单原子操纵及原子尺度器件加工的最新进展

扫描隧道显微镜的发明不仅使得人们的视野可以直接观察到物质表面上的原子及其结构并进而分析物质表面的化学和物理性质,它还使得人们可以在纳米尺度上对材料表面进行各种加工处理,甚至可以控制和操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术迅速跨入纳米尺度和原子尺度。这将会是推动人类科学和技术发展的一个无法估量和替代的动力。本文将介绍在工业界应用最为广泛的半导体材料硅（Ｓｉ）表面上单原子操纵研究的最新进展,并讨论它们在单原子存储器加工中的应用。     

原子尺度的负微分电阻──原子尺度的器件不久将问世

科学家们总是不断地努力减小微电子器件的尺寸,并了解尺寸限制带来的效应.在小尺寸下,大多数传统的器件结构将遇到基本的及工艺上的限制.因为,此时,特征的量子效应变得很突出.由此,能够研制成新型的量子效应器件,例如,量子阱、量子线和量子点等.基于量子效应,特别是隧穿效应,另一类器件是Esaki(江崎)二极管.这二类器件的电流-电压(I-V)特性曲线都显示出负微分电阻区,这是制作快速开关管、振荡器以及锁频电路所必需的基本特性. 最近,美国的IBM公司研究部的科学家报道了在原子尺度(～1nm)的结构中,观测到负微分电阻行为.在由扫描隧道电子显…     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

用原子芯片操纵中性原子

原子芯片提供了一个稳定、精确且功能强大的实验平台来制备和操纵中性超冷原子。本文概述了近年来原子芯片的研究发展状况,并介绍了原子芯片上微势阱的设计原理以及几个典型的原子芯片实验,然后讨论了芯片实验中的原子损失、加热和退相干机制,最后对原子芯片可能的发展方向进行了预测。     

用原子芯片操纵中性原子

原子芯片提供了一个稳定、精确且功能强大的实验平台来制备和操纵中性超冷原子。本文概述了近年来原子芯片的研究发展状况，并介绍了原子芯片上微势阱的设计原理以及几个典型的原子芯片实验，然后讨论了芯片实验中的原子损失、加热和退相干机制，最后对原子芯片可能的发展方向进行了预测。     

无处不在的摩擦学：从宏观到单原子尺度

摩擦,是一个人类文明发展史和日常生活中至关重要、无处不在、离开它人类将无法正常生活和生产的科学问题。原子制造也不得不考虑摩擦问题。从宏观到微观,摩擦现象非常复杂、神秘和精彩！在宏观领域,早在 500 年前,就建立起著名的达·芬奇—阿蒙顿经典定律;在微观领域,摩擦具有诸多新奇的特性,比如摩擦力被降低至接近于零的超润滑现象以及摩擦力随着载荷的增加而减少的负摩擦系数现象等。微观摩擦和宏观摩擦表现出的不同规律为我们从微观和单原子尺度上理解摩擦起源,进而调控摩擦力的大小提供了重要的理论基础和途径。文章简要介绍摩擦学及其发展历史,并重点介绍摩擦起源的微观物理机制以及在单原子尺度上调控摩擦力大小的可能途径。     

用扫描隧道显微术进行单原子操纵的机理研究

本文简要综述利用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）进行单原子操纵的物理机制。主要介绍了场增强的扩散、在表面上拖动（ｐｕｌｉｎｇ）推动（ｐｕｓｈｉｎｇ）原子、原子在针尖表面间接触和近接触转移、场致蒸发／脱附、隧道电子非弹性射激发和电子迁移的“电子风力”等过程。同时介绍了一些理论处理方法和对一些实验结果的解释。     

用扫描隧道显微术进行单原子操纵的机理研究

本文简要综述利用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）进行单原子操纵的物理机制。主要介绍了场增强的扩散、在表面上拖动（ｐｕｌｉｎｇ）推动（ｐｕｓｈｉｎｇ）原子、原子在针尖表面间接触和近接触转移、场致蒸发／脱附、隧道电子非弹性射激发和电子迁移的“电子风力”等过程。同时介绍了一些理论处理方法和对一些实验结果的解释。     

原子干涉仪和原子光学研究的最新进展

综述了近年来原子干涉仪和原子光学研究领域研究领域工作的最近进展。重点介绍了德布罗意原子物质波干涉仪的基本物理原理，原子的杨氏双缝干涉实验，利用受激拉曼跃迁的原子干涉仪和Ｒａｍｓｅｙ原子干涉仪。     

