光激发⁸⁷Sr冷原子~lS₀(|g>)→~3P₀(|e>)跃迁(即钟跃迁),实现了对锶原子分布在特定量子态的制备.在深光晶格中,将原子制备到|e,n_z=1>态后,再绝热地降低光晶格阱深,然后在浅光晶格中,探测激发态的载波-边带可分辨的钟跃迁谱线.从钟跃迁谱线中观测到载波谱线发生了明显的劈裂,表明原子在光晶格相邻格点间产生了明显的量子隧穿现象.通过对光晶格中量子隧穿机制的理解,不仅有利于提高光晶格钟的不确定度,也可为观测光晶格中费米子的自旋轨道耦合效应提供基础数据.     

原子核过渡区的量子相变

在相互作用玻色子模型(IBM) 基础上用O(6) 高阶项代替传统的SU(3) 四极-四极相互作用来研究原子核从振动到转动过渡区的量子相变行为。利用U(5)-SU(3) 和UQ 两种方案,在玻色子数分别为N = 8 和N = 20 不同情况下,研究了原子核的一些低激发态的能级比和电四极跃迁比。结果表明:随着玻色子数N 的增大,系统的量子相变行为得到加强;两种方案都可以用来描述从振动到转动过渡区的原子核的量子相变特征且O(6) 高阶项方案下量子相变行为更为明显。在此基础上,进一步应用这两种方案具体讨论了152Sm 核的低激发态能级和电四极跃迁性质并与实验数据进行对比分析。结果表明,用O(6) 高阶项可以更为合理地描述带内跃迁及不同带之间的带间跃迁性质。With the framework of Interacting Boson Model(IBM), transitional patterns from the spherical to the axially deformed limit of the IBM with a schematic Hamiltonian are studied by replacing the SU(3) quadrupole-quadrupole term with O(6) cubic interaction. But, we use the two schemes to investigate some energy ratios and B(E2) ratios for different bosons N = 8 and N = 20. The results show that with the increasing of the numbers of bosons, the transitional behaviors can be enhanced; the transitional behaviors are very similar in the two schemes. However, there are some distinctive differences for some quantities across the entire transitional region, such as energy levels and ratios, B(E2) values and ratios, and expectation values of the shape variables. Generally speaking, the transition is smoother and the nuclear shape is less well defined in the new scheme. Then we apply the two schemes to the critical point symmetry candidate, such as 152Sm, and find the overall fitting quality of the UQ scheme is better than that of the U(5)-SU(3) scheme, especially for the inter-band E2 transitions in 152Sm.     

转角二维量子材料中平带相关的新奇电子态物性

二维量子材料具有诸多新奇的电子态物性,又易受到外部因素的影响和调控,因此成为近年来凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一.而当以不同的旋转角度和堆叠次序制备出二维量子材料的异质结时,莫尔超晶格的形成又进一步诱导了异质结电子能带结构的重整化,从而形成电子平带结构,再结合外加电场、磁场、应力场等外部条件,即可实现对材料整体新奇物性的设计与调控.本文主要围绕转角石墨烯及过渡金属硫族化合物异质结中的相关研究展开讨论,包括与平带物理相关的强关联效应、非常规超导现象、量子反常霍尔效应、拓扑相以及电子晶体等行为,并对未来的研究发展进行了展望.     

走近量子纠缠系列之一 薛定谔的猫

<正>本科普系列是想尽量使用通俗的语言,向公众介绍神秘奇妙的量子纠缠。要认识神秘的量子纠缠,首先要认识神秘的量子现象。不管学哪个行业,大概都听说过奇妙的量子现象。诸如测不准原理[1]、薛定谔的猫[2]之类,在日常生活中看起来匪夷所思的现象,却是千真万确存在于微观的量子世界中。许多人将听起来有些诡异的量子理论视为天书,从而敬而远之。有人感叹说:"量子力学,太不可思议了,不懂啊,晕!"不懂量子力     

单晶Ni52Mn24Ga24中马氏体变体择优取向的物理表征

利用各种实验手段对M52Mn24Ga24单晶中马氏体变体的择优取向进行了表征.针对金相观察、磁场干预的相变应变、磁感生应变等实验结果,分析了马氏体相变过程变体自发择优取向和磁诱导择优取向的机理.根据不同方向磁场干预相变应变的结果,计算了Ni52Mn24Ga24单晶中等效取向内应力的大小约为2.45 MPa.从变体择优取向造成的有效弹性和磁畴分布两个方面,对单晶样品在[001]和[010]两个等价的晶体学方向上磁感生应变特性的差别,包括最大应变值、饱和场、滞后效应和起始磁场数值的参数,进行了分析和讨论.     

三维钻石型等级晶格上量子Heisenberg系统的临界性质

利用重整化群方法,研究了三维钻石型等级晶格上的各向异性量子Heisenberg模型,获得了系统的相图和临界性质. 结果表明:对于铁磁系统,在各向同性Heisenberg极限下,系统存在有限温度的相变,并计算了系统的序参量和临界指数; 对于反铁磁系统,在各向同性Heisenberg极限下,临界温度不等于零,在临界线上不存在重入行为.     

《晶体生长的物理基础》

闵乃本同志著的《晶体生长的物理基础》一书最近(1982年5月)由上海科学技术出版社出版,全书约41万字.这本书首先是为从事晶体生长的工作者写的,侧重基础、比较系统.     

