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关键词： 液氦上电子   对称性破缺   微波混频   太赫兹探测   自旋轨道耦合  

摘要： 电子在液氦上由于受到镜像电荷的吸引和表面排斥势垒,形成一系列的类氢能级,被认为是二维电子的理想模型系统。在低温时,电子处于基态,并且其最低两个能级之间的跃迁频率刚好在太赫兹(THz)波段,这是其他人造量子系统都难以实现的波段,因此具有很高的研究价值。由于液氦表面的势垒,电子的波函数存在对称性破坏,因此允许某些在原子系统中被禁止的跃迁,可以研究多光子现象。并且由于液氦的纯洁性,液氦上的电子系统之间的相互作用非常简单,液氦上电子具有许多典型的特点,比如高的电子迁移率和长的自旋相干时间等。基于这些性质,液氦上的电子具有非常好的应用前景。最新提出的镜像电荷法,能对高位里德伯态进行光谱研究,并且该方法还有检测单个电子自旋态的可能性,为利用液氦上电子的自旋态进行量子计算开辟一条新路径。第一章简要介绍了液氦上电子系统的背景知识、基本性质及研究进展。第二章介绍了光与原子的相互作用形式、密度算符、主方程以及镜像电荷法的原理和推导。第三章提出使用两个波激发液氦上的三能级电子来检测THz波。加入THz波可以引起电子在最低两个能级之间跃迁,再加入一束微波激发表面态电子的第二和第三能级之间的跃迁。THz波作为启动系统工作的触发器,根据镜像电荷法,可以在电子附近的电极中产生感应电荷振动,实现对THz的探测。结果表明,由于激发态的衰减需要相对强的THz波和较长的相互作用时间,与仅加入THz波相比,加入两束波能在一定程度上更有效的探测THz波。第四章提出了THz和千兆赫兹(GHz)电磁波在液氦上电子的低温系统中的频率混合效应。THz波与表面态电子的最低两个能级之间的跃迁频率接近共振。GHz波不会激发跃迁,但会通过液氦上电子的对称破缺本征态产生随GHz变化的斯塔克效应。输入的THz和GHz波之间的有效耦合,出现在电子和THz波之间的失谐等于GHz波频率的临界点。通过这种耦合,THz和GHz波协同激发电子并沿液氦表面垂直方向产生低频交流电流,并通过镜像电荷方法进行实验检测。这为THz检测提供了另一种方法。第五章提出探测液氦上电子自旋的方法,研究表明液氦上电子自旋具有长达100秒的相干时间,因此在实施量子信息处理方面具有很好的应用前景。然而,这一理论还未得到实验的证实。液氦上电子的自旋-轨道耦合可以为电子自旋探测提供一种可选的方法。理论上,电子自旋-轨道耦合可以由液氦膜下方的微电极电流产生。在微波驱动下,电子发生电偶极跃迁,导致电子距离液氦表面的平均高度发生改变。利用镜像电荷法,电子的这种轨道运动可以被实验测量。建立基于液氦上电子自旋-轨道耦合的密度矩阵方程,并数值求解镜像电荷的振动行为。结果表明不同的自旋态将会引起不同的感应电流,这种差异提供了一种可选的电子自旋探测方法。

关键词： 康德   时空表象   直观   惟一性   无限性   Kant   the representation of space and time   intuition   single   infinite  

摘要： 康德认为时空表象是先验感性的纯粹形式，他对时空表象直观性质的论证可以分为惟一性和无限性两个论证，从反面证明了时空表象为什么不是概念，从正面证明了时空表象为什么是直观。由于康德文本当中所存在的字面矛盾，导致康德的论证在当代遭受着国内外学者的众多批评，与此同时权威的康德研究者也为康德的论证进行了辩解和回护。本文结合前批判时期的文本以及康德与友人的书信，同时注意到康德哲学中对先验语言和经验语言的区分，重新审视康德的论证，对国内外的质疑做出了回应并且指出国内外学者所做出的解读乃至辩护虽然非常有力但依然存在问题，认为康德的时空表象的直观性质在康德哲学内部是可以得到澄清的，也是逻辑自洽的。

