【期刊】亮点文章 | 2021年第10期 | 物理学报

封面文章

Jaynes-Cummings晶格模型和Rabi晶格模型的量子相变

尤冰凌，刘雪莹，成书杰，王晨，高先龙

物理学报. 2021, 70 (10): 100201

采用平均场近似的方法，分别研究了Jaynes-Cummings 晶格模型和 Rabi 晶格模型的量子相变：Mott绝缘体相-超流体相量子相变，探索了光的聚束-反聚束行为，研究了Kerr非线性作用对量子相变与光子统计特征的影响。研究结果表明，在Rabi晶格模型中，二能级原子和光子相互作用强度g 和格点之间光子跃迁强度J 的增大会使晶格体系从Mott绝缘体相向超流体相转变，同时，光子统计行为由聚束转变为反聚束，而Kerr非线性强度的增大抑制了Mott绝缘体相-超流体相相变，但促进了光子聚束与反聚束之间的转变。

图1  (a), (b)平均场近似下, 不同晶格模型关于超流序参量A=<a>的J-g相图　(a) JC晶格模型；(b) Rabi 晶格模型。横坐标为格点之间的光子跃迁强度J，纵坐标为二能级原子和光子相互作用强度g，横纵坐标的单位为ω₀，颜色条表示超流序参量A=<a>的大小。深蓝色表示Mott绝缘相，浅黄色表示超流体相。其他参量取值为：ω₀=ω₁=1 光子截断数N=20。(c), (d)对于不同的J，不同晶格模型的超流序参量A 随g 变化的图像；(c) JC晶格模型；(d) Rabi晶格模型。

同行评价

腔量子电动力学系统是研究光与物质相互作用的重要平台之一，其中 Rabi模型和 Jaynes-Cummings（JC）模型是量子光学的基本模型，是测试量子光学和量子信息新奇现象的首选。而通过将腔—腔耦合实现的多体晶格模型，则可以实现极化子从 Mott 绝缘体—超流体相的量子相变，是量子模拟器和量子网络的热门候选之一。该论文采用平均场近似研究了带 Kerr 非线性项的 JC 晶格和 Rabi 晶格中的量子相变和腔场的统计特性，讨论了原子-腔耦合强度、腔-腔耦合强度以及Kerr非线性项对量子相变和光子统计特性的影响。论文的计算推演及其结果是准确可信的，相关的讨论也深入合理。

原文链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20202066

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一种具有“1111”型结构的新型稀磁半导体(La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO

张浩杰，张茹菲，傅立承，顾轶伦，智国翔，董金瓯，赵雪芹，宁凡龙

物理学报. 2021, 70 (10): 107501

利用高温固相反应法，成功合成了一种新型块状稀磁半导体(La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO(x= 0.025, 0.05, 0.075, 0.1)。通过(La³⁺, Sr²⁺)、(Zn²⁺, Mn²⁺)替换，在半导体材料LaZnSbO中分别引入了载流子与局域磁矩。在各掺杂浓度的样品中均可观察到铁磁有序相转变，当掺杂浓度x= 0.1时，其居里温度T_C 达到了27.1 K，2 K下测量获得的等温磁化曲线表明其矫顽力为5000 Oe。(La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO与“1111”型铁基超导体母体LaFeAsO、“1111”型反铁磁体LaMnAsO具有相同的晶体结构，且晶格参数差异很小，为制备多功能异质结器件提供了可能的材料选择。

图1  (a) (La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO分别在100 Oe的场冷和零场冷测量条件下的直流磁化强度；(b) (La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO拟合后的1/(χ−χ₀)结果，箭头标注为外斯温度θ; (c) (La_1–xSr_x)(Zn_1–xMn_x)SbO磁化强度与温度之间的一阶导数关系(dM/dT)，箭头标注为样品的居里温度T_C；(d)温度为2 K下的等温磁化强度曲线。

同行评价

该论文合成了一种新型块状稀磁半导体（La_1–xSr_x）（Zn_1–xMn_x）SbO，当掺杂浓度 x=0.1 时，铁磁居里温度T_C 达到了 27.1K，磁矩4.2波尔磁矩/Mn原子，与“1111”型铁基超导体母体 LaFeAsO、“1111”型反铁磁体 LaMnAsO 具有相同的晶体结构，且晶格参数差异很小。论文写作规范，结果可信，丰富了 1111 型稀磁半导体材料的种类，增加了构造异质结器件的材料储备。

原文链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20201966

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面外取向的(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂磁光单晶薄膜制备及取向机理分析

