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“校园”生产
近日，中国人民大学物理系
好消息！
三个研究团队在离子阱的量子模拟、新颖的量子磁性、低维量子材料的制备和调控等物理学前沿领域取得突破。相关成果发表在《物理评论快报》、《自然通讯》、《自然材料》等国际顶级期刊上，为同领域相关研究做出了贡献。
在教育部刚刚公布的《教育部办公厅关于公布2020年国家和省级一流本科专业建设点名单的通知》中，中国人民大学物理学专业入选国家一流本科专业建设点。
01
物理系自主搭建离子阱量子实验平台。
张巍 和张翔的团队最近取得了重要的研究成果。
背景介绍
随着工业技术的快速发展，以量子信息科学为代表的量子科学技术正在不断形成新的科学前沿，激发革命性的科技创新，孕育对人类社会产生重大影响的颠覆性技术。离子阱系统是用于精确控制量子态的精密科学仪器。是量子计算和量子信息处理领域最早提出的实验系统之一，一直处于领先地位。中国人民大学物理系量子光学与离子阱教学实验平台是我校自主研发建设的。自2016年起，由物理系张巍 教授和张翔副教授组织策划，位于中国人民大学理工楼。目前已建成多套能同时捕获两种离子的高性能离子阱，实现并掌握了离子加载、激光冷却、初态制备、量子态荧光探测、微波相干控制、拉曼激光相干控制、基态冷却等重要技术。许多基于囚禁离子的量子计算、量子模拟、量子精密测量和量子机器学习的实验正在进行。
中国人民大学物理系离子量子科学实验室
该实验室是中国最先进的囚禁离子量子科学实验室之一。建设过程中，团队成员坚持技术导向，核心设备离子阱和核心集成控制系统由团队成员自行研发。建立的离子阱实验系统在量子计算、量子模拟、量子精密测量等领域具有广阔的应用前景。
研究成果
最近，该团队利用实验系统囚禁了单个离子并实现了宇称时间反转对称性的非厄米模型，成功测量了其量子演化过程，提出了通过测量直接确定奇点的方法。同时引入了周期系统哈密顿量，建立并测量了丰富的相图。研究论文《基于单离子的宇称时间对称系统的奇异性探测》于2021年2月23日发表在国际顶级物理学学术期刊《物理评论快报》(Physics Review Letters)上。
本文作者均为中国人民大学，包括第一作者物理系博士生丁良宇，通讯作者、张翔副教授，其他作者博士生石、张秋新，研究生沈。从理论方案、实验设计、系统构建、数据采集处理到文章撰写的工作全部由该小组完成，这也标志着中国人民大学离子量子阱科学实验室正式开始了向量子科学前沿迈进的研究征程。本工作得到了国家重点RD项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、教育部装备预研联合基金和中国人民大学研究基金的资助和支持。
02
余伟强的量子磁性材料团队
拓扑学研究取得了重大突破。
物理学家Berezinskii、Kosterlitz和Thouless提出了磁性材料中实数空之间的拓扑相变，后命名为BKT相变，为超越朗道对称性破缺理论范式的研究打开了一个新世界。Kosterlitz和Thouless凭借这一理论获得了2016年诺贝尔物理学奖，但对磁性材料中BKT相的探索始终没有实现。
余伟强团队一直致力于凝聚态核磁共振和极端条件控制，并在我校成功搭建了国内最低温度的核磁共振谱仪系统，这是该实验成功的关键因素之一。近年来，该团队专注于量子磁性材料的研究，揭示了多种新颖的量子态和量子相变。除了这一成果，他们还在一维伊辛链材料的一维量子临界点处发现了磁场诱导的近基塔耶夫量子自旋液态[Physical Review Letters，2017，高被引论文]等。这些结果对于强关联系统中新凝聚态的理解和量子计算具有一定的意义。
