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亮点文章 | 《物理学报》2024年第2期

已有 294 次阅读 2024-1-29 21:50 |系统分类:论文交流

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热效应在电流驱动反铁磁/铁磁交换偏置场翻转中的显著作用

何宇，陈伟斌，洪宾，黄文涛，张昆，陈磊，冯学强，李博，刘菓，孙笑寒，赵萌，张悦

物理学报, 2024, 73(2):027501.

doi: 10.7498/aps.73.20231374

电流驱动的面内交换偏置场翻转具有无需外磁场辅助、抗磁场干扰以及强磁各向异性等优势，受到广泛关注。然而，在纳米级厚度薄膜系统中，反铁磁/铁磁异质结的阻塞温度较低，同时电流脉冲会产生大量的焦耳热，理论上电流热效应对于交换偏置场翻转有着显著作用，但是其作用机制缺乏相关研究和验证。我们制备了一系列反铁磁IrMn厚度不同的Pt/IrMn/Py异质结，系统性地研究了热效应在电流翻转交换偏置场中的作用机制。结果表明，在毫秒级电流脉冲下，焦耳热能够使得器件升温至阻塞温度以上，解除反铁磁/铁磁界面的交换耦合，同时电流产生的奥斯特场和自旋轨道矩能够翻转铁磁磁矩，在降温过程中完成交换偏置场的翻转。并且，在翻转过程中，反铁磁/铁磁异质结的各向异性磁阻曲线呈现与温度相关的两步磁化翻转现象，分析表明该现象起源于交换偏置耦合与铁磁直接交换作用之间的竞争关系。本文的研究结果厘清了热效应在电流驱动交换偏置场翻转过程中的重要作用，有助于推动基于电控交换偏置场的自旋电子器件发展。

图1 (a) Pt/IrMn/Py/MgO/Ru膜层结构示意图；(b) Pt/IrMn (6 nm)/Py薄膜的面内磁滞回线；(c) 霍尔条器件和测试结构图；Pt/IrMn (6 nm)/Py器件(d) 初始状态和(e)施加不同电流脉冲情况下的AMR曲线；(f) H_eb随I_pulse的变化曲线

同行评价

交换偏置是自旋电子学中最重要的现象之一，一直以来学术界对于电流驱动交换偏置场的翻转机制存有争议。针对该问题，本文报道了相关研究，通过系统的实验，证明了在宽脉冲作用下，热效应对Pt/IrMn/Py异质结界面交换偏置场的翻转起着主要的作用，厘清了交换偏置场在宽脉冲条件下的翻转机理。本工作还发现了在交换偏置场的翻转过程中，各向异性磁电阻曲线的两步磁化翻转现象与温度有关，进一步通过实验详细解释了其中的物理机理。论文具备较强的实验创新性，数据充分。

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时间旅行的量子门

王粲，陆朝阳，陈明城

物理学报, 2024, 73(2):020303.

doi: 10.7498/aps.73.20231289

量子计算可以解决经典计算难于求解的问题，在物理原理允许范围内扩大了可有效计算的问题范围，对经典计算的扩展丘奇图灵论题提出了挑战。这里我们讨论一个有趣的问题：通过突破物理原理限制来实现更强大的计算机，进一步扩展量子计算机的能力。我们考虑一种全新的操纵能力，让量子计算可以实现时间穿梭旅行的量子控制门。这是量子门线路图形语言的一个符合直觉的扩展，作为例子，我们展示了一个可以有效求解SAT难题的扩展量子算法。我们的结果有助于更深刻地理解计算和物理原理之间的关系。

图1 等效的张量网络表示，借助辅助量子比特(蓝色线)可以非确定性地模拟实现时间旅行CNOT门 (a)示例1，在时间旅行门的两个拐角，引入两个分支，认作一个辅助量子比特(蓝色线)，将其初态制备到|+⟩态并同时后选择投影到⟨+|态，右图是相应的标准量子门线图表示；(b)示例2，相比示例1时间旅行门作用在同一个物理量子比特上，示例2展示了其作用在不同物理量子比特上的情形

同行评价

本文介绍了一种用于量子计算的特殊量子门，即所谓时间旅行量子门。通过引入一个辅助比特，实现了量子线路中不同时间节点量子比特间的CNOT门，等效打破了量子线路中的信息流动顺序。这一操作依赖于后选择，即只有一定概率可以实现时间旅行门，但在实现量子计算的扩展方面具有重要意义。作者通过SAT问题的求解演示了时间旅行量子门的优势，逻辑清晰，观点新颖。

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基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器

赵倩如，王旭阳，贾雁翔，张云杰，卢振国，钱懿，邹俊，李永民

物理学报, 2024, 73(2):024205.

