《Nature》+2！南京大学科研团队实现双突破！

Original 南京大学南京大学

9月14日夜，南京大学两项重大科研突破同时刊登于《Nature》！南京大学缪峰教授合作团队在量子模拟前沿领域实现新突破，南京大学张勇教授、肖敏教授、祝世宁院士领衔的科研团队在下一代光电芯片制造领域取得新突破。截至目前，南京大学今年在国际顶级学术期刊《Nature》和《Science》上发表的成果已达十篇！

南京大学缪峰团队在“原子乐高”量子模拟领域取得新突破

9月14日夜，国际学术期刊《自然》在线发表了南京大学缪峰合作团队在量子模拟前沿领域取得的新突破。缪峰合作团队通过在“原子世界搭积木”的方式，把两个石墨烯双原子层，以旋转180度+0.75度的特殊角度叠加，并施加一个垂直电场，研制出一种全新的量子材料，并通过改变垂直电场，在国际物理学界首次观测到了量子融化的“中间态”，并揭示了这一量子“中间态”的演化机制。这一重大理论机制的创新成果，未来有望用于开发高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器，例如通过模拟生物神经网络、化学反应系统等复杂体系的演化，用于类脑人工智能技术开发和新药研发等。

作为当今物理学最大也是最重要的分支学科之一，凝聚态物理是一门研究凝聚态物质的结构和组成单元之间的相互作用与运动规律,并阐明其物理性质和用途的科学。现实中的凝聚态物质（例如固体），由非常多的原子以某种方式堆积在一起形成。其中的原子由原子核与电子组成，它们的动能与相互作用的势能构成了固体中的基本相互作用，形成一个异常复杂的多体体系。当相互作用较强时，整个体系可以展现出丰富而复杂的行为，并可能产生颠覆性应用。对这些行为的探索和理解是推动凝聚态物理领域发展的重要推力。然而，利用量子力学定律定量描述这些复杂的量子多体行为，远远超出了传统计算机的能力，这也成为物理学发展面临的一个巨大挑战。

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1981年，杰出的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在一次题为《Simulating Physics with Computers》的报告中，前瞻性地提出量子模拟器的概念，即可通过人工构筑量子系统来模拟自然界中复杂的量子体系，从而解决传统计算机无法解决的问题，例如量子多体问题。在这样的人工实验平台上，如果能够通过原位调控物理参量的方式，模拟实现有效的多体模型并进行有效的动力学演化，将可以很好地解决上述困难。

面对上述挑战，南京大学物理学院缪峰教授合作团队通过“原子乐高”（即在原子世界搭积木）的方式，搭建了基于转角石墨烯莫尔超晶格体系的SU(4)同位旋-扩展哈伯德模型量子模拟器，首次观测到钉扎在莫尔超晶格上的一种特殊的电子晶体态：广义同位旋维格纳晶体（Generalized isospin Wigner crystal）。在实验中，研究团队通过调节垂直电场和水平磁场改变了电子的关联强度和内禀自由度，实现了该电子晶体量子融化过程的可控演化，并首次观测到“量子两步临界性”（quantum two-stage criticality）和“量子赝临界性”（quantum pseudo criticality）等新奇的量子临界行为。相关研究成果以“Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator”（同位旋扩展哈伯德模型模拟器中的可调量子临界性）为题于2022年9月14日在线发表在期刊《Nature》上（文章链接：www.nature.com/articles/s41586-022-05106-0）。同期News & Views专栏以“Simple solids mimic complex electronic states”为题，进行了专题报道，评价该工作“offers a platform in which the simplest possible simulator can be tuned to exhibit complex quantum phase transitions”（“用最简单的模拟器展现复杂的量子相变”）。

南京大学物理学院缪峰教授与南京理工大学理学院程斌教授为论文的共同通讯作者，南京大学物理学院李乔博士为论文的第一作者。南京大学物理学院梁世军副教授、博士生陈墨雨、谢永勤、王鹏飞、刘增霖与硕士生陈繁强等共同参与了该工作的实验研究。该工作的主要理论合作者包括上海科技大学刘健鹏研究员和硕士生解博，以及南京大学王强华教授、王达副教授与香港大学王晨杰助理教授。该工作得到了国家自然科学基金重点/面上项目、国家优秀青年科学基金、中科院先导B等项目的资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。

在这项工作中，合作团队设计并制备了一种新型的“原子乐高”量子模拟器：基于手性堆叠的转角双层-双层石墨烯(chiral-stacked twisted double bilayer graphene)（如动画所示，转角0.75°）。随着垂直电场的施加，可以连续精准地调控体系中的电子关联强度，形成具有简并的能谷-自旋自由度（即SU(4)同位旋自由度）的广义维格纳晶体态，对应第二个莫尔能带中每3个超晶格上占据1个空穴。在该量子模拟器中，通过改变垂直电场可以连续精准地调控体系中的电子关联强度，从而实现了维格纳晶体的量子融化。与常规的量子相变不同，这类量子融化展现出具有两个不同量子临界点的量子两步临界行为。两个临界点之间的量子临界区域表现为奇异金属行为，且可以持续到最低温，表明临界中间态的存在。

