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[转载]CPB封面文章和亮点文章 | 2021年第7期

已有 305 次阅读 2021-8-12 14:59 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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Superconductivity in an intermetallic oxide Hf3Pt4Ge2O

Chengchao Xu(徐程超), Hong Wang(王鸿), Huanfang Tian(田焕芳), Youguo Shi(石友国), Zi-An Li(李子安), Ruijuan Xiao(肖睿娟), Honglong Shi(施洪龙), Huaixin Yang(杨槐馨), and Jianqi Li(李建奇)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  077403


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探索合成具有独特晶体结构和化学特性的新型超导体,是进一步推动超导研究的基础,也有助于人们更好地理解超导机理。本文报道了一种通过固相反应合成的新型金属间氧化物Hf3Pt4Ge2O及其超导电性。Hf3Pt4Ge2O晶体呈面心立方结构(空间群Fm-3m),晶格常数a = 1.2411 nm,其化学元素计量比和原子结构由电子显微镜和X射线衍射技术测定。通过电阻率、磁化率和比热测量,证实其在4.1 K时具有超导电性且表现为第II类超导特性。金属间氧化物Hf3Pt4Ge2O体系显示出一种有趣的结构特征,即外来氧原子可以被容纳在三元金属间化合物骨架的间隙位置。本文作者还成功合成了Hf3Pt4Ge2O1+δ (-0.25<= δ <= 0.5)系列样品,并得到了超导转变温度Tcδ的依赖关系。此外,第一性原理计算也支持原子结构和电子结构的合理性。综上,本文的研究结果展示了一个具有独特晶体结构和化学特性的全新的超导体家族,有望引起人们在此类金属间化合物体系中进一步寻找新超导体以及与5d电子相关的新奇物理的研究兴趣。

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Figure 3. Superconductivity at ~ 4 K in Hf3Pt4Ge2O is evidenced by the temperature and field dependence of magnetic susceptibility χ(TH), electrical resistivity R(TH), and specific heat Cp(T). (a) χ(T) measured in zero-field cooling (ZFC) and 10 Oe-field cooling (FC) modes. (b) Determination of the lower critical field Hc1 ~39.7 Oe by low-field magnetization curves at various applied fields, M(TH). (c) Temperature-dependent resistivity measured from 300 to 2 K in zero-field, and inset shows field-dependent resistivity measured in a temperature range 2 – 5 K under various fields from 0 to 1.7 T. (d) The field-dependent resistivity data are used to determine the upper critical field Hc2 ~ 2.76 T. (e) Specific heat measurement shows a clear jump at 4 K that is associated with superconducting transition. Inset shows the electronic contribution to specific heat over temperature  Ce(T)/T via an equal-area construction method.



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Improving the purity of heralded single-photon sources through spontaneous parametric down-conversion process

Jing Wang(王静), Chun-Hui Zhang(张春辉), Jing-Yang Liu(刘靖阳), Xue-Rui Qian(钱雪瑞), Jian Li(李剑), and Qin Wang(王琴)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  070304

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量子光源是量子信息领域中的一种重要资源,广泛应用于量子通信、量子计算、量子光学、量子传感等各方向。光子纯度是决定光子性质和质量的一项重要指标,因而如何利用光学超晶格来产生高纯度的单光子源正成为量子信息科学领域的热点研究课题之一。目前,提高纯度的常用方法包含使用空间滤波和设计相位匹配参数两种类型,但由于空间滤波方法会造成光子亮度降低和引入额外噪声等缺点,因而通过设计合适的相位匹配参数来提升光子纯度是一种最佳的实现路径。


本文主要研究如何利用准相位匹配条件来提升自发参量下转换过程产生的双光子光谱纯度。我们系统性调研了该方向的研究进展,并在现有工作基础之上提出了改进的优化方法,进一步简化计算的复杂度,并提升了现实实验条件下可能获得的最优纯度大小。我们将提升光谱纯度的方法分为四种类型:第一种方法是根据双光子态得到可因式分解的光子对;第二种方法为量子态工程方法,运用扩展相位匹配条件;第三种方法通过调整构成联合频谱函数的两个函数的宽度比例;第四种方法则是对泵浦光带宽和晶体长度等参数做联合优化。仿真结果显示,以上四种方法在合适的实验条件下均可以得到数值接近1的纯度,因而为实验制备频谱接近解关联的双光子源打下良好的理论基础。

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Figure 1. Joint optimization of the pump bandwidth and crystal length with the fourth method. Meanwhile, the central wavelengths of pump, signal, and idler are 552 nm, 857.3 nm, and 1550 nm, respectively in type-I PPKTP. Different color represents different purity, and the value of purity represented by the color has been marked on the right column.


