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亮点文章《物理学报》2024年第16期

已有 169 次阅读 2024-8-27 10:33 |系统分类:论文交流

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《物理学报》创刊90周年

轨道角动量量子光源的集成化研究

陈波，刘进，李俊韬，王雪华

物理学报, 2024, 73(16):164204

doi: 10.7498/aps.73.20240791

量子光源是量子信息处理的关键器件之一，是量子计算、量子通信、量子模拟等应用的重要基础，基于量子光源制备量子态并提升其编码容量是量子信息技术发展的重大挑战。轨道角动量 (OAM)是光子一种无限维的空间自由度，其空间模式构成无限维完备的正交基，利用OAM制备高维量子态可大幅提升量子信息处理容量，是高维量子信息处理的关键资源。随着光量子技术的进步，多种重要光量子器件已可在集成化芯片上实现。然而，微纳尺度下制备高维OAM量子态仍是实现量子光源集成化的挑战，亟需深入研究和突破。本文综述并讨论了集成化OAM量子光源的研究进展及其研究中面临的热点和难点问题，为推进高维量子光源在量子信息处理中的研究及实用化进程提供参考。

图2 微纳尺度下轨道角动量单光子源实现方案 (a) 嵌入量子点的微环谐振腔产生轨道角动量量子叠加态的单光子源^[15]；(b) 二维材料与微环谐振腔的混合集成实现可调谐的轨道角动量单光子源^[16]；(c) 片上集成预报式可调轨道角动量单光子源^[17]；(d) 金刚石色心与阿基米德螺旋光栅集成化轨道角动量单光子源^[18] ([15] Chen B, Wei Y, Zhao T, et al. 2021 Nat. Nanotechnol. 16 302; [16] Zhao H, Ma Y, Gao Z, et al. 2023 Phys. Rev. Lett. 131 183801; [17] Zhang S, Li S, Feng X, et al. 2021 Photonics Res. 9 1865; [18] Wu C, Kumar S, Kan Y, et al. 2022 Sci. Adv. 8 eabk3075)

同行评价

轨道角动量是一个新颖的光子自由度，在量子信息增容和基础量子物理研究方面具有非常大的潜力。另外，集成将是未来光子技术的趋势，该论文综述了集成OAM量子光源近年来的进展和存在的一些挑战，对于下一步的发展方向也给出了建议，无论是对于从事OAM量子源研究，还是从事集成光子学研究的人来说，都具有非常好的指导性和启发性。

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基于MSISE-90研究高海拔宇宙线观测站处的大气深度廓线模型

祝凤荣，柳靖，夏君集，张丰，刘虎

物理学报, 2024, 73(16):169201

doi: 10.7498/aps.73.20240679

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川省稻城县海子山，它的广角切伦科夫望远镜阵(WFCTA)主要是通过观测广延大气簇射过程中产生的切伦科夫光信号对宇宙线进行研究。WFCTA 的标定、模拟和重建都和大气深度有关，目前使用的大气深度模型是美国标准大气深度廓线模型。本研究中将美国标准大气深度廓线模型与卫星 TIMED搭载的红外辐射计SABER记录到的LHAASO处14—50 km处的大气深度廓线进行比较，同时也与LHAASO处地面气象站记录的大气深度进行比较，美国标准大气模型的大气深度均偏小。MSISE-90大气模型描述了地球大气中从地面到热层的中性温度和密度，进一步研究发现MSISE-90大气模型与TIMED/SABER和LHAASO处地面标准气象站记录的大气深度的一致性较好。根据MSISE-90大气模型计算得到LHAASO处的大气深度均值廓线在1月最低，其次是2月、3月、4月、11月和12月，这也是 WFCTA运行的最佳观测月份。4月份的大气边界层最高，其大气深度存在约2%的日变化。利用美国标准大气模型的函数形式，拟合每月的4.4—100 km处的大气深度廓线，得到了LHAASO处的每月的大气深度廓线模型，并比较了30°天顶角入射的100 TeV 的宇宙线质子在MSISE-90大气模型和美国标准大气模型中产生的切伦科夫光的横分布的差异，二者最大差异约可以达到20%。

