运用第一性原理计算研究了惠斯勒(Heusler)合金Fe2CrGe的电子结构和磁性质, 发现其基态是Fe离子处于低自旋态 $(S=0),$ 而Cr离子处于高自旋态 $(S=1)$ 的反铁磁金属相, 反铁磁态能量比铁磁态能量约低0.103 eV. 此外还发现, 如果施加 +1.7%和 –1.7%的应变, Fe2CrGe会从反铁磁有序变成铁磁有序, 并出现半金属特性; 当应变达到±5%时, 出现了大约0.2 eV的半金属能隙. 通过平均场理论估算了Fe2CrGe的居里(Curie)温度, 发现其对应的居里温度为393 K, 远高于室温. 这表明Fe2CrGe是有潜力的自旋电子材料.
极性分子受到外电场作用, 其分子轴将绕电场方向在一定范围内振荡, 形成摆动态. 通过选择能级最低的磁量子数 $ M = 0 $ 的两个摆动态作为量子比特, 研究了囚禁在一维光晶格中的分子链的量子纠缠. 计算了共生纠缠度、全局纠缠度与和电场强度、永久偶极矩、转动常数、偶极–偶极相互作用及温度等有关的3个无量纲变量之间的关系, 从而阐明了极性分子链的量子纠缠的特点.
等离子体光栅由于不存在电磁场击穿效应, 因此在强场物理研究中有着重要的应用. 通过粒子 (particle-in-cell, PIC) 模拟的方法, 利用皮秒强激光脉冲 (激光场强度 $I$ 的数量级约为 ${10}^{15}\;\mathrm{W}/{\mathrm{c}\mathrm{m}}^{2}$ ) 与超临界密度固体靶 (粒子数密度 $n \approx 10{n}_{\rm{c}}$ ) 相互作用, 发现了一种等离子体数密度光栅产生的新机制. 研究表明, 这种新型等离子体光栅来源于强激光在固体靶中激发的等离子体波的干涉. 因此只需要单束激光就可以激发产生, 其持续时间可达数皮秒量级. 该光栅具有纳米尺度的空间周期, 相比于传统的通过两束激光在稀薄等离子体中干涉产生的激光波长尺度 (微米) 的等离子体光栅, 这一发现对于x波段的强光操控有着潜在的应用价值.
基于多重散射理论, 研究了复原胞超光栅在发生负向透射, 即透射光与入射光在法线同侧时, 复原胞的结构对负向透射效率的影响. 复原胞由2个不同半径的介质纳米柱组成, 它们沿一条线排列起来构成超光栅. 结果表明, 要实现完美效率, 复原胞超光栅对小柱子的半径及其在复原胞内的位置并没有非常严格的要求. 这意味着复原胞结构对负向透射现象具有很好的鲁棒性, 制备和实现高效的复原胞介质超光栅非常可行.
使用混态演化的Kraus求和方法, 考虑在退极化模式下, 基于Jaynes-Cummings 模型设定初态, 对退相干时间演化后末态的保真度与von Neumann熵的变化进行了讨论分析. 结果表明, 存在退相干演化的量子态保真度会随时间发生衰减振荡至稳定, 而von Neumann熵会随时间发生振幅减小的振荡变化.
时间模式是一组正交的波包模式, 可用来表征时域多模量子光场, 为量子系统的描述提供一个可选择的理论框架. 基于输入种子光诱导的受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)系统, 将输出的斯托克斯(Stokes)光场作为下一过程的输入种子光场, 进而实现连续迭代受激拉曼散射的过程; 固定泵浦光场为高斯波形和超高斯波形, 分别研究了在多种不同结构的高斯波形种子光输入的情形下, 输出斯托克斯光场的时域波形演化特性, 得到了不同波形种子光注入通过迭代会得到相同的稳定波形输出, 而输出光场波形的时间半高全宽（full-width at the half of the maximum, FWHM）依赖于泵浦光场; 运用施密特(Schmidt)模式分解, 数值研究了最终稳定输出的斯托克斯光场时间模式特性, 得到了稳定输出的斯托克斯光场本征值都集中在基模. 该光场时间模式特性的研究, 为进一步开发和利用时间模式这一量子资源提供了理论指导与实验参考.
基于蒙特卡洛(Monte Carlo)算法, 模拟并分析了超快演化发光动力学过程中的光子探测事件; 研究了含时光子二阶关联函数的数值计算方法, 以及多种误差因素对光子二阶关联函数的影响. 结果表明, 同步时间抖动 (初始时刻漂移) 使得在初始时刻光强剧烈变化区域的含时二阶关联函数值显著偏大, 同时导致了时间积分的二阶关联函数在任意时间延迟下的值偏大. 背景光子计数的存在使得热态光的零延迟二阶关联函数值明显地趋近于1. 该研究为复杂光场的光子二阶关联函数的理论研究提供了一种简化模拟方法, 并为后续进行超高时间分辨的光子二阶关联实验测量提供了理论支持和数值分析方法.
