DNA折纸结构介导的多尺度纳米结构精准制造

原子及近原子尺度制造在近年来一直是物质科学领域被广泛探讨的前沿问题.当制造和加工的尺度从微米、纳米逐渐走向原子级别时,材料在常规尺度下所具备的性质已无法通过经典理论进行解释,相反地,会在这一尺度下展现出一系列新奇的特性.因而对材料极限制造尺度和颠覆性物性的不断追求始终是科学界共同关注的重点领域.作为一种在纳米尺度下对结构制造单元进行精细操控的先进手段,DNA纳米技术的开发和发展为纳米制造甚至原子制造提供了新的观点和思路,而DNA折纸术作为DNA纳米技术的重要组成部分,正在凭借其在结构制造过程当中的高度可编程性成为纳米尺度下进行各类物质精准制造的独特的解决方案,并可能为不同物质不同材料更小尺度和任意形状的精准构筑带来机遇.本文首先简单概述了DNA折纸术的基本原理和发展历程,然后根据制造策略的不同对DNA折纸结构的纳米制造的相关代表性工作做了总结,并在文末提出了对于DNA折纸结构在原子制造中的可行性的思考和未来发展方向的展望.     

模板法自组装银团簇阵列的制备和性质研究

利用自组装的嵌段聚合物有序图案为模板来制备有序金属颗粒纳米阵列是人们关注的热点之一。本文概述了最近利用团簇束流沉积系统将银团簇淀积在聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯(SBS)三嵌段聚合物自组装形成的有序图案上,制备了有序的银纳米颗粒阵列材料,如线形银团簇颗粒阵列和二维银团簇颗粒阵列。利用自编的径向分布函数计算程序对线形银团簇颗粒阵列进行了定量分析,进一步定标了这种线形阵列的有序度,发现在同一线形阵列内有小部分银团簇是近接排列的,大部分团簇颗粒是等间距排列的。同时探讨了这些有序阵列形成的机制。并讨论了利用紫外-可见分光光度计和拉曼谱仪研究这些有序阵列所得到的相关性质。     

DNA模板纳米粒子自组装及其在纳米电子器件中的可能应用

以生物分子为模板进行的纳米粒子白组装之所以受到人们的广泛关注，主要是追求其在纳米电子器件的成功应用。文章结合近年来国内外研究工作和本实验室小组成员的一些相关工作，综述了DNA模板的无机纳米粒子白组装形成有序纳米结构及其在纳米电子器件上应用的研究进展，讨论了此种组装技术的局限性并展望其发展前景．     

DNA模板自组装正电荷纳米金基底的增强SERS效应

本文将合成的直径为10 nm的正电荷金纳米颗粒通过静电作用高密度自组装到带负电荷的长链λ-DNA分子上, 形成了高密度的具有纳米间隙的金纳米颗粒网络结构。研究了孤立的金纳米颗粒和所自组装的金纳米颗粒-DNA复合材料作为表面增强拉曼散射(SERS)基底的活性。原本对SERS信号响应较弱的10 nm直径的金纳米颗粒, 在自组装到DNA上形成具有纳米间隙的金纳米颗粒网络后, 产生了均匀、一致、强烈的SERS增强响应。我们利用用该基底对罗丹明G(R6G)、吡啶(Py)和对巯基苯胺(4-ATP)等不同类型的小分子化合物进行SERS检测的结果表明, 此方法制备SERS基底产率高、均一, 具有较好的SERS增强效果好, SERS信号稳定性和重复性相对常规孤立的金纳米颗粒SERS基底有很大提高。     

面向原子制造的框架核酸研究进展

框架核酸是核酸分子通过自组装形成的一维到三维的框架结构,不仅能精准定位功能基元,还可实现在纳米甚至原子级尺度上进行力学、光学和电学等物理性质,以及单分子水平化学与生化反应的精准调控.利用框架核酸对物质进行原子级的人工自组装,可实现基本构筑单元的精准物理排布与功能化集成,进而实现器件制造,有望推动从原子到宏观的精确功能化...     

模板法自组装银团簇阵列的制备和性质研究

利用自组装的嵌段聚合物有序图案为模板来制备有序金属颗粒纳米阵列是人们关注的热点之一.本文概述了最近利用团簇束流沉积系统将银团簇淀积在聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯(SBS)三嵌段聚合物自组装形成的有序图案上,制备了有序的银纳米颗粒阵列材料,如线形银团簇颗粒阵列和二维银团簇颗粒阵列.利用自编的径向分布函数计算程序对线形银团簇颗粒阵列进行了定量分析,进一步定标了这种线形阵列的有序度,发现在同一线形阵列内有小部分银团簇是近接排列的,大部分团簇颗粒是等间距排列的.同时探讨了这些有序阵列形成的机制.并讨论了利用紫外-可见分光光度计和拉曼谱仪研究这些有序阵列所得到的相关性质.     