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Fabrication of sulfur-doped cove-edged graphene nanoribbons on Au(111)

Huan Yang(杨欢), Yixuan Gao(高艺璇), Wenhui Niu(牛雯慧), Xiao Chang(常霄), Li Huang(黄立), Junzhi Liu(刘俊治), Yiyong Mai(麦亦勇), Xinliang Feng(冯新亮), Shixuan Du(杜世萱), and Hong-Jun Gao(高鸿钧)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  077306

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用“自下而上”的表面合成方法可以原子级精准地合成具有特定宽度、边界结构和掺杂的石墨烯纳米带,从而实现对其电子结构的有效调控。从特定设计的前驱体有机分子出发,科学家们已经成功合成多种石墨烯纳米带,如不同宽度的扶手椅型纳米带及其异质结、锯齿型石墨烯纳米带、凹槽状边界石墨烯纳米带等。其中,扶手椅型纳米带和锯齿型石墨烯纳米带在理论计算和实验上都已经得到广泛研究,而凹槽状边界石墨烯纳米带作为一种新型边界结构,相关研究还较少。另外,石墨烯纳米带可以通过掺杂调控其物性,如氮掺杂可以使石墨烯纳米带的能带发生整体的移动而不改变带隙的大小,而硼和硫的掺杂能显著地调控其带隙的大小。作为调控石墨烯纳米带物性的有效手段,掺杂是否能够调控凹槽状边界石墨烯纳米带的电子结构还有待研究。


本文报道了硫掺杂凹槽状边界石墨烯纳米带(S-CGNRs)的制备及结构物性的研究。利用扫描隧道显微镜(STM)和非接触式原子力显微镜(nc-AFM)研究了特别设计的前驱体分子在Au(111)表面的反应过程以及最终产物S-CGNRs的形貌及电子结构。nc-AFM图像显示S-CGNRs边界上存在噻吩环,证明硫原子被成功引入到纳米带中。对自由状态下无缺陷S-CGNR的第一性原理计算表明,其带隙为1.17 eV,相比于未掺杂的全碳凹槽状边界纳米带的带隙(1.7 eV)显著减小,说明边界上的硫原子有效地调控了凹槽状纳米带的电子结构。另外,在低覆盖度前驱体条件下,S-CGNRs呈枝状结构;通过将前驱体分子的覆盖度增加至满层,可以实现对纳米带形貌的调控,使部分纳米带呈线状结构。这一工作合成了一种全新的硫掺杂石墨烯纳米带结构,为石墨烯纳米带在未来电子学中的应用提供了新的载体。

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Figure 2. A segment of branched S-CGNRs. (a) STM image of S-CGNRs (V = –1 V, I = 10 pA). (b) Chemical-bond-resolved nc-AFM image of the S-CGNR segment obtained on the area marked by a red rectangle in (a). (c) Structure model of the S-CGNR segment. The segment is originated from isomers with the same chirality.


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Thermodynamic criterion for searching high mobility two-dimensional electron gas at KTaO3 interface

Wen-Xiao Shi(时文潇), Hui Zhang(张慧), Shao-Jin Qi(齐少锦), Jin-E Zhang(张金娥), Hai-Lin Huang(黄海林), Bao-Gen Shen(沈保根), Yuan-Sha Chen(陈沅沙), and Ji-Rong Sun(孙继荣)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  077302

