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項目成果/簡介:福州大學至誠學院孫磊教授為第一作者、物信學院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領域國際權威期刊《陶瓷國際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發(fā)表的題為“Al2O3過渡層優(yōu)化對ZnO量子點與CuO納米線復合結構的場發(fā)射增強作用”（英文題為“Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization”）的論文。 本論文研究ZnO QDs 與傳統(tǒng)一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質結構，以一維氧化物納米棒為基體為 ZnO QDs 提供良好的定向電荷傳輸，同時 ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場發(fā)射性能，提出了詳細的電勢疊加效應和形成機制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現(xiàn)孤島狀分布且生長密度低，通過表面改性工程利用原子層沉積(ALD)工藝先在 CuO NWs 基體上沉積 Al2O3 薄膜，均勻的 Al2O3 薄膜為 ZnO QDs 的生長提供了良好的成核表面，同時可以降低基體表面的電子勢壘高度。這種金屬氧化物異質結構在很多應用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質結密度提高，具有固有光捕獲效應等優(yōu)點。研究成果為改善單一納米材料器件的場發(fā)射性能提供了有效途徑，也為制備新型結構的場發(fā)射器件奠定理論基礎。

福州大學至誠學院孫磊教授為第一作者、物信學院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領域國際權威期刊《陶瓷國際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發(fā)表的題為“Al2O3過渡層優(yōu)化對ZnO量子點與CuO納米線復合結構的場發(fā)射增強作用”（英文題為“Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization”）的論文。 本論文研究ZnO QDs 與傳統(tǒng)一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質結構，以一維氧化物納米棒為基體為 ZnO QDs 提供良好的定向電荷傳輸，同時 ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場發(fā)射性能，提出了詳細的電勢疊加效應和形成機制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現(xiàn)孤島狀分布且生長密度低，通過表面改性工程利用原子層沉積(ALD)工藝先在 CuO NWs 基體上沉積 Al2O3 薄膜，均勻的 Al2O3 薄膜為 ZnO QDs 的生長提供了良好的成核表面，同時可以降低基體表面的電子勢壘高度。這種金屬氧化物異質結構在很多應用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質結密度提高，具有固有光捕獲效應等優(yōu)點。研究成果為改善單一納米材料器件的場發(fā)射性能提供了有效途徑，也為制備新型結構的場發(fā)射器件奠定理論基礎。

大部分鐵基超導的母體在有限溫度會有“向列”相變，在此溫度之下晶格的四重旋轉對稱性會自發(fā)破缺，而在此相變溫度下略低或相同的溫度會發(fā)生條紋反鐵磁相變。所以通常認為這些鐵基材料中的向列相是由反鐵磁關聯(lián)驅動。但是FeSe體材料的行為與典型的鐵基超導材料非常不同。FeSe在90K溫度有向列相變，但直到可以測量的最低溫度都沒有磁性長程序。最近的核磁共振研究在向列相變溫度附近也沒有看到低能自旋漲落的增強。基于這些結果，一些人推測FeSe中的向列相和磁性無關而可能是由軌道序驅動。通過理論論證和數(shù)值計算提出正方晶格上自旋為1的阻挫自旋模型可以有一種“向列量子順磁相”。這個相自發(fā)地破缺晶格的四重旋轉對稱性，但是有自旋能隙，所以沒有接近零能的自旋漲落。王垡及合作者指出這種物相可以解釋FeSe體材料的不尋常物性，并且預言FeSe會在條紋反鐵磁序和交錯反鐵磁序的兩種波矢都具有有限能量的低能自旋漲落。