杨雪, 杨青慧, 张怀武, 文岐业, 白飞明, 钟智勇, 张鼎, 黄建涛

物理学报. 2021, 70 (10): 107801

铋取代石榴石(Bi:YIG)薄膜具有较大的比法拉第旋角，且可通过调控其易磁化轴垂直于薄膜表面和降低材料饱和磁化强度，使其可工作在较小外加磁场下，进而满足磁光器件小型化、节能化的发展需求。本文基于对石榴石薄膜磁各向异性的理论分析, 采用液相外延(liquid-phase epitaxy, LPE)法在钆镓石榴石(gadolinium gallium garnet, GGG)基底上制备了单晶(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜，并研究了其磁各向异性性能。研究发现，当外延膜厚度大于1 μm时，形状各向异性对磁各向异性产生的影响可以忽略；随着生长温度的上升，进入薄膜组分的Bi³⁺离子数量逐渐减少， 薄膜晶格常数逐渐减小，薄膜的受力状态从压应力状态逐渐变为张应力；相较于生长感生各向异性，应力诱导的各向异性在磁各向异性的变化中占主导地位。(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜的Verdet常数为11.8 × 10⁴ rad/Tm@1064 nm，是常用磁光材料TGG的3000倍；其外加工作磁场小于200 Oe，有利于实现磁光器件的小型化和薄膜化。

图1  (a)不同生长温度下(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜的XRD测试图；(b) (BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜的形貌相；(c) (BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜的HR-TEM图；(d) (BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜的电子衍射花样。

同行评价

本文基于对石榴石薄膜磁晶各向异性的理论分析，采用液相外延（LPE）法制备了不同生长温度和厚度的(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜，研究了影响(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜易磁化轴取向的相关因素。易磁化轴为面外的(BiTm)₃(GaFe)₅O₁₂膜在入射波长为1064nm时，其Verdet常数为11.8×10⁴ rad/Tm，面外饱和场小于200 Oe，其磁光性能优异。为节能、薄膜化的新一代磁光器件提供了良好的材料支撑。本工作的研究思路清晰，研究工作的创新性较强，对该材料的研究和应用有积极的促进作用。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20202209

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基于简并四波混频的双信道双频段增益谱

王丹，郭瑞翔，戴玉鹏，周海涛

物理学报. 2021, 70 (10): 104204

基于大规模光通信中频分复用的需求，本文以热原子的简并四波混频为模型，研究了具有双频段特性的双信道增益光谱。一束缀饰场诱导激发态能级发生分裂，由于量子干涉效应，四波混频信号的增益在双光子共振处被抑制，从而使增益谱线的包络由单频段转变为“M”型的双频段结构。同时，缀饰场还提高了相干基态的原子布居，进一步增强了四波混频信号的强度。最终实验上在铯原子气室内获得了一对具备双频段的双信道高增益光谱，并通过调节缀饰场的强度和频率失谐，实现了对双增益峰频率间隔的有效操控。

图1  光斑图样与增益谱线　(a), (b) 关闭泵浦场E₁时的EIT效应；(c), (d) 关闭缀饰场E₂时的DFWM效应；(e), (f) E₁, E₂同时打开时的Dressed-DFWM效应。实验参数: 泵浦场光功率P₁=40mW, 缀饰场光功率P₂=40mW, 缀饰场失谐Δ₂=0。

同行评价

作者利用Λ 型三能级的铯原子系综研究了 dressed-DFWM 效应，借助缀饰光场诱导 DFWM 光谱发生 AT 分裂，获得了具有双频段增益特性的两个光信道，并对 AT 分裂随缀饰场光功率、失谐的变化进行了研究，实验与理论基本吻合。该稿件的结论对开展基于原子体系的多信道复用具有参考价值。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20201778

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Peltier效应: 从线性到非线性

杨振，朱璨，柯亚娇，何雄，罗丰，王剑，王嘉赋，孙志刚

物理学报. 2021, 70 (10): 108402

热电制冷技术是一种环保型的制冷技术，具有广阔的应用前景。其中Peltier效应在热电制冷过程中具有核心作用，但是由于Peltier系数很难测量，在实际应用过程中通常是首先得到Seebeck系数，然后利用Kelvin第二关系式间接得到Peltier系数。需要注意的是，Kelvin第二关系式是在线性条件下(Ohm定律、Fourier定律等)得到的，而在实际过程中非线性的电流-电压关系(肖特基结、pn结等)和热输运关系却是大量存在的。在纳米尺度，量子效应将起到主导作用，此时Peltier效应应该考虑非线性的影响，Kelvin第二关系式的适用性也应该重新考虑。本文综述了采用不同方法对Peltier系数和Kelvin第二关系式的理论推导，讨论了推导过程中利用的假设条件；概述了Peltier系数实验测定的几种方法，讨论了各种附加效应对Peltier系数测定的影响；并介绍了非线性Peltier效应的理论工作。最后本文讨论了在非线性条件下Peltier效应的研究策略和可行方向。

