半年发表5篇Nature,2020年最适合发Nature的领域之一

这里我们选取了5篇2020年发布在Nature上关于纳米光电子学、运用拓扑概念的最新文章,与大家共同学习。

Nature 2月12日

具有谷边缘模式的电泵浦拓扑激光器

Electrically pumped topological laser with valley edge modes. Nature 578, 246–250 (2020).

量子级联激光器是紧凑的,电泵浦的光源,位于电磁光谱技术上重要的中红外和太赫兹区域。最近,拓扑的概念已从凝聚态物理扩展到光子,从而产生了一种新型的激光,其拓扑保护光子模式能够有效绕过拐角和缺陷。拓扑激光器的先前演示需要外部激光源来进行光泵浦,并在常规的光学频率范围内进行操作。在这里,我们展示了基于拓扑受保护的谷边缘状态的电泵太赫兹量子级联激光器。与依靠大型特征提供拓扑保护的拓扑激光器不同,我们的紧凑型设计利用了光子晶体的自由度谷,类似于二维带隙谷电子材料。即使在底层结构中引入了扰动,在尖角三角形的空腔中也会发生具有规则间隔发射峰的发射,由于存在受拓扑保护的山谷边缘状态,这些状态在空腔周围循环而未经历局部化。我们通过向拓扑腔中添加不同的耦合器来探究拓扑激光模式的特性。基于谷边缘状态的激光器可以为在电动激光源中实际使用拓扑保护开辟道路。

Nature 3月1日

硅中单个高自旋核的相干电控制

Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature 579, 205–209 (2020).

核自旋是高度相干的量子对象。在大型谐振中,它们通过磁共振控制和检测已被广泛使用,例如在化学,医学,材料科学和采矿中。早期关于固态量子计算机的建议以及量子搜索和因式分解算法的演示中也都提到了核自旋。扩大这样的概念需要控制单个原子核,当耦合到电子时可以检测到。但是,需要通过振荡磁场来处理原子核,这使其在多自旋纳米级器件中的集成变得更加复杂,因为该字段无法本地化或筛选。通过电场控制可以解决这个问题,但是以前的方法依靠电子-核超细相互作用将电信号转换成磁场,这严重影响了核的相干性。在这里,我们演示了使用硅纳米电子器件内产生的局部电场对单个123Sb(spin-7 / 2)原子核进行相干量子控制。该方法利用了1961年提出的想法,但以前并未通过单个核实验实现。我们的结果得到微观理论模型的定量支持,该理论模型揭示了核四极相互作用的纯电调制如何导致相干核自旋跃迁,由于晶格应变,它们是唯一可寻址的。自旋相移时间为0.1秒,比通过需要耦合电子自旋以实现电驱动的方法获得的相移时间要长几个数量级。这些结果表明高自旋四极核可被部署为使用全电控制的混沌模型,应变传感器和混合自旋机械量子系统。将电可控核与量子点集成在一起,可以为无需振荡磁场即可运行的硅中可扩展的,基于核和电子自旋的量子计算机铺平道路。

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图. 硅器件中的123Sb核自旋

Nature 4月22日

观察启用拓扑的单向引导共振

Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances. Nature 580, 467–471 (2020).

单向辐射对于各种光电应用(例如激光器,光栅耦合器和光学天线)很重要。但是,几乎所有现有的单向发射器都依赖于使用禁止出射波的材料或结构-即反射镜,这些反射镜通常体积大,损耗大且难以制造。在这里,我们从理论上提出并通过实验证明了光子晶体平板中的一类共振,该共振仅向平板的一侧辐射,而另一侧没有反射镜。这些共振(我们称为“单向引导共振”)在本质上被发现是拓扑结构:当极化场中的一对半整数拓扑电荷在动量空间中相互反弹时,它们就会出现。我们通过实现高达1.6×105的单边辐射品质因数,通过实验证明了电信号体制中的单向引导共振。我们通过远场极化测量进一步证明了它们的拓扑性质。我们的工作代表了应用拓扑原理来控制光场的典型示例,并且可能会产生用于光检测和测距的节能光栅耦合器和天线。

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图. UGR及其拓扑性质

Nature 5月6日

映射魔角石墨烯中的扭曲角紊乱和Landau能级

Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene. Nature 581, 47–52 (2020).

