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北京大學(xué)量子材料中心王健研究組在硅襯底上外延生長了高質(zhì)量超薄晶態(tài)鉛膜，與北京大學(xué)謝心澄院士、林熙研究員和北京師范大學(xué)劉海文研究員合作在極低溫下觀測到反常量子格里菲斯奇異性，并給出理論解釋。這一發(fā)現(xiàn)揭示了超導(dǎo)漲落與自旋軌道耦合效應(yīng)對于量子相變的重要影響，揭示出量子格里菲斯奇異性在二維超導(dǎo)金屬相變中的普適性。 超導(dǎo)-絕緣體與超導(dǎo)-金屬相變是量子相變的經(jīng)典范例，已有三十余年的研究歷史。所謂量子相變，是指在絕對零度下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時隨著參數(shù)變化而發(fā)生的相變。近年來，隨著薄膜和器件制備工藝的提高，二維晶態(tài)超導(dǎo)體系逐漸成為了研究量子相變的理想平臺，得到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。王健研究組與謝心澄院士、馬旭村研究員、林熙研究員、薛其坤院士等合作者在前期二維超導(dǎo)的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)-金屬相變中的量子格里菲斯奇異性 (Science 350, 542 (2015)), 并被同期perspective評論文章Science 350, 509 (2015)專題報道。隨后被液態(tài)柵極技術(shù)發(fā)明人東京大學(xué)Iwasa教授的綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽為二維晶態(tài)超導(dǎo)中三個最重要的主題之一。量子格里菲斯奇異性的研究表明，無序可以定性地改變量子相變的臨界行為，其主要特征是趨于量子臨界點時，二維超導(dǎo)體系的動力學(xué)臨界指數(shù)發(fā)散。 最近，王健研究組通過超高真空分子束外延生長技術(shù)在硅襯底上制備出宏觀尺度高質(zhì)量晶態(tài)薄膜，并實現(xiàn)了厚度為亞納米尺度的原子層級可控生長。在此基礎(chǔ)上，王健教授與謝心澄院士、林熙研究員、劉海文研究員等人合作，在4個原子層厚（約1納米）的晶態(tài)鉛膜中發(fā)現(xiàn)了一種具有反常相邊界的超導(dǎo)-金屬相變，并揭示了其中的反常量子格里菲斯奇異性。根據(jù)平均場理論，超導(dǎo)體的上臨界場會隨著溫度降低而逐漸增加。然而，系統(tǒng)的極低溫實驗表明，4個原子層厚的鉛膜的相邊界在低溫下具有非常新奇的反常特性：隨著溫度降低，鉛膜的上臨界場（onset Bc2）在低溫下也逐漸降低。沿著反常相邊界對鉛膜的磁阻曲線進行標(biāo)度理論分析發(fā)現(xiàn)，在趨近于量子臨界點附近臨界指數(shù)隨著磁場減小而迅速增大直至發(fā)散，該現(xiàn)象與前期實驗中發(fā)現(xiàn)的臨界指數(shù)隨著磁場增大而發(fā)散的行為不同，故稱為反常量子格里菲斯奇異性。考慮到這類二維超導(dǎo)體系具有很強的自旋軌道耦合，研究團隊基于超導(dǎo)漲落理論發(fā)展了一套新的唯象理論模型，定量地解釋了這一反常相邊界。在自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)的共同作用下，超導(dǎo)-金屬相邊界偏離平均場理論而向外突出，并在反常相邊界處呈現(xiàn)出量子格里菲斯奇異性。這一新奇量子相變的發(fā)現(xiàn)，證實了量子格里菲斯奇異性在不同相邊界的超導(dǎo)-金屬相變中具有普適性，并進一步揭示出自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)對于超導(dǎo)-金屬相變的影響，為深入理解二維晶態(tài)超導(dǎo)體中的量子相變現(xiàn)象提供了一個新的視角。圖1 四個原子層厚晶態(tài)鉛膜中的反常量子格里菲斯奇異性。(a) 鉛膜在零磁場下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。插圖是輸運測量結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 在0到5特斯拉不同外加磁場下鉛膜電阻隨溫度的變化曲線。 (c) 鉛膜在低溫下表現(xiàn)出反常相邊界，與超導(dǎo)漲落唯象理論模型一致。 (d) 臨界指數(shù)隨著磁場減小而迅速增大，直至發(fā)散，是反常量子格里菲斯奇異性的特征。圖2 反常量子格里菲斯奇異性相圖示意圖。在自旋軌道耦合和超導(dǎo)漲落的作用下，平均場理論的相邊界（藍色虛線）向外突出形成新的相邊界（紅色實線）。當(dāng)溫度低于T^'時，紅色實線代表反常相邊界。沿著反常相邊界趨于無限隨機量子臨界點B_c^*可以觀測到反常量子格里菲斯奇異性。 該工作于2019年8月12日發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》。(Nature Communications 10, 3633 (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-11607-w): https://www.nature.com/articles/s41467-019-11607-w 北京大學(xué)王健研究組博雅博士后劉易和研究生王子喬為文章共同第一作者，北京大學(xué)王健教授和北京師范大學(xué)劉海文研究員是本文的共同通訊作者。其余作者包括謝心澄院士，林熙研究員，以及王健研究組本科生唐鉞、博士生劉超飛、陳澄、邢穎（已畢業(yè)）、博士后王慶艷（已出站），和林熙組博士生閃普甲。 該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、北京市自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金、中央高校基本科研基金的支持。

