“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划提升我国量子科学领域基础创新能力
日期 2019-03-20  来源:数理科学部  作者:倪培根 姜向伟 陈刚 董国轩

       2019年1月8日,国家自然科学基金委员会批准“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划实施结束。该计划于2009年启动,2017年底资助项目结题,累计资助项目107项,其中包括培育项目61项、重点项目26项、集成项目16项、战略研究项目4项。申请项目涉及数学物理、化学、信息和工程与材料等学部,资助经费2.0亿元。

  单量子态研究是凝聚态物理和原子分子物理、光学等学科的前沿领域,也是一个极具挑战性的研究领域。单量子态主要研究对象包括单个电子态、单个原子态、单个分子的振动态/转动态、单个光子态、超导宏观量子效应以及原子的波色-爱因斯坦凝聚体等等。研究对象的广泛性意味着单量子态研究具有很大的难度和挑战性。在实验上要求仪器具有极高的能量分辨率、动量分辨率、时间分辨率、空间分辨率等等,理论上要求模型要更准确、更普适,计算方法更精致、更有效。为了把单量子态测量得更精准,并消除热涨落的影响,必须要把体系降到极低温。对单量子态的响应,往往信号很弱,要把它们放大到一般仪器能够探测的灵敏度,往往需要加载很严苛的调控外场,如强磁场。研究单量子态的动态过程,需要飞秒甚至高达阿秒的时间分辨。单量子态研究所需的极端实验技术几乎代表了人类探测和调控自然界的最高能力。

  该计划实施中始终遵循“有限目标、稳定支持、集成升华、跨越发展”的总体思路,围绕物理与信息、化学和材料交叉领域的科学前沿开展创新性研究。通过加强顶层设计,不断凝练科学目标,积极促进学科交叉。围绕单量子态体系的构筑、单量子态的特性及其精密探测、量子态与环境以及量子态之间的相互作用三个关键科学问题,开展了系统和深入的研究工作,在新现象新机理的发现、新技术新方法的发展、单量子态体系的纯化和构筑等方面取得重大进展,圆满完成了项目制定的研究计划,实现了预定的科学目标,取得一系列具有重要国际影响的突破和进展,主要表现在:

  (1)在新现象、新理论、新概念探索方面:通过发展分子束中HD分子的单量子态制备技术,结合理论预测和实验验证,发现新的量子分波共振态。针对单个中性分子的电致发光及其发光特性的控制问题,通过调控纳腔等离激元的共振模式,首次实现纳米分子结的电致“禁阻之光”。发展了光催化与扫描隧道显微镜相结合的实验技术,揭示了光催化分解水的微观机理。发展了铁基超导体密度泛函理论LDA+Gutzwiller方法,为高温铁基超导的研究提供了理论计算方法。发现铁基超导体新的能隙结构,挑战了铁基超导电子配对的主流理论,对于建立正确的理论具有重大的意义。利用自主研发的基于真空紫外激光同时具有自旋分辨和角分辨功能的光电子能谱系统,首次直接从实验上证实拓扑绝缘体自旋-轨道锁定现象。理论预言并首次实验观测到磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应(图1),打开了实现无磁场下量子霍尔效应的大门。基于第一性原理的路径积分分子动力学方法,揭示了水的核量子效应,澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。在室温高纯金刚石N-V色心单电子自旋体系中首次观测到单电子反常退相干效应。

  (2)在单量子态的新技术和新方法研制方面:发展了STM与拉曼光谱技术相结合的探针增强拉曼散射技术(TERS),在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子拉曼成像(图2)。研制出国际首台基于深紫外激光的自旋分辨角分辨光电子能谱系统,创造了自旋分辨光电子能谱仪能量分辨率的世界最高纪录。通过选取金刚石单自旋作为磁量子探针,利用自主发展的高阶动力学解耦实验技术,把探针灵敏度提高两个数量级,发展了自旋量子干涉仪的新颖探测方法,率先实现单分子磁共振探测。发展了超高分辨的分子束散射技术,使实验分辨率和灵敏度比传统分子束散射技术高两个数量级,达到国际上交叉分子束实验的最高能量分辨率,使实验探测和发现单量子分波共振态成为可能。发展了氧化物分子束外延生长与高分辨原位电子结构测量技术,提出基于单量子态量子效应的原型器件的可行方案。以上研究使我国在能谱和光谱研究实验技术方法方面进入了国际先进行列。