关键词： 磁子学   铁磁共振   磁子晶体   磁子共振透射   磁子共振隧穿  

摘要： 自旋波是磁有序体系中电子自旋子系统的本征激发。从经典角度,自旋波可看作是磁矩的一种进动模式。其中,磁矩的一致进动被称为铁磁共振,也可被认为是波数为零(k=0)的自旋波;磁矩的非一致进动则是波数不为零(k≠0)的自旋波。自旋波的量子化单元被称为磁激子或磁振子,简称为磁子。磁子作为磁性体系中的一种准粒子,可携带一个h的自旋角动量,用于信息的传输。研究磁子的新兴学科被称为磁子学。自旋波或磁子的传输,由于无需电子电荷移动,因此是一种纯自旋流,可有效降低电子电荷移动引起的欧姆损耗。并且由于磁子还具有波动性(相干特性),有望为未来器件提供更多的功能。本论文主要研究了磁纳米异质结构中的铁磁共振(k=0,λ→∞)和交换自旋波(k>0.0628 nm,λ<100 nm)的传输性质,发现了多个新奇的物理效应,具体内容如下:(1)在GGG衬底上制备了YIG薄膜,实验研究了该薄膜的铁磁共振性质,测得其Gilbert阻尼系数为=6.4×10。进一步制备了YIG和Co通过偶极相互作用耦合的磁异质结构,即YIG/Mg O/Co/Ir Mn/Ru,系统地研究了层间偶极场对铁磁共振的影响。结果表明,当Co的磁矩翻转时,YIG的铁磁共振线宽ΔH发生了展宽,并且在Co的磁矩为零时,展宽最显著。通过微磁学模拟,发现Co的磁矩在翻转过程中,Co的磁畴结构比饱和状态时更加随机和杂乱,这些磁畴产生非均一的偶极场,作用于YIG,使其线宽发生展宽,该现象被称为非均一偶极场诱导的铁磁共振线宽展宽。该工作揭示了一种新的线宽起源机制。(2)对于短波长的交换自旋波,理论证明了Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程可以转化成薛定谔(Schr?dinger)方程的形式,再结合转移矩阵方法,可以很方便地处理自旋波的多界面散射问题。在这种理论和计算的框架之下,研究了具有周期性交换偏置场的磁子晶体中交换自旋波的传输性质。该磁子晶体是通过在铁磁层Co Fe B上面周期性排列反铁磁层Mn N形成的。铁磁层的磁矩可以向上,作为up态;也可以向下,作为down态,up态和down态分别相当于自旋波在N个方势垒和N个方势阱中传输。结果表明:第一,自旋波透射谱的某些频率处会出现共振峰,对应于透射率T=1,说明这些频率的自旋波可以完全通过磁子晶体,这便是磁子晶体中的自旋波(磁子)共振透射效应。第二,通过对比up态和down态的透射谱,发现它们的共振透射峰不在同一个位置,down态的共振透射频率要比up态更低一些,我们称这种现象为自旋波(磁子)透射谱移动效应。第三,根据up态和down态在某些频段的透射率差异,可以设计一种新型磁子阀,实现对自旋波传输的调控,这是一种基于磁子晶体的磁子阀效应。(3)在YIG/GdIG构成的磁异质结构中,理论研究了平行(P)和反平行(AP)的磁矩排列对交换自旋波传输性质的影响。结果表明,对于P结构的磁异质结,总是存在一个临界角θ:当入射角小于临界角(θ<θ)时,自旋波发生折射和反射;当θ≥θ时,自旋波被全反射。对于AP结构的磁异质结,由于两个介质中自旋波的偏振方向相反,因此自旋波总是被全反射,与θ无关。对于P(θ>θ)和AP情况,发现透射的自旋波变成了倏逝波(evanescent wave),并且频率越高、入射角越大,倏逝波的衰减长度越短;计算了自旋波在界面的Goos-H?nchen(GH)位移,发现它总是一个正值,当界面交换耦合强度足够大时,利用有效反射界面移动的机制,半定量地解释了正GH位移,发现有效反射界面的移动距离约等于倏逝波的衰减长度。此外,还研究了自旋波在P和AP结构的多介质体系中的散射,系统地分析了其中的自旋波(磁子)共振透射、隧穿和共振隧穿效应。(4)理论研究了Gilbert阻尼对交换自旋波传输性质的影响。从完整的LLG方程出发,推导出了含有阻尼的自旋波(磁子)薛定谔方程。根据此方程,得到了含有阻尼的交换自旋波的色散关系、群速度、寿命和衰减长度的表达式。计算了四种典型磁性材料YIG、GdIG、Co Fe B和Ni Fe的上述性质,并进行了对比。此外,还研究了Gilbert阻尼对于自旋波(磁子)共振透射和共振隧穿的影响,发现阻尼会导致共振峰位的移动和峰值的降低。