近日，中国人民大学余伟强核磁共振团队与南京大学、中科院物理所、北航空航空航天大学、复旦大学合作，首次在磁性晶体材料中找到BKT相的实验证据。这项工作为BKT理论提供了一个具体的例子和理想的平台，为其研究开辟了一个新的切入点，对今后物质拓扑态的研究具有一定的意义。
该成果于2020年11月在线发表在《自然通讯》上。中国人民大学博士生胡泽、湖北师范大学马震、中科院物理所廖远达、北航李涵空为论文的共同第一作者，余伟强教授、温金生教授、孟子扬教授、李伟教授、齐扬教授为论文的共同作者。中国人民大学是本文的第一单元。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金和中国人民大学研究基金的支持。
03
纪薇和合作团队发现空在气体中是稳定的。
并且层间磁性高度可以调节。
同时，电子有两个固有的自由度，即电荷和自旋。电荷在电场下的定向运动产生电流，而自旋的有序排列产生磁性。在过去的几十年里，人们充分利用了电子的电荷性质，使我们充分享受到了网络和数字时代的便利。1988年，Phil和Kruberg发现了“巨磁电阻效应”，揭示了电子的另一个属性——自旋的作用，唤醒了沉睡多年的电子自旋自由度，开创了“自旋电子学”的新领域，并被授予2007年诺贝尔物理学奖。这一发现直接导致了磁盘存储容量的几何级增长，进而推动了大数据时代的提前到来。
以石墨烯为代表的二维材料是一种层状晶体，每层仅由一个或几个原子层通过共价键连接而成，各层之间通过范德华力等非共价相互作用结合。与传统材料相比，二维材料在材料表征、物性测量和外场控制等方面具有独特的优势，如与自旋电子学的强结合，可以为探索低维磁性的基础物理和潜在的器件应用提供理想的平台。
2017年，实验证实了在弱磁场辅助下，单层CrI3和双层Cr2Ge2Te6中铁磁有序可以稳定存在。到目前为止，已经在CrI3、Cr2Ge2Te6、Cr 2 Te 2、MnSex和Fe3GeTe2等几种二维材料中实验观察到了内禀铁磁性。目前探索的二维磁体大多在空气体环境中不稳定，难以直接合成，后期器件加工条件苛刻。这些单层和少层材料只能通过在受控环境下机械剥离大块材料来获得，产量低且层厚控制差。因此，寻找一种稳定空气体、厚度可调的二维磁性材料对该领域的发展具有重要意义。
近日，中国人民大学物理系教授和博士与湖南大学董教授、加州大学段险峰教授合作，在国际上首次发现CrSe2是一种厚度依赖的层间反铁磁-铁磁耦合转变的二维磁性材料，在空气体中具有很高的稳定性。这就初步克服了困扰科学界很久的二维磁性材料空气体稳定性不足的难题。在发现磁性薄膜的信息存储功能33年后，其功能单元的薄膜厚度已经降低到小于1纳米的原子极限，实现了气体稳定、磁高可调的二维原子晶体。
CrSe2层的数量取决于磁变化现象的物理起源。
这些研究成果为未来的基础科学研究提供了新的系统平台，为更高密度的磁信息存储、更高灵敏度的磁探测等自旋电子学应用提供了新的材料选择。相关研究工作发表在3月1日的《自然材料》网络版上。
物理学博士后汪聪博士、湖南大学李波教授、加州大学万中博士和陈鹏博士是论文的共同第一作者。湖南大学物理系教授、湖南大学董教授和加州大学段险峰教授是论文的合著者。这项工作的理论计算部分由中国人民大学完成，实验部分由合作单位完成。该研究得到了国家重点RD项目、国家自然科学基金、教育部、中国科学院和中国人民大学的支持。
《自然材料》是《自然》杂志在材料科学领域的子期刊，也是该领域的旗舰期刊。年发表文章数仅200篇左右，2020年影响因子39.7。继2020年10月物理系汪聪博士和维基教授发表《自然纳米技术》之后，这一成果是他们半年内第二次在《自然》顶级子期刊上发表。
来源:科学学院
设计:顾小白
封面:马雨欣