最近发现的扁平电子带以及魔术角扭曲双层石墨烯(MATBG)中的强相关和超导相关键取决于层间扭曲角θ。虽然已证明我们能以大约0.1度的精度控制全局θ,但是关于局部扭曲角分布的信息很少。在这里,我们使用纳米级尖端扫描超导量子干涉装置(SQUID-on-tip)来获得处于量子霍尔态的朗道能级的断层图像。并绘制六方氮化硼(hBN)封装的MATBG器件中的局部θ变化图,其相对精度优于0.002度,并且空间分辨率为几个莫尔周期。我们发现θ紊乱程度与MATBG传输特性的质量之间存在相关性,并表明,即使是具有相关状态的最先进的设备,朗道风扇和超导性-在θ上显示相当大的局部变化,最大变化为0.1度,表现出明显的梯度和跳跃网络,可能包含没有本地MATBG行为的区域。我们观察到MATBG中的相关状态相对于扭曲角异常特别脆弱。我们还表明,θ的梯度会产生较大的门可调平面内电场,即使在金属区域也不会被屏蔽,通过在样品的大部分区域中形成边缘通道来深刻改变量子霍尔态,并可能影响相关态和超导态的相图。因此,我们确立了θ无序作为非常规类型无序的重要性,从而能够在结构设计中使用扭曲角梯度,用于实现相关现象以及用于设备应用的门可调内置平面电场。

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图. MATBG中平坦带和分散带中全局和局部量子霍尔特征的比较

Nature 7月8日

混合光子电路中人工原子的大规模集成

Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits. Nature 583, 226–231 (2020).

开发量子计算机和远程量子网络的一个主要挑战是纠缠在许多可单独控制的量子位中的分布。钻石中的色心已成为固态“人造原子”量子比特,因为它们可以按需进行远程纠缠,具有十分钟长的相干时间和记忆增强量子通信的十个辅助量子位的相干控制。下一步的关键是将大量的人造原子与光子结构集成在一起,以实现大规模的量子信息处理系统。到目前为止,这些努力已因量子位不均匀,器件产量低和器件要求复杂而受阻。在这里,我们介绍了一种在光子集成电路(PIC)上高产量异构集成“量子微芯片”(包含高度相干色心的金刚石波导阵列)的过程。我们使用此过程在氮化铝PIC中实现了128通道的无缺陷锗空位和硅空位色心阵列。光致发光光谱显示锗空位(硅空位)发射器的长期,稳定且狭窄的平均光学线宽为54兆赫兹(146兆赫兹),接近寿命限制的32兆赫兹(93兆赫兹)线宽。我们表明,可以通过在50千兆赫兹范围内进行集成调谐来原位补偿单个色心光学过渡的不均匀性,而不会降低线宽。将大量几乎无法区分和可调的人造原子组装成相对稳定的PIC的能力,标志着迈向多路复用量子中继器和通用量子处理器的关键一步。

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图. 人造原子与光子学的可扩展集成

以上这些高水平文章都有一个共同点那就是使用了COMSOL数值模拟来帮助阐述科学问题。COMSOL是功能非常强大的数值计算软件,能够根据研究者的需要自由地求解各种形式的偏微分方程。COMSOL越来越多地出现在高档次文章,越来越多的研究者将其应用于自己的研究,它可以模拟电磁,光学,声学,力学,流体,化工,电池与电化学等等各种能用偏微分方程来描述物理和化学过程。

如今在高档次文章中结合COMSOL仿真模拟来解释科学问题,展示物理机制的方式已经变得越来越常见。特别是对于这种机理解释型文章,一些仿真模拟可以说是必不可少的。

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科研模拟·学术仿真专题培训会

2020年09月19-20日 北京·中科院物理所

2020年09月26-27日 广州·华南师范大学

2020年10月17-18日 上海·复旦大学

提高文章中稿率、冲高影响因子的关键,在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想,数据不够完美,论文内容缺乏支撑,这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区,让你的实验结果从此告别“差强人意”,高影响因子不是梦!

