实验室概况

      激光等离子体教育部重点实验室(http://llp.sjtu.edu.cn)是我国唯一研究激光等离子体的专业实验室和人才培养基地。实验室定位于激光等离子体相关学科的基础和应用基础研究,逐步形成了从强激光系统研制到激光等离子体理论、设计和物理实验的完整研究体系。在基础研究层面,实验室致力于创建和开放可模拟大到高能天体、小到核内部的高能量密度实验室环境,探索极端物质状态下的科学未知;在应用研究层面,实验室着力于解决关乎国计民生的能源问题,为洁净能源技术的研发输送总体设计和关键技术,帮助解决其中的重大技术问题。实验室积极发展具有重大战略性、前瞻性、基础性的相关学科研究方向,设立了激光等离子体理论和数值模拟、激光等离子体物理实验、高功率激光技术,微纳制造与精密制靶四个主要研究方向。

      实验室目前有超过3000 m2的科研用房,正在新筹建6000 m2的专用实验大楼;已经具备超快电子成像系统、高功率飞秒激光系统、高能泵浦激光源、1.4Tflops高性能计算服务器等大型仪器设备,累计总价超过4000万元。

      实验室汇聚了激光等离子体物理、光学工程、微纳精密制造等方面的杰出人才,形成了国家重大专项研究基地、教育部IFSA联合研究中心和教育部创新团队。实验室现有主体核心成员近40名,其中院士3名、“”讲席教授1名、教育部长江特聘教授1名、国家杰出青年科学基金获得者4名、中科院获得者4名、教育部新世纪人才和上海市曙光学者近10名。特别需要指出的是,实验室努力提升国际化程度,积极引进外籍国际学术大师和科研骨干。

      实验室成员近5年在SCI收录的重要国际学术刊物上发表论文共约200篇,其中Physical Review Letters上发表论文10篇,Nature Physics 2篇,在Optics Letters、Optics Express、Physical Review等影响因子超过2.0的国际学术刊物上发表近100篇,专题综述论文3篇,在重要国际学术会议上做特邀报告30余次。6人次担任在美国、日本发行的本领域重要专业学术刊物的副主编或国际编委。在等离子体物理方面,获国际第三世界科学院TWAS物理奖、国家自然科学二等奖和中国科学院杰出成就奖;在强激光技术方面,获国家科技进步一等奖、军队科技进步一等奖和二等奖。

      实验室是激光等离子体相关学科对外国际合作与交流的重要窗口。实验室与英国卢瑟福实验室的激光中心、日本大阪大学激光聚变研究所、美国加州大学伯克利国家实验室(美国能源部实验室)、罗彻斯特大学强激光实验室、佛罗里大州立大学强磁场实验室、德国马普量子光学研究所等国际主要相关专业研究机构建立了长期、紧密的合作关系,首次在我国(和第三世界)成功举办了多个本领域的国际重要专业学术会议,代表我国在国际激光等离子体领域展示日益增强的影响力。

      作为我国激光等离子体唯一的专业实验室,作为激光等离子体相关专业的人才培养基地,作为我国激光等离子体相关学科对外国际合作与交流的重要窗口,实验室在科研和学科建设方面的努力和进步,必将促进我国激光等离子体事业的长期持续发展,为攀登强激光和等离子体物理新的科学高峰做出贡献。

      更多信息请参阅实验室主页: http://llp.sjtu.edu.cn

实验室动态

上海交大极端法拉第效应研究取得重要进展
1846年发现的法拉第效应首次在实验上证明了光具有电磁波属性。法拉第效应也称为法拉第旋转:当线偏振光在物质中沿磁场方向传播时,其偏振方向将发生旋转;旋转角度正比于传播方向的磁场强度及传播距离。从单原子层的石墨烯到宇宙中的巨大星系等各个尺度的物理系统中都已观察到法拉第旋转效应。此效应也被广泛应用于对光的操控、对磁场及材料属性的测量中。最近,激光等离子体实验室的翁苏明特别研究员和盛政明教授等人发现了法拉第效应的一种极端表现形式:线偏振超短激光脉冲在强磁化等离子体中沿磁场方向传播时可逐渐分裂成两个圆偏振激光脉冲,其中左旋圆偏振脉冲在前,右旋圆偏振脉冲紧随其后。