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亮点文章 《物理学报》2021年第21期

已有 340 次阅读 2021-11-19 10:36 |系统分类:论文交流

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封面文章

基于辅助单比特测量的量子态读取算法

丁晨,李坦,张硕,郭楚,鲍皖苏,黄合良

物理学报. 2021, 70(21): 210303

doi: 10.7498/aps.70.20211066

在量子计算过程中,需要通过量子测量读取计算结果. 然而,受限于物理实现,对量子态的测量往往存在较大误差,直接影响量子计算结果的正确提取,以及限制量子计算的大规模扩展。本文针对一种特定形式的量子态,提出基于辅助单比特测量的量子态间接读取算法,避免多比特测量带来的大量测量误差。理论和模拟结果表明,当所读取的量子态比特数较大时,该算法相比于直接读取具有更高的正确率,可用于大规模量子纠错和量子态的高保真度读取。


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图1  两个算法随机读取多比特量子态的平均正确概率。在左图中, 测量噪声η 固定为 0.05, 研究平均正确概率随测量噪声n的变化。在右图中, 比特数n固定为3, 研究平均正确概率随测量噪声的变化。平均正确概率的计算方法为随机抽取1000个量子态计算对应的P1P2, 并取平均


同行评价

量子态的读取是量子信息处理中一个必备的基本环节,一直以来都是一个非常重要的研究课题,特别是在量子计算研究中,由于涉及到多个量子比特,量子态的准确读取显得尤为重要。本文提出了基于辅助单比特来实现多比特量子态读取的算法,具有较强的理论创新性。具体看来,通过受控旋转线路,将待测量子态的振幅编码到一个量子比特上,并通过对该量子比特测量来避免多比特测量的高测量误差。该文进行了理论分析和数值模拟,证明了当所读取的量子态比特数大时,该算法相比于直接读取具有更高正确率。该算法可以应用在Grover算法输出态读取和量子纠错的错误探测比特读取中。该文思路新颖,分析严格。这种通过减少测量比特数来避免量子计算测量噪声的方法是量子纠错领域一种新方法,有望推动量子纠错方法设计的进一步发展。

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TiO2纳米粉在水中通过摩擦还原CO2

李鹏程,唐重阳,程亮,胡永明,肖湘衡,陈万平

物理学报. 2021, 70(21): 214601

doi: 10.7498/aps.70.20210210

纳米材料与特氟龙磁力搅拌棒之间的摩擦被发现可导致磁力搅拌条件下的染料降解。本文对磁力搅拌条件下TiO2纳米粉还原CO2进行了研究。在充有CO2的100 mL石英反应器中, 在50 mL的水中分散1.00 g TiO2纳米粉, 经过50 h磁力搅拌可产生6.65 × 10–6 (体积分数, 下同) CO, 2.39 × 10–6 CH4和0.69 × 10–6 H2; 而如果没有TiO2纳米粉, 则只能产生2.22 × 10–6 CO和0.98 × 10–6 CH4。对含有分散TiO2纳米粉的水同时采用4个磁力搅拌棒, 50 h磁力搅拌产生的气体进一步提高到19.94 × 10–6 CO, 2.33 × 10–6 CH4和2.06 × 10–6 H2。基于TiO2纳米粉通过摩擦吸收机械能并被激发产生电子-空穴对, 建立了TiO2纳米粉对CO2和水还原的催化机理。本发现表明, 纳米材料能够通过摩擦利用机械能进行CO2的还原, 从而为开发利用环境中的机械能提供了一个新的方向。


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图1  单个磁力搅拌棒分别搅拌50 h溶解有CO2的水及溶解有CO2并分散有TiO2纳米粉的水所产生的气体产物


同行评价

本文作者报道了磁力搅拌条件下TiO2纳米粉在水中还原CO2的研究。实验结果显示,加入TiO2纳米粉之后CO和CH4气体产量明显提高,且额外有H2产生;除此之外,增加磁力搅拌棒的数量会进一步提高这三种气体的产量。基于以上结果,作者建立了TiO2纳米粉对CO2和H2O还原的催化机理:TiO2纳米粉通过摩擦吸收机械能并被激发产生电子-空穴对,用以诱导CO2和H2O的还原,称为摩擦催化。这个工作展示了可靠的数据,且结论有实际参考意义。

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ScxY1–x Fe2合金固溶和V2x Fe2(1–x)Zr有序-无序转变的理论预测