原子光谱分析的进展及其应用

文章综述了原子光谱领域分析仪器及分析方法的最新研究进展;例如原子吸收光谱(AAS)、原子发射光谱(AES)、原子荧光光谱(AFS)、激光诱导击穿光谱(LIBS)以及原子质谱(AMS)等,重点关注在食品、医药及其相关领域中的应用。近年出现的芯片实验室和微等离子体,促进了原子分析仪器的微型化发展,而激光及其联用技术在形态分析中的应用仍颇为流行。     

基于深度学习的新混沌信号及其在图像加密中的应用

为提高单一混沌系统图像加密的安全性,本文提出了基于深度学习的图像加密算法.首先,利用超混沌Lorenz系统产生混沌序列.其次,利用长短期记忆人工神经网络(long-short term memory, LSTM)复杂的网络结构模拟混沌特征构造新的混沌信号.然后,利用最大Lyapunov指数, 0-1测试,功率谱分析、相图以及NIST测试对新信号的动力学特征进行分析.最后,将新信号应用到图像加密中.由于该方法生成的新信号不同于原有混沌信号,而且加密系统具有很高的复杂结构和非线性特征,故很难被攻击者攻击.仿真实验结果表明,本文提出的图像加密算法相比其他一些传统方法具有更高的安全性,能够抵抗常见的攻击方式.     

使用重加权原子范数最小化的稀疏可重构直线阵列设计

为克服网格失配问题并提升阵列性能,提出了使用重加权原子范数最小化的稀疏可重构直线阵列设计方法,将稀疏可重构直线阵列设计问题表示为多测量矢量稀疏优化模型,并通过重加权原子范数最小化算法解算出阵元位置和阵元激励。区别于经典压缩感知方法,该方法借助原子范数理论建立了阵元数量、阵元位置和阵元激励联合优化的无网格稀疏优化模型,从而可以克服网格失配问题,并提升阵列波束图的匹配精度。仿真实验表明,与压缩感知类方法相比,重加权原子范数最小化算法可以设计出波束匹配精度高一个数量级的稀疏可重构直线阵列。     

耦合腔阵列与Λ-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性研究

讨论了理想和非理想情况下耦合腔阵列中两个最邻近的腔与Λ-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性.运用准玻色子方法,精确地解出了开放系统中单光子的透射率.Λ-型三能级原子与耦合腔阵列非局域耦合系统具有更多的优点,如:该系统比其他系统调控光子传输特性的可调控参数更多;单光子在该系统中传输的透射谱有三个透射峰.此外,该系统还具有自身的特点,当拉比频率?取值给定之后,改变原子与其中一个腔的耦合强度时,光子的透射谱有一个透射率始终为1的定点,该点对应的光子频率为ω_c-?.在非理想情况下,系统耗散对光子的透射谱有着很大的影响.当只考虑原子耗散时,耗散使得光子透射谱的谷值增大,而峰值不变;当只考虑腔场耗散时,光子透射谱的峰值减小,而谷值不变.另外,随着腔场耗散率和腔的个数的增多,光子透射谱的峰值逐渐减小,但谷值始终不变.对比原子耗散和腔场耗散的情况可以发现,原子耗散使得光子不能被完全反射,而腔场耗散使得光子不能被完全透射.当同时考虑原子和腔场耗散时,光子透射谱谷值的大小不但会受原子耗散率大小的影响,也受腔场耗散率大小的影响,随着腔场耗散率的增大,谷值反而减小;而光子透射谱的峰值始终只受腔场耗散率大小和腔的个数的影响,与原子耗散率取值的大小无关.     

Single layer atom chip for magnetically trapping one-dimensional array of ultracold atoms

<正>We propose a wire configuration to create a one-dimensional(1D) array of magnetic microtraps for trapping ultracold atoms.The configuration is formed by replacing the central part of the Z-wire pattern with a zigzag wire. We simulate the performance of this pattern by the finite element method which can take both the width and depth of the wire into consideration.The result of simulation shows that this configuration can create magnetic microtraps which can be separated and combined by changing the bias magnetic field.We manage to split the Z-wire trap and prove that a similar result can occur for the new wire configuration.The fabrication processes of the atom chip are also introduced.Finally we discuss the loading method.     