量子材料GaTa4Se8的基态研究

量子材料GaTa₄Se₈(GTS)不仅展现出绝缘体到金属相变、J_eff量子态以及拓扑超导等多种有趣的物理性质,而且还是电阻开关和存储介质材料,一直以来备受关注。当前科学家们对其绝缘基态的结构仍存在争议,基态结构的不确定阻碍了对其各种物理性质的深入理解。GaTa₄Se₈的绝缘基态长期被认为具有立方对称结构(空间群F43m),其电子能隙是由自旋轨道耦合效应和电子关联共同作用形成的Mott型能隙。最近第一性原理计算表明,立方结构的声子谱存在虚频而不稳定,并预测立方对称存在结构畸变会形成更稳定的三方结构(R3m)或四方结构(F43₁m)。为此,本研究通过压力调节该材料的电子能隙,结合Raman光谱、X射线衍射、电阻测量等多种实验表征手段,对比实验得到的数据与第一性原理计算结果,进一步探索GaTa₄Se₈的基态结构。研究表明三方对称结构(R3m)更符合实验观察结果。     

泡沫金属内相变材料融化传热过程的数值模拟

以泡沫金属为基体,孔隙中填充相变材料能有效改善相变传热性能.考虑金属骨架与流体之间的不同的传热特性,建立了泡沫金属内融化相变传热的双温度模型.运用显热容法模拟了泡沫铝内融化相变的温度分布与流场.计算结果显示对比纯相变材料,加入泡沫铝能显著强化传热性能.固体骨架与储能材料之间在其相变时有较大的温差.     

超晶格和层状结构传热特性的连续模型及其在能源材料设计中的应用

层状材料和超晶格结构为提高热电材料和隔热涂层提供了新的设计思路, 并成为最近的研究热点. 应用连续波动方程和线性阻尼理论, 本文研究了此类材料中的声子输运特性. 给出了在整个相空间里的界面调制和声子局域化效应, 得出了超晶格材料热导率的上极限和下极限; 同时, 分析表明界面锐化加强了声子带隙, 使得部分模态的声子局域化加强. 最后, 通过对石墨烯/氮化硼超晶格(G/hBN)和硅/锗超晶格的分子模拟(Si/Ge), 验证了该理论模型. 该方法适用于所有的层状材料和超晶格结构, 对此类新能源材料的设计提供了普适的设计思路.     

轨道选择性相变——多轨道物理中一类独特的现象

金属—绝缘体相变是凝聚态物理中被大量研究并有广泛应用前景的一种物理现象。通常具有巡游性的电子由于受到各种因素(如无序或电子相互作用等)的影响发生局域化,从而形成了金属—绝缘体相变。然而在实际材料中,由于电子还具有轨道属性而使该相变的发生变得更加复杂。文章简要回顾了一类考虑电子轨道自由度后发生的较为特殊的金属—绝缘体相变——轨道选择性相变,即由于电子相互作用的影响而在同一原子壳层中出现局域化的电子和巡游电子共存的现象,并讨论了其形成机理和相关的实验。     

轨道选择性相变——多轨道物理中一类独特的现象

金属—绝缘体相变是凝聚态物理中被大量研究并有广泛应用前景的一种物理现象。通常具有巡游性的电子由于受到各种因素(如无序或电子相互作用等)的影响发生局域化,从而形成了金属—绝缘体相变。然而在实际材料中,由于电子还具有轨道属性而使该相变的发生变得更加复杂。文章简要回顾了一类考虑电子轨道自由度后发生的较为特殊的金属—绝缘体相变——轨道选择性相变,即由于电子相互作用的影响而在同一原子壳层中出现局域化的电子和巡游电子共存的现象,并讨论了其形成机理和相关的实验。     

横场中具有周期性各向异性的一维XY模型的量子相变

通过解析和数值计算的方法研究了横场中具有周期性各向异性的一维XY自旋模型的量子相变和量子纠缠.主要讨论了周期为二的情况,即各向异性参数交替地取比值为α的两个值.结果表明,与横场中均匀XY模型相比,α=-1所对应的模型在参数空间的相图存在着明显的不同.原来的Ising相变仍然存在,没有了沿x和y方向的各向异性铁磁(FM_x,FM_y)相,即各向异性相变消失,出现了一个新的相,并且该相内沿x和y方向的长程关联函数相等且大于零,我们称新相为各向同性铁磁(FM_(xx))相.这是由于系统新的对称性所导致的.解析结果还说明系统在FM_(xx)相中的单粒子能谱有两个零点,是一个无能隙的相.最后,利用冯·诺依曼熵数值地研究了系统在新相内各点的量子纠缠,发现该相内每一点的冯·诺依曼熵的标度行为与均匀XY模型在各向异性相变处的相似,即S_L～1/3㏒_2L+Const.     

二维材料平带的实现及其新奇量子物态

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

凝聚态物理学的新篇章——超越朗道范式的拓扑量子物态

在凝聚态物理学发展历程中,朗道—金兹堡相变理论奠定了人们对物质形态和有序相及其相变的认识基础,在结合了威尔逊重正化群理论后,形成了朗道—金兹堡—威尔逊范式,并成为整个现代物理学宏伟大厦的重要基石。然而,在复杂电子多体系统的实验研究中,以量子霍尔效应、分数量子霍尔效应和铜氧化物高温超导体的实验发现为代表,涌现了众多超越朗道—金兹堡—威尔逊范式的新奇量子物态,掀开了凝聚态物理学的新篇章。文章从量子霍尔效应出发,介绍了二维电子体系中的几种典型拓扑量子物态。之后,重点介绍二维强关联电子多体系统中的内禀拓扑有序态。围绕Kitaev提出的二维Toric Code量子自旋模型,详细论证了该模型的基态为具有Z2内禀拓扑序的量子自旋液体,讨论了其基态的拓扑简并、低能任意子激发,以及相关的拓扑量子相变。同时,简要介绍了内禀拓扑有序态的最新研究进展和可能的未来发展方向。