研究快讯 | 《物理》2021年第5期

　　太空台风” 示意图

　　本文选自《物理》2021年第5期

　　首次实现莫尔量子点阵列与微腔光子的强耦合

　　莫尔激子与微腔耦合的示意图

　　“魔角”石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜，开辟了凝聚态物理研究的新篇章。类似的，将两种单层过渡金属硫族化合物(TMDCs)叠加起来，也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构，称为莫尔超晶格。莫尔超晶格可以调控激子的能级，并且晶格周期可由转角连续调控，提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台。

　　在前期的工作中，厦门大学的张龙副教授在二硒化钨(WSe2)和二硒化钼(MoSe2)的双层异质结中观测到振子强度足够大的莫尔激子态。通过异质结与光学微腔的精准集成，最终实现了莫尔激子与微腔光子的强耦合，观测到了新型混合玻色子量子态——“莫尔激子极化激元”。通过变功率实验进一步观测到了这种特殊量子态的新奇物性：莫尔激子的能级、退相干、振子强度随粒子浓度的变化，与量子点二能级的特性完全相符。从而证明了莫尔激子极化激元来源于量子点阵列与微腔光子的协同相互作用。更有意思的是，在低浓度下，莫尔激子极化激元展现出单光子数级别的光学非线性。

　　该工作建立了固态腔量子电动力学研究的新体系，实现了二能级量子点阵列与微腔光子的集体合作相互作用。莫尔激子极化激元为发展单光子开关和逻辑门、原子层低阈值激光器、固态量子模拟等提供了新的技术路径。

　　更多内容详见：Nature，2021，591：61。

　　厦门大学 张龙

　　非极性材料中的极性拓扑结构的发现

　　拓扑结构有望成为后摩尔时代电子信息器件的重要原材料，因此寻找新颖拓扑结构并探索其物性是当前凝聚态物理研究的一个重点。近年来，人们发现在一些特殊的人工薄膜和纳米结构的极性材料中，电偶极矩也能够连续旋转从而形成极性拓扑结构，如涡旋、斯格明子、半子等。但是，目前只有在少数的几种铁电材料里发现了这些结构。

　　近日，北京大学高鹏课题组与湘潭大学钟向丽课题组、浙江大学王杰课题组、南方科技大学李江宇课题组等合作，在人工氧化物超晶格PbTiO3/SrTiO3中的非极性SrTiO3中设计产生了极性拓扑反涡旋。根据拓扑理论(2016年诺贝尔物理奖)，涡旋—反涡旋通常倾向于成对出现。几年前人们就在该超晶格体系中的PbTiO3中发现了涡旋，之后国际上多个课题组对类似体系展开了研究，但是一直没有发现反涡旋的踪迹。该研究团队根据理论模拟设计了超晶格结构，利用多种基于电镜的定量原子像分析确认了反涡旋的存在。这些SrTiO3中的反涡旋与PbTiO3中的涡旋成对存在，呈现出有序的阵列形式。温度或电场的扰动都能引起拓扑相转变至平庸相。虽然涡旋—反涡旋对的尺寸只有几个纳米，但是它们的介电常数在原子尺度上高度不均匀。

　　该研究首次在非本征极性材料中实现了极性拓扑结构，极大地扩展了极性拓扑结构的研究范围，同时也为极性反涡旋的存在给出了直接的原子尺度证据。

　　更多内容详见：Nat. Commun.，2021，12：2054。

　　北京大学 高 鹏

　　日冕喷流触发冕环横向振荡

　　SDO卫星在171 Å波段拍摄的耀斑前极紫外照片，显示大尺度冕环(黄虚线)。三条短实线切片(S1，S2，S3)用于研究冕环横向振荡。红色箭头指向耀斑和日冕喷流的位置

　　日冕位于太阳大气最外层，由温度高达数百万度的磁化等离子体组成。波动和振荡是日冕中普遍存在的现象，美国TRACE卫星首次在极紫外波段探测到冕环的周期性往复运动，被认为是冕环横向扭曲振荡。冕环振荡通常由附近的低日冕爆发活动(如耀斑、喷流、暗条爆发)触发。日冕等离子体参数(如磁场强度和阿尔芬速度)难以直接测量，结合太阳望远镜观测到的振荡和磁流体力学波动理论为诊断这些参数提供了一种有效手段。

