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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(jié)構(gòu)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(jié)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。

研究小組首先利用激光分子束外延技術生長了具有原子級別平整度的反鐵磁Cr2O3薄膜，是電荷的絕緣體。采用非局域自旋輸運的技術，用熱方法在鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流、產(chǎn)生自旋壓，在另外一個鉑電極處利用鉑的自旋霍爾效應測量自旋流的輸運（圖A）。實驗數(shù)據(jù)顯示在低溫下自旋輸信號出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，對應著自旋導的飽和，也就是零自旋阻效應；即自旋超流基態(tài)的最重要基本性質(zhì)之一（圖B）。在此基礎上，該研究小組又系統(tǒng)研究了不同自旋輸運距離下自旋超流的輸運現(xiàn)象，證明了自旋在該自旋超流基態(tài)可以進行長距離的輸運，并且其隨輸運距離的關系與自旋超流態(tài)輸運理論預言一致（圖C）。該工作是是自旋超導態(tài)領域研究的一項重大突破，勢必推動自旋超導態(tài)的快速發(fā)展，為研究基于自旋玻色子的玻色愛因斯坦凝聚的基礎物理研究提供了實驗平臺，并為新型量子自旋器件，如自旋流約瑟夫森結(jié)等，奠定了實驗基礎。圖：自旋超流基態(tài)的重要實驗證據(jù)。（A）非局域自旋輸運測量示意圖。用熱方法在左邊鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流，在右邊鉑電極處利用鉑的自旋霍爾效應測量自旋流的輸運。（B）自低溫下自旋輸信號出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，反映出自旋超流基態(tài)的零自旋阻效應。（C）自旋信號隨其隨輸運距離的關系與自旋超流態(tài)輸運理論預言一致。

簡單、實用，低成本實驗儀器做前沿物理學研究。

中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組在自旋量子精密測量領域取得重要進展，首次提出和驗證了Floquet自旋量子放大技術，該技術克服了以往只在單個頻率處量子放大的局限性，實現(xiàn)了多頻段極弱磁場信號的量子放大，靈敏度達到了飛特斯拉水平。

準備了高效紅、綠、藍量子點和納米材料，無機量子點材料在發(fā)光、顯示、太陽能 電池、生物醫(yī)學領域都有廣泛的應用前景。如下圖為藍光量子點材料的圖譜。 利用制備的 ZnO 納米陣列首次得到了色純度較高的有機復合/無機紫外 LED，實現(xiàn)了室溫下 ZnO 納米棒在 380nm 附近的電致發(fā)光。并利用所制備的 ZnO、TiO 量子點和納米材料，實現(xiàn)在太陽能電池領域的應用，提高了有機太陽能電池的效率。

采用可聚合的甲基丙烯酸月桂酯為溶劑，以熱注射法制備鈣鈦礦量子點，直接與低聚物和引發(fā)劑混合，通過紫外光聚合原位制備高質(zhì)量的量子點-高分子復合薄膜。與經(jīng)典的十八烯體系純化后制備的量子點-高分子復合薄膜相比，甲基丙烯酸月桂酯體系制備的薄膜具有更優(yōu)異的光學性能，絕對熒光量子產(chǎn)率超過90%，超過了傳統(tǒng)鎘基量子點薄膜。該課題組采用高絕對熒光量子產(chǎn)率的綠光發(fā)射的復合薄膜和紅色發(fā)射熒光粉（KSF）作為液晶背光中藍光發(fā)光二極管（LED）的下轉(zhuǎn)換熒光材料所制備的原型顯示器件，在國際照明委員會（CIE）1931顏色空間中的色域覆蓋率為115%，超過傳統(tǒng)的鎘基量子點顯示器件10%以上，同時還具有優(yōu)異的低藍光健康護眼的特性。此外，該顯示器件具有很好的耐高溫高濕和耐強光老化性能。這些為發(fā)光量子點材料在新一代廣色域顯示器件中的應用奠定了基礎。