基于亚波长铌酸锂薄膜刻蚀导模共振超表面结构, 理论模拟了超表面结构的光学响应特性, 探讨了刻蚀微纳结构的周期、填充因子和刻蚀深度等参量对透射光谱的影响, 同时研究了不同偏振态和入射角度的光源对光谱线宽的作用; 利用非对称的光栅结构设计, 使连续谱中的束缚态 (bound states in the continuum, BIC) 衰退为高Q值 (>10000) 的准BIC模式; 利用束缚态的局域场增强效应, 将亚波长铌酸锂薄膜的二次谐波转化效率提升了5个数量级. 模拟结果表明, 当入射基频波的峰值功率密度在约1 GW/cm2量级时, 可实现紫外波段二次谐波高效转化, 即单次穿过亚波长铌酸锂薄膜后, 出射的紫外波段二次谐波转化效率高达10–3量级. 这为提升微纳结构、光学表界面体系的非线性响应特性提供了思路和设计方案.
在低能短程 (接触型势能) 有效场论中二体 $\rm{t }$ 矩阵闭合形式解的基础上, 用Faddeev方程计算了二体接触型势能前提下的零自旋三玻色子系统三体T矩阵的闭合形式近似解. 在动量表示里接触型势能是多项式, 其二体t矩阵满足的Lippmann-Schwinger方程可用因子化方法约化为闭合的代数方程, 从而可得到该方程的解析解, 并方便地对其进行非微扰重整化. 但是在Faddeev方程中难以直接沿用上述因子化方法. 为此, 对三体T矩阵元的外动量依赖采用“分流”处理, 从而仍可利用因子化方法将Faddeev方程转化为代数方程. 在此基础上求得了领头阶二体势能下的三体T矩阵的闭合形式近似解, 并推广到次领头阶势能下的情形, 进而完成了自洽性验证. 与二体问题一样, 由于因子化和一般参数化, 这样的三体T矩阵非微扰解析解同样可以允许方便地进行非微扰重整化.
电子涡旋波最早是在轨道角动量守恒的系统中被发现. 对于轨道角动量不守恒的系统, 涡旋波的存在与否尚不清楚. 以相对论情况下的中心力场中的电子为例, 构建了在轨道角动量不守恒但总角动量守恒的情况下, 当携带固定总角动量的电子沿 $z$ 轴传播时, 对此时系统所对应的电子涡旋波进行微扰求解; 并结合Foldy-Wouthuysen (F-W)变换, 说明了在相对论情况下, 中心力场下携带轨道角动量的电子沿 $z$ 轴传播时确实存在涡旋解, 同时展示了相对应的涡旋波解和螺旋等相位面.
有挠引力理论表明挠率–自旋耦合会影响自旋粒子在挠率场中的传播. 根据有挠弯曲时空中挠率耦合的狄拉克(Dirac)作用量, 将几何–流体动力学方法, 从闵氏度规的黎曼(Riemann)平时空推广到宇宙学时空的情形, 得到了描述在宇宙学Robertson-Walker度规和挠率背景场中, 运动的自旋1/2粒子行为的半经典流守恒方程、动力学方程、自旋演化方程, 以及挠率–自旋作用一般会使自旋粒子在时空中的传播路径偏离测地线; 对确定宇宙学挠率时空中自旋粒子的传播, 求出了其运动方程的解; 发现挠率使自旋粒子绕无挠情形的传播路径做螺旋进动, 这可以用来检验建立在有挠引力基础上的宇宙学模型.
在前人关于Majorana 费米子和Dirac费米子在Schwarzschild时空中的散射和挠率对这两种费米子散射影响研究的基础上, 在引力的弱场近似和引力场对费米子散射的微扰论的最低阶近似下, 仿照挠率的分解, 将自旋联络分解为在宇称变换下类似矢量的部分和类似轴矢量的部分; 分别分析了这两部分对两种费米子的散射矩阵元的影响, 发现一般的引力场对两种费米子的量子散射矩阵元存在差别, 并且差别来自类似矢量的部分; 之后, 在Kerr引力场背景下, 对上述发现进行了验证, 发现两种费米子的散射矩阵元的差别与引力源的质量和角动量有关, 并且当角动量为0时, 会退化为Schwarzschild时空中的情况.
时空(2 + 1)维的Dirac振子是相对论量子力学中的一个常用模型, 经常被用于研究量子效应和原理的相对论性拓展. 由于非等距且负的激发能谱以及自旋-轨道耦合等相对论效应的存在, 其在标准表象下的本征态为自旋态矢和角动量态矢组成的复杂缀饰态, 这给针对它的研究造成了困难. 利用Foldy-Wouthuysen (F-W)变换将其自旋-轨道耦合完全分离, 并使两个自旋态各自完全封闭于正负能态中, 极大地简化了其哈密顿量和对应本征态的形式. 但这一新表象下自旋和轨道角动量算符是对标准表象中彼此的复杂组合. 这些结果对推进相对论量子力学和自旋-轨道耦合的研究具有重要意义.
在SU(3)协变手征有效理论框架下, 计算了基于奇异夸克贡献的八重态、十重态重子对八重态重子质量的一圈图修正; 发现破坏手征幂律规则的都是定域项, 可通过定域抵消项减除, 从而指向一个更为简洁的减除方案? 扩展的极小减除(Extended Minimal Subtraction, ${\text{E}}\overline {{\text{MS}}} $ )方案; 除了手征贡献, 计算还保留了相对论修正项. 这对精确计算重子质量的修正有价值, 并对解析外推有重要贡献.