图7 每月大气深度模型与美国标准大气模型产生的切伦科夫光的横向分布的比值随R_p的变化。y 轴表示切伦科夫光密度比值，x轴表示到簇射轴的距离

同行评价

该文处理的是一个应被LHAASO合作组关注的基本问题。在CORSIKA模拟中，大气模型作为基本参数之一，对簇射发展有显著的影响，因此一个精确的大气模型非常必要。基于本文结果，LHAASO合作组的重建能达到更高的精度，这对于LHAASO项目中WFCTA的标定、模拟和重建都有重要意义和参考价值。

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基于锥形等离子体通道的百拍瓦激光脉冲整形及重离子加速

赵娜，欧阳建明，邹德滨，张国博，甘龙飞，邵福球

物理学报, 2024, 73(16):165202

doi: 10.7498/aps.73.20240696

利用粒子模拟程序研究了百拍瓦极端光场条件下，锥形等离子体通道对激光脉冲的整形和重离子加速的影响。研究发现，由于非线性干涉和聚焦效应，锥形等离子体通道能够整形激光脉冲时空波形并增强激光强度。对于强度为5.46 × 10²² W/cm²、束腰半径为10 μm的线偏振激光入射夹角θ = 10°的锥形等离子体通道，可获得紧聚焦 (束腰半径< 1 μm)、超高强度 (强度提高6倍) 的整形激光。利用该激光加速通道末端的超薄平靶发现，辐射反作用力能够有效地抑制由于电子加热和激光强度横向不均匀引起的超薄平靶横向膨胀，延长超薄平靶透明时间，使得金离子得到充分加速，最终可获得截止能量高达约 240 GeV的金离子。研究结果有望为未来百PW激光重离子加速实验方案设计及其在核-核碰撞中的应用研究提供理论参考。

图3 通道靶(a)，(b)和平板靶(d)，(e)的Au⁷⁹⁺离子平均能量的空间分布演化，离子平均能量归一化到m_ec ²。通道靶和平板靶的Au⁷⁹⁺离子能谱演化(c)和能量转换效率η随时间的演化(f)

同行评价

如何获得高流强、高准直、准单能的高能重离子束一直是激光等离子体加速离子的研究热点。作者在考虑高强度激光QED效应的基础上，利用二维粒子模拟研究了锥形等离子体通道中百拍瓦高强度激光脉冲的整形及重离子加速。研究发现，锥形等离子体通道可聚焦和整形激光，激光强度提高6倍，聚焦后的超强激光与锥靶出口处的超薄金靶相互作用，辐射反作用力能够有效地抑制超薄金靶横向膨胀，改善金离子加速。文章选题具有重要的理论意义与潜在应用价值，研究方案具体可行，取得了一定的创新性研究结论。

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有限多孔介质诱导活性哑铃的聚集行为

金燕，石子璇，金奕扬，田文得，张天辉，陈康

物理学报, 2024, 73(16):160502

doi: 10.7498/aps.73.20240784

自然界的许多活性物质都处在复杂的环境中，例如动物群体穿过丛林、微生物在土壤中迁移、细菌被设计用于感知肿瘤的多孔环境等。活性物质在复杂环境中的行为是一个值得探究的课题，在生物物理、医疗工程、工业领域具有可观的应用意义。本文用活性哑铃代表细菌等具有形状各向异性的活性物质，采用郎之万动力学模拟，研究它们渗透有限多孔介质的行为。研究发现在低温和适当的活性力下，活性哑铃能在介质内外聚集并形成4种稳定的聚集结构。4种聚集结构分别是中空巨聚集、介质内中空聚集、密实巨聚集、介质内密实聚集。定向运动的持久性决定了活性哑铃的聚集程度。4种聚集结构的密度、极性序参量、热力学温度在介质内外的分布有明显的区别。本研究结果有助于进一步理解活性物质在复杂环境中的生命活动，为微流器件的设计、药物的输运等医学操作提供新的思路。

图2 活性哑铃进入有限多孔介质的4种聚集过程的模拟快照，颜色表示活性哑铃的取向，图片上标注了对应的模拟时刻 (a)—(d) f_a = 10，T = 0.02; (e)—(h) f_a = 10，T = 0.2; (i)—(l) f_a = 40，T = 0.2; (m)—(p) f_a = 30，T = 0.5