在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能,在许多物理和工程类学科(力学,光学,流体力学,电磁学,声学,化工)中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析,结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展,仿真模拟的需求也不限于上述的学科,在新兴的材料科学,能源科学,生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现,仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用,越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。

本课程专门针对科研学术领域,为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始,循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法,以及建模操作流程(其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等),让学员全面掌握整个建模流程,并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训,我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容。

1.入门有限元仿真模拟

有限元方法的基本内涵,仿真模拟基本理论的讲解,以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义,能够帮助科研人员解决的实际问题,不同仿真模拟软件(COMSOL ANSYS Abaqus)的特点和在科研上运用的优缺点比较;

COMSOL 软件介绍及基本操作演示和教学,包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。

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2.有限元模拟的一般思路和通用方法

解线性和非线性有限元法的理论基础,了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识,以典型的多物理场模拟为入门教学案例,帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路,并能够灵活应用于自己的研究领域。

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3.COMSOL软件的高级使用技巧

结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学,包括几何建模注意事项,优化网格划分的方法与技巧,结果后处理与复杂图表的绘制方法,多物理场耦合的方法与技巧,通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等,深入学习COMSOL软件的高级操作技巧,并结合学员科研背景进行案例演示,进一步挖掘实操中的常用技巧。

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4.多物理场仿真建模的高效技术解决方案

结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础,多物理场耦合的分析方法和注意事项,添加方程式及耦合分析;求解时域,频域和特征值问题;移动网格和自适应网格方法,查找,理解和排除建模中的错误,用户工作效率最大化的有效建模,仿真模拟在科研中的实战演练,结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练,进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议,针对科研工作中的问题和老师当面交流,理清思路,解决模拟困难。

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部分教学案例展示

几何建模注意事项

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优化网格划分的方法与技巧

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结果后处理与复杂图表绘制

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多物理场耦合的方法与技巧

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通过函数、变量与自定义方程

的使用模拟复杂问题

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纳米摩擦发电机仿真模拟

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微流体物质混合模拟

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金属光栅衍射

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电化学电流密度分布模拟

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电容计算

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光学环形谐振腔滤波器

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光子晶体带隙分析

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化学反应浓度分布模拟

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结果应力应变模拟

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金属颗粒光散射

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流固耦合

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流体传热多物理场

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热应力形变模拟

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水的蒸发冷却

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微流体多相流

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相场法模拟枝晶生长

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压顶换能器

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蒸发通量模拟

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4

课程试听

5

学员作品

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6

模拟案例

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常见问题

Q:有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助,真的能提高文章档次吗?

A:对于一部分的研究领域,例如人工超材料,理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域,模拟计算可以作为实验的补充,能进一步验证实验的结论,提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容,在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计,提高实验效率。

Q:我是零基础学员,两天的时间也能学会吗?

A:我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用,更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作,提升文章的质量。

Q:什么专业方向都可以做有限元模拟吗?

A:有限元方法是一种一般性的数值计算的方法,用来求解各种偏微分方程,理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用,而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中,例如柔性传感器件,能源器件,生物工程,微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。

Q:每场培训有多少学员呀?不会是那种人山人海的大课吧?

A:为保证教学质量,也为学员营造舒适的学习环境,我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内,以保证良好的课堂秩序,同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。

Q:我是慢热型的学生,接受新知识慢,一次学不够怎么办?

A:老学员可以免费复听,一次报名终身免费复学,只要你学不够,我们就一直教下去~

Q:可以开具发票进行报销吗?

A:当然可以!我们将为学员开具正规发票,并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料,并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。

Q:培训提供食宿吗?

A:我们为学员提供两日培训的午餐,住宿需要学员自费,我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息,方便学员选择和预定。老学员复听不再重复安排午餐和资料,带着身份证现场签到即可。

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