动画：“原子乐高”量子模拟器中实现的量子相变和量子临界行为，及其可控演化。

随着水平磁场的施加，维格纳晶体区域变大，量子临界区域变小，两个量子临界点逐渐靠近并交换位置，形成了一个费米液体和维格纳晶体的重叠区域。该重叠区域从最低温一直延续到T*≈5.6K，展现出电阻不随温度变化的特性，说明此时关联长度是不随温度变化的常量，这导致量子临界标度行为的失效。当温度升高至5.6K以上时，体系中的奇异金属行为和量子临界标度性恢复，从而展现出一种新型的量子临界行为：量子赝临界性。

该“原子乐高”量子模拟器成功模拟了从高对称SU(4)强关联电子系统中具有临界中间相的量子两步临界性到低对称SU(2)电子系统中量子赝临界性的原位演化（如图所示）。该工作不仅让模拟实现和深入理解具有可调内禀自由度的强关联电子系统成为可能，也为未来开发可高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器迈出重要一步，被《自然》审稿人评价为“会令实验领域和理论领域都产生极大的兴趣（of great interest to both experimental and theoretical community）”。

图：具有可调内禀自由度的固态量子模拟器。体系在零磁场下对应于具有SU(4)内禀自由度的扩展哈伯德模型，展现出具有具有临界中间态的量子融化过程，并在有限温下出现量子两步临界性。当体系磁场增大到12特斯拉时，体系具有SU(2)内禀自由度，基态行为表现出弱一阶量子相变，其在有限温下展现出量子赝临界性。

南京大学张勇、肖敏、祝世宁等发明用激光3D打印纳米铁电畴

9月14日夜，国际顶级学术期刊《自然》发表了南京大学张勇、肖敏、祝世宁领衔的科研团队在下一代光电芯片制造领域的重大突破。科研团队发明了一种新型“非互易飞秒激光极化铁电畴”技术，将飞秒脉冲激光聚焦于材料“铌酸锂”的晶体内部，通过控制激光移动的方向，在晶体内部形成有效电场，实现三维结构的直写和擦除。这一新技术，突破了传统飞秒激光的光衍射极限，把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，从传统的1微米量级（相当于头发丝的五十分之一），首次缩小到纳米级，达到30纳米，大大提高了加工精度。

这一重大发明，未来或可开辟光电芯片制造新赛道，有望用于光电调制器、声学滤波器、非易失铁电存储器等关键光电器件芯片制备，在5G/6G通讯、光计算、人工智能等领域有广泛的应用前景。

铌酸锂得益于其优越的透射谱范围、非线性光学系数、电光和压电性能，是下一代5G/6G通讯和光子芯片的重要载体。特别的是，在铌酸锂晶体中制备铁电畴结构，在非线性光学、声学滤波器、非易失铁电存储等领域有广泛的应用前景。早在上个世纪八十年代，南京大学的研究小组就采用晶体生长条纹技术在铌酸锂晶体中得到了周期为几微米的铁电畴阵列结构，验证了准相位匹配原理，开启了周期极化铌酸锂晶体（又称非线性光子晶体）在激光变频、量子光源等领域的广泛应用。要进一步提升铌酸锂铁电畴器件的性能，亟需在三维空间实现纳米精度的铁电畴结构可控制备。然而，受限于传统加工技术，该问题一直是困扰研究人员的巨大挑战。

此次，南京大学的研究团队发展了一种新型非互易激光极化铁电畴技术，将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体内部进行直写，得到了纳米线宽的三维铁电畴结构。在直写过程中，铌酸锂晶体在高强度激光作用下发生多光子吸收，导致局部晶体温度升高，既使得铌酸锂晶体的局域矫顽场降低，又在晶体内部形成了一个有效电场。在二者共同作用下，晶体内部形成一个有效区域，可以实现铁电畴极化反转。同时，有效电场方向的分布特性决定了激光直写铁电畴具有非互易特性，即沿不同方向直写可以实现不同线宽的铁电畴极化以及反极化。研究人员利用这一特性设计了不同的加工工艺，在三维空间上均实现了突破衍射极限的铁电畴线宽控制，实验中成功制备出线宽为100 nm ~ 400 nm的条形铁电畴和尖端宽度为30 nm的楔形铁电畴。同时，还演示了铁电畴结构从一维向二维和三维的结构转换，并实现了高效非线性光束整形。此外，该加工方法得到的铁电畴具有良好的稳定性，经过两年的时效处理或者300℃高温处理后依然稳定存在。

这一工作将飞秒激光极化技术与铌酸锂铁电畴工程有机结合，突破了传统技术的壁垒，首次在三维空间实现了纳米铁电畴可控制备。将其应用于量子光学领域，可实现高效、高维和窄线宽量子纠缠产生；在电子学领域，可以推动高性能铁电畴壁纳米电子器件的发展，譬如大容量可重写非易失性存储器；在声学领域，纳米周期的铁电畴结构可以实现超高频声学谐振器和滤波器。飞秒激光极化技术可以进一步应用于其他铁电晶体，包括钽酸锂和磷酸钛钾晶体等，并促进高性能三维光、声、电集成器件的发展。

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