研究表明在强磁化等离子体中,左旋与右旋圆偏振光不仅具有不同的相速度,同时还具有不同的群速度。前者可导致线偏光的偏振方向发生旋转;而后者则直接导致构成线偏光的左旋光脉冲与右旋光脉冲在时空中的分离。上述极端法拉第效应为操控超短激光脉冲提供了一个新的自由度,以此可设计一些新型光学仪器。譬如,新型磁化等离子体偏振器,它可以将数十拍瓦的超高功率线偏振激光脉冲转变为圆偏振激光脉冲,这种高功率圆偏振激光脉冲在激光驱动的离子加速以及对介观物质的光学控制中具有重要的应用。虽然传统的四分之一波片也可以将线偏振光转变成圆偏振光,但是当激光脉冲功率达到十拍瓦量级时,为了避免激光损伤波片的口径需要达到米量级,这对于目前的加工工艺仍是极大的挑战。而基于极端法拉第效应的磁化等离子体偏振器的尺寸只有厘米量级。此外,此极端法拉第效应还可能为测量宇宙中存在的超强磁场或强激光与物质相互作用产生的超强磁场提供另一种途径。本工作近期发表在Optica [Suming Weng, Qian Zhao, Zhengming Sheng et al., Optica 4(9), 1086-1091 (2017)]. 该工作得到了国家科技部重点基础研究发展计划和国家自然科学基金项目的资助。来源:上海交大物理与天文系
2017-09-26
上海交大极端法拉第效应研究取得重要进展
上海交大团队全电化学法制备钙钛矿太阳电池取得新进展
近日,德国《先进功能材料》【Advanced Functional Materials 27, 1606156-(1-14) (2017), IF: 11.382】以封面内页论文形式报道了上海交通大学物理与天文学院/太阳能研究所沈文忠/刘洪研究组提出的全电化学法快速合成无需额外热退火的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜,并成功制备高效且稳定的钙钛矿太阳电池的最新研究成果:“Fast and Controllable Electric-Field-Assisted Reactive Deposited Stable and Annealing-Free Perovskite toward Applicable High-Performance Solar Cells”。最近几年,有机—无机杂化钙钛矿材料因为其在高效率太阳电池中的出色表现成为未来高效光伏领域的一颗闪亮的新星。钙钛矿薄膜的制备方法将直接影响所制备的太阳电池性能的好坏,实验证明,目前被广为接受的化学法已经可以制备出高质量的钙钛矿薄膜材料,然而其并不能解决合成过程中存在于薄膜质量、生长速度、体系复杂度和设备依赖性上的矛盾。根据在离子反应的化学体系中增加物理电场可以有效提高合成过程的效率和可控性,他们首次提出了全电化学法制备钙钛矿薄膜的方法,合成速度快且简单而低成本。这种方法利用了溶液中离子在物理电场下的可导向性,先在目标基底上沉积一层金属铅单质,然后将其转化成厚度约375nm的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜;进一步通过调节物理电场参数可实现对钙钛矿薄膜形貌和光电性质的有效调控,此外电流对材料本身起到了退火的作用,使获得的钙钛矿材料不需要额外的热退火过程,且拥有更加致密的晶格结构;更重要的是整个薄膜合成过程只需2分钟,实现了对高质量钙钛矿薄膜的高效制备。以此制备的钙钛矿太阳电池获得了15.65%的常规转换效率和10.45%的大面积(2cm2)转换效率,太阳电池可重复性高且具备了极高的稳定性,有利于钙钛矿太阳电池的进一步产业化推进。来源:上海交通大学物理与天文学院
2017-03-18
上海交大团队全电化学法制备钙钛矿太阳电池取得新进展
上海交大团队利用强激光在空气中激发可控的太赫兹辐射