準備了高效紅、綠、藍量子點和納米材料，無機量子點材料在發(fā)光、顯示、太陽能電池、生物醫(yī)學領域都有廣泛的應用前景。如下圖為藍光量子點材料的圖譜。  納米材料的透射電子顯微鏡圖譜，其中右下角的插圖分別為各自在紫外燈照射下的數(shù)碼照片 利用制備的ZnO納米陣列首次得到了色純度較高的有機復合/無機紫外LED，實現(xiàn)了室溫下ZnO納米棒在380nm附近的電致發(fā)光。并利用所制備的ZnO、TiO量子點和納米材料，實現(xiàn)在太陽能電池領域的應用，提高了有機太陽能電池的效率。

劉奇航及其合作者以最近由中科院物理所領銜的研究團隊發(fā)現(xiàn)的ZnCu3(OH)6BrF為例，采用修正后的單體平均場密度泛函理論方法，對這一體系的本征和摻雜行為進行了詳盡的模擬。研究發(fā)現(xiàn)，ZnCu3(OH)6BrF摻雜后，摻入的電子并沒有成為期待的“自由載流子”，而是局域在一個銅原子周圍，引起了局域形變。這種電子與束縛它的晶格畸變的復合體稱為極化子（如圖一所示）。本征材料的帶隙中形成新的電子態(tài)。因此，電子摻雜后，ZnCu3(OH)6BrF并沒有實現(xiàn)半導體到導體的轉(zhuǎn)變。相比之下，具有類似CuO4局部環(huán)境的銅氧化物高溫超導體的母體材料Nd2CuO4顯現(xiàn)除了不同的隨摻雜濃度變化的導電性。研究發(fā)現(xiàn)，低摻雜濃度時，銅原子附近形成較為擴展的極化子，因此在高摻雜濃度時，這些極化子之間的躍遷可以使系統(tǒng)導電性大大增加，實現(xiàn)半導體到導體的轉(zhuǎn)變，與實驗觀測很好地吻合。? 該研究圓滿地解釋了最近實驗上觀測到的Kagome晶格的鋅銅羥基鹵化物在摻雜后并不導電的現(xiàn)象，指出要在量子自旋液體實現(xiàn)超導，僅僅找到量子自旋液體體系是遠遠不夠的，還必須實現(xiàn)有效摻雜，注入一定濃度的“自由載流子”，為耕耘在該領域的實驗工作者提出了新的挑戰(zhàn)和實驗方向。

在應變的InAs/GaInSb量子阱中，量子阱中的應力使其能帶發(fā)生改變，從而使得體態(tài)雜化能隙得以增大，這直接導致了邊緣態(tài)電子費米速度的增加，因而螺旋邊緣態(tài)中的相互作用效應變?nèi)酢嶒炆蠝y量得到的邊緣態(tài)電導以及其對外加磁場的響應清楚地表明該系統(tǒng)中的量子自旋霍爾態(tài)是一種Z2拓撲絕緣體，其性質(zhì)受到時間反演對稱性的保護。而且，InAs/GaInSb量子阱中螺旋邊緣態(tài)的相干長度最長可達10微米以上，遠大于之前所有有關量子自旋霍爾態(tài)研究工作中報道的數(shù)值。另外，螺旋邊緣態(tài)的相干長度還可以被柵極調(diào)節(jié)，這顯示了邊緣態(tài)電導與邊緣態(tài)電子費米速度，也即邊緣態(tài)相互作用強度密切相關。

本項目研發(fā)的新型量子吸藍光材料，用于防藍光眼鏡，防藍光護眼貼膜等產(chǎn)品。可用于防護液晶（LCD）和有機電致發(fā)光（OLED）手機，電腦顯示器等電子產(chǎn)品顯示器屏幕發(fā)出的高能藍光，實現(xiàn)健康護眼的目的。該種新型量子吸藍光材料具有超強的光波過濾功能，比市面現(xiàn)有主流吸藍光材料效果高10－100倍，處于世界領先水平。在技術層面優(yōu)于市場上現(xiàn)有產(chǎn)品。依托于先進的新型量子技術制備防藍光護眼鏡片和護眼貼膜，可高效吸收藍光，從根本上解決電子產(chǎn)品藍光傷害這一社會痛點問題。本項目量子防藍光眼鏡和貼膜產(chǎn)品的生產(chǎn)有兩條技術路線，主要步驟如下：1、無機吸藍光材料分散在聚合物基材（如聚碳酸酯,聚丙烯酸酯）中直接成型；2、無機吸藍光材料分散在紫外光固化膠水中，采用涂布技術制作鏡片或者可貼合膜片。