采用基于密度泛函理论 (Density Functional Theory, DFT) 的第一性原理计算, 研究了堆垛方式、层数及外加电场对C3N的带隙调控. 考察了AA-1型、 AA-2型、 AB-1型和AB-2型这4种堆垛结构, 计算表明, AB-2型堆垛结构能量最为有利. 通过HSE06杂化泛函对带隙进行了精确计算, 发现AA型堆垛与AB型堆垛的双层C3N存在较大的带隙差异, AA型堆垛结构的带隙要明显小于AB型堆垛结构. 此外, 还发现C3N的带隙可由单层的1.21 eV调控到体相的0.69 eV; 通过施加外加垂直电场, 可以将具有AB-2型堆垛结构的双层、三层和四层C3N半导体调控为趋于零带隙的金属.
以Garfinkle-Horowitz-Strominger (GHS) 膨胀黑洞附近的qubit粒子和渐进平行时空下的qutrit粒子所组成的qubit-qutrit系统为研究对象, 讨论了该系统的量子Fisher信息(Quantum Fisher Information, QFI)在噪声环境下的动力学行为, 并基于弱测量和测量反转操作提出了噪声通道影响下量子Fisher 信息的保护方案. 结果表明, 对于振幅阻尼通道, 量子Fisher信息随着退相干强度的增加呈现单调递减的趋势; 然而对于相位阻尼通道, 量子Fisher信息却几乎不发生改变. 此外, 通过选取合适的弱测量强度和测量反转强度, 实现了振幅阻尼信道中量子Fisher信息的保护, 其量子Fisher信息可得到显著增强.
提出了一种检验两个空间分离玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein Condensate, BEC)贝尔关联的方法, 通过此方法可以观察到Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)贝尔不等式的违反. 介绍了制备空间分离BEC方法. 通过用粒子数算符的归一化期望值来计算相关因子, 进而检验贝尔关联. 发现, 当 $r \lesssim 0.49$ 时, 可以观察到贝尔不等式的违反, 其中最大的违反在 $r \to 0$ 的情况下, $B = 2\sqrt 2 $ . 计算发现, 在噪声存在的情况下, 此方法具有高度鲁棒性.
基于光-原子混合干涉仪构建了一种新型的光-原子相位自锁定的加速度计. 虽然在目前所有加速度计中, 全光类型的加速度计由于其体积小、精度高, 成为了最常用且也是最稳定的加速度计; 但由于其测量带宽受到的限制, 所以极大地限制了其使用的范围. 基于此, 设计了一种新型的光-原子加速度计(Atom-Light Accelerometer, ALA). 该加速度计的特点: 首先, 在原子系统中通过受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)过程构成光-原子混合干涉仪; 其次, 由反射镜构成加速度计的弹性质量块, 在实验平台上, 当质量块受到一个加速度作用时, 就会接收到外界带来的位移的变化, 从而将相位的变化引入到干涉仪中; 最后, 通过干涉条纹的变化, 即可感知到引入相位的大小, 继而推出位移的变化量, 因此也就获得了加速度的大小. 该加速度计的优点: SRS过程中产生的斯托克斯光场和对应产生的原子自旋波相位是相互关联的, 从而保障了装置中相位的稳定性; 该装置简单, 测量范围可调, 增加了其适用的范围; 同时, 理想情况下, 其精度能超越标准量子极限(Standard Quantum Limit, SQL).
复杂网络的发展催生了大量模型以揭示系统的演化规律和结构形成, 但它们在描述度增长的涨落上却存在明显的差异. 为确定哪一类模型更适用于真实系统, 对2个真实网络开展了实证研究. 结果表明, 真实网络中度增长率的涨落不同于任何一类模型的预言, 其涨落指数随观测间隔线性递减, 呈现明显的间隔依赖性; 通过比较源数据与重排连边操作后的涨落行为的变化, 可推断出这种依赖性源于系统内关联效应的增强. 这些结果不仅指出了现有模型的局限, 更揭示了关联性自身的动力学性质, 这对深入理解复杂网络的演化机制有重要意义.
着重探究了如何在双势阱中运用量子非破坏性(Quantum Nondemolition, QND)测量产生一个自旋压缩的原子玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein Condensate, BEC), 其中每个势阱的玻色-爱因斯坦凝聚都是由马赫-曾德干涉仪产生的相干光与原子相互作用后借助量子非破坏性测量方法来监测. 用精确的波函数方法求解了该原子-光系统的动力学方程, 而以往的研究多是采用Holstein-Primakoff (HP)近似. 研究中发现, 在零检测电流和相同的相干光束的条件下监测凝聚态, 可以使测量对原子的影响最小化. 在弱原子-光相互作用状态下, 通过观察条件概率分布和Q函数分布发现平均自旋方向相对不受影响, 而自旋方差沿光耦合的轴方向被压缩.
中国综合性科技类核心期刊(北大核心)