近期,上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室/IFSA协同创新中心的博士生张喆林,陈燕萍特别副研究员、陈民特别研究员及盛政明教授等利用本实验室千赫兹激光装置,在空气中激发可控的强太赫兹辐射。相关研究成果发表在Physical Review Letters上,论文题目:Controllable Terahertz Radiation from a Linear-Dipole Array Formed by a Two-Color Laser Filament in Air。太赫兹(THz)波是位于中红外和微波之间的电磁辐射,是处于光学和电子学之间的尚未被广泛开发的频段,它在太赫兹遥感成像、太赫兹时域光谱、太赫兹非线性科学以及高能激光与物质相互作用诊断等方面有着巨大的应用价值。利用双色激光场在空气中激发等离子体丝产生的宽带、强太赫兹辐射源可以避免太赫兹波在空气中传输时被水分子吸收的问题,在近几年受到了广泛关注。其产生的微观物理机制目前主要由离化电流模型和非线性四波混频模型描述。之前的大量研究表明,这种太赫兹辐射源是一种单周期的宽带脉冲。而实现对这种辐射脉冲各参数的精密操控,包括辐射角分布、载波包络相位、脉冲能量等,对其广泛应用是至关重要的。盛政明科研团队利用千赫兹激光装置,通过对双色激光场在空气中激发的等离子体光丝长度以及泵浦双色激光的相对相位差的调控,成功实现了对辐射的单周期太赫兹脉冲的载波包络相位、空间分布以及峰值强度等参数的有效调控。理论上提出了“线性偶极阵列”宏观模型,在该理论模型中长光丝中各个部分均被视为独立的太赫兹辐射点源,远场探测到的太赫兹信号是这些点源阵列辐射的相干叠加,这是解释长光丝下太赫兹辐射产生的关键。该模型很好地解释了实验观测,为产生可控太赫兹辐射奠定了基础。本工作得到了国家科技部重点基础研究发展计划(No. 2014CB339801)、国家自然科学基金项目(No. 11474202 and No. 11421064)的资助。来源:上海交大物理与天文系
2016-12-22
上海交大团队利用强激光在空气中激发可控的太赫兹辐射
基于相对论激光等离子体的强太赫兹辐射源研究
太赫兹(THz)辐射位于中红外和微波辐射之间,由于其单光子能量低和谱“指纹性”等独特优势,在材料科学、生物医疗和国防安全等领域具有重要应用。然而大能量太赫兹辐射源的缺乏是限制太赫兹科学发展的关键瓶颈问题之一。等离子体能够承受任意光强的泵浦,可以克服光整流等传统太赫兹产生方法中光学元件的损伤问题。目前国际上基于激光-等离子体相互作用的太赫兹辐射研究主要集中在双色激光泵浦空气光丝方案,由于等离子体对激光的散焦效应,光丝内光强被钳制在1015-16W/cm2以下。超强激光的峰值功率可达百太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)水平,聚焦光强超过1018W/cm2,进入了相对论非线性范畴(电子可被光场加速至接近光速)。为了充分发挥相对论激光的优势,上海交通大学物理与天文系激光等离子体实验室张杰院士、盛政明教授等人与中国科学院物理研究所光物理重点实验室李玉同研究员组成的研究团队对相对论激光-固体靶相互作用产生太赫兹辐射的新途径进行了十余年的探索,取得了一系列开创性结果。在前期工作中,该团队研究了靶前的太赫兹辐射,提出了基于小尺度预等离子体的靶面超热电子瞬态电流辐射机制[Appl. Phys. Lett. 100, 254101 (2012), Opt. Express 24, 4010 (2016)]以及基于大尺度预等离子体的电子等离子体波模式转换机制[Phys. Rev. Lett. 114, 255001 (2015)],并成功进行了实验演示。最近,该团队廖国前、远晓辉等人利用上海交通大学激光等离子体教育部实验室200TW激光装置,将研究范围拓展到在固体靶后的太赫兹辐射产生。在相对论飞秒激光与固体薄膜靶作用中,在靶后产生了单发能量近400微焦的太赫兹脉冲,这已与大型加速器产生的太赫兹脉冲能量相当。太赫兹辐射产生的物理图像为:相对论激光与等离子体相互作用产生了大量前向超热电子,这些电子从靶后表面逃逸到真空中时,会激发渡越辐射。由于电子束的脉冲时长为几十飞秒到皮秒量级,所以相干辐射波长在太赫兹波段(图1)。