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Creation and annihilation of artificial magnetic skyrmions with the electric field

Jun Cheng(程军), Liang Sun(孙亮), Yike Zhang(张一可), Tongzhou Ji(吉同舟), Rongxing Cao(曹荣幸), Bingfeng Miao(缪冰锋), Yonggang Zhao(赵永刚), and Haifeng Ding(丁海峰)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (3):  037501

文章亮点介绍

磁性斯格明子是一种受拓扑保护的磁结构，具有纳米尺度类粒子的特征，在信息存储和逻辑器件等领域有巨大的应用潜力。相关理论和实验表明，人工磁性斯格明子可以在室温下且无需Dzyaloshinskii–Moriya（DM）相互作用和外部磁场的辅助稳定存在，这为斯格明子器件的广泛应用提供了可能。

在本文中，我们利用微磁学模拟研究了人工磁性斯格明子的电场调控行为。该斯格明子由Co圆盘阵列置于具有垂直磁各向异性的CoPt多层膜上形成。研究表明，在电场作用下压电衬底通过磁弹耦合改变CoPt垂直膜的磁各向异性，进一步实现单个斯格明子可逆的产生和湮灭（对应信息的写入与擦除）。本文为基于磁性斯格明子体系构建无磁场和低耗散的自旋电子学器件应用开辟了一个新的平台。

Fig. 5. The schematic of independent control of individual skyrmion with the local electric field applied at different positions. (a) The top view of skyrmions with K_⊥ = 2.6 × 10⁵ J/m³. Varying the anisotropy constant of each cell transforms between K_⊥ = 2.6 × 10⁵ J/m³ and K_⊥ = 8.0 × 10⁵ J/m³, we have achieved the desired "S", "K", "X" shaped skyrmion patterns, as shown from (b) to (d). The color bar represents the projection of local moments along the z-direction, +1/−1 indicates that the magnetization is saturated along the +z/−z direction, respectively.

亮点文章

Measuring small longitudinal phase shifts via weak measurement amplification

Kai Xu(徐凯), Xiao-Min Hu(胡晓敏), Meng-Jun Hu(胡孟军), Ning-Ning Wang(王宁宁), Chao Zhang(张超), Yun-Feng Huang(黄运锋), Bi-Heng Liu(柳必恒), Chuan-Feng Li(李传锋), Guang-Can Guo(郭光灿), and Yong-Sheng Zhang(张永生)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (3):  030602

文章亮点介绍

近年来，弱测量放大由于其在精密测量领域的应用潜力而备受关注，研究者已将其应用于各种各样的极小物理量精密测量。由于很多的物理量测量可以转化为对纵向相位信号的测量，比如引力波探测，因而考虑是否能够使用弱测量放大方案直接进行极小纵向相位信号的放大测量有助于推动新的精密测量技术的发展。

本文在Aharonov等人原有弱测量放大理论框架(Phys. Rev. Lett., 60, 1351(1988))基础上提出了一种改进版的针对极小纵向相位信号测量的弱测量放大方案。我们使用两个光束位移器(BD)搭建的偏振型M-Z干涉仪在实验上演示了通过液晶相位片引入的极小相位信号的放大测量，并实现了初始小相位信号一个量级的放大测量。我们分析了噪声与放大之间的制约关系，并证明了该方案有助于在实际中克服技术性噪声的影响从而获得较高的相位测量灵敏度和精确度。该方案原则上可以应用于偏振型Michelson干涉仪上实现更一般的相位信号测量，并有望用于设计新的引力波探测装置(arXiv:2207.03978)。本文的研究结果有望应用于各种高精密测量场景中。

Fig. 1. The schematic diagram of our scheme. The longitudinal phase shift θ (the left) is converted to polarization rotation and is amplified to the phase κ (the right).

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Image segmentation of exfoliated two-dimensional materials by generative adversarial network-based data augmentation

Xiaoyu Cheng(程晓昱), Chenxue Xie(解晨雪), Yulun Liu(刘宇伦), Ruixue Bai(白瑞雪), Nanhai Xiao(肖南海), Yanbo Ren(任琰博), Xilin Zhang(张喜林), Hui Ma(马惠), and Chongyun Jiang(蒋崇云)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (3):  030703

文章亮点介绍

近年来，二维材料因其独特的物理特性而备受关注。机械剥离法制备二维材料需要在显微镜下人工查找单层与薄层材料，需要科研人员具备充足经验且效率较低。使用传统图像处理技术要求稳定的环境参数，不便于适应各种生产场景，而深度学习方法又依赖于大量的训练数据，对于二维材料难以在短时间内大量获取。

本文使用生成对抗网络生成虚拟图像用于训练深度学习模型，提高了模型对单层和薄层材料的识别准确率。研究表明，使用StyleGAN3模型，可以在仅使用128张光学图像的基础上，生成逼真的二维材料图像，并在补充数据集后，使分割网络DeepLabv3Plus对单层薄层材料的识别准确率提高到90.38%。本文的研究将帮助更多研究人员快速开发针对二维材料识别的深度学习模型，为提高器件的制备效率和生产自动化水平创造了有利条件。

Fig. 1. Methodology and procedure. Three steps are included in the whole work, which are depicted by the enclosed blue dashed frames. Step 1: a total of 161 microscopic images of the mechanically cleaved WSe2 flakes are collected and manually annotated, which are divided into groups A and B. Step 2: the 128 images in group A are randomly selected as input into StyleGAN3 and used to produce synthetic images. Step 3: the 128 original images together with their corresponding labels in group A are used to train a preliminary segmentation network of DeepLabv3Plus. Subsequently, the segmentation network is employed to predict the synthetic images and obtain pseudo-labels. The pseudo-labels and synthetic images are then filtered out and used to supplement the dataset for retraining the segmentation network. Finally, the 33 images in group B are recognized and the IoU is calculated to evaluate the recognition accuracy.