关键词： 混杂非马尔可夫库   量子态扩散方法   环境记忆效应   量子退相干   量子关联   量子稠密编码  

摘要： 上世纪初量子力学迎来了瞬速的发展,而且信息技术的日益成熟,量子信息领域也得到了前所未有的成果。由于摩尔定理的局限性,科学家更加希望早日实现由量子固态系统组成的量子计算机。同时实际的量子系统与周围的环境(库)之间会发生无法避免的耦合,而在这种耦合的作用下量子系统很难保持已有的量子特性。固态体系等许多物理系统中,量子系统周围的环境具有记忆效应,这类系统必须要用非马尔可夫过程来描述。由于构成一个开放量子系统周围环境的热库里总是同时含有玻色子和费米子,用混杂非马尔可夫库来描述系统的热库是比较符合实际的,而不是单一的非马尔可夫玻色库或者费米库。本文利用混杂非马尔可夫量子态扩散方法,研究了混杂库耦合到海森堡自旋链模型的量子纠缠,量子失协和量子稠密编码信道容量的动力学演化特性的影响。主要目的是探究混杂库是否有助于提高量子纠缠,量子失协及信道容量,并通过与单一非马尔可夫库的情形进行对比验证混杂非马尔可夫库是否具有优越性等问题。本论文一共分为五章内容。第一章,综述了量子信息科学的研究背景与研究意义,并介绍了两种开放量子系统的演化过程。第二章,介绍了混杂库的量子态扩散方法,量子纠缠与量子失协的概念以及度量方式,量子稠密编码与信道容量与相变点有关内容。第三章,研究了混杂库对海森堡自旋链模型的量子纠缠和量子失协的动力学演化特性的影响,并与单一库中的演化结果进行比较。数值模拟结果显示,与单一库相比,与混杂库耦合的海森堡自旋链模型显示出更高的纠缠度和更优的量子失协状态及更长的弛豫时间。第四章,研究了在不同非马尔可夫环境条件参数条件下,量子系统处于不同信道和自旋链内部的耦合常数的变化,对混杂库和单一库对量子稠密编码信道容量的动力学演化的影响。结果显示为,与单一库相比,系统在混杂库中不但得到了较高的信道容量值,而且退相干显著延迟,信道容量达到稳态值之前长时间保持非马尔可夫性振荡,表现较强的环境记忆效应。第五章,进行总结与展望。

关键词： 光子自旋霍尔效应   多元线性回归   随机森林   外尔半金属   α-Li3N  

摘要： 自光子自旋霍尔效应被发现以来,就引起了科学界的广泛关注,因其广泛应用于量子信息、光谱芯片、纳米光子器件、生物传感器、精密测量等领域。然而,光子自旋霍尔效应非常弱,怎样将其增强是非常必要的。拓扑半金属是近年来发现的一种拓扑材料,其与光子自旋霍尔效应的结合仍处于初期阶段,尤其是被称为“三维石墨烯”的外尔半金属和最近理论上被预言的节线半金属α-LiN,它们在光电器件方面具有重要的应用前景,因此本文采用外尔半金属和α-LiN型拓扑半金属来研究光子自旋霍尔效应的调控机制。本文首先通过统计方法和机器学习探究影响光子自旋霍尔效应的主要因素,然后结合相关的物理理论探究极大增强光子自旋霍尔效应的调控机制,最后提出一种测量光子自旋霍尔效应的可行性实验装置。相应的工作及研究成果如下:在对光子自旋霍尔效应影响因素的探究中,本文采用多元线性回归、传统的多元非线性回归和随机森林回归进行研究,结果表明:无论哪种拓扑半金属,随机森林回归的拟合效果都是最优的,拟合优度达0.85以上。此外,通过变量重要性评价结果得出:在外尔半金属模型中,物理量入射角、γ/ω和介电常数是影响光子自旋霍尔效应的主要因素;在α-LiN型拓扑半金属模型中,物理量入射角是影响光子自旋霍尔效应的主要因素。在光子自旋霍尔效应调控机制的研究中,本文结合机器学习探究中得出的主要影响因素和相关的物理理论进行分析,并得出光子自旋霍尔效应的调控机制。在外尔半金属的研究中得出:介电常数接近零的材料作为基底可以有效地增强光子自旋霍尔效应;光子自旋霍尔位移通常出现在菲涅耳反射系数具有局部极小值的情况下,且当物理量ω/ω=0.979和θ=73时,面内(或横向)光子自旋霍尔位移的最大位移为入射光波长的471(或55.8)倍。在α-LiN型半金属的研究中得出:光子自旋霍尔位移的最大值出现在带间吸收的高能侧,并随着入射角或介电常数的增加而出现红移;压缩晶格应变使光子自旋霍尔位移的峰值(或谷值)表现出蓝移。上述研究结果为深入理解拓扑半金属中的光子自旋霍尔效应提供了理论依据,同时也可为利用光子自旋霍尔效应检测拓扑材料的晶格应变或拓扑相变提供新思路或新方法。