实验研究了小尺寸金属靶、金属-聚乙烯(PE)复合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越辐射,实验结果完全验证了这一产生机制。实验中还同时观测了靶后鞘层场加速产生的离子束特性,发现离子束与太赫兹辐射呈现非同步的变化规律,这表明在该实验条件下,太赫兹辐射与离子加速的产生机制并不一样,这与目前国际主流的认识不同。该团队提出的产生机制和实验演示不仅为实现小型化、大能量、宽谱太赫兹辐射源开辟了新途径,而且有望发展成为一种在线诊断激光等离子体相互作用的新方法。相关研究结果近期发表在Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016)上,被编辑选为Editors’ Suggestion,并被Nature Photonics在其Research highlights栏目中进行介绍(“Table-top brilliance”, Nature Photonics 10, 431 (2016), doi:10.1038/nphoton.2016.132)图1. 激光与固体靶相互作用在靶后产生太赫兹辐射的物理图像本项研究工作得到了国家自然科学基金项目创新群体、科技部973项目、教育部IFSA协同创新中心和中国科学院等资助。文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.205003来源:上海交大物理与天文系
2016-07-23
基于相对论激光等离子体的强太赫兹辐射源研究
上海交大物理与天文系团队等离子体强光调制器研究获重要进展
近日,上海交通大学物理与天文系於陆勒、盛政明以及合作者提出了一种基于等离子体介质的超快全光调制器,能够快速地调制强光的频谱和时空特性的方法,相关研究成果近期发表在Nature Communications [Lu-Le Yu et al., Nat. Commun. 7, 11893 (2016)]上,论文题目为:“Plasma optical modulators for intense lasers”。强激光与物质的作用的效应非常依赖于激光场的时空特性,因此调控强激光脉冲的时空特性就可以在很大程度上调控强激光与物质的相互作用,这对很多应用极为重要。当激光光强大于一定幅度时,普通物质被光场电离后形成等离子体。这时强激光与物质的作用就变成了激光与等离子体的作用。由于等离子体没有激光损伤阈值、可以通过塑造一定的时空密度结构,使其成为一种新型的独一无二的光学介质,用于对强激光进行调控。目前人们已经提出或者利用等离子体反射镜、等离子体光栅、等离子体透镜、等离子体通道、等离子体拉曼放大器等来操控强激光脉冲,但这些都难以用来实现对强光的频谱进行深度调制。传统的光调制器是高速光通信和集成光学的关键器件,被广泛用来实现对光信号的振幅、频率、相位和偏振状态的调制。但这类调制器的调制速度目前仅限于100GHz量级(相应地调制频谱较窄),而且光损伤阈值很低,例如最新的掺氧化镁铌酸锂电光调制器能承受的最大激光强度在102Wcm-2量级,难以用来对强光进行调制。最近,激光等离子体教育部重点实验室/IFSA协同创新中心的於陆勒、盛政明及合作者在等离子体强光调制器研究上取得重要突破,研究团队先用一束具有弱相对论光强的超短飞秒激光脉冲在亚毫米尺度的稀薄气体中激发起一种电子等离子体波(类似于船在水中航行时留下的尾迹)。该等离子体波跟随激光脉冲以接近真空中光速的相速度传播,其特征振荡频率在THz量级。当另外一束有一定时间延迟的、同向传播的皮秒信号脉冲传输到等离子体波区域时,它的振幅和频率能够快速地被等离子体波同时调制,产生具有非常大的频谱带宽脉冲列,其低频部分甚至能延伸至中红外波段。这种等离子体调制器能够承受的激光脉冲强度可比传统的弱光调制器的光强阈值高十几个数量级,调制速度快1-2个数量级。由于实现等离子体调制器所需的激光条件已经可以通过商品化激光器获得,它有望成为一种新型的等离子体光子器件,在强THz辐射产生、超亮X射线产生和激光聚变领域获得应用。本工作得到了国家科技部重点基础研究发展计划和国家自然科学基金项目的资助。来源:上海交大物理与天文系