doi: 10.7498/aps.73.20231214

动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制，可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应，是量子通信和相干通信系统中的重要器件。本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器，芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作，器件整体尺寸为5.20 mm × 0.12 mm × 0.80 mm，整体损耗为5.7 dB，最大功耗为0.2 W。基于可变步长模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件，动态偏振消光比可锁定至30 dB以上。芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制，整体为0°/45°/0°/45°结构，可实现无端偏振控制。基于Lumerical 软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化，该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM₀模式光场转化至另一波导中的TE₀模式光场，而原单波导中TE₀模式光场不发生转化，实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上。该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点，可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域，特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合。

图1 基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器结构 (a) 与波导0°/45°/0°/45°结构对应的片上动态偏振控制器结构；(b) 实际片上动态偏振控制器结构

同行评价

作为量子通信和相干通信系统中的重要器件,动态偏振控制器能够将任意偏振态光场光锁定至任意偏振态光场，可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应。本文作者设计并实验验证了一种基于绝缘体上硅(SOI)的任意偏振控制结构，可以将任意输入偏振态锁定至任意输出偏振态。基于0°/45°/0°/45°动态偏振控制原理，将传统的动态偏振控制功能通过标准的SOI工艺集成在SOI平台上，其中相位控制通过热相移器实现。采用标准SOI工艺，整体的尺寸较小，采用SOI倒锥形边缘耦合器，整体插损较低，可以实现低成本、小体积的器件。并且所需的控制电压在0—10 V。所制造的器件实现了大于30 dB的动态消光比。有望应用在光纤通信、量子通信等领域。

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通过Mo掺杂诱导低Li/Ni混排程度增强Li_1.2Ni_0.13Fe_0.13Mn_0.54O₂可逆容量与循环稳定性

冉沛林，吴康，赵恩岳，王芳卫，毋志民

物理学报, 2024, 73(2):028201.

doi: 10.7498/aps.73.20231361

富锂层状氧化物因能量密度高和成本低，有望成为下一代锂离子电池正极的重要候选材料。然而，富锂正极材料中阴离子氧化还原反应使晶格氧不稳定，导致电压衰减和不可逆容量损失。尽管铁代无钴富锂材料可以实现较少的电压衰减，但存在严重的阳离子混排和较差的动力学。采用一种简单易行的高价离子掺杂策略，在Li_1.2Ni_0.13Fe_0.13Mn_0.54O₂ (LNFMO)中掺入Mo元素，拓宽了锂层间距，为Li⁺的传输提供了更宽的通道，改善了Li⁺的扩散动力学，有效抑制了阳离子混排，进一步稳定了层状结构。得益于此，Mo掺杂后的富锂材料表现出显著增强的电化学性能，在0.2 C电流密度下表现出209.48 mAh/g的初始放电比容量。1 C下的初始放电比容量从137.02 mAh/g提高到165.15 mAh/g；循环300次后，仍有117.49 mAh/g的放电比容量，电压衰减由2.09 mV/cycle降低为1.66 mV/cycle。本文对Mo掺杂后的正极材料进行了系统表征并揭示了循环稳定的机理，为高性能富锂正极材料的设计提供了重要参考。

图1 Rietveld精修的样品LNFMO (a)和LNFMO-Mo (d) XRD图谱；样品LNFMO (b)和LNFMO-Mo (e)的SEM图；样品LNFMO (c)和LNFMO-Mo (f)的TEM图及层间距；LNFMO-Mo (g)表面不同元素的EDS分布图

同行评价

本文通过在Li_1.2Ni_0.13Fe_0.13Mn_0.54O₂ (LNFMO)中掺入大半径高价态的Mo元素，不仅拓宽了锂离子的传输通道，改善了Li⁺的扩散动力学，而且有效地抑制了阳离子混排，稳定了层状结构。电化学性能测试表明改性后的材料倍率及循环性能均有了提升，该工作对合成高性能富锂正极具有参考意义。

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抗方阻波动的超宽带轻薄频率选择表面吸波体

王东俊，孙子涵，张袁，唐莉，闫丽萍

物理学报, 2024, 73(2):024201.

doi: 10.7498/aps.73.20231365

满足宽带、极化和入射角度稳定、轻薄和强吸收等高性能要求的电阻膜频率选择表面(FSS)吸波体设计难度大，且易因加工中方阻波动导致吸波性能变化。为此，本文首先分析了方阻波动影响电阻膜FSS吸波体性能的机理，提出抗方阻波动的FSS吸波体设计方法。在此基础上，提出利用不同层FSS阻抗随频率变化互补的扩展带宽方法，结合弯折小型化设计，获得了超宽带、极化和角度稳定的轻薄型抗方阻波动FSS吸波体。该FSS吸波体在TE和TM极化下，90%吸波带宽为1.50—20.50 GHz (相对带宽173%)，厚度仅为0.093λ_L。TE极化波80%吸波的角度稳定性可达45°，而TM极化波90%吸波的角度稳定性可达70°。当每层FSS方阻在12—30 Ω/sq范围内波动时，吸波体的90%吸波带宽仍保持在167.0%。实验测试结果与仿真结果基本吻合，证明了所提方法的有效性。

