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項目成果/簡介:完成人簡介：樊君，西北大學教授，西北大學化工學院副院長， 陜西省化工過程實驗教學示范中心主任，指導博、碩士生研究方向包括反應工程、碳一化工、納米材料、分離工程、精細化工產(chǎn)品開發(fā)研究等。成果內(nèi)容：基于量子點的熒光探針分析對推動即時檢測（POCT）技術

盧海舟和謝心澄課題組在拓撲半金屬中利用費米弧和“蟲洞隧穿”構成的Weyl軌道，提出了一種新的三維量子霍爾效應機制。拓撲半金屬是拓撲物相的新成員，具有拓撲保護的表面態(tài)，被稱作費米弧 (如圖4所示)。費米弧是拓撲半金屬拓撲保護的表面態(tài)的費米面。在拓撲Weyl半金屬中，有4個面可以有拓撲保護的表面態(tài)。由于拓撲約束的原因，每個面的表面態(tài)只是半個二維電子氣。相對的上下表面的費米弧電子氣可以通過Weyl點連接起來，組成一個完整的二維電子氣，這是非常奇異的物相。 既然費米弧也是一種二維電子氣，它們是否可以有量子霍爾效應？要研究這個問題，首先要明白什么是形成量子霍爾效應的關鍵，那就是電子的回旋運動 (如圖3左圖所示)。電子回旋運動的量子力學描述等價于諧振子，因此會形成等間距的朗道能級。朗道能級在邊界發(fā)生能量畸變，才會有邊界態(tài)提供無耗散的電子輸運和量子霍爾化電導，即量子霍爾效應。 目前，已經(jīng)有多個拓撲半金屬實驗觀察到霍爾電阻的量子化平臺。這種新奇的三維量子霍爾效應的研究才剛剛開始。直接觀測到如圖8所示的奇異邊界態(tài)分布將是未來的一個挑戰(zhàn)方向。  

介紹了一個趨近絕對零度量子散射共振在化學反應中發(fā)揮重要作用的例子。F+H 2

本成果通過可視化的工作界面，可以給出量子信號源的關鍵物理參數(shù)分析、量子態(tài)演化過程、多份量子態(tài)條件下量子照明雷達的虛警概率分析等多個方面的圖形化界面，具有較強的推廣應用價值。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、技術分析 量子照明雷達是新興的研究方向，是量子信息技術與雷達技術相結合的新興產(chǎn)物。而量子信息技術又是古老的量子力學與信息技術相結合的交叉學科，不少研究者因晦澀的量子力學而望而卻步。為了降低量子照明雷達的神秘感，打破抽象壁壘，我們創(chuàng)造性地發(fā)展了量子照明雷達的高效仿真技術，對于未來實現(xiàn)量子雷達的普及與推廣具有重要意義。 截止目前，尚未見到關于量子照明雷達仿真平臺的相關報道。而該成果基于MATLAB這一易于上手的計算機數(shù)值平臺，溝通了抽象的量子力學與具體的量子目標探測之間的橋梁，具有創(chuàng)新性和國內(nèi)領先的技術先進性。 經(jīng)過近五年的研究和近兩年教學實踐的檢驗，該成果不斷豐富和完善，通過可視化的工作界面，可以給出量子信號源的關鍵物理參數(shù)分析、量子態(tài)演化過程、多份量子態(tài)條件下量子照明雷達的虛警概率分析等多個方面的圖形化界面，具有較強的推廣應用價值。鑒于量子雷達技術是未來新體制雷達的重要技術途徑之一，本成果將有望在空間、水下目標探測方面取得應用，市場應前景廣闊。截止到目前，該成果已經(jīng)應用于高年級本科生的培養(yǎng)與實訓和北京某研究所的新體制目標探測項目研發(fā)中。