2016-07-23
上海交大物理与天文系团队等离子体强光调制器研究获重要进展
上海交大科研团队“捕获”马约拉纳费米子
近日,上海交通大学科研团队在实验室里成功捕捉到了一种物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。这种粒子既是困扰物理学界80多年的正反粒子同体 的特殊费米子,也是未来制造量子计算机的可能候选对象。美国东部时间6月21日(北京时间6月22日),国际顶级物理学刊物《物理评论快报》 (Physical Review Letters)在线发表了上海交通大学贾金锋教授及其合作者的论文:“Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection inthe Vortex of a Topological Superconductor”。通过巧妙的实验设计,贾金锋研究团队率先观测到了在涡旋中的马约拉纳费米子的踪迹。在过去的80年里,粒子物理学家一直在搜寻马约拉纳费米子,这次中国科学家成功“探测”到了它的踪迹,也许离人类跨入量子计算时代的梦想会迈进一大步。揭开困扰物理学界80年的神秘粒子“面纱”在物理学领域,科学家把构成物质的最小、最基本的单位叫做“基本粒子”,它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质,也是构成各种各样物质的原材料。在粒子世界里,住着两大家族:费米子家族(如电子、质子)和玻色子家族(如光子、介子),它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为,每一种粒子都有它的反粒子,费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样,但脾气完全相反的双胞胎兄弟,两兄弟一见面就“大打出手”,产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。然而在1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样,脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子,可以说,它们的反粒子就是自己本身,这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。粒子物理标准模型里的中微子是一种可能的马约拉纳费米子。但是,令科学家十分头疼的是,要证明这一点却是非常的困难,必须观察到一种所谓的无中微子双贝塔衰变的现象。尽管科学家做了很多努力,但在过去的近80年中,物理学家一直都未找到马约拉纳费米子存在的证据。2016年初,中国的科学家终于发现了这类神秘粒子存在的迹象。上海交通大学大贾金锋教授研究组与浙江大学许祝安、张富春研究组,南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮教授等合作形成的研究团队,率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据。“事实上,我们所发现的马约拉纳费米子并不是一个传统意义上的粒子,而是一种准粒子,但它同样符合马约拉纳的预言。准粒子是凝聚态物理中一个重要概念,它是描述某种体系中大量粒子集体行为的一种方法,也就是说把传统意义上的某种粒子的集体行为的某些表现,看作是一个粒子的行为(即准粒子)。这样可以大大简化模型,便于正确表述某些具体物理现象的物理机理。”贾金锋介绍说,粒子和准粒子的关系就像球员和球队的关系:一支足球队中每个球员可以看作是传统意义上的粒子,球员之间相互配合可以看作是粒子之间的非常复杂的相互作用,虽然每个球员都有自己的特色,但整体上球队却会表现出来一个统一的风格。