图1 分形FSS吸波体结构 (a) 无方环时和 (b) 有方环时的十字分形FSS单元结构；(c) 吸波体侧视图

同行评价

作者基于欧姆损耗机理，设计了具有电阻膜吸波结构的轻薄FSS吸波体，并且该吸波体具有超宽带、双极化、角度稳定性强、轻薄的优点。本文为抗方阻波动的高性能 FSS 吸波体设计提供了新思路。

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一维接触排斥相互作用单自旋翻转费米气体的基态和淬火动力学性质

尹相国，于海如，郝亚江，张云波

物理学报, 2024, 73(2):020302.

doi: 10.7498/aps.73.20231425

基于严格解方法，研究了一维排斥相互作用单自旋翻转费米气体的基态和淬火动力学性质。借助Bethe波函数，基态和不同本征态之间的单体关联函数和两体关联函数可以表示为简单函数之和，这一简洁形式可以极大地降低计算难度。系统初始状态为无相互作用的基态，当迅速把相互作用强度调节为有限大时，动量分布和关联函数出现周期性的振荡行为；当相互作用调节为比较弱时，振荡周期性好且振荡幅度小，系统可以用二能级模型近似；当相互作用调为非常强时，振荡周期性变差且振荡幅度大，但是依然存在主周期。此时整体偏离初态较远，但是在时间为mL²/(2πℏ)时系统非常接近初态。

图1 (a)系统基态和最主要的两重简并激发态在初态上的各自占据概率和它们的和。GS (实线)代表基态，ES (点虚线)代表激发态中占据概率最大的两重简并态，GS+ES (短虚线)代表基态和上述两重简并态的占据概率之和。(b) 物理量振荡的主周期随无量纲相互作用强度的变化。T₀是无相互作用时的主周期。(c) 不同相互作用强度下随时间演化的保真度。粒子数为N = 6

同行评价

本文严格解的工作对于理解一维排斥动力相互作用费米子的基态性质以及淬火动力学性质具有很好的科学意义。

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结合电子束辐照与压电压力波法空间电荷分布实时测量的空间电荷包迁移行为的研究

潘佳萍，张冶文，李俊，吕天华，郑飞虎

物理学报, 2024, 73(2):027701.

doi: 10.7498/aps.73.20231353

空间电荷包现象是一种特殊的空间电荷现象，具体表现为空间电荷以包的形态沿着极化电场的方向进行迁移。目前针对空间电荷包现象的研究还存在一些不足，研究的对象通常集中在聚乙烯及其交联产物中的正极性空间电荷包。本文提出了一套用于负极性空间电荷包特性研究的一体化实验系统，可进行电子束辐照与压电压力波法空间电荷分布实时测量相结合的实验研究，并简要介绍了该系统的结构与功能。该系统适用于不同厚度范围的各类绝缘电介质样品在不同电场下的实验研究。本文使用该实验系统初步研究了在不同外加电场(15，20，25，30 kV/mm)下聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯样品内负极性空间电荷包的迁移行为，并从实验结果中提取了负极性载流子(电子)的迁移特性。聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯样品中电子的迁移速率均存在随着电场的增加而减小的负微分迁移率现象，聚丙烯中该现象出现的阈值电场约为26.0 kV/mm，聚甲基丙烯酸甲酯中该现象出现的阈值电场约为19.5 kV/mm，消失的截止电场约为27.5 kV/mm。

图1 压电压力波法测量装置的结构示意图

同行评价

论文提出了一套用于负极性空间电荷包特性研究的一体化实验系统，可实时实验研究电子束辐照与压电压力波法空间电荷分布；研究了负极性载流子（电子）的迁移特性，得到了出现负微分迁移率的阈值电场。这些研究对于研究电子束辐照下的空间电荷特性，揭示空间电荷形成机理，具有重要意义。

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CaSH分子高精度电子结构计算及用于激光制冷目标分子的理论分析

冯卓，索兵兵，韩慧仙，李安阳

物理学报, 2024, 73(2):023301.