同行评价

该文通过数值模拟研究了轴向驱动的哑铃形活性粒子向晶格排列的障碍物区域（所谓多孔介质）渗透的行为，粒子在多孔介质边缘或内部因阻塞效应而形成较高密度的聚集，同时可由于自驱动定向运动的持续性在介质边界外形成类似吸附效应的团簇。研究内容可帮助理解复杂环境中的生物行为或生命活动，具有一定的科学意义。

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热效应作用下高功率薄片涡旋激光器的模场结构

连天虹，窦逸群，周磊，刘芸，寇科，焦明星

物理学报, 2024, 73(16):164206

doi: 10.7498/aps.73.20240757

激光介质热效应引起的谐振腔模场结构变化成为高功率涡旋激光器的一个关键问题。本文建立了环形光泵浦薄片激光晶体的温度场及热形变计算模型，将热效应像差作为谐振腔衍射积分方程的微扰，研究热效应对激光器模场结构的影响规律。具体研究了Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO₄薄片涡旋激光器的模场结构随泵浦功率、晶体吸收系数、晶体厚度的变化规律。研究结果表明，热效应使涡旋激光器模谱产生径向展宽，模式纯净度下降。泵浦功率越大，高阶径向模式占比越大，模场结构越复杂。泵浦功率升高时，Nd:YVO₄激光器的模谱展宽最大，Nd:YAG激光器的模谱展宽最小。晶体吸收系数越大，模谱展宽越严重；激光晶体厚度减小时，模谱展宽呈增宽趋势。

同行评价

论文系统地研究了泵浦光功率、激光晶体吸收系数及晶体厚度对Nd:YVO₄，Nd:YAG和Nd:YLF三种激光采购所构建的薄片激光器产生涡旋激光横模变形的影响，从热效应对激光模式的影响导致涡旋激光模式的变化给出了数值理论计算结构，对于改进薄片激光器产生高功率涡旋激光输出具有较好的理论指导意义。

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深振荡磁控溅射放电等离子体脉冲特性

高剑英，李玉阁，雷明凯

物理学报, 2024, 73(16):165201

doi: 10.7498/aps.73.20240364

深振荡脉冲磁控溅射(deep oscillation magnetron sputtering，DOMS)以一系列微脉冲振荡波形的形式向靶提供能量，提供高密度等离子体的同时能够实现完全消除电弧放电和提高靶材原子离化率，实现高质量薄膜的沉积制备。针对DOMS微脉冲放电形式拓宽放电参数空间，提高工艺灵活性的特点，建立脉冲等离子体整体模型，测量充电电压DC_int = 300—380 V和微脉冲开启时间τ_on = 2—6 μs的Cr靶放电电压电流，将电压电流波形作为模型输入条件，获得DOMS放电等离子体参数随时间变化规律。充电电压300 V，等离子体峰值密度由τ_on = 2 μs的1.34×10¹⁸ m^–3增至τ_on = 3 μs的2.64×10¹⁸ m^–3，τ_on由3 μs增至6 μs时，等离子体峰值密度基本不变。靶材离化率随τ_on变化趋呈现相近趋势，由τ_on = 2 μs的12%增至τ_on = 3 μs的20%，τ_on进一步增至6 μs，离化率基本保持不变。固定τ_on = 6 μs，DC_int由300 V升高至380 V，等离子体峰值密度由2.67×10¹⁸ m^–3增至3.90×10¹⁸ m^–3，金属离化率由21%增至28%。DOMS放电具有高功率脉冲磁控溅射典型的金属自溅射现象，峰值自溅射参数Π_peak随功率密度线性增大，表明峰值功率密度是调控DOMS放电中金属自溅射的主要参数。Π_peak最高达到0.20，金属自溅射程度远高于常规脉冲直流磁控溅射，等离子体密度和沉积通量中金属离化率提高，原子沉积带来的阴影效应减轻，是DOMS沉积薄膜质量提高的原因。