原子尺度的欧姆表

一种高度稳定的扫描隧道显微镜(STM)可以在小于原子尺度范围精密测量金属的电学性能。扫描隧道显微镜可以在表面对单个原子成像,或者移动单个原子。研究人员最近进一步提高了这个仪器的精确性,可以对铅表面单个原子附近不同位置的电导进行测量。这个结果或许有助于揭示金属和超导体的性质的差异,未来或许可以用于纳米加工技术。一台STM的探针非常尖锐,尖端只有一个原子,将探针在真空中操控到距离表面极近的位置。电子可以在加有电势的间隙之间越过,或者称隧穿。当探针在表面运动时,记录通过探针的电流可以对表面成像。另外一种STM技术是将探针保持与表面接触,使得探针原子与样品表面形成化学键。研究人员使用这种被称为点接触技术,可以测量一种材料原子尺度的电导性质,了解在量子物理中电流是如何流动的,此时传统的欧姆定律不再成立。     

量子态操纵与未来量子器件

国家杰出青年科学基金获得者、中国科学院理论物理研究所研究员、南开大学特聘讲座教授孙昌璞作客第二十四期武汉光电论坛,作了题为“量子态操纵与未来量子器件”的报告。     

原子尺度磁体探秘

欧洲的一些研究人员最近通过研究原子尺度金属膜，对磁场行为有新的认识．这个小组制作了一系列非常均匀的钴薄膜，并测量了其内部的磁场方向．他们发现当金属膜的厚度由单层原子渐次增加到三层原子时，磁场方向改变了两次，每次90度．该小组计算并详细解释了这种以前很少观察到的现象，并于4月14日在PRL（physics review letters）上发表．弄清原子尺度的磁体性质，有助于开发尺寸更小的磁存贮器．     

单分子操纵与单分子生物物理

文章介绍了近年来发展起来的一些单分子操纵实验技术如光镊、磁镊、微针、斯托克斯拖曳技术,以及应用这些技术拉伸、旋转、解链DNA分子,从而研究其力学性质所取得的研究进展.各种蛋白质如T7 DNA聚合酶、拓扑异构酶,SWI/SNF染色质重建复合体、RNA 聚合酶与DNA的作用在生化过程中十分重要,因此,文章也介绍了这些蛋白质与DNA在单分子的水平上相互作用所取得的研究进展.     

单分子操纵与单分子生物物理

文章介绍了近年来发展起来的一些单分子操纵实验技术如光镊、磁镊、微针、斯托克斯拖曳技术，以及应用这些技术拉伸、旋转、解链DNA分子，从而研究其力学性质所取得的研究进展．各种蛋白质如T7 DNA聚合酶、拓扑异构酶，SWI／SNF染色质重建复合体、RNA聚合酶与DNA的作用在生化过程中十分重要，因此，文章也介绍了这些蛋白质与DNA在单分子的水平上相互作用所取得的研究进展．     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

石墨炉原子吸收光谱分析的最新进展

目前,电热原子化原子吸收光谱分析已发展成一种重要的痕量分析手段,广泛地用于环境监测、医疗卫生、生物样品和各种物料的分析。理论上研究了原子化器内部发生的各种物理化学过程、干扰机理和控制干扰的方法。最近的研究证明,目前的商品原子化器存在着严重的缺点,不能满足在样品和原子化时在空间和时间上的等温条件,因此近年来在电热原子化方面的研究主要集中在如何满足等温原子化的条件,以期提高灵敏度和消除基体干扰,相继出现了L'vov平台、等温原子化炉和电容放电脉     

用于单原子操控的微尺度蓝移阱的三维构建与测量

相比于传统的红失谐偶极势阱,蓝移阱中原子在排斥势的作用下被囚禁在光强最弱的地方,有助于减弱光子散射率和激光对原子能级的光频移,从而使蓝移阱在单原子俘获和操控方面具有明显优势。在单原子俘获实验中,一般阱的尺寸在微米尺度,要小于通常CCD的像素尺寸,对微尺度光学阱的精密测量是构建单原子操控光学阱的重要一步。在本文中,我们利用特殊的透镜组将1.5μm大小的蓝移阱放大,再通过普通CCD获得x-y方向图像,重构出y-z和x-z方向阱的信息,进而获得了微尺度阱的三维结构,并对阱的参数进行了估算。     

原子尺度上的异质催化

现实中的催化剂是个相当复杂的系统体系,且为粉末状,限制了多种表面科学表征手段的应用.科学家通过建立简化的催化剂模型,充分利用目前多种有力的科技分析手段,如扫描隧道显微镜(STM)、透射电镜(TEM)、光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外吸收谱(FTIR)、电子能量损失谱(EELS)等,直观地在原子尺度上研究催化反应的机理,从而使得人们能够设计出选择性能更高、催化性能更好的催化剂.