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和常规半导体电子二维电子气体不同,复杂氧化物界面二维电子气势阱中的电子具有d电子特征,呈现一系列与强关联电子特征相关的新特性。在典型的LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)二维电子气中,界面磁性、反常Rashba效应、二维超导、超导与磁性共存等一系列新效应已被陆续发现,为开发新型多功能全氧化物电子器件提供了广阔的前景。然而,大量关于氧化物二维电子气的工作都集中在基于3d过渡金属氧化物SrTiO3体系,关于其他衬底上二维电子气研究较少。5d过渡金属氧化物KTaO3具有强的自旋-轨道耦合,且较宽的5d电子能带。因而,其界面电子的巡游性更强,电子有效质量更小,是理想的新型二维电子气的候选体系。本文以非晶-ABO3/KTaO3体系作为研究对象,系统研究了界面导电性与非晶薄膜中B位金属氧化还原性之间的关联性。研究发现:(1)当B位金属相应的氧化物形成热小于 −350 kJ/(mol O)且其功函数处在3.75 —4.4 eV之间时,其对应的ABO3/KTaO3界面是金属性导电的;(2)在满足上述热力学判据的前提下,B位金属氧化物形成热绝对值越小, 功函数越大,界面形成的二维电子气迁移率越高。这一发现为探索和设计基于KTaO3衬底的高性能5d二维电子气界面提供了坚实基础,展示出5d氧化物体系蕴含的新物理和研究潜力。

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Figure 5. Formation heat of metal oxides versus the work function of B-site metals for the ABO3/KTO interfaces. For metallic interfaces, the B-site metals locate mainly in the region of ΔHof < −350 kJ/(mol O) and 3.75 eV< Φ < 4.4 eV (shaded area).


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Magnetism and giant magnetocaloric effect in rare-earth-based compounds R3BWO9 (R = Gd, Dy, Ho)

Lu-Ling Li(李炉领), Xiao-Yu Yue(岳小宇), Wen-Jing Zhang(张文静), Hu Bao(鲍虎), Dan-Dan Wu(吴丹丹), Hui Liang(梁慧), Yi-Yan Wang(王义炎), Yan Sun(孙燕), Qiu-Ju Li(李秋菊), and Xue-Feng Sun(孙学峰)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  077501

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具有显著磁热效应的材料在施加磁场和降磁场的过程中可以产生吸热或放热的过程, 达到控制温度的目的,从而实现所谓的磁制冷技术。相对于传统制冷方式,磁致冷具有零排放、噪音低、制冷效率高等明显优势。其中,以Gd5(SixGe1-x)4为代表的稀土基化合物因其大的自旋或轨道角动量,显示出巨大的磁热效应,为磁致冷的实现奠定了基础。


本文利用高温固相法制备了系列稀土硼钨酸盐化合物R3BWO9 (R = Gd, Dy, Ho),探究了该化合物的基态磁性,并基于等温磁化曲线计算出了磁熵变的大小。结果表明,在磁场变化为0-7 T时,化合物Gd3BWO9在2 K时达到最大磁熵变为54.80 J/kg K,Dy3BWO9在6 K时达到最大磁熵变28.5 J/kg K,Ho3BWO9在4 K时达到最大磁熵变为29.76 J/kg K。尤其是化合物Gd3BWO9,在外磁场变化为0-3 T时,最大磁熵变为36.75 J/kg K,这表明该物质在低温磁制冷领域具有潜在的应用价值。

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Figure 4. Temperature dependence of magnetic entropy change -ΔSM for R3BWO9 (R = Gd, Dy, Ho), respectively. The insets of (b) and (c) give the RCP as a function of magnetic field.


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Highly flexible and excellent performance continuous carbon nanotube fibrous thermoelectric modules for diversified applications

Xiao-Gang Xia(夏晓刚), Qiang Zhang(张强), Wen-Bin Zhou(周文斌), Zhuo-Jian Xiao(肖卓建), Wei Xi(席薇), Yan-Chun Wang(王艳春), and Wei-Ya Zhou(周维亚)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  078801

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热电模块可以将自然界或工业生产活动中产生的各种热能直接转化为有价值的电能,在下一代发电机中具有潜在的应用前景。传统的无机热电材料已经得到了广泛研究,但由于存在有毒重金属等缺陷,柔韧性差,严重阻碍了其未来的应用。因此,开发环保、无毒、柔韧、轻量化的热电模块已成为热电研究的一个重要分支。单壁碳纳米管(SWCNT)具有无毒、电导率高、塞贝克系数可控、力学性能优异、质量轻等优点,在柔性热电模块中具有潜在的应用价值。然而,该类型的热电模块还存在许多尚待解决的重要问题,如纤维长度的影响、输出比能等。因此,如何提高柔性纤维型热电模块的实用性能是一个巨大的挑战。