例如西班牙国家队可以用传控足球风格来描述,意大利国家队则是体现了一种防守反击战术。我们可能不了解队中每个球员的特点以及球员之间的配合情况,但是他们整支球队却像一个准粒子一样可以比较简单地被认识。也有科学家一直认为,至今还没有被直接观测到的中性超对称费米子很可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质,而这种中性超对称费米子可能就是一种马约拉纳费米子。因此,观测到复合的马约拉纳费米子,对于揭开暗物质的谜团也许又进了一步。“原子指南针”探测到马约拉纳费米子存在的关键证据近80年来,各国科学家从来没有停止对马约拉纳费米子的寻找,几年前理论物理学家预言,马约拉纳费米子很有可能在拓扑超导体的涡旋中心能找到,然而,自然界中至今还没有发现拓扑超导体,那么贾金锋团队又是怎样使马约拉纳费米子“露面”的呢?“寻找马约拉纳费米子的过程就是不断突破、不断创新的过程。理论预言,在拓扑绝缘体上面放置超导材料就能实现拓扑超导。这件事情听起来容易,但却在材料科学领域是一大难题。而且,由于在上方的超导材料的覆盖,马约拉纳费米子很难被探测到。”贾金锋说,在大量实验基础上,他们没有按照大多数人通常的思路往下走,而是反其道而行之。最终,把超导材料放在了下面,使它上方“生长”出了拓扑绝缘体薄膜,让拓扑绝缘体薄膜的表面变成拓扑超导体,直接把喜欢捉迷藏的马约拉纳费米子从“暗处”翻到了“明面”上,观察起来更方便了,为寻找马约拉纳费米子奠定了重要的材料基础。在马约拉纳费米子研究的最初阶段,没人知道这种神秘的粒子会以什么形式出现,贾金锋团队的研究人员所能做的只是仔细搜寻拓扑超导体上的所有蛛丝马迹。虽然他们陆续找到了一些这种粒子存在的迹象,但一直不能最终确定这些迹象就一定代表马约拉纳费米子的本征特性。2014年底,一篇理论文章预言了马约拉纳费米子的磁学性质,他立刻敏锐地意识到,可以用自旋极化的扫描隧道显微镜来探测马约拉纳费米子。“地球有南极和北极,同样,在磁性材料表面的不同位置处也有‘南’与‘北’,这就是材料的磁学性质。自旋极化的扫描隧道显微镜的针尖具有磁性,它就像一个‘原子指南针’,能够准确地探测一个原子的磁性特征,帮助我们找到隐藏在拓扑超导体涡旋中的的马约拉纳费米子。”然而,马约拉纳费米子的磁性非常弱,要探测到它需要有更加灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜。目前,上海交通大学研究团队拥有的仪器还达不到所需要的低温(40mK,比绝对零度只高0.04K)。怎么办?他们一方面积极为实验进行准备,摸索样品生长条件,准备磁性针尖等。另一方面,他们四处联络,寻找有条件的单位。结果很幸运,在微结构科学与技术2011协同创新中心内,发现南京大学刚刚建设一台40mK的扫描隧道显微镜系统,可以为该实验提供了一个充分的实验条件。随后,团队研究人员按照预先设计好的方案,用自旋极化的扫描隧道显微镜在“人造拓扑超导薄膜”表面的涡旋中心进行了仔细测量。2015年底,贾金锋团队及其合作者终于直接观察到了马约拉纳费米子存在的有力证据。“在实验中,我们观察到了由马约拉纳费米子所引起的特有自旋极化电流, 这是马约拉纳费米子存在的确定性证据。”此后,他们又很快与协同创新中心的另外一个成员单位浙江大学合作,进行理论计算等。在2016年初,研究团队发现理论计算的结果完全支持实验观测到的结果。通过反复对比实验,发现只有马约拉纳费米子才能产生这种自旋极化电流的现象。至此,马约拉纳费米子的神秘面纱终于被揭开,贾金锋表示,这是他们的实验首次观测到马约拉纳费米子的自旋相关性质, 同时也提供了一种用相互作用调控马约拉纳费米子存在的有效方法,还为观察神秘的马约拉纳费米子提供了一个直接测量的办法。或在拓扑量子计算领域大展身手找到马约拉纳费米子意味着什么?意味着人类在量子物理学领域取得了一个重大突破,同时也意味着在固体中实现拓扑量子计算成为可能。这个发现或将引发新一轮电子技术的革命,使人类进入拓扑量子计算的时代。