這里我們選取了5篇2020年發(fā)布在Nature上關(guān)于納米光電子學(xué)、運(yùn)用拓?fù)涓拍畹淖钚挛恼?，與大家共同學(xué)習(xí)。
Nature 2月12日
具有谷邊緣模式的電泵浦拓?fù)浼す馄?/h3>
Electrically pumped topological laser with valley edge modes.?Nature?578,?246–250 (2020).
量子級(jí)聯(lián)激光器是緊湊的，電泵浦的光源，位于電磁光譜技術(shù)上重要的中紅外和太赫茲區(qū)域。最近，拓?fù)涞母拍钜褟哪蹜B(tài)物理擴(kuò)展到光子，從而產(chǎn)生了一種新型的激光，其拓?fù)浔Ｗo(hù)光子模式能夠有效繞過(guò)拐角和缺陷。拓?fù)浼す馄鞯南惹把菔拘枰獠考す庠磥?lái)進(jìn)行光泵浦，并在常規(guī)的光學(xué)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行操作。在這里，我們展示了基于拓?fù)涫鼙Ｗo(hù)的谷邊緣狀態(tài)的電泵太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器。與依靠大型特征提供拓?fù)浔Ｗo(hù)的拓?fù)浼す馄鞑煌?，我們的緊湊型設(shè)計(jì)利用了光子晶體的自由度谷，類似于二維帶隙谷電子材料。即使在底層結(jié)構(gòu)中引入了擾動(dòng)，在尖角三角形的空腔中也會(huì)發(fā)生具有規(guī)則間隔發(fā)射峰的發(fā)射，由于存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的山谷邊緣狀態(tài)，這些狀態(tài)在空腔周圍循環(huán)而未經(jīng)歷局部化。我們通過(guò)向拓?fù)淝恢刑砑硬煌鸟詈掀鱽?lái)探究拓?fù)浼す饽Ｊ降奶匦??；诠冗吘墵顟B(tài)的激光器可以為在電動(dòng)激光源中實(shí)際使用拓?fù)浔Ｗo(hù)開(kāi)辟道路。
Nature 3月1日
硅中單個(gè)高自旋核的相干電控制
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對(duì)象。在大型諧振中，它們通過(guò)磁共振控制和檢測(cè)已被廣泛使用，例如在化學(xué)，醫(yī)學(xué)，材料科學(xué)和采礦中。早期關(guān)于固態(tài)量子計(jì)算機(jī)的建議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。擴(kuò)大這樣的概念需要控制單個(gè)原子核，當(dāng)耦合到電子時(shí)可以檢測(cè)到。但是，需要通過(guò)振蕩磁場(chǎng)來(lái)處理原子核，這使其在多自旋納米級(jí)器件中的集成變得更加復(fù)雜，因?yàn)樵撟侄螣o(wú)法本地化或篩選。通過(guò)電場(chǎng)控制可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是以前的方法依靠電子-核超細(xì)相互作用將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，這嚴(yán)重影響了核的相干性。在這里，我們演示了使用硅納米電子器件內(nèi)產(chǎn)生的局部電場(chǎng)對(duì)單個(gè)123Sb（spin-7 / 2）原子核進(jìn)行相干量子控制。該方法利用了1961年提出的想法，但以前并未通過(guò)單個(gè)核實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。我們的結(jié)果得到微觀理論模型的定量支持，該理論模型揭示了核四極相互作用的純電調(diào)制如何導(dǎo)致相干核自旋躍遷，由于晶格應(yīng)變，它們是唯一可尋址的。自旋相移時(shí)間為0.1秒，比通過(guò)需要耦合電子自旋以實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)的方法獲得的相移時(shí)間要長(zhǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些結(jié)果表明高自旋四極核可被部署為使用全電控制的混沌模型，應(yīng)變傳感器和混合自旋機(jī)械量子系統(tǒng)。將電可控核與量子點(diǎn)集成在一起，可以為無(wú)需振蕩磁場(chǎng)即可運(yùn)行的硅中可擴(kuò)展的，基于核和電子自旋的量子計(jì)算機(jī)鋪平道路。
圖. 硅器件中的123Sb核自旋
Nature 4月22日
觀察啟用拓?fù)涞膯蜗蛞龑?dǎo)共振
Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances.?Nature?580,?467–471 (2020).