 隨著激光技術的不斷發(fā)展，超快超強激光可以在飛秒的時間尺度（1飛秒=10-15 秒）內(nèi)作用于電子使電子產(chǎn)生約0.1納米（1納米=10-9米）量級的空間位移。利用超短超強激光脈沖，人們將可以實現(xiàn)分子尺度下的電子位置的超快及超高精度的位置控制。然而現(xiàn)有的探測技術，卻無法實現(xiàn)對電子如此微小位移的精確測量。隧道掃描顯微鏡（STM）利用的電子量子隧穿信號能以0.1納米的橫向和0.01納米的縱向分辨率對靜止的原子進行成像，卻無法對運動中的電子進行成像。光電子顯微鏡（PEEM）成像系統(tǒng)雖然可以測量運動電子的位置，但是其最好的分辨率僅能達到約3納米，無法在0.1納米的尺度進行位移測量。日前，該團隊利用強場電離中的時間雙縫干涉圖樣，提出對電子在激光脈沖下的微小位移進行了測量的新方案，該方案的分辨率可達0.01納米。為了測量電子在超短脈沖作用下的位移，他們把導致電子位移的超短脈沖置于兩束較長反向旋轉的圓偏振光之間。兩束反旋向的圓偏振光先后分別電離電子，構成時間上的電子波包雙縫干涉，這在電子動量譜中產(chǎn)生渦旋結構。在沒有中間的超短脈沖時，該渦旋結構角向是均勻分布的。當中間加入了一束任意的被測超短脈沖，它將作用于前一圓偏光電離的電子使之產(chǎn)生微小位移，這個微小位移使得電子波包獲得一個額外相位，從而導致先后兩個電子波包的干涉結構在角方向產(chǎn)生了非均勻性。他們提出通過測量這個非均勻的角向分布，可以準確地提取出電子在超短脈沖作用下產(chǎn)生的亞納米量級的微小位移。他們的方案對激光的焦斑效應以及兩束圓偏振光的相位抖動具有很好的抗干擾能力。左圖：新方案示意圖；右圖：測量方案給出的理論預測結果。 理論提出并在實驗上實現(xiàn)了對橢圓偏振強激光橢偏率的原位測量新方案。他們利用兩束其它參數(shù)相同而旋向相反的橢偏光來電離惰性氣體氙（Xe）原子，強場電離得到的電子閾上電離譜和單電離離子總產(chǎn)率譜敏感地依賴于兩束光脈沖之間的延時。這些能譜和產(chǎn)率隨延時的周期性調制，能夠準確反映一個光學周期之中橢圓偏振光的電場強度的最小和最大值間的比值，因此可以用來準確提取每一束橢偏光的橢偏率。研究表明，這一橢偏率測量方案在很大的激光參數(shù)范圍內(nèi)普遍適用，這一工作在準確表征超快強激光場的性質方面邁出了重要一步，將對強場物理研究中精細操控原子分子內(nèi)的超快過程起到重要推動作用。

該技術是利用西安交通大學開發(fā)的新型吸附環(huán)保材料——鈦基吸附劑，進行工業(yè)污水深度處理的新技術。目前已擁有多項發(fā)明專利，屬國內(nèi)外首創(chuàng)的工業(yè)污水深度處理核心技術。現(xiàn)已相繼完成小試、中試放大和應用工程示范。鈦基吸附劑是主要用于污水深度處理的新型吸附環(huán)保材料，可廣泛用于印染、焦化、化工、養(yǎng)殖、發(fā)酵等難處理廢水的脫色、脫COD、脫磷及除重金屬工藝，也可用于河湖水快速提標。 該技術特別適用于污水處理廠提標改造以及焦化、印染等企業(yè)廢水達標排放與中水回用的要求。可以高效低成本的將已經(jīng)經(jīng)過前期處理后的工業(yè)污水的COD由100~200mg/L降至50mg/L以下，或進一步降低至30mg/L；色度由100倍降至10倍以下，TP降至0.5mg/L以下，經(jīng)過深度處理后的出水水質達到國家一級A乃至更高排放標準 。噸水設備投資及處理成本比現(xiàn)有常用處理技術低20%~40%。

量子通信主要涉及量子密鑰分配( QKD)、量子安全直接通信(QSDC) 、量子秘密共享( QSS) 等3個方面。通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學相關原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機密信息的通信技術。量子秘密共享旨在對重要的密鑰進行安全保護，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復出真實的密鑰。

提出一種如下圖所示能克服光子側向和背向泄露且能極大提高光子前向出射的新型微納“射燈”結構，其單光子理論收集效率在較大的帶寬中超過90%、最高可達95%。? 該“射燈”結構量子光源的實驗制備難度極大，因為它要求三大核心微納制備技術：厚度160nm左右且內(nèi)有量子點的薄膜轉移技術；定位精度小于10nm的量子點光學精確定位技術；環(huán)形槽寬度制備精度小于5nm的高質量牛眼微納結構制備技術。為實驗制備出這一性能優(yōu)越的量子光源，王雪華教授團隊自2013年開始，從零起步，堅持不懈，不斷探索，先后發(fā)展和掌握了上述三大核心微納制備技術，在國際上率先制備出綜合性能俱佳的“三高”量子糾纏光子對源

中國科學技術大學潘建偉及其同事徐飛虎、張強，與清華大學馬雄峰、多倫多大學Hoi-Kwong Lo等，應邀在囯際物理學權威綜述期刊、美國物理學會的《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表題為“基于現(xiàn)實器件的安全量子密鑰分發(fā)”的長篇綜述論文。該論文系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術，并指出，經(jīng)過全球學術界三十余年的共同努力，現(xiàn)實條件下量子密碼的安全性已經(jīng)建立起來，尤其是測量器件無關等量子密鑰分發(fā)協(xié)議的提出，徹底關閉了量子密碼在物理實現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的安全性風險，為實