doi: 10.7498/aps.73.20230742

作为非对称多原子分子制冷的一个重要目标分子，CaSH的冷却有望打破双原子分子及线性三原子分子在激光冷却中的技术局限。本文使用高精度的EA-EOM-CCSD (electron attachment equation-of-motion coupled cluster singles and doubles)方法，通过cc-pVXZ/cc-pCVXZ (X=T,Q)系列基组外推至基组极限，得到了CaSH基态和3个最低激发态精确的几何结构及基态到激发态的跃迁能。其中，基态X ̃²A'几何结构参数分别为R_CaS=2.564 Å；R_SH= 1.357 Å；∠CaSH= 91.0°；从X ̃²A'到A ̃²A'，B ̃²A''和C ̃²A'的垂直激发能分别为1.898，1.945和1.966 eV，与已有实验符合得很好。进一步，在3ζ级别基组上，计算了该分子4个最低电子态的势能面，并通过求解核运动方程给出CaS键伸缩、CaSH弯曲两个振动模的频率。最后，理论计算给出的X ̃²A'(0,0,0)态到激发态A ̃²A'(0,0,0)，B ̃²A''(0,0,0)和C ̃²A'(0,0,0)跃迁的Frank-Condon (FC)因子分别为0.9268，0.9958和0.9248。结合Frank-Condon因子和激发态寿命分析，本文给出了可能用于CaSH冷却的光学循环，为CaSH的激光冷却提供了理论参考。

图1 CaSH激光冷却光学循环示意图，实线代表激发光，虚线为自发辐射通道

同行评价

作者采用EOMEA-CCSD方法研究了CaSH分子的低电子态的平衡构型和激发能，并进一步通过计算该分子的低电子态势能面，研究该分子作为激光冷却分子的可能性。该工作所用方法对CaSH分子给出的结果比此前的理论结果与实验吻合更好，而且所得结果为CaSH的激光制冷提供重要参考。

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In_0.52Al_0.48As/InP的正向和反向异质结在带隙附近的不同光谱现象

吴洋，胡晓，刘博文，顾溢，查访星

物理学报, 2024, 73(2):027801.

doi: 10.7498/aps.73.20231339

应用光电导谱(PC)和光致发光谱(PL)研究了由分子束外延在InP(100)衬底上生长In_0.52Al_0.48As获得的两种异质结外延结构，分别是在InP衬底上生长InAlAs形成的正向异质结样品(样品A：In_0.52Al_0.48As/InP)和InAlAs层继续生长InP形成的上层为反向异质结的双异质结样品(样品B：InP/In_0.52Al_0.48As/InP)。PL和PC实验采用光从表面入射激发的测量构型，样品测量温度为77 K。样品A的PC谱显示，在激发光能量大于表面In_0.52Al_0.48As层的带隙时出现了电导陡降的反常变化，还在916 nm波长处呈现一小的电导峰结构。PL谱对应此波长位置则出现很强的发光峰。样品B则未观察到上述光谱特征，该差异可从两类异质结不同的界面电子结构获得解释。

图1 (a) InAlAs/InP正向界面结构和(b) InP/InAlAs/InP双异质界面结构能带图

同行评价

InAlAs/InP的界面电子结构性质对其作为一种重要的光电子和电子器件的器件性能具有至关重要的影响，不过其界面结构和光学性质迄今仍存在颇多争议之处。本工作将光电导谱与光致发光相结合，研究了InAlAs/InP异质结的正向和反向界面结构，观察到了InP带边附近具有不同的光谱特征，反映二者不同的界面电子结构性质，研究现象和结论对该领域的材料生长和器件物理研究具有学术参考价值。其次，迄今关于III-V半导体界面光学性质文献中很少看到光电导谱方法的应用报道，该工作应用光电导谱，观察到InAlAs/InP在InAlAs带边附近光电导信号随光子能量变大反而下降的新颖现象，并给出合理解释，对于该方法应用于揭示半导体界面电子性质颇具启发性。

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具有层级结构集体影响力的多数投票模型

陈奕多，韵雨婷，关剑月，吴枝喜

物理学报, 2024, 73(2):020201.

doi: 10.7498/aps.73.20231164

多数投票模型是观点动力学研究中的常用模型，本文在多数投票模型的基础上引入了具有层级结构的集体影响力，以节点周边层级结构上的节点的度衡量中心节点的观点权重，即为集体影响力参数。通过蒙特卡罗模拟，研究了具有集体影响力的多数投票模型在ER (Erdos and Rényi)随机网络与无标度网络上观点的演化，发现系统观点均出现了有序-无序相变，且相比原始多数投票模型更容易趋于无序，即相变临界点更小。原因是考虑具有层级结构的集体影响力时，系统的集体影响力参数值整体减小，且分布数目随着参数值的增大而减少，呈“长尾”趋势，占少数的高影响力个体使周围节点的观点产生跟随现象，随着噪声参数的增大，当少数的高影响力个体趋于无序时，整个系统也会趋于无序，即系统更容易达到无序状态。最后通过有限尺寸标度法，发现无论在ER随机网络或在无标度网络中，具有集体影响力的多数投票模型的相变均为Ising模型普适类。