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国际前沿周报第13期

3271    2022-12-16    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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本期导读:

1、NIST的量子点网格有助于制造更好的量子模拟器

2、以阿秒为单位测量时间


NIST的量子点网格有助于制造更好的量子模拟器

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员创建了被称为量子点的微小原子团组成的网格,并研究了当电子潜入这些原子岛群时会发生什么。在这些相对简单的设置中测量电子的行为有望深入了解电子在复杂的现实世界材料中的行为,并帮助研究人员设计设备,使强大的量子计算机和其他创新技术成为可能。

研究人员创建了一个由一到三个磷原子组成的量子点网格(中心),将其沉积在嵌入硅的平面上,并研究了注入网格的电子的特性。图片来源:NIST

在Nature Communications上发表的研究中,研究人员制作了多个精确间隔的3x3量子点网格,每个网格包含一到三个磷原子。连接到网格的是导线和其他能使电子流过的部件。这些网格提供了电子可以在近乎理想的条件下运行的场地,不受现实世界材料的干扰。研究人员将电子注入网格并观察它们在条件改变(例如点之间的间距变化)时的行为。对于点间距很近的网格,电子往往会散开并像波浪一样,基本上同时存在于多个地方。当这些点相距很远时,它们有时会被困在单个点中,就像绝缘材料中的电子一样。

高级版本的网格将使研究人员能够精确研究电子在可控环境中的行为,其精确程度是世界上最强大的传统计算机无法准确模拟的。它将打开通往成熟的“模拟量子模拟器”的大门,从而解开高温超导体等奇异材料的秘密。它还可以提供有关如何通过控制量子点阵列的几何形状来创建材料(例如拓扑绝缘体)的提示。

在刚刚发表于ACS Nano的相关工作中,上述NIST研究人员改进了他们的制造方法,现在他们可以可靠地创建一系列相同的、等间距的点,每个点只有一个原子,从而为完全精确的量子模拟器提供更理想的环境。研究人员将目光投向了用更大的量子点网格制作这样的模拟器:5x5的点阵列可以产生丰富的电子行为,这样的效果即使是目前最先进的超级计算机也无法模拟。

该视频展示了由NIST开发的用于创建纳米线的基本过程,该过程与用于创建等间距量子点网格的过程类似,实验中使用量子点网格来研究注入网格的电子的特性。视频来源:NIST


来源:NIST


以阿秒为单位测量时间

分子内部的电子移动速度有多快?好吧,它是如此之快,以至于它们只需要几阿秒(1 as = 10-18 s)就可以从一个原子跳到另一个原子。眨眼你就错过了数百万次。因此,测量这种超快过程是一项艰巨的任务。

由Robert Sang教授和Igor Litvinyuk 教授领导的澳大利亚布里斯班格里菲斯大学量子动力学中心和澳大利亚阿秒科学中心的科学家们开发了一种新型干涉测量技术,能够用仄秒(千分之一阿秒)测量时间延迟。 

他们使用这种技术测量氢分子的两种同位素(H2 和D2)发射的极紫外光脉冲与强红外激光脉冲相互作用之间的时间延迟。发现延迟时间小于3阿秒,并且是由较轻和较重原子核的运动略有不同引起的。

这项研究发表在Ultrafast Science(“Attosecond Delays of High-Harmonic Emissions from Hydrogen Isotopes Measured by XUV Interferometer”),这是一本新的科学合作期刊。

第一作者Mumta Hena Mustary博士解释说:“这种前所未有的时间分辨率是通过干涉测量实现的——重叠延迟光波并测量它们的组合亮度。”  

光波本身是由暴露于强激光脉冲下的分子产生的,这一过程被称为高次谐波生成(HHG) 。

当一个电子被强激光场从分子中移走,然后被同样的强激光场加速,再与离子重新结合,以极紫外(XUV)辐射的形式释放能量时,就会发生HHG。XUV和HHG辐射的强度和相位都对该过程中涉及的电子波函数的精确动力学很敏感——所有不同的原子和分子都以不同方式发射HHG辐射。  

虽然测量HHG的光谱强度相对简单,一个简单的光栅光谱仪就可以做到,但测量HHG相位是一项困难得多的任务。该阶段包含有关发射过程中各个步骤的时间安排的最相关信息。 

为了测量这个相位,通常会进行干涉测量,此时两个具有精细控制延迟的波会相互重叠(或干涉)。它们可以进行相长干涉或相消干涉,这取决于它们之间的延迟和相对相位差。 

这种测量由干涉仪来完成。为XUV光构建干涉仪非常困难,特别是要在两个XUV脉冲之间产生和保持稳定、已知且可微调的延迟。  

格里菲斯的研究人员通过利用古伊相位的现象解决了这个问题——当光波通过焦点时,相位会发生一定的移动。  

在他们的实验中,研究人员使用了两种氢分子同位素——自然界中最简单的分子。同位素——轻氢(H2)和重氢(D2)——仅在原子核质量上有所不同——H2中的质子和D2中的氘核。其他一切(包括电子结构和能量在内)都是相同的。

由于质量较大,D2中的原子核比H2中的原子核移动得稍慢。由于分子中的核运动和电子运动是耦合的,核运动会影响HHG过程中电子波函数的动力学,从而导致两种同位素之间产生微小相移ΔφH2-D2。

此相移等效于时间延迟 Δt = ΔφH2-D2 /ω,其中 ω 是XUV波的频率。格里菲斯科学家测量了在HHG光谱中观察到的所有谐波的发射时间延迟——它几乎恒定且略低于3阿秒。 

为了理解他们的研究结果,格里菲斯研究人员得到了中国上海交通大学以何峰教授为首的理论家的支持。

上海交通大学的科学家们采用最先进的理论方法,对分子氢的两种同位素中的HHG过程进行了全面建模,包括各种近似水平下的核运动和电子运动的所有自由度。  

他们的模拟实验很好地重现了实验结果,理论与实验之间的一致性让团队相信模型捕捉到了基础物理过程的最本质特征,因此调整模型参数和近似水平可以确定各种影响的相对重要性。

虽然实际动力学相当复杂,但发现电子复合步骤中的双中心干涉是主要效应。“因为氢是自然界中最简单的分子,它可以在理论上高精度地建模,所以在这些原理验证实验中,用它来进行基准测试和验证,”Litvinyuk教授说。 

“在未来,这项技术可使用以前所未有过的时间分辨率来测量原子和分子中各种光诱导过程的超快动力学。” 


来源:Griffith University



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