关键词： 量子自旋系统   切比雪夫多项式   大规模矩阵对角化   中间能级  

摘要： 量子自旋系统是理论物理的重要模型,它提供了一个观察和理解丰富多彩的量子现象的窗口.有限维希尔伯特空间的量子力学可以很好地被线性代数刻画.过去,由于低温环境更便于展现量子效应,系统的基态和一些最低激发态一直是关注焦点.近年来,人们则越来越多地从纯粹量子系统角度理解世界,探索热力学极限下量子与经典世界的异同.在量子达尔文主义、量子热力学、量子混沌等领域的研究中,人们往往需要系统中间能级(无穷温度)的信息.然而针对高激发态的数值算法很少见.对于自旋数目较大的体系,由于计算资源需求增长的速度太快,完全精确对角化往往不是现实的选项.另外,由于本征值问题被证实为QMA-complete,量子计算机也不能有效求解.现在人们常用shift-invert方法求解指定位置的部分能级,但由于涉及到矩阵分解的操作,仍然不甚实用.针对这个难题,我们设计开发了delta-Davidson方法(DELDAV),它能够求解任意给定位置的小部分(数百个)本征值.通过对狄拉克delta函数做切比雪夫多项式展开(类比于虚时间演化放大基态的概率幅),DELDAV实现了对指定本征态占据概率的快速放大.另外采用Davidson框架使得DELDAV能够更有效地应对能级近简并问题.在横场伊辛和自旋玻璃模型上的数值测试证明了该方法的精确、高效和鲁棒性.为进一步地解决中间能级的难解问题,我们设计开发了双重应用切比雪夫多项式方法(DACP),用于一次性精确计算(至少)数千个中心位置的本征值.该方法的关键创新点,是复合运用了多种切比雪夫多项式特性.首先,利用切比雪夫多项式的最速增长性,DACP能够快速放大中心能级的占据概率,从而构造局域在能级中心处的波包.然后,通过切比雪夫多项式在中心处对三角函数的天然拟合,DACP实现了高效率地构造子空间的基矢组.由于成功地组合运用了切比雪夫多项式特性(代价是计算范围只限于中心能级附近),DACP比DELDAV大幅提升了计算效率.在自旋系统中的数值测试展示了该方法的精确和高效,特别是它相比于shift-invert方法更有巨大优势.上述两种方法计算效率高,内存需求低,有望实现大规模地精确求解自旋体系本征值问题.掌握量子自旋系统的本征值和本征态的精确信息有助于对纠缠熵、量子混沌、多体局域化、长时间退相干行为等一系列物理问题的探讨.