Reversibly switchable DNA nanocompartment on surfaces: experiments, applications, and theory

This paper summarizes our studies of DNA nano-compartement in recent years. Biological macromolecules have been used to fabricate many nanostructures, bio-devices, and biomimetics because of their physical and chemical properties. But dynamic nanostructure and bio-machinery that depend on collective behavior of biomolecules have not been demonstrated. Here, we report the design of DNA nanocompartment on surfaces that exhibit reversible changes in molecular mechanical properties. Such molecular nanocompartment is served to encage molecules, switched by the collective effect of Watson-Crick base-pairing interactions. This effect is used to investigate the dynamic process of nanocompartment switching and molecular thermosensing, as well as perform molecular recognition. Further, we found that ‘fuel’ strands with single-base variation cannot afford an efficient closing of nanocompartment, which allows highly sensitive label-free DNA array detection. Theoretical analysis and computer simulations confirm our experimental observations, which are discussed in this review paper. Our results suggest that DNA nanocompartment can be used as building blocks for complex biomaterials, because its core functions are independent of substrates and mediators.      

基于MATLAB的LED阵列的研究与仿真

由于单颗LED的功率很小,作为照明光源使用时需要采用LED阵列形式。首先推导LED阵列的照度叠加公式,根据叠加公式对阵列进行仿真,以圆形为例分析LED在平面上的均匀分布以及以球表面为例分析LED在曲面上的均匀分布。给出两种LED阵列分布的仿真结果,得出不同阵列的分布特点。指出圆面阵列的照射范围比较集中,此类阵列分布的灯具适用于照射面较小且比较集中的照射领域;球表面上的阵列的照射分布范围比较广,呈圆面,此类阵列分布的灯具适用于照射面较大但照度要求不是很高的照射区域。该结果为LED灯具设计提供了依据。     

Arrays of microscopic magnetic traps for cold atoms and their applications in atom optics

A single microscopic magnetic trap for neutral atoms using planar current-carrying wires was proposed and studied theoretically by Weinstein et al.In this paper,we propose three structures of composite current-carrying wires to provide 1D,2D and 3D arrays of microscopic magnetic traps for cold alkali atoms.The spatial distributions of magnetic fields generated by these structures are calculated and the field gradient and curvature in each single microtrap are analysed.Our study shows that arrays of microscopic magnetic traps can be used to provide 1D,2D or 3D atomic magnetic lattices,and even to realize 1D,2D and 3D arrays of magneto-optical traps,and so on.     

Ultrafast laser assisted fabrication of ZnO nanorod arrays for photon detection applications

Orderly aligned ZnO nanorod arrays were grown by the ultrafast laser assisted ablation deposition method. These nanorod arrays were further used to make efficient p-n heterojunction photodetector arrays, which have the potential to have nanoscale spatial resolution for imaging, unique incident polarization discrimination capability, and much improved quantum efficiency as well as detection sensitivity. Both front- and back-illumination photodetection schemes were demonstrated by growing those ZnO nanorod arrays on p-type silicon and p-type Zn_0.9Mg_0.1O-coated Al₂O₃ (0 0 0 1) substrates, respectively. Typical diode rectification behavior and photosensitivity were observed in both designs through I-V and photocurrent measurements.     

中性原子量子计算研究进展

相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势,是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者.近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展,完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等,这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用.本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展,并介绍了我们在其中所做的两个贡献:一是实现了"魔幻强度光阱",克服了光阱中原子退相干的首要因素,将原子相干时间提高了百倍,使得相干时间与比特操作时间的比值高达105;二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系,并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠,将量子计算的实验研究拓展至异核领域.最后,分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.     

单原子冷却及光学操控的实验进展

文章综述了基于原子冷却与俘获的单原子制备及其光学操控的基本实验原理及实验进展,并介绍了单原子制备及光学操控在量子寄存器、单光子源、原子－光子纠缠等方面的应用,简述了文章作者所在研究小组在单原子制备和光学操控方面的实验进展.     

中子半影成像的闪烁体阵列空间分辨力模拟

为了比较3种闪烁体探测器的性能,利用蒙特卡罗方法计算了不同光纤直径的闪烁体阵列的空间分辨和能量沉积。模拟结果表明:相同光纤直径的普通液体闪烁体阵列空间分辨力比塑料闪烁体阵列提高了约0.1 mm,而氘代液体闪烁体阵列空间分辨力约为普通液体闪烁体阵列的1/2;富氢闪烁体的能量沉积比氘代闪烁体高;闪烁体光纤直径越小,分辨力越好;闪烁体越厚,光产额越高。     

单原子冷却及光学操控的实验进展

文章综述了基于原子冷却与俘获的单原子制备及其光学操控的基本实验原理及实验进展,并介绍了单原子制备及光学操控在量子寄存器、单光子源、原子-光子纠缠等方面的应用,简述了文章作者所在研究小组在单原子制备和光学操控方面的实验进展.