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Anomalous spin Josephson effect in spin superconductors

Wen Zeng(曾文) and Rui Shen(沈瑞)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (3):  037401

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自旋超导体是自旋极化的三重态激子凝聚态，可看作是电荷超导体的对应物。自旋超导体中的“库珀对”是由电子-空穴配对组成，单个“库珀对”的净电荷为零，但净自旋为ℏ。类比于电荷超导体，将两块自旋超导体连接，组成自旋超导/正常金属/自旋超导结构的隧道结，结中可产生自旋超流，即自旋约瑟夫森流，可看作是传统电荷约瑟夫森流的对应。

本文研究了由两块非共线自旋极化的自旋超导体组成的自旋约瑟夫森结中的自旋超流。对于面外极化的情形，由于正常金属/超导界面发生费米动量劈裂的Andreev反射，结中可出现π相的自旋约瑟夫森流。对于面内极化的情形，结中可能出现反常自旋约瑟夫森流，且该反常流由两块自旋超导体中自旋极化夹角驱动。进一步对称性分析发现，当体系时间反演对称性和自旋旋转对称性组成的联合对称性破坏时，反常自旋约瑟夫森流出现。

本文中的模型提供了一种产生纯自旋超流并进行自旋调控的可行方案，为未来自旋电子学器件的研制奠定前期理论工作的同时，也为未来自旋电子学器件的设计提供了新思路。

Fig. 1. (a) The anomalous spin Josephson current density j|_ϕs=0 as a function of L for φ_m=0.5π (solid) and φ_m=0,π (dashed). The Fermi level is μ=Δ. (b) The anomalous spin Josephson current j|_ϕs=0 as a function of φ_m for L_m=0.1ξ (solid) and L_m=1.5ξ (dashed). j|_ϕs=0 is renormalized by j₀=μΔW/(2πℏv_F).

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Nanoscale cathodoluminescence spectroscopy probing the nitride quantum wells in an electron microscope

Zhetong Liu(刘哲彤), Bingyao Liu(刘秉尧), Dongdong Liang(梁冬冬), Xiaomei Li(李晓梅), Xiaomin Li(李晓敏), Li Chen(陈莉), Rui Zhu(朱瑞), Jun Xu(徐军), Tongbo Wei(魏同波), Xuedong Bai(白雪冬), and Peng Gao(高鹏)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (3):  038502

文章亮点介绍

In_xGa_1−xN基多量子阱结构在量子势阱之间利用量子势垒来限制载流子，从而产生高亮度发光器件，相比传统照明具有更高的能效且更为环保，被广泛应用于照明器件中。然而，其性能仍会受到量子效率下降等问题的限制。导致其发光效率下降的主要因素之一是由于外延和掺杂过程中引入的应力所产生的压电诱导极化电场。

为了在微观层面上进一步了解多量子阱的发光特性及其影响因素，本文采用阴极荧光光谱结合扫描透射电子显微学方法对In_0.15Ga_0.85N五周期多量子阱的发光特性进行了研究，建立了晶格-组分-能量的定量关系。研究表明，不同周期量子阱中应变情况的不同会导致其压电诱导极化电场发生变化，从而引起发光波长的变化；而发光强度的差异则源于电子与空穴迁移率的差异，以及量子阱与电子势垒层之间的生长温度差异所导致的铟元素析出。本研究还发现，局域铟组分起伏的量子阱区域由于难以进行电子-空穴对的复合，导致发光强度减弱甚至湮灭，且发光峰随着铟组分的降低蓝移。另外，由于位错处的应力释放，应力诱导的极化电场减弱，因此混合型位错附近发光峰蓝移，并且会形成非辐射复合中心，导致发光强度下降。

本文阐明了基于二维材料辅助Ⅲ族氮化物的器件失效分析的微观机制，建立了In_xGa_1−xN/GaN多量子阱的原子结构与光电性能之间的直接构效关系。本文对于组分、应力、缺陷等因素对二维材料辅助Ⅲ族氮化物器件发光影响的研究，可以帮助回溯生长流程，为外延薄膜的生长和相关器件的制备提供有力的支持，对于多量子阱的制备和新型光电器件的设计创造了新的可调因子。

Fig. The STEM-CL characterization combined with the HAADF, EDS, and EELS of In_xGa_1−xN MQWs. （a）The HAADF image, EDS mappings of In (red), Ga (green), EELS bandgap mapping and atomic fractions of In and Ga of the In_xGa_1−xN MQWs. (b) The STEM-CL mapping across five different periods of MQWs. (c) The STEM-CL mapping of threading dislocation (TD) in MQWs.