　　中国科学院紫金山天文台博士生戴俊、副研究员张擎旻等人，利用美国SDO卫星极紫外波段的高分辨率观测数据探测到日冕喷流触发大尺度冕环(长度超过350Mm)横向振荡现象。喷流发生在2015年10月16日活动区12434，且伴随一个C级耀斑。研究表明，冕环振荡属于快模扭曲模，在171 Å和131 Å波段最明显。振荡持续了大约3.5个周期，最大振幅为13.6 Mm，平均周期约462 s，平均衰减时标约976 s。运用冕震学理论估算的冕环阿尔芬速度约1210 km/s，磁场强度为30—43高斯。此外，研究人员运用磁通量绳插入法进行非线性无力场外推，得到的冕环磁场强度为21—23高斯。两种独立方法得到的结果在同一数量级，进一步验证了冕震学在诊断日冕磁场中的有效性。

　　更多内容详见：Astronomy & Astrophysics，2021，646：A12。

　　中国科学院紫金山天文台 张擎旻

　　核对称能实验得到最新的π介子数据和对称能约束

　　中子星就像是被放大的原子核，不过里面的中子要远多于质子，而不像原子核那样，质子和中子的数量差不多。同时，因为强大引力的束缚，在中子星里，质子和中子挨的更近些，故其密度比原子核还要大。中子星的形成和并合等过程，也有可能产生宇宙中的重元素（如：金、银、铜等），所以它的性质吸引着很多研究人员。核物理学家通过在实验室里制造出类似中子星的高密度核物质并研究它的性质，借以来理解中子星及其并合过程的一些特性。

　　中子星并合事件GW170817重新点燃了人们对中子星性质研究的广泛兴趣。由于中子星内部的质子和中子的数量极不对称性，核对称能项对中子星内部的物质状态方程有重要贡献。重离子碰撞是地面实验室唯一能产生高密核物质并研究核状态方程的手段。在亚GeV/u的重离子碰撞中，π介子主要来自弹靶重叠的高密区，其产额比M(π-)/M(π+)与高密区的中子、质子密度比ρn/ρp直接关联，而后者受对称能的密度依赖性质所影响。实验上，可通过测量两种介子的总产额比和微分产额比来研究高密区的核对称能。

　　最近，清华大学物理系实验核物理小组参与的SπRIT合作组，利用RIKEN的加速器装置，在高密区核对称能研究中取得重要进展。合作组利用带电粒子径迹探测器——时间投影室，精确测量了 270 MeV/u 132Sn+124Sn 和 112Sn+108Sn 反应中的π-和π+介子的能谱和产额，采用dcQMD输运模型对高横动量区的M (π-)/M (π+)进行分析，得到了对称能随密度变化的最新结果。在饱和点附近，对称能的取值和斜率参数分别为32.5

　　更多内容详见：Phys. Rev. Lett.，2021，126：162701。

　　苏州大学 王仁生

　　应用于可穿戴光—热管理器件的柔性复合相变材料膜

　　相变储能材料能够在相对恒定的温度下吸收和释放大量相变潜热，目前广泛应用于热能储存和温度控制的热管理领域。然而，传统相变材料本身固有的液态泄漏、弱吸光能力以及固态刚性使其在可穿戴的智能光—热转化管理装置的研究中极具挑战性。

　　针对该问题，中国科学院大连化学物理研究所史全团队以聚合物和石墨烯为原料合成了具有优异柔韧性的复合石墨烯膜，并将相变材料复合其中得到柔性的复合相变材料膜。该复合相变材料膜具有优秀的形状稳定性、高相变材料负载量，同时表现出优异的储热能力、热循环和弯曲循环稳定性；此外，该复合相变材料膜具有出色的光—热转化能力。研究人员进一步将该复合相变材料膜贴到人体模型表面，结果表明在弯曲状态其仍然表现出稳定的光—热转化性能。该复合相变材料膜表现出可应用于人体可穿戴光—热管理领域的潜力，为可穿戴智能织物的开发提供了新的方向。

　　更多内容详见：Chemical Engineering Journal，2021，419：129637。