蒋永林,何长春,杨小宝

物理学报. 2021, 70(21): 213601

doi: 10.7498/aps.70.20210998

合金化是增加材料结构和性能多样性的重要手段。本文先从考虑最近邻相互作用的Ising模型出发, 通过铁磁耦合研究二元合金的低温相分离、高温固溶体系, 通过反铁磁耦合研究低温有序固溶、高温无序体系。以储氢合金中的Laves相V2x Fe2(1–x)Zr和ScxY1–x Fe2材料为例, 采用基于结构识别的高通量第一原理计算, 考虑结构简并度对配分函数的贡献, 可以对合金材料进行有限温度下的理论预测。先通过第一原理计算得到基态(零温下)形成能, 形成能大于零的体系ScxY1–x Fe2在低温下相分离, 根据自由能符号确定合金固溶的临界温度; 形成能小于零的体系V2x Fe2(1–x)Zr在低温下倾向于形成有序相, 根据比热的计算可以确定体系出现有序-无序转变的临界温度。其中, 高通量第一原理计算和对应的结构简并度统计可以通过我们课题组发布的程序SAGAR (structures of alloy generation and recognition)实现。


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图1  根据Ising模型拟合结果得出的体系 (a)自由能符号; (c)热容; (b), (d)相转变温度

同行评价

该文通过Ising模型铁磁耦合研究储氢合金的相分离和固溶, 通过反铁磁耦合研究有序。并结合结构识别的高通量第一原理计算,对合金材料进行有限温度下的理论预测。论文结构对于有效提高合金的高通量筛选效率有重要的参考价值。

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编辑推荐    综述

部分相干衍射成像综述

许文慧,宁守琮,张福才

物理学报. 2021, 70(21): 214201

doi: 10.7498/aps.70.20211020

相干衍射成像是一种对光源相干性要求非常高的无透镜计算成像技术。相干性包括时间相干性和空间相干性两方面, 在很多实际场合具有理想相干性的光源很难获得。导致空间部分相干的因素主要有光源发光区域内各部分不同步的发光机制、检测器像素有限大小引起的非零宽度点扩散函数以及样品的不稳定性; 而时间部分相干则是由光源的能量扩散引起, 表现为扩展的发射光谱带宽。空间和时间相干性退化的直接结果是衍射图样的清晰度和可见度的降低, 导致相干衍射成像中基于全相干模型构建的重构算法无法实现准确的物体波前重构。解决方法包括改良实验装置来直接提高光束的相干性, 和通过优化相位恢复算法来补偿相干性退化的影响。基于Wolf的相干模表示方法和Nugent等建立的部分相干衍射成像理论框架, 针对不同相干衍射成像技术中低相干性问题的各种解决办法相继被提出, 总体历经了从需要提前测出照明光的空间相干特征 (相干长度或者复相干因子) 或者时间相干特征(光谱分布) 到不需要任何已知光源相干特征的发展过程。本文重点介绍相干衍射成像的部分相干性理论、以及部分空间和部分时间相干光衍射成像中重构算法的研究进展。


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图1  散射实验中的退相干现象(Thibault P, Menzel A 2013 Nature 494 68) (a)由照明探针的横向相干性和有限的带宽引起的模态混合; (b)样品中的混合模态, 包括量子混合态和快速平稳随机过程, 如振动、开关或稳定流; (c)检测器的点扩散造成的模态混合; (d)对于远场衍射, 退相干会造成散射强度分布的可见度降低。图(d)右半边是模拟样品振动给衍射图样带来的影响


同行评价

作者对利用部分空间或时间相干光源进行相干衍射成像(CDI)进而反演求解物体结构的技术方法进行了回顾和展望,着重介绍了部分相干衍射成像理论框架以及部分空间和部分时间光相干衍射成像中重构算法的研究进展。可见光、极紫外、太赫兹、X射线以及电子等辐射源均可以用于物质结构的确定,但这些光源的空间和时间相干性在实际仪器装置中并不是完美的,从而对结构的求解造成负面影响。单纯地追求更高的光源相干性常常会伴随着成本的提升以及光通量的降低,因而发展部分相干衍射成像重构算法显得尤为重要。针对相干长度已知或未知的部分空间相干CDI以及频谱宽度已知或未知的部分时间相干CDI,作者们分门别类地对各种重构算法的发展历程、基本原理、应用范围和实例进行了总结归纳。这些算法具有良好的通用性和普适性,可应用于不同领域的相位恢复和结构求解问题中,为光学、X射线衍射、电子显微学等领域的科研工作者开展相关研究提供了基本指导和可靠资料。文章结构合理、行文流畅、引文准确,内容翔实可靠。

