物理

中国散裂中子源第一篇用户实验成果文章

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授领导清洁能源和材料基因组研究团队与陈和生领导的中国散裂中子源团队紧密合作，开展将中子源通过中国散裂源团队自主建设的通用中子衍射仪（GPPD）应用于锂电池材料的微观结构及相关机理的研究，研究论文发表于Nano Energy。基于中子衍射实验结果，建立了三元材料体系中反位缺陷随过渡金属组分的变化规律，提出材料中锂镍反位与三角晶格阻挫结构特征之间存在关联的观点，并从该角度对锂镍反位缺陷结构的形成做了自洽的解释。这些结果有助于进一步澄清材料中缺陷结构与电池材料性能之间的关系，并且在对三元锂离子电池正极材料的开发过程中起到直接的指导作用。

三元层状正极材料中的锂镍反位缺陷和过渡金属原子组成的三角晶格结构单元。材料的局域结构由于锂镍反位的出现而发生改变，同时材料的磁阻挫通过不同的途径得到舒缓（图片来源于北大新闻）

(a) 三元层状正极材料的晶体结构；(bd) 不同组分正极材料的高分辨中子衍射谱；(e)三元材料中不同组分与锂镍反位量之间的关系。（图片来源于北大新闻）

发现112型铁基超导体的中子自旋共振模

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的SC8研究组罗会仟副研究员等利用非弹性中子散射研究了新型112结构体系铁基超导体，发现了其中的自旋共振模，相关论文发表于Physical Review Letters。112型铁基超导体于2013年被发现，它具有与其他铁基超导体系基本类似的晶体结构、磁结构和费米面，但又独具个性，且更为复杂。例如：层状结构中嵌有特殊的锯齿形砷链，整体对称较低的单斜结构，磁波矢与其他铁砷化物类似但磁矩在面内旋转了45°，因砷4p轨道的介入导致在布里渊区边缘多出一个电子型费米口袋。研究结果对理解铁基超导体自旋共振的微观起源乃至其超导机理都有重要的启示。

用于准非易失应用的范德瓦尔斯结构半浮栅存储

复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏团队研发出具有颠覆性的二维半导体准非易失存储原型器件，开创了第三类存储技术，解决了国际半导体电荷存储技术中“写入速度”与“非易失性”难以兼得的难题，相关成果发表于《自然—纳米技术》。这项研究选择了二硫化钼、二硒化钨、二硫化铪、氮化硼等多重二维材料堆叠构成了半浮栅结构晶体管，制成阶梯能谷结构的范德瓦尔斯异质结。其中一部分如同一道可随手开关的门，电子易进难出；另一部分则像一面密不透风的墙，电子难以进出。对“写入速度”与“非易失性”的调控，就在于这两部分的比例。

红外光源研究进展

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸课题组与中国科学院半导体研究所刘峰奇、王占国实验室合作利用调制掺杂的多层量子点结构，打破了传统半导体宽光谱光源中输出光谱宽度与输出功率相互制约的关系，成功地研制出了近红外波段高输出功率〉20mW、同时宽光谱〉130nm的量子点SLD。研究论文发表于Light∶Science & Applications。又利用子带间跃迁的量子级联材料为增益介质，采用宽谱光源与光放大器单片集成的器件结构，实现了国际上第一支室温连续工作的中红外量子级联SLD。超辐射发光管（SLD）是一种利用放大自发辐射的非相干光源，是一些非相干光学系统（如光学相干层析成像系统（OCT）的理想光源。

全新量子测量方法实现最高效量子态层析测量

中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室李传锋、项国勇研究组与复旦大学、北京理工大学、南京邮电大学的合作者提出基于光子量子行走的确定性集体测量方法，在实验上实现了目前国际上最高效的量子态层析测量，研究论文发表于Nature Communications。提出了一种基于量子行走确定性实现任意两份拷贝的量子态集体测量的一般方法，在实验上用光子量子行走高保真度地实现了最优的集体测量，把这种确定性集体测量用于单比特量子态层析的实验研究，突破了局域测量的量子精度极限，获得了当前最高效的量子态层析效率。集体测量至少可以将层析效率提高50%，而且效率提高幅度随着量子态的纯度以及量子系统拷贝数增加而增加。

单份拷贝测量和集体测量示意图（图片来源于中国科学院量子信息重点实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、科研部）

实验装置（图片来源于Nature Communications）

单个量子光源的超分辨选择性激发和成像

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室魏红副研究员和合作者设计了一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法，利用表面等离激元实现单个量子光源的超分辨选择性激发和成像，相关论文发表于Nano Letters。光的衍射极限限制了常规光学成像的分辨率和介质光子器件的尺寸，将对光的操控和利用制约在波长水平，而金属纳米结构的表面等离激元可以将光场束缚在纳米结构表面，使突破衍射极限的纳米尺度光操控成为可能。该工作为研究和表征等离激元纳米波导与多个纳米量子光源耦合体系的光学特性提供了一种实验方法。

广义索利斯泵的实验观测

中国科学技术大学微观磁共振院重点实验室杜江峰院士带领研究团队与新加坡国立大学教授龚江滨理论研究组合作，利用金刚石中的单自旋量子模拟器，实现了广义索利斯泵的实验观测，相关研究成果发表在《物理评论快报》。相传两千多年前，阿基米德设计了一种机械装置，用于把水从低处抽往高处。该装置被称为“阿基米德螺旋泵”。1983年，著名凝聚态物理学家索利斯（D.J.Thouless）提出了一种量子泵。索利斯指出，该过程引发的粒子输运是整数，该整数与参数空间的拓扑性质有关。此现象被称为“索利斯泵”，相当于整数量子霍尔效应的动态版本。

蛋白质中范德华作用的定量解析

中国科学院青岛能源所蛋白质设计研究组姚礼山研究员主持完成，部分实验在中国科学院合肥物质科学研究院稳态强磁场实验装置中进行，实现了蛋白质跨范德华力的JCC—耦合常数测量，并对其来源机制进行了解析，为证明蛋白质中范德华作用存在提供了直接的实验证据，研究论文发表于《美国化学会志》。蛋白质是生命体重要组成成分和生命活动的重要执行者，在蛋白质中存在多种非共价相互作用协同工作进而稳定蛋白质结构及实现蛋白质的功能。其中，范德华作用是一种不可忽视的作用力。通常范德华作用可以根据蛋白质中结构参数如侧链基团之间的距离来推断，该研究在科学实验中实现其定量测量。