單向輻射對(duì)于各種光電應(yīng)用（例如激光器，光柵耦合器和光學(xué)天線）很重要。但是，幾乎所有現(xiàn)有的單向發(fā)射器都依賴于使用禁止出射波的材料或結(jié)構(gòu)-即反射鏡，這些反射鏡通常體積大，損耗大且難以制造。在這里，我們從理論上提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光子晶體平板中的一類共振，該共振僅向平板的一側(cè)輻射，而另一側(cè)沒(méi)有反射鏡。這些共振（我們稱為“單向引導(dǎo)共振”）在本質(zhì)上被發(fā)現(xiàn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：當(dāng)極化場(chǎng)中的一對(duì)半整數(shù)拓?fù)潆姾稍趧?dòng)量空間中相互反彈時(shí)，它們就會(huì)出現(xiàn)。我們通過(guò)實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.6×105的單邊輻射品質(zhì)因數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電信號(hào)體制中的單向引導(dǎo)共振。我們通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)極化測(cè)量進(jìn)一步證明了它們的拓?fù)湫再|(zhì)。我們的工作代表了應(yīng)用拓?fù)湓韥?lái)控制光場(chǎng)的典型示例，并且可能會(huì)產(chǎn)生用于光檢測(cè)和測(cè)距的節(jié)能光柵耦合器和天線。
圖. UGR及其拓?fù)湫再|(zhì)
Nature 5月6日
映射魔角石墨烯中的扭曲角紊亂和Landau能級(jí)
Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene.?Nature?581,?47–52 (2020).
最近發(fā)現(xiàn)的扁平電子帶以及魔術(shù)角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中的強(qiáng)相關(guān)和超導(dǎo)相關(guān)鍵取決于層間扭曲角θ。雖然已證明我們能以大約0.1度的精度控制全局θ，但是關(guān)于局部扭曲角分布的信息很少。在這里，我們使用納米級(jí)尖端掃描超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID-on-tip）來(lái)獲得處于量子霍爾態(tài)的朗道能級(jí)的斷層圖像。并繪制六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG器件中的局部θ變化圖，其相對(duì)精度優(yōu)于0.002度，并且空間分辨率為幾個(gè)莫爾周期。我們發(fā)現(xiàn)θ紊亂程度與MATBG傳輸特性的質(zhì)量之間存在相關(guān)性，并表明，即使是具有相關(guān)狀態(tài)的最先進(jìn)的設(shè)備，朗道風(fēng)扇和超導(dǎo)性-在θ上顯示相當(dāng)大的局部變化，最大變化為0.1度，表現(xiàn)出明顯的梯度和跳躍網(wǎng)絡(luò)，可能包含沒(méi)有本地MATBG行為的區(qū)域。我們觀察到MATBG中的相關(guān)狀態(tài)相對(duì)于扭曲角異常特別脆弱。我們還表明，θ的梯度會(huì)產(chǎn)生較大的門可調(diào)平面內(nèi)電場(chǎng)，即使在金屬區(qū)域也不會(huì)被屏蔽，通過(guò)在樣品的大部分區(qū)域中形成邊緣通道來(lái)深刻改變量子霍爾態(tài)，并可能影響相關(guān)態(tài)和超導(dǎo)態(tài)的相圖。因此，我們確立了θ無(wú)序作為非常規(guī)類型無(wú)序的重要性，從而能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用扭曲角梯度，用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象以及用于設(shè)備應(yīng)用的門可調(diào)內(nèi)置平面電場(chǎng)。
圖. MATBG中平坦帶和分散帶中全局和局部量子霍爾特征的比較
Nature 7月8日
混合光子電路中人工原子的大規(guī)模集成
Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits.?Nature?583,?226–231 (2020).