當顆粒物尺寸進入納米尺度量級時，其極低的極化率使得實現(xiàn)高靈敏度的快速便捷檢測變得困難重重。基于光學方法的傳感技術具有非物理接觸、非破壞、抗電磁干擾、易于操作且靈敏度高等特點，成為高靈敏傳感研究的熱門方向之一。傳統(tǒng)光纖傳感器已經(jīng)在高靈敏檢測領域得到了廣泛應用。近年來的研究表明：當光纖直徑減小至光波長量級時，光纖外部存在顯著的倏逝場，其尺度大約在百納米量級，對周圍環(huán)境的微弱變化極為敏感。研究團隊利用顆粒物在納米光纖倏逝場中的散射效應，實現(xiàn)了超細顆粒物的傳感與尺寸分布測量。 該項工作中，課題組首先計算了散射效率與散射體尺寸和光纖直徑的關系，預測了納米光纖傳感器的最優(yōu)尺寸和探測極限；隨后根據(jù)理論預測，進行了高靈敏度的納米光纖陣列的設計和制備，利用串聯(lián)的納米光纖大大提高了傳感器的傳感面積和檢測效率；通過優(yōu)化光纖模式，研究人員實現(xiàn)了單個標準聚苯乙烯納米顆粒的傳感和測量，粒徑分辨率達10納米。 進一步，考慮到空氣中百納米尺寸級別的細顆粒物的穿透性更強，對于人體具有更大的危害（如圖1），而公開的細顆粒物質量濃度數(shù)據(jù)（PM2.5）無法對此進行有效評價，實時快速測量細顆粒物的粒徑分布信息對于空氣質量的評價更具有指導作用。課題組利用光纖傳感器對2015年和2016年北京冬季大氣細顆粒物進行了持續(xù)監(jiān)測，直接獲得了百納米尺度細顆粒物的粒徑分布信息，計算得到的細顆粒物濃度數(shù)據(jù)與官方公布數(shù)據(jù)趨勢符合良好（如圖2），充分展示了此成果的應用價值。圖2. 基于納米光纖的大氣質量監(jiān)測。a,空氣顆粒物粒徑分布及其實時演化；b,空氣顆粒物質量濃度(PM1.0)及官方數(shù)據(jù)(PM2.5)。空氣樣品實時采集于北京大學物理學院院內(nèi)。

北京大學物理學院的賈爽研究員和中科院強磁場科學中心的張警蕾研究員、南方科技大學的盧海舟教授等組成的研究團隊對外爾半金屬材料TaAs等在強磁場下的磁性質進行了深入研究。利用磁扭矩探測和平行磁化率探測技術，他們發(fā)現(xiàn)當外爾電子在強磁場下進入量子極限時，其橫向和縱向磁化率都表現(xiàn)出強烈的不飽和性。這一強磁場下的不飽和磁性與非相對論型的拓撲平庸電子呈現(xiàn)的飽和磁性截然相反，是相對論型的電子所獨具的指針性屬性。 由于各種拓撲電子材料的能帶對于包括自旋軌道耦合以及化學勢在內(nèi)的各種參數(shù)高度敏感，決定電子拓撲性質的能量尺度可能小至毫電子伏特量級，因此通常的譜學測量如角分辨光電子譜等往往無法分辨能帶的細節(jié)。而普通的電輸運測量只能表征費米面的貝里曲率，無法區(qū)分相對論型的電子能帶是否存在能隙。這項對于拓撲電子材料的磁性研究，結合了理論計算與強磁場下的實驗表征，提出了探測相對論型的電子的一種決定性指針。該工作已在《自然?通訊》上發(fā)表 Nature Communications 10, 1028 (2019).Magnetic responses of the non-relativistic and relativistic fermions a, b, c, d: The energy bands of non-relativistic (parabolic-band) fermions; g, i, h, j: The energy bands of -relativistic fermions; e, f: Calculated parallel magnetization (M||) and effective transverse magnetization (MT) of non-relativistic fermions are saturated in strong magnetic field. k, l: Non-saturated M of relativistic fermions. 此項工作的通訊作者為賈爽研究員，中科院強磁場科學中心的張警蕾研究員和南方科技大學的盧海舟教授；第一作者為量子材料中心博士生張成龍和南方科技大學的王春明教授。同時，這項研究受到國家自然科學基金（No. U1832214, No.11774007）國家重點研究計劃（2018YFA0305601）以及中科院先導研究計劃（XDB28000000）等的支持。