图1  线性与非线性现象的示意图　(a)线性的Ohm定律；(b)非线性的肖克莱方程式；(c)顺磁材料中磁感应强度与磁场强度的线性关系；(d)铁磁材料中磁感应强度与磁场强度的非线性关系；(e)顺电材料中电位移与电场强度的线性关系；(f)铁电材料中电位移与电场强度的非线性关系；(g)线性光学中极化强度与光场场强的线性关系；(h)非线性光学中极化强度与光场场强的非线性关系；(i)线性的Peltier效应；(j)非线性Peltier效应。

同行评价

本文文献调研充分，文章组织清楚，对理解和开展Peltier系数的进一步研究工作具有重要价值。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20201826

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多功能量子远程传态网络

周瑶瑶，刘艳红，闫智辉，贾晓军

物理学报. 2021, 70 (10): 104203

连续变量量子远程传态在构建连续变量量子计算以及量子信息网络中发挥着重要作用。随着量子信息研究的深入发展，人们对多组份的量子远程传态以及它的灵活多样性、可控性等方面提出了更高的要求。本文提出了一种多功能量子远程传态网络的理论构建方案，首先将两对Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场相互耦合，获得具有特殊量子关联的4个光场模式，然后以此为量子资源构建功能性完全不同的两类量子远程传态网络，一类是仅能传送一个未知量子态的可控性量子远程传态网络，一类是可以同时传送两个未知量子态的量子远程传态网络。本文分别从控制方的数量、可传送未知量子态的数量、保真度等多方面分析了不同功能量子远程传态网络的应用特点及优势。该方案中仅利用同一种量子资源实现了量子远程传态网络的多类型构建，且量子资源的制备方式简易，易于向更多组份扩展，这些优势都为以后建立更大规模更加复杂的量子信息网络提供了更多更广阔的应用前景，加快了量子信息实用化的步伐。

图1  可同时传送两个未知量子态的量子远程传态网络结构示意图，其中 AM为振幅调制器，PM为位相调制器，BS为分束器，HD为平衡零拍探测器。

同行评价

该文讨论了利用连续变量的方法构建一种多功能量子远程传态网络的理论方案。作者们用具有特殊量子关联的四个光场模式构建了两类功能性不同的量子传态网络，并对控制方的数量、可传送未知量子态的数量、保真度等多方面进行了分析。文章详细讨论了该量子远程传态网络的特点及优势，这些优势对构建更大规模且复杂的量子信息网络具有指导意义，非常有价值。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20201749

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级联环境下三量子比特量子关联动力学研究

宋悦，李军奇，梁九卿

物理学报. 2021, 70 (10): 100301

基于与各自的级联环境相互耦合的三个独立的量子比特系统，详细考察了强、弱耦合体系下腔-腔耦合强度Ω 和腔衰减率Γ₁ 对负性纠缠度、Bell非定域性和纠缠目击的影响。结果表明：Bell非定域性和纠缠目击都可以出现猝死和猝生现象；Γ₁= 0时，随着Ω 的增加，三者在历经短时阻尼振荡后，均会随时间达到各自的稳定值， 且该稳定值随着Ω的增大而增大。同时，三者在弱耦合体系的量值或存活时间都优于强耦合体系。此外，非零Γ₁对量子关联有着很大的负面效应。于是，为了更好地抑制量子关联损失，进一步分析了弱测量和测量反转操作的有效调控作用，得到一些有趣的结果。

图1  耦合强度Ω 取不同值时，负性纠缠度N₃、Bell非定域性|⟨B ⟩|−1|和纠缠目击−EWs在强耦合体系g=0.5Γ ((a)—(c))和弱耦合体系g=0.2Γ ((d)—(f))下随无量纲时间Γt 的变化曲线，其中，Γ₁=0。

同行评价

作者用负度和纠缠见证描述纠缠，用MABK不等式量化Bell非定域性，研究了一个初始被制备于最大纠缠GHZ态的三个全同量子比特系统，在强、弱耦合体系下三比特纠缠和Bell非定域性这两种量子关联的动力学行为及其调控问题。其中每个量子比特都被置于各自的一个单模腔内，该腔又与另外一个空腔相级联，这两个级联腔共同构成了一个级联环境。文章给出了纠缠和非定域性与腔-腔耦合强度和腔衰减率间的一系列关系，具有较强的创新性。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20202133