反常輸運現(xiàn)象，這一現(xiàn)象起源于量子反常，在量子場論、凝聚態(tài)和宇宙學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。外爾反常可以誘導(dǎo)產(chǎn)生兩類不同的反常電流，第一類由法國CNRS著名物理學(xué)家Maxim Chernodub(2016)發(fā)現(xiàn)，適用于沒有邊界的彎曲時空，第二類由臺灣清華大學(xué)的朱創(chuàng)新教授和我院苗榮欣副教授(2018)發(fā)現(xiàn)，適用于帶有邊界的一般時空。此前人們只知道第一類反常電流在近平坦時空的近似表達式，我校物理與天文學(xué)院本科生的主要工作是推導(dǎo)出了第一類反常電流在任意時空的一般形式，并將其推廣到高維的n-形式場。此外，文章還得到了電流在外爾變換下的變換法則，并利用該變換法則將兩種反常電流統(tǒng)一起來。

研究表明，陳絕緣體可以通過磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜獲得，但是這種方法產(chǎn)生穩(wěn)定的長程鐵磁序比較困難，而且產(chǎn)生的體能隙也比較小，導(dǎo)致可觀測溫度極低（30-100 mK）。劉奇航課題組及其合作者通過研究本征的層狀磁性拓?fù)洳牧螹n-Bi-Te家族（MnBi

在負(fù)折射率材料中，由于介質(zhì)折射率為負(fù)，多普勒頻移在相對運動使波源和 接收器之間的距離增加時藍移，距離減小時紅移，因此稱為反常多普勒效應(yīng)。這 一違反物理常識的效應(yīng)最早由前蘇聯(lián)物理學(xué)家 Veselago 在 1968 年理論預(yù)言，但 一直未得到直接的實驗證實，只有在 GHz 和音頻段的間接測量實驗報道。因為多 普勒效應(yīng)現(xiàn)象早已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科技國防等等社會生活 的許多方面，可以預(yù)見，反常多普勒效應(yīng)的存在將會對這些應(yīng)用領(lǐng)域帶來根本性 的影響。另一方面，目前雖然在很多人工合成材料中觀察到

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量子通信主要涉及量子密鑰分配( QKD)、量子安全直接通信(QSDC) 、量子秘密共享( QSS) 等3個方面。通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學(xué)相關(guān)原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機密信息的通信技術(shù)。量子秘密共享旨在對重要的密鑰進行安全保護，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復(fù)出真實的密鑰。

提出一種如下圖所示能克服光子側(cè)向和背向泄露且能極大提高光子前向出射的新型微納“射燈”結(jié)構(gòu)，其單光子理論收集效率在較大的帶寬中超過90%、最高可達95%。? 該“射燈”結(jié)構(gòu)量子光源的實驗制備難度極大，因為它要求三大核心微納制備技術(shù)：厚度160nm左右且內(nèi)有量子點的薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)；定位精度小于10nm的量子點光學(xué)精確定位技術(shù)；環(huán)形槽寬度制備精度小于5nm的高質(zhì)量牛眼微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。為實驗制備出這一性能優(yōu)越的量子光源，王雪華教授團隊自2013年開始，從零起步，堅持不懈，不斷探索，先后發(fā)展和掌握了上述三大核心微納制備技術(shù)，在國際上率先制備出綜合性能俱佳的“三高”量子糾纏光子對源

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事徐飛虎、張強，與清華大學(xué)馬雄峰、多倫多大學(xué)Hoi-Kwong Lo等，應(yīng)邀在囯際物理學(xué)權(quán)威綜述期刊、美國物理學(xué)會的《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表題為“基于現(xiàn)實器件的安全量子密鑰分發(fā)”的長篇綜述論文。該論文系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術(shù)，并指出，經(jīng)過全球?qū)W術(shù)界三十余年的共同努力，現(xiàn)實條件下量子密碼的安全性已經(jīng)建立起來，尤其是測量器件無關(guān)等量子密鑰分發(fā)協(xié)議的提出，徹底關(guān)閉了量子密碼在物理實現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的安全性風(fēng)險，為實

研究了二維二聚化量子自旋系統(tǒng)，通過理論分析和高精度的量子蒙特卡洛方法，發(fā)現(xiàn)在交錯狀二聚化量子海森堡模型中，相變臨界指數(shù)具有新奇的非單調(diào)尺寸標(biāo)度行為。他們通過在有限尺寸標(biāo)度理論中引入兩個驅(qū)動場，同時進行大尺寸的計算分析，成功地解釋了非單調(diào)的量子蒙特卡洛結(jié)果，從根源上指出二維二聚化量子自旋系統(tǒng)的相變?nèi)匀粚儆贠（3）普適類，適用于量子-經(jīng)典對應(yīng)理論。他們的研究表明，在量子相變中可能存在多個驅(qū)動場導(dǎo)致的新奇標(biāo)度行為，需要采用正確的標(biāo)度理論才會得到正確的結(jié)果。在論文中，他們還創(chuàng)造性地提出多參數(shù)聯(lián)動-高階擬合方法，能極大地提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，可以用在不同體系的數(shù)據(jù)分析中。

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