開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是糾纏在許多可單獨(dú)控制的量子位中的分布。鉆石中的色心已成為固態(tài)“人造原子”量子比特，因?yàn)樗鼈兛梢园葱柽M(jìn)行遠(yuǎn)程糾纏，具有十分鐘長(zhǎng)的相干時(shí)間和記憶增強(qiáng)量子通信的十個(gè)輔助量子位的相干控制。下一步的關(guān)鍵是將大量的人造原子與光子結(jié)構(gòu)集成在一起，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子信息處理系統(tǒng)。到目前為止，這些努力已因量子位不均勻，器件產(chǎn)量低和器件要求復(fù)雜而受阻。在這里，我們介紹了一種在光子集成電路（PIC）上高產(chǎn)量異構(gòu)集成“量子微芯片”（包含高度相干色心的金剛石波導(dǎo)陣列）的過(guò)程。我們使用此過(guò)程在氮化鋁PIC中實(shí)現(xiàn)了128通道的無(wú)缺陷鍺空位和硅空位色心陣列。光致發(fā)光光譜顯示鍺空位（硅空位）發(fā)射器的長(zhǎng)期，穩(wěn)定且狹窄的平均光學(xué)線寬為54兆赫茲（146兆赫茲），接近壽命限制的32兆赫茲（93兆赫茲）線寬。我們表明，可以通過(guò)在50千兆赫茲范圍內(nèi)進(jìn)行集成調(diào)諧來(lái)原位補(bǔ)償單個(gè)色心光學(xué)過(guò)渡的不均勻性，而不會(huì)降低線寬。將大量幾乎無(wú)法區(qū)分和可調(diào)的人造原子組裝成相對(duì)穩(wěn)定的PIC的能力，標(biāo)志著邁向多路復(fù)用量子中繼器和通用量子處理器的關(guān)鍵一步。
圖. 人造原子與光子學(xué)的可擴(kuò)展集成
以上這些高水平文章都有一個(gè)共同點(diǎn)那就是使用了COMSOL數(shù)值模擬來(lái)幫助闡述科學(xué)問(wèn)題。COMSOL是功能非常強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算軟件，能夠根據(jù)研究者的需要自由地求解各種形式的偏微分方程。COMSOL越來(lái)越多地出現(xiàn)在高檔次文章，越來(lái)越多的研究者將其應(yīng)用于自己的研究，它可以模擬電磁，光學(xué)，聲學(xué)，力學(xué)，流體，化工，電池與電化學(xué)等等各種能用偏微分方程來(lái)描述物理和化學(xué)過(guò)程。
如今在高檔次文章中結(jié)合COMSOL仿真模擬來(lái)解釋科學(xué)問(wèn)題，展示物理機(jī)制的方式已經(jīng)變得越來(lái)越常見(jiàn)。特別是對(duì)于這種機(jī)理解釋型文章，一些仿真模擬可以說(shuō)是必不可少的。
為了讓更多科研人員能夠迅速且科學(xué)地掌握這一前沿高效的數(shù)據(jù)分析軟件，北京中科幻彩動(dòng)漫科技有限公司舉辦主題為“科研模擬?學(xué)術(shù)仿真”的文章檔次提升專題培訓(xùn)?。?！
文末福利：免費(fèi)領(lǐng)取有限元模擬教學(xué)視頻
科研模擬·學(xué)術(shù)仿真專題培訓(xùn)會(huì)
2020年09月19-20日?北京·中科院物理所
2020年09月26-27日?廣州·華南師范大學(xué)
2020年10月17-18日?上?！?fù)旦大學(xué)
提高文章中稿率、沖高影響因子的關(guān)鍵，在于數(shù)據(jù)的說(shuō)服力是否足夠強(qiáng)大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，數(shù)據(jù)不夠完美，論文內(nèi)容缺乏支撐，這些問(wèn)題有限元仿真模擬都可以輕松解決。幫助文章輕輕松松更上一區(qū)，讓你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從此告別“差強(qiáng)人意”，高影響因子不是夢(mèng)！