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光电协控多层MoS2记忆晶体管的阻变行为与机理研究

邓文,汪礼胜,刘嘉宁,余雪玲,陈凤翔

物理学报. 2021, 70(21): 217302

doi: 10.7498/aps.70.20210750

记忆晶体管是结合忆阻器和场效应晶体管性能且同时实现存储和信息处理的一种新型多端口器件。本文采用微机械剥离的多层二硫化钼(MoS2)制备了场效应晶体管结构的背栅记忆晶体管, 并系统研究了器件在电场、光场及其协同调控下的阻变开关特性和阻变机理。实验结果表明, 多层MoS2记忆晶体管具有优异的双极性阻变行为和良好的循环耐久性。器件在栅压调控下, 开关比可实现在100—105范围内变化, 最高可达1.56 × 105, 表明器件具有很强的门控效应; 在光场调控下, 器件的阻变特性对光波长有很强的依赖性; 光电协同调控时, 器件表现出极好的四端口调控能力, 开关比达4.8 × 104。其阻变特性的机理可归因于MoS2与金属电极接触界面电荷俘获状态和肖特基势垒高度的变化, 以及MoS2沟道光生载流子引起的持续光电导效应。


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图1  波长为200 , 400和800 nm光照射时, 器件高低阻态的阻值随栅压的变化(a)和电阻开关比随栅压的变化(b)


同行评价

MoS2忆阻器也是近几年研究发展就为热门的器件,本论文探讨研究了MoS2记忆晶体管的制备、性能表征和特性等,论文选题和研究有一定的新颖性。论文系统研究了器件在电场、光场及其协同调控下的阻变开关特性和阻变机理.实验结果表明多层MoS2记忆晶体管具有优异的双极性阻变行为和良好的循环耐久性等一系列的优良特性,论文结果具有一定的优越性能。

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基于MXene涂层保护Cs3Sb异质结光阴极材料的计算筛选

白亮,赵启旭,沈健伟,杨岩,袁清红,钟成,孙海涛,孙真荣

物理学报. 2021, 70(21): 218504

doi: 10.7498/aps.70.20210956

以锑化铯(Cs3Sb)为代表的碱金属型半导体光阴极具有高量子效率、低电子发射度、光谱响应快等特点, 可作为理想的新型电子发射源。然而Cs3Sb中碱金属敏感于含氧气体, 从而导致其结构不稳定, 工作寿命低, 影响电子发射效率。利用超薄层状的二维材料进行涂层保护Cs3Sb基底, 有望构建新型高性能光阴极材料, 但目前仍然缺乏适合的二维材料, 能够在保护基底同时维持低功函数(W )和高量子效率。近年来二维过渡金属碳/氮化物(MXene)材料逐渐成为研究热点, 其灵活引入的悬挂键可以很好地调控MXene材料的结构和电子特性。本文系统构建了一系列M2CT2-Cs3Sb异质结, 基于第一性原理计算分析了过渡金属元素(M)、原子配比(M/C)、堆垛构型及悬挂键(T)等对其W的影响。研究表明, 不同悬挂键类型对构建异质结的W影响显著, 相对于其他悬挂键(—F/—O/—Cl/—S/—NH), 带有—OH/—OCH3悬挂键构成的M2CT2-Cs3Sb异质结具有相对较低的W。利用差分电荷密度和能级矫正分析解释了异质结W的变化原因, 即异质结界面电荷重新分布导致界面偶极方向不同, 造成电子逸出的势垒不同。经过筛选后发现, M2C(OH)2 (M = V, Ti, Cr)和M2C(OCH3)2 (M = Ti, Cr, Nb)结构可以看作理想的涂层材料, 尤其是V2C(OH)2-Cs3Sb (W = 1.602 eV)和Ti2C(OCH3)2-Cs3Sb (W = 1.877 eV)。本研究不仅有助于深入理解MXene-Cs3Sb异质结电子结构和光学性质, 同时也为高性能光阴极材料的计算筛选提供参考依据。


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图1  (a) M2CT2-Cs3Sb结构的功函数(W, eV)随过渡金属M和悬挂键T以及(b) M2CT2结构的亲和势(EA, eV)变化图


同行评价

本研究通过对构建的一系列 M2CT2-Cs3Sb 异质结,计算分析了过渡金属元素、组份、堆垛构型及悬挂键等对其功函数的影响,筛选出了功函数最低的最佳候选MXene,并给出了合理的解释。文章立意较新颖,写作清楚,对于设计基于 MXene 涂层的光阴极材料提供了技术参考。

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单缺陷对Sc, Ti, V修饰石墨烯的结构及储氢性能的影响