本文在超长SWCNT纤维的基础上,设计并制备了一种具有高柔性、高性能的连续纤维型热电模块。该热电模块由p型SWCNT纤维和经聚乙烯亚胺(PEI)掺杂的n型SWCNT-PEI纤维组成。在Δ= 50 K时,1厘米长含8对p-n热电纤维模块的最大输出单位面积功率密度为3436 μW·cm-2,单位质量功率密度为2034 μW·g-1。该数值高于已报道的纤维型热电模块的功率密度。通过调整高柔性纤维型热电模块的长度,可利用两个远距离热源之间的温差。同时,采用连续纤维型热电模块进行单点温度变化检测,表现出良好的响应性和稳定性。此外,基于预制的热电模块的信号,设计了一种多区域识别器件,与传统的识别器相比,不仅具有柔性而且减少了输出信号的数目。本文设计制备的高柔性、高性能的连续纤维型热电模块将在热电发电、温度检测和位置识别等诸多领域具有广泛的应用前景。

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Figure 1. (a) The assembling process of fibrous thermoelectric (TE) module. (b) The maximum output power of unit mass and unit area of the 1-cm long TE module with 8 pairs of p–n couples at a series of temperature differences. (c) The response and recovery of the 2-cm long TE module with 8 pairs of couples when a temperature difference happened between the two ends of the module. (d) The schematic diagram of a four-region recognizer in which two TE modules are included. (e) The use in daily life of flexible fibrous TE modules during the process of converting heat energy into electrical energy. Left: The response of a module, with 5-cm length and 8 pairs of p–n couples, to two separate heat sources. Right: The response of a module with 2-cm length and 50 pairs of p–n couples to one heat source.


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Modeling hydrogen exchange of proteins by a multiscale method

Wentao Zhu(祝文涛), Wenfei Li(李文飞), and Wei Wang(王炜)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  078701

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以分子动力学为代表的分子模拟技术是研究生物大分子等复杂体系结构与动力学的重要手段。传统全原子水平的分子模拟通常面临计算效率瓶颈,为此,人们发展了各种粗粒化水平的分子模拟技术,并广泛应用于蛋白质等生物大分子结构形成、组装及其功能动力学的研究。但是,粗粒化分子模型通常由于忽略了一些分子细节而导致模拟计算精度的降低,从而限制了其应用范围。解决这一困难的一个重要思路是将实验数据整合到粗粒化分子模拟中,从而提高粗粒化模拟精度。氢氘交换是非常有效的研究蛋白质结构动力学的实验技术,并能够达到氨基酸残基水平的分辨能力。因此,将氢氘交换实验数据与粗粒化分子模拟进行整合,提高粗粒化分子模拟精度是非常有前景的分子模拟方法。然而,由于人们通常采用的蛋白质分子粗粒化模型忽略了描述氢氘交换数据所需的关键结构细节,因此不能直接计算氢氘交换实验观测量,成为实现以上整合分子模拟方案的一个最大障碍。在本工作中,作者利用多尺度结构重建算法,将粗粒化分子模拟得到的结构系综再转化为原子分辨的结构系综,进而计算氢氘交换观测量。计算结果表明,这种结合粗粒化模拟与全原子结构重建算法的多尺度策略,能够较为准确地预测氢氘交换实验数据,从而建立了粗粒化分子模型与氢氘交换实验数据之间的联系。进一步地,作者还通过构建迭代优化算法,成功利用氢氘交换实验数据来优化粗粒化模型力场参数,实现了粗粒化分子模拟精度的显著提高。


总之,该工作基于多尺度策略,建立了蛋白质氢氘交换实验观测量与粗粒化分子模型之间的联系,提出一种通过整合氢氘交换实验数据来提高粗粒化分子动力学模拟精度的一个有效策略,是生物大分子模拟理论方法的一个重要研究进展,并对基于其他实验观测量构建整合分子模拟计算方法具有重要参考意义。

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Figure 1. (a) The cartoon representation of the native structure of protein IkBα. (b) The Pearson’s correlation coefficient R between experimental and simulation values of hydrogen exchange protection factors as a function of iterative optimization steps. (c), (d) The correlation plots between the experimental and simulation values of hydrogen exchange protection factors before iterative optimization (c) and after eight steps of iterative optimization (d). The red straight lines representthe linear fit. The obtained Pearson’s correlation coefficients R were also shown.


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