在當(dāng)今的高檔次科研論文中我們能夠見(jiàn)到許多工作都使用到了仿真模擬來(lái)闡述科學(xué)問(wèn)題。一直以來(lái)仿真模擬就是一項(xiàng)重要的科研技能，在許多物理和工程類學(xué)科（力學(xué)，光學(xué)，流體力學(xué)，電磁學(xué)，聲學(xué)，化工）中發(fā)揮著不可替代的作用。許多科研工作的理論分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化都依靠仿真模擬來(lái)完成。近年來(lái)隨著交叉學(xué)科的發(fā)展，仿真模擬的需求也不限于上述的學(xué)科，在新興的材料科學(xué)，能源科學(xué)，生命科學(xué)的研究工作中也越來(lái)越多的應(yīng)用到仿真模擬這一工具。另一方面隨著友好易用的商用仿真模擬軟件COMSOL的出現(xiàn)，仿真模擬不再是一項(xiàng)需要深厚理論基礎(chǔ)的高門檻技術(shù)。通過(guò)COMSOL軟件的使用，越來(lái)越多的科研工作者可以利用仿真模擬幫助自己的研究工作。
本課程專門針對(duì)科研學(xué)術(shù)領(lǐng)域，為學(xué)員提供仿真模擬軟件COMSOL Multiphysics 軟件使用的全面詳細(xì)講解。課程從入門級(jí)內(nèi)容開(kāi)始，循序漸進(jìn)地講解數(shù)值仿真中的模型分析方法，以及建模操作流程（其中包括創(chuàng)建幾何、網(wǎng)格剖分、設(shè)定物理場(chǎng)、求解及結(jié)果的后處理等），讓學(xué)員全面掌握整個(gè)建模流程，并能夠獨(dú)立地使用 COMSOL 求解相關(guān)仿真問(wèn)題。有無(wú)基礎(chǔ)的學(xué)員均可參加培訓(xùn)，我們將根據(jù)學(xué)員的專業(yè)背景和軟件基礎(chǔ)量身定制課程內(nèi)容。
1.入門有限元仿真模擬
有限元方法的基本內(nèi)涵，仿真模擬基本理論的講解，以及該方法在科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和重要意義，能夠幫助科研人員解決的實(shí)際問(wèn)題，不同仿真模擬軟件（COMSOL ANSYS Abaqus）的特點(diǎn)和在科研上運(yùn)用的優(yōu)缺點(diǎn)比較；
COMSOL 軟件介紹及基本操作演示和教學(xué)，包括軟件界面學(xué)習(xí)、創(chuàng)建和導(dǎo)入幾何模型、物理場(chǎng)設(shè)置、網(wǎng)格剖分與求解和結(jié)果后處理等。
2.有限元模擬的一般思路和通用方法
解線性和非線性有限元法的理論基礎(chǔ)，了解COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件的基本知識(shí)，以典型的多物理場(chǎng)模擬為入門教學(xué)案例，幫助學(xué)員迅速入門并掌握有限元分析方法的基本思路，并能夠靈活應(yīng)用于自己的研究領(lǐng)域。
3.COMSOL軟件的高級(jí)使用技巧
結(jié)合大量科研實(shí)際案例進(jìn)行實(shí)踐操作過(guò)程的演示教學(xué)，包括幾何建模注意事項(xiàng)，優(yōu)化網(wǎng)格劃分的方法與技巧，結(jié)果后處理與復(fù)雜圖表的繪制方法，多物理場(chǎng)耦合的方法與技巧，通過(guò)函數(shù)、變量與自定義方程的使用模擬復(fù)雜的問(wèn)題等，深入學(xué)習(xí)COMSOL軟件的高級(jí)操作技巧，并結(jié)合學(xué)員科研背景進(jìn)行案例演示，進(jìn)一步挖掘?qū)嵅僦械某Ｓ眉记伞?/p>
4.多物理場(chǎng)仿真建模的高效技術(shù)解決方案
結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)多物理場(chǎng)仿真有限元法的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，多物理場(chǎng)耦合的分析方法和注意事項(xiàng)，添加方程式及耦合分析；求解時(shí)域，頻域和特征值問(wèn)題；移動(dòng)網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格方法，查找，理解和排除建模中的錯(cuò)誤，用戶工作效率最大化的有效建模，仿真模擬在科研中的實(shí)戰(zhàn)演練，結(jié)合學(xué)員背景與最新頂級(jí)期刊案例進(jìn)行仿真模擬實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)COMSOL軟件的指導(dǎo)與建議，針對(duì)科研工作中的問(wèn)題和老師當(dāng)面交流，理清思路，解決模擬困難。
部分教學(xué)案例展示
幾何建模注意事項(xiàng)
優(yōu)化網(wǎng)格劃分的方法與技巧