关键词： 自旋交叉   晶体结构   磁性质   Fe配合物   Mn配合物  

摘要： 双稳态分子基磁性材料因其在分子电子和纳米级器件中的潜在应用而成为研究的热点,自旋交叉(Spin Crossover,SCO)分子就是这样一类双稳态材料。高自旋(High Spin,HS)与低自旋(Low Spin,LS)状态之间的转变由外部参数(即温度、压力、光照等)的变化驱动,并伴随着材料结构和性能的变化。因此,自旋交叉材料在分子电子学、数据存储和显示设备等领域具备应用潜力。基于此,本论文设计并合成了一系列六齿希夫碱配体构筑的Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅲ)自旋交叉配合物,并对其结构、磁性和电化学等性质进行了表征。取得了如下研究结果:一、基于阴离子调控的Fe(Ⅲ)配合物[Fe(5-F-sal-N-1,4,7,10)]X的研究。以六齿希夫碱(saltrien)配体为基础,为丰富系统中分子间相互作用,在配体中引入氟取代基以获得(5-F-sal-N-1,4,7,10)配体,并使用不同阴离子合成了配合物1-3。以单晶X-射线衍射和磁性测量进行了结构与磁性分析,并以赫斯菲尔德表面分析作为辅助手段。结果表明三个配合物磁性差异较大,配合物1为不完全的渐进型自旋交叉;配合物2中Fe1中心发生了完全的自旋转变,Fe2中心一直保持在高自旋状态;配合物3中Fe1和Fe2中心在2-400 K均为高自旋状态。磁性质的巨大差异表明阴离子在调控配合物自旋交叉性质方面具有重要价值。二、基于卤素取代的Fe(Ⅲ)配合物[Fe(5-X-sal-N-1,4,7,10)]Cl O的研究。为研究卤素取代基对自旋交叉行为的影响,合成了配合物4-7:[Fe(5-X-sal-N-1,4,7,10)]Cl O(X=F(4),Cl(5),Br(6)和I(7))。单晶X-射线分析表明,配合物4的不对称单元中包含两种类型阳离子(Fe1和Fe2),而配合物5-7中只含有一种类型阳离子。磁性分析表明配合物4中两种类型Fe(Ⅲ)中心经历了不同的SCO行为,配合物5和6在2-300 K一直处于LS状态。电化学分析表明配体取代影响了金属中心的电子密度。此外,红外光谱表明配合物中阴阳离子间的氢键强度存在差异。因此,通过调节配体取代基可以影响配合物的自旋交叉行为。三、基于阴离子调控的Mn(Ⅲ)配合物[Mn(5-Br-3-OMe-sal-N-1,5,8,12)]Y的研究。合成了四例以Mn(Ⅲ)为中心的仅阴离子不同的六齿席夫碱配合物[Mn(5-Br-3-OMe-sal-N-1,5,8,12)]Y(Y=PF(8),Br(9),Cl(10)和Cl O(11))。X射线单晶衍射分析表明配合物8–10的堆积结构较为相似,但分子间相互作用强度与种类有区别。阴离子从Br到Cl体积减小,Mn···Mn距离变短,导致了配合物10更紧密的堆积。磁性分析表明配合物8发生部分SCO。证明改变阴离子对单核Mn(Ⅲ)席夫碱配合物的磁性质调控行之有效。

关键词： 类脑计算   自旋电子器件   霍尔条   脉冲时间依赖可塑性   存算一体   人工突触  

摘要： 随着通用人工智能技术的发展,传统的冯·诺依曼计算架构遇到了诸多瓶颈,探索一种能够加速处理海量数据的全新计算架构成为了当今世界的一项重大课题。研究发现,受脑科学启发的类脑计算架构在高效率计算、高复杂度问题求解、低功耗计算等方面具有极大的发展潜力。而在类脑计算架构中,最为重要的组成部分便是低功耗、高性能的神经元和突触器件,此类神经形态计算器件在构建新型类脑计算芯片方面具有极大的需求。本文围绕自旋电子学器件——霍尔条(Hall-Bar)开展模拟神经突触特性的研究,结合多种神经突触算法,探索人工突触电路在模拟突触特性方面的可能性。本文的主要研究创新内容如下:(1)开展了自旋神经突触器件的性能与建模研究。基于自旋电子学相关理论设计了器件结构,制备了相应的自旋突触器件,探究了器件的突触相关特性,并在Cadence仿真环境下,首次利用Verilog-A语言建立了自旋突触器件的行为级仿真模型。(2)开展了纯硬件方式实现的脉冲时间依赖可塑性(Spike Time Dependent Plasticity,STDP)复合学习算法的研究。首次提出了关联脉冲时间、宽度和个数依赖可塑性的突触复合学习算法的实现方案,构建了复合学习算法的纯硬件电路,并且实现了模拟神经突触行为以及非监督学习等功能。(3)开展了人工突触电路存算一体化的研究。首次提出并设计了集权重存储、计算于一体的人工突触电路。相比于CMOS器件构造的突触,该突触电路具有高并行、非易失、低功耗、存算融合、集成度高等特点,并通过器件的性能测试,以及整体电路的功能测试,验证了该电路的突触可塑性。本文所提出的人工突触电路具有生物的突触可塑性,实现了突触的兴奋增强、抑制衰弱、遗忘等学习功能。并结合相应的应用场景,首次利用单个人工突触构造存算一体电路实现了移动物体个数、位移速度的计算与存储的功能。