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原子核质量模型的检验

李涛，黎春青，周厚兵，王宁

物理学报. 2021, 70 (10): 102101

基于AME2016发布的基态原子核质量数据，分别从模型的精度及实验预言的中子新幻数两方面系统比较分析了八个普适核质量模型的可靠性及预言能力。分区系统的计算了八个核质量模型预言的核质量均方根偏差，分析发现对现有实验数据精确度较好的是Bhagwat和WS4两个模型。通过分析中子壳能隙随中子数的变化趋势发现KTUY，WS3和WS4三个模型可以较好地再现中子新幻数N= 32引起的突变行为，预言了在Cl和Ar同位素链中N= 32极有可能是新的幻数。通过分析超重区域α衰变能随中子数的变化趋势发现FRDM12，WS3和WS4三个模型均可以较好地再现N= 152，162的子壳现象，且预言了对于质子数Z= 108—114同位素链在N= 184处原子核的寿命相对较长。

图1  Cl和Ar同位素链中子壳能隙随中子数的变化趋势，竖线表示误差。

同行评价

质量是原子核的一个最基本属性。该工作分析了常用的8个原子核质量模型的精度， 并讨论了它们对N=32，152和162等壳现象的预言。该论文的研究成果对深入理解核质量模型的预言能力具有重要的参考价值，对r-过程的核合成研究也具有一定的学术意义。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20201734

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柔性压阻式压力传感器的研究进展

李凤超，孔振，吴锦华，纪欣宜，梁嘉杰

物理学报. 2021, 70 (10): 100703

柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支，具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点，在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域均具有潜在发展需求。但是截至目前，如何同时实现低成本、高性能、低能耗和自驱动仍旧是柔性压阻式压力传感器未来所面临的挑战，而新型传感机制的开发、新型功能化纳米材料的融合及柔性器件的新型制备工艺将是未来发展的方向。本文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展，从传感机制出发，对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类和微结构设计类型进行了总结，最后对其未来的潜在应用进行了展望。

图1  (a)“MXene基仿生皮肤”的设计与组装, MXene基压阻传感器阵列及相应压力分布的检测，压力传感器用于检测机器人运动行为；(b)信号以电流变化的形式响应来自弯曲手指、弯曲手腕、腕部脉搏、吞咽动作等；(c)无线健康监测系统在行走和跑步过程中的应用图像。

同行评价

此文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展，从传感机制出发，对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类以及微结构设计类型进行了总结，并对压阻式压力传感器件的未来进行了展望。此文对压阻式压力传感器提供了好的介绍，所引论文详实，是一篇针对该领域的完整综述文章。

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http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20210023

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基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用

王闯，鲍容容，潘曹峰

物理学报. 2021, 70 (10): 100705

柔性可穿戴电子设备因其在人工智能、健康医疗等领域的应用而受到了人们的极大关注。然而，如何降低功耗或实现自供能一直是阻碍其广泛应用的瓶颈。随着纳米发电机与自驱动技术的兴起，尤其以摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)代表的研究，为解决可穿戴传感器电源的问题提供了可行的方案。TENG和PENG分别基于摩擦起电效应与压电效应，可以将机械能转化为电能，同时具备可拉伸性、生物相容性和自愈性等优良特性，已经广泛应用于自驱动的触觉传感器的设计制备中，并作为下一代可穿戴电子设备的技术基础展现出巨大的应用潜力。基于该领域的最新进展，本文对TENG与PENG的机理进行概述，对其性能优化途径进行归纳, 再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究。最后，对自驱动触觉传感器目前存在的问题与挑战进行讨论，并对未来的发展进行展望。

图1  摩擦纳米发电机的工作机理与四种工作模式  (a)接触分离模式；(b)滑动摩擦声式；(c)单电极模式；(d)自由摩擦层模式。

同行评价

本文综述了基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用的最新进展，对摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的机理进行了概述，对其性能优化途径进行归纳，再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究。该综述对于无源传感器系统的发展具有较重要的意义。

原文链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20202157

文章来源：“物理学报”公众号

《物理学报》(Acta Physica Sinica) 由中国物理学会和中国科学院物理研究所主办，1933年创刊，半月刊，我国唯一被SCI收录的物理学类综合性中文期刊。历史悠久、载文量大、影响面广泛，报道和刊登国内外物理学各学科领域具有创新性、高学术水平的研究论文、研究快讯和前沿研究综述等，重点关注我国凝聚态物理学及其相关交叉学科的优秀科研成果。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

期刊专栏：https://www.koushare.com/periodical/periodicallist?ptid=114

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