北京大學量子材料科學中心的韓偉研究員和謝心澄院士，以及日本理化學研究所的Sadamichi Maekawa教授，受邀在國際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上撰寫綜述文章，介紹“自旋流--新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領域的前沿進展。 自旋電子學起源于巨磁阻效應的發(fā)現(xiàn)，在當時而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學的蓬勃發(fā)展，與相關研究的不斷深入，新的自旋流現(xiàn)象與機制不斷被拓展，相關研究證明一系列的粒子或者準粒子攜帶的自旋都能夠形成自旋流，比如磁性絕緣體中的磁振子、超導體中自旋三重態(tài)和準粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導態(tài)等。尤其是對于量子材料而言，由于其往往具有獨特的自旋性質(zhì)，基于自旋流探針的研究方法就成為了表征量子材料物性的有效手段。 量子材料都是凝聚態(tài)物理與材料科學領域的研究前沿之一，其量子性質(zhì)起源于諸多量子效應，包括低維尺寸效應，量子限域效應，量子相干效應，量子阻挫效應，能帶結構的拓撲性，自旋軌道耦合，對稱性限制等等。量子材料包括石墨烯，高溫超導體，拓撲絕緣體，外爾半金屬，量子自旋液體，自旋超流體等等。量子材料可以表現(xiàn)出諸多與自旋相關的量子性質(zhì)，如二維過渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓撲絕緣體當中的自旋-動量鎖定等。因為量子材料的自旋屬性在下一代的量子信息存儲和量子計算科學當中的應用潛力，所以研究量子材料的自旋相關性質(zhì)得到了廣泛關注。 為了研究量子材料的自旋性質(zhì)，發(fā)展一種易于實現(xiàn)和操控的高效工具顯得尤為迫切與關鍵。幸運的是，在實驗物理學家和理論物理學家的不懈努力下，成功的證實了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測手段。一系列激發(fā)和探測自旋流的方法被提出并得以實現(xiàn)，從而證實了基于自旋流探針的量子材料物性研究的廣泛適用性。 迄今為止，相關實驗已經(jīng)證實自旋流能夠以超導體系中的自旋三重態(tài)庫珀對和超導準粒子、量子自旋液體中的自旋子、磁性絕緣體和自旋超流體中的磁振子為載體進行傳播，相關物理圖像被總結在表1中。本篇綜述文章著重介紹了在五類主要的量子材料體系中的基于自旋流探針的物性研究。第一類是超導材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋三重態(tài)的存在以及自旋動力學的演化過程。第二類是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋子攜帶的自旋角動量的有效傳播過程。第三類是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當中的集體激發(fā)行為。第四類是雜化量子激發(fā)體系，自旋流以磁振子-聲子雜化模式（磁振子-極化子）或磁振子-光子雜化模式（磁振子-極化激元）為載體進行傳播。第五類是自旋超流體系，自旋流以玻色愛因斯坦凝聚中的自旋量子數(shù)為1的玻色子為載體進行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。 這些重要的研究進展已經(jīng)充分證實了基于自旋流探針的物性表征對于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會極大的推動新穎量子材料的發(fā)現(xiàn)和相關物理性質(zhì)的研究。例如量子霍爾和量子自旋霍爾材料，量子鐵磁體和反鐵磁體，六角晶格體系中的量子手征聲子，自旋和力耦合的量子系統(tǒng)，超導體中的自旋動力學和鐵磁與超導界面的超導能隙，自旋三重態(tài)超導體中的超導對稱性，強耦合自旋系統(tǒng)中的雜化激發(fā)，拓撲磁振子材料，量子自旋液體中的自旋子，自旋超流體約瑟夫森效應，以及其他任何作為自旋流載體的量子態(tài)。另外，這一領域的進展還將推動自旋成像技術的發(fā)展，如利用自旋極化掃描隧道顯微鏡和氮空位色心顯微鏡技術對量子材料體系中自旋流的原位探測。

傳統(tǒng)的光學顯微系統(tǒng)受到阿貝衍射極限原理的限制，無法分辨尺度小于~200nm的事物，為了突破衍射極限，超分辨熒光顯微技術應運而生，在生物成像等領域得到廣泛應用。根據(jù)成像采集過程，超分辨方法主要可分為兩類。一種是單分子定位顯微方法（SMLM），通過熒光分子的光開關特性，孤立每個發(fā)光分子進行單獨定位。此類方法具有不受衍射極限限制的特點，可以得到10-40nm的超高分辨率，但由于分子激活漂白的循環(huán)步驟使得采集速度和成像時間較慢。另一種是如結構光照明等寬場成像的超分辨顯微技術，可以通過獲得相鄰區(qū)域/熒光分子間一定程度的響應差異來實現(xiàn)分辨率的提升。寬場成像的方法具有較高的時間采集效率，但由于同時激發(fā)視野內(nèi)的全部分子，使得其分辨能力往往在100nm以上。目前還缺乏一種方法在理論上可以有效的兼顧寬場成像的時間采集效率和單分子定位方法的空間分辨率，因此亟需提出一種基于寬場成像對熒光分子高效調(diào)制的技術方案。 超分辨方法其本質(zhì)都是通過識別單個熒光分子的獨立的發(fā)射特性獲得該分子的空間定位。如果可以對寬場成像中衍射極限以內(nèi)各個發(fā)光分子熒光發(fā)射差異實現(xiàn)主動控制，則有可能獲得更好的超分辨顯微結果。近期，物理學院介觀物理國家重點實驗室極端光學研究團隊提出了基于量子相干控制原理主動調(diào)制分子熒光發(fā)射而獲得超分辨熒光顯微的方法（SNAC），在寬場成像下實現(xiàn)了分辨率的提升。課題組在ZnCdS量子點體系下獲得衍射極限范圍內(nèi)各個量子點的差異化激發(fā)。通過設計多個整形脈沖，單個ZnCdS量子點的熒光差異性會得到增強。課題組通過周期性改變整形脈沖和傅立葉增強提取熒光響應的差異。同時，主動控制的圖像采集方案可以有效的抑制系統(tǒng)中不隨調(diào)制周期變化的泊松隨機噪聲和CMOS工藝導致的固定噪聲，極大的提升了信噪比。接著，利用獨立開發(fā)的混合周期（Combination-FFT）和多高斯擬合定位算法獲得最終的超分辨重建結果。研究模擬了鄰近雙點熒光發(fā)射的超分辨定位，其結果可以很好的分辨出低至50nm的相鄰熒光分子。對于密集標記的線性結構，SNAC的分辨能力同樣有顯著性的提高，獲得了30nm左右的徑向定位精度。在量子點標記的COS7細胞樣品的維管結構區(qū)域清晰的觀測到了維管的平行取向和姿態(tài)排布以及纖維交叉區(qū)域的95.3nm的鄰近雙峰，顯示出了比已有多種寬場超分辨方法更好的重建結果。這個研究將脈沖整形作為新的控制維度引入熒光超分辨，并將寬場超分辨成像技術的分辨率提升到了與單分子定位方法接近的50nm的水平。