图10 峰值金属自溅射参数随不同参数变化 (a)微脉冲开启时间；(b)充电电压；(c)峰值功率密度

同行评价

本文作者针对DOMS微脉冲放电形式拓宽放电参数空间，提高工艺灵活性的特点，建立脉冲等离子体整体模型，测量充电电压DC_int = 300—380 V 和微脉冲开启时间τ_on = 2—6 μs的Cr靶放电电压电流，将电压电流波形作为模型输入条件，获得DOMS放电等离子体参数随时间变化规律。工作具有一定的创新性和实用性，数据详实。

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硅基自旋光电子学太赫兹辐射源特性

程宏阳，马倩茹，徐浩然，张慧萍，金钻明，何为，彭滟

物理学报, 2024, 73(16):167801

doi: 10.7498/aps.73.20240703

将光电子器件集成到硅片上是光电子集成器件研发的首要步骤。自旋光电子学太赫兹辐射源，通常是由纳米厚度的铁磁/非磁性金属多层膜结构组成，在飞秒激光辐照下能产生高质量、宽带太赫兹脉冲辐射。本文利用飞秒激光脉冲在生长于硅衬底上的Ta/CoFeB/Ir铁磁/非磁性金属异质结中实现了高效、宽带的太赫兹相干脉冲辐射。首先，Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹脉冲的极性随外加磁场的反转而反转，太赫兹辐射的物理机制可以归结为超快自旋流-电荷流转换。其次，通过改变抽运激光的激发能量密度，研究了Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹辐射饱和现象。此外，通过研究Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹发射特性随Ir层厚度的依赖关系，不仅优化了器件的辐射强度，而且获得了Ir层在太赫兹频率下的自旋扩散长度(~(0.59 ± 0.12) nm)。该值小于通过自旋抽运技术获得的GHz频率下的自旋扩散长度(1.34 nm)，表明不同频率范围对应于不同的电子输运机理。

同行评价

本论文研究了在硅基衬底上的铁磁/非磁金属一直接种产生高效相干太赫兹脉冲的机制。具体聚焦在了Ta/CoFeB/Ir的三层异质结薄膜，通过实验发现薄膜发射太赫兹脉冲的基本原理以及特性。纳米厚度的铁磁/非磁异质结薄膜是近年来收到广泛关注的太赫兹发射源，与硅基衬底结合可以进一步扩展其应用领域，本工作具有一定的现实应用意义。

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非马尔科夫环境中Werner态的量子非局域关联检验研究

蒋世民，贾欣燕，樊代和

物理学报, 2024, 73(16):160301

doi: 10.7498/aps.73.20240450

以量子信息领域中常使用的Werner态为研究对象，详细地研究了其在两种非马尔科夫相位阻尼环境，即Random-Telegraph (RT)噪声环境、Ornstein-Uhlenbeck (OU)噪声环境，以及非马尔科夫振幅阻尼(AD)环境中演化后的量子非局域关联检验情况。分别推导了Werner态在RT，OU以及AD环境中密度矩阵随时间的演化结果。基于Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式，对演化后的量子态进行了详细的量子非局域关联检验研究。结果表明，Werner态在RT噪声环境和AD环境中存在信息回流现象，导致其量子非局域关联特性存在周期性振荡变化的现象，即随演化时间的增加，量子态能够从不具备量子非局域关联特性重新回到具有量子非局域关联特性的情况。而在OU噪声环境中，由于不存在信息回流现象，量子非局域关联检验值将随演化时间的增加而降低。同时，本文还详细给出了Werner的保真度、量子态与非马尔科夫环境的耦合强度、OU噪声环境和AD环境的线宽、RT环境噪声的翻转率等参数与成功进行量子非局域关联检验的演化时间之间的关系。

同行评价

作者通过推导Werner态在非马尔科夫振幅阻尼(AD)环境和相位阻尼(RT和OU)环境中演化后的密度矩阵，基于CHSH不等式，详细研究了Werner态在上述三种非马尔科夫环境中演化后的量子非局域关联检验情况。文稿论证清楚，结论清晰。该研究内容是量子信息领域所关注的，对从事量子物理基础问题研究的读者一定的借鉴意义。

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《物理学报》2024年第16期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/16