結(jié)果后處理與復(fù)雜圖表繪制
多物理場(chǎng)耦合的方法與技巧
通過(guò)函數(shù)、變量與自定義方程
的使用模擬復(fù)雜問(wèn)題
納米摩擦發(fā)電機(jī)仿真模擬
微流體物質(zhì)混合模擬
金屬光柵衍射
電化學(xué)電流密度分布模擬
電容計(jì)算
光學(xué)環(huán)形諧振腔濾波器
光子晶體帶隙分析
化學(xué)反應(yīng)濃度分布模擬
結(jié)果應(yīng)力應(yīng)變模擬
金屬顆粒光散射
流固耦合
流體傳熱多物理場(chǎng)
熱應(yīng)力形變模擬
水的蒸發(fā)冷卻
微流體多相流
相場(chǎng)法模擬枝晶生長(zhǎng)
壓頂換能器
蒸發(fā)通量模擬
4
課程試聽(tīng)
5
學(xué)員作品
6
模擬案例
常見(jiàn)問(wèn)題
Q：有限元仿真模擬對(duì)我的論文有怎樣的幫助，真的能提高文章檔次嗎？
A：對(duì)于一部分的研究領(lǐng)域，例如人工超材料，理論上的模擬計(jì)算可以說(shuō)是必不可少的。而對(duì)于更多的研究領(lǐng)域，模擬計(jì)算可以作為實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，能進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，提高結(jié)論的說(shuō)服力。理論模擬豐富了文章的內(nèi)容，在工作量上也使文章更充實(shí)。另外模擬計(jì)算很多時(shí)候可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)效率。
Q：我是零基礎(chǔ)學(xué)員，兩天的時(shí)間也能學(xué)會(huì)嗎？
A：我們的培訓(xùn)就是針對(duì)零基礎(chǔ)學(xué)員的。我們的課程一方面講授模擬軟件的使用，更重要的是另一方面講解科研中的理論建模的思維方法。如何把模擬加入自己的科研工作，提升文章的質(zhì)量。
Q：什么專業(yè)方向都可以做有限元模擬嗎？
A：有限元方法是一種一般性的數(shù)值計(jì)算的方法，用來(lái)求解各種偏微分方程，理論上只要是能用偏微分方程描述的物理化學(xué)過(guò)程都可以都用有限元方法求解。有限元不僅在各個(gè)物理學(xué)科和工程領(lǐng)域這些傳統(tǒng)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而且現(xiàn)在越來(lái)越多的運(yùn)用到交叉學(xué)科的研究中，例如柔性傳感器件，能源器件，生物工程，微流控等等幾乎目前所有的熱門研究領(lǐng)域。
Q：每場(chǎng)培訓(xùn)有多少學(xué)員呀？不會(huì)是那種人山人海的大課吧？
A：為保證教學(xué)質(zhì)量，也為學(xué)員營(yíng)造舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，我們每場(chǎng)培訓(xùn)都會(huì)將招生人數(shù)限制在30人以內(nèi)，以保證良好的課堂秩序，同時(shí)安排助教協(xié)助學(xué)員進(jìn)行軟件安裝、現(xiàn)場(chǎng)答疑、課堂輔助教學(xué)等。
Q：我是慢熱型的學(xué)生，接受新知識(shí)慢，一次學(xué)不夠怎么辦？
A：老學(xué)員可以免費(fèi)復(fù)聽(tīng)，一次報(bào)名終身免費(fèi)復(fù)學(xué)，只要你學(xué)不夠，我們就一直教下去～
Q：可以開(kāi)具發(fā)票進(jìn)行報(bào)銷嗎？
A：當(dāng)然可以！我們將為學(xué)員開(kāi)具正規(guī)發(fā)票，并可以根據(jù)學(xué)員報(bào)銷需求提供培訓(xùn)邀請(qǐng)函、項(xiàng)目明細(xì)清單、會(huì)議注冊(cè)表等材料，并在培訓(xùn)當(dāng)天將發(fā)票和報(bào)銷材料發(fā)放給學(xué)員。
Q：培訓(xùn)提供食宿嗎？
A：我們?yōu)閷W(xué)員提供兩日培訓(xùn)的午餐，住宿需要學(xué)員自費(fèi)，我們會(huì)在報(bào)名確認(rèn)郵件中發(fā)送周邊酒店信息，方便學(xué)員選擇和預(yù)定。老學(xué)員復(fù)聽(tīng)不再重復(fù)安排午餐和資料，帶著身份證現(xiàn)場(chǎng)簽到即可。