量子照明雷達是新興的研究方向，是量子信息技術與雷達技術相結合的新興產(chǎn)物。而量子信息技術又是古老的量子力學與信息技術相結合的交叉學科，不少研究者因晦澀的量子力學而望而卻步。為了降低量子照明雷達的神秘感，打破抽象壁壘，我們創(chuàng)造性地發(fā)展了量子照明雷達的高效仿真技術，對于未來實現(xiàn)量子雷達的普及與推廣具有重要意義。 截止目前，尚未見到關于量子照明雷達仿真平臺的相關報道。而該成果基于MATLAB這一易于上手的計算機數(shù)值平臺，溝通了抽象的量子力學與具體的量子目標探測之間的橋梁，具有創(chuàng)新性和國內(nèi)領先的技術先進性。 經(jīng)過近五年的研究和近兩年教學實踐的檢驗，該成果不斷豐富和完善，通過可視化的工作界面，可以給出量子信號源的關鍵物理參數(shù)分析、量子態(tài)演化過程、多份量子態(tài)條件下量子照明雷達的虛警概率分析等多個方面的圖形化界面，具有較強的推廣應用價值。鑒于量子雷達技術是未來新體制雷達的重要技術途徑之一，本成果將有望在空間、水下目標探測方面取得應用，市場應前景廣闊。截止到目前，該成果已經(jīng)應用于高年級本科生的培養(yǎng)與實訓和北京某研究所的新體制目標探測項目研發(fā)中。

在化學反應中，量子干涉現(xiàn)象普遍存在。但是，想要準確理解這些干涉產(chǎn)生的根源非常困難，因為這些干涉圖樣復雜，且在實驗上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。H+H2及其同位素的反應，是所有化學反應中最簡單的。該體系只涉及三個電子，因此比較容易精確計算出這三個原子在不同構型時的相互作用力。在此基礎上，通過求解相應的描述化學反應過程的薛定諤方程，就能夠?qū)崿F(xiàn)分子反應動力學過程的計算機模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學反應過程。研究團隊在2019年先期理論研究

國際上第一個鈮酸鋰有源光量子芯片 一、項目分類 重大科學前沿創(chuàng)新、關鍵核心技術突破 二、成果簡介 南京大學物理學院祝世寧院士的科研團隊，研制出國際上第一個鈮酸鋰有源光量子芯片。該芯片集成了微型化光學超晶格糾纏光源、波導量子干涉器、波分復用器及電光調(diào)制器等不同功能器件,實現(xiàn)了糾纏光子的高效產(chǎn)生、高速電光調(diào)制并完成相應的信息處理功能。該芯片由光纖耦合輸入輸出,能在室溫穩(wěn)定工作，工作電壓低于3.55V，調(diào)控速率可達40GHz。芯片的多項核心指標如糾纏光子產(chǎn)率、調(diào)諧速率、調(diào)諧帶寬等創(chuàng)下當時國際最高水平，為光量子集成光學和信息處理開辟了一條和硅基芯片不同的技術路線。 成果以編輯推薦形式發(fā)表在物理學頂級期刊《物理評論快訊》(Phys. Rev. Lett. ,2014)上，被國際Physics、IEEE Spectrum等科技媒體重點評述。成果也成功入選中國光學十大進展(2014)，以此為主要成果之一的“光學超晶格中糾纏光子的產(chǎn)生、調(diào)控和應用”獲2020年高等學校自然科學獎一等獎。以此成果為基礎，團隊成功獲批和完成基金委重大科研儀器研制項目，研制出多種高性能量子光源。