马丽娟,韩婷,高升启,贾建峰,武海顺

物理学报. 2021, 70(21): 218802

doi: 10.7498/aps.70.20210727

寻找稳定高效的储氢材料是实现氢经济的关键。过渡金属修饰石墨烯储氢材料在理论上被广泛研究, 但存在H2解离和金属团聚的问题。本文基于密度泛函理论对Sc, Ti, V修饰单缺陷石墨烯的结构及储氢性能进行计算。结果表明: 单缺陷使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高4—5倍; Sc, Ti, V离子特性增强, 可以通过静电相互作用吸附7, 3和4个分子形式的氢; 平均氢分子吸附能分别为–0.13,–0.20和–0.18 eV, 处于室温和中等压力下储氢的最佳能量范围。而Sc, Ti, V修饰的完整石墨烯上第1个氢解离吸附, 氢分子吸附能分别为–1.34, –1.34和–1.16 eV. 特别重要的是, Sc, V修饰的缺陷石墨烯吸附和脱附氢分子过程中重构能仅为0.00 eV和0.03 eV, 对实现快速吸放氢气非常有利。本研究将有利于深入认识3d过渡金属修饰碳材料的储氢机理。


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图1  Sc, Ti, V修饰完整和MVG的平均氢分子吸附能随H2分子数量的变化曲线, 其中–0.10 eV至–0.80 eV之间的绿色区域为最佳H2存储的能量窗口


同行评价

本论文基于密度泛函理论对 Sc,Ti,V 修饰单缺陷石墨烯的结构及储氢性能进行了计算研究,揭示了单缺陷的作用效果。论文结果对开发新型高性能储氢材料具有一定指导意义。

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基于混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射的动态高温燃烧场温度测量

田子阳,赵会杰,尉昊赟,李岩

物理学报. 2021, 70(21): 214203

doi: 10.7498/aps.70.20211144

温度测量对燃烧过程中的污染控制与节能减排具有重要意义, 而实际应用中复杂的动态高温燃烧场对温度测量技术的测量精度与响应速度提出了严格的要求。相干反斯托克斯拉曼散射技术作为一种较为先进的光谱测温技术, 具有较高的空间分辨率, 可以在高温环境下实现准确的温度测量, 具有应用于复杂燃烧场的潜力。针对复杂的动态高温燃烧场的测温需求, 本文提出了一种基于二次谐波带宽压缩方法的混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温方法, 实现了对动态高温燃烧场温度的准确测量与动态响应。实验中利用标准燃烧器模拟了1700—2200 K温度范围内的动态高温燃烧场, 利用该测温方法, 以千赫兹的光谱采集速率, 对模拟的动态火焰的温度进行了连续70 s测量。测量结果显示, 该方法在高温下温度测量的相对误差小于1.2 %, 相对标准偏差小于1.8 %, 同时能动态追踪0.2 s内的温度变化过程, 验证了该方法测温的准确性、稳定性以及响应速度, 为复杂的动态高温燃烧场的温度测量提供了一种新的测量方案。


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图1  70 s动态温度测量结果 (a) 28.6—29 s局部放大图; (b) 65.2—65.6 s局部放大图


同行评价

采用相干反斯托克斯光谱与温度的关系进行温度测量起始于上世绿七十年代。随着相关硬件技术的发展,该方法也取得了相当的进展。该文采用泵浦光,斯托克斯光与检测光空间相位匹配进行温度测量,实验光路有一定的新意,取得了预期的结果,即该方法适合瞬变温度的检测。

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深海原位激光多普勒测速系统

孙静静,张磊,甄胜来,曹志刚,张国生,俞本立

物理学报. 2021, 70(21): 214205

doi: 10.7498/aps.70.20210367

研发了一套适合深海原位测量的4000 m级激光多普勒热液流速测量样机, 该系统采用一体化整体集成式设计, 系统由光源模块、光学模块和多普勒信号处理模块三部分组成, 封装于L 500 mm × Φ 205 mm的耐压舱中形成一体化光学测量探头。提出了强本振型双光束激光多普勒测速光路, 原理样机在实验室对模拟速度进行测量, 测量范围0.01—10 m/s, 流速测量分辨率为0.001 m/s, 实验结果初步证明激光多普勒测速系统的可行性。之后系统在青岛深海基地进行了耐压试验, 系统在40 MPa高压下, 获取信号正常。在中国水利水电科学研究院进行了速度对比测量, 在0.01—0.2 m/s的低速段, 与声学多普勒流速仪进行对比, 最大测量相对误差为–9.43%。在0.8—9.6 m/s的高速段, 与喷咀标准流速系统进行对比, 最大相对测量误差为–1.65%。样机系统在海南陵水进行了浅海试验, 测试了样机系统随吊车下放到50 m水深的下降速度和在水深2 m处随船的拖拽速度, 试验证明, 样机系统在浅海环境中工作正常, 获取速度信号正常。


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图1  强本振型激光多普勒测速系统光路图

同行评价

本文提出了基于激光多普勒效应的深海热流流速原位探测技术,研制了测量样机,并进行了一些实验测试,获得了预期的试验结果。

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《物理学报》2021年第21期全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/21


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