  (3)在单量子态体系的纯化与构筑方面:利用分子束外延手段首次成功地在超导衬底上生长出界面原子级清晰且电接触非常好的拓扑绝缘体异质结构,实现了拓扑绝缘体与超导态的共存(图3),为探寻Majorana费米子提供了一个极具潜力的实验平台。研究了超导量子比特的高精度调控和退相干,通过利用几何相和动力学解耦延长了退相干时间,首次观测到几何相的量子干涉,实现了量子比特的探测和相干操作。针对强关联电子体系是否存在边缘态效应的问题,发现锰氧化物的铁磁金属边缘态及其超敏量子调控。揭示了拓扑绝缘体的量子输运性质,在超薄拓扑绝缘体薄膜中首先明确观测到安德森局域化,并发现莫特变程跃迁的强局域输运行为只在超薄膜中出现,间接证明了表面态电子的拓扑保护。运用基于金刚石压砧的高压低温综合实验技术,发现拓扑绝缘体在高压下的超导转变。理论预言了新的二元三维拓扑绝缘体,通过磁性分子合成了低维近藤晶格。研发出国际上首个铌酸锂基可扩展光量子芯片,实现了单芯片纠缠光子的高效产出、高速电光调制及相应信息处理功能。利用量子相变确定性制备出高品质双数态,创造了当时确定性制备量子纠缠粒子数的世界纪录。

  在该计划的资助下,研究人员在国际权威期刊发表论文2359篇,其中包括Science 19篇;Nature 3篇;Nature子刊66篇;PRL/PRX 114篇;JACS 10篇、AM 22篇;PNAS 12篇。单篇论文他引最高1024次,单篇他引超过500次的论文10篇,单篇他引超过100次的论文50篇。授权国内专利68项,授权国际专利3项;荣获众多重要奖项,包括国家自然科学一等奖2项,国家自然科学二等奖11项,国家技术发明二等奖2项,未来科学大奖(物质科学奖)1项,何梁何利基金科学与技术成就奖2项,何梁何利基金科学与技术进步奖3项,求是杰出科学家奖1项,求是杰出科技成就集体奖1项;有5项研究成果入选中国十大科技进展新闻、6项成果入选中国十大科学进展。

  在该计划的支持下,在单量子态的探测及相互作用领域培养了一批具有国际水准的优秀科学家。在本计划实施期间,专家指导委员会成员或项目承担人中有7人当选中国科学院院士。项目承担人中有11人获得国家杰出青年科学基金项目,17人获得优秀青年科学基金项目,10人成为创新研究群体项目学术带头人,6人成为国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)负责人,4人成为“长江学者奖励计划”特聘教授,9人成为国家“万人计划”科技创新领军人才,5人成为“长江学者奖励计划”青年学者。培养出站博士后44名,毕业博士生359名,毕业硕士生203名。为我国单量子态的探测及相互作用研究领域创新能力的全面提升和可持续发展提供了重要的人才保证。

  评估专家组认为,该计划的实施极大地提高了我国在单量子态探测及相互作用领域的研究水平,实现了从跟踪并行到跻身世界先进行列,并部分引领的跨越式发展。经综合评估专家组讨论投票,认为该重大研究计划全面完成了既定任务,达到了预定科学目标,评估结论为优秀。

  该计划指导专家组提出,未来我国还需要继续加强量子科技领域的基础研究,实现前瞻性基础研究布局,争取引领性原创成果重大突破。建议重点支持实验技术和理论方法的发展,特别是高质量量子材料的制备,精密加工、精密探测的相关技术、方法研究与设备研发,扶持年轻人才,提供宽松的、潜心研究的科研环境,保持我国在该领域取得的优势。

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图1 首次观测到磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应

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图2 亚纳米分辨的单分子拉曼光谱成像

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图3 发现拓扑绝缘体与超导态的共存