与普通计算机通过二进制方式处理数据不同,量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它对数据的处理速度惊人,如果把量子计算机比作飞机的话,那么普通计算机只能算是自行车。使用普通计算机需要耗费巨大计算资源才能勉强处理的问题,在量子计算机看来是小菜一碟。以天气预报为例,由于现有技术的局限,现在人们对天气的预测不可能达到每次都非常准确。如果使用量子计算机来计算天气数据,不仅能瞬间运算海量数据,预测的准确性也会大大提高。当然,精确地预测天气对于量子计算机来说还不算什么,它能对海量已经合成的新材料,甚至还能对未合成的概念材料进行系统、精确、高效地计算,为材料科学领域带来革命性的进步。而科学家们预期马约拉纳费米子就是制造量子计算机的完美选择之一。据介绍,迄今还没有制造出真正意义上的量子计算机,其中一个很重要的原因是,目前用于量子计算的粒子的量子态并不稳定,电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。而马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身,它的状态非常稳定。这些属性或许使量子计算机的制造变成现实的一个关键,从而帮助人类敲开拓扑量子计算时代的大门。来源:上海交通大学物理与天文系
2016-06-26
上海交大科研团队“捕获”马约拉纳费米子
效率为20%具有优异宽光谱响应的硅纳微米结构高效太阳电池
最近,《先进功能材料》【Advanced Functional Materials 26, 1892-1898 (2016) IF: 11.805】报道了上海交通大学物理与天文系/太阳能研究所沈文忠教授研究组在高效硅纳米结构太阳电池方面的最新研究成果。由于理想的陷光和几乎不依赖角度的减反特性,硅纳米结构在太阳电池器件方面更是得到广泛关注和研究。然而,硅纳米结构具有较大的比表面积,其表面悬挂键和缺陷态密度很高,器件电学性能会受到大的表面复合速率影响。这种影响若处理不当,将大大超过硅纳米结构带来的光学增益,使得器件整体性能反而下降。要进一步提升硅纳米结构阵列太阳电池输出性能,需要对硅纳米结构进行形貌优化、表面钝化以及电池器件的综合光电管理等,以提高器件的光电性能,优化器件在各个波段上的光谱响应,最终实现光电转换效率的提升。沈文忠教授研究团队设计并制备了一种大面积(156×156mm2)新型高效太阳电池—硅纳微米复合结构太阳电池,其中在电池的正面引入硅纳微米陷光结构,在电池背面引入背钝化结构,并对正、背面同时实施PECVD-SiO2/SiNx叠层钝化。这种器件结构的优势是同时保证了正面(短波)和背面(长波)的优异光电性能。在短波光谱响应方面,相比于传统微米金字塔太阳电池,硅纳微米结构的短波段减反射性能更优;通过在正面实施SiO2/SiNx叠层钝化,使得正面电学特性得到大大改善,这种正面的光电性能优化保证了电池良好短波光谱响应。在长波光谱响应方面,背面SiO2/SiNx叠层钝化介质膜的引入大大提高了长波内背反射率和降低了背表面复合速率,这种背面光电性能提高保证了电池器件优异的长波段光谱响应。得益于以上两点,硅纳微米结构太阳电池的优异宽光谱响应得以实现。最后,经第三方测试认证(TÜV莱茵),最优的电池结果为:效率20.0%,开路电压0.653V,短路电流达到9.484A(短路电流密度39.0mA/cm2)。这种硅纳微米结构高效太阳电池所采用的制备工艺完全同现有产线工艺兼容,制备步骤相对简单且成本较低,所以具备大规模商业化应用条件。来源:上海交大物理与天文系
2016-05-24
效率为20%具有优异宽光谱响应的硅纳微米结构高效太阳电池
杨小虎教授荣获2015年度上海市自然科学一等奖
上海市科学技术奖励大会于4月18日下午在上海市展览中心隆重举行,表彰为上海科技创新事业和经济社会发展作出突出贡献的科技工作者。共授奖300余项,其中上海市自然科学奖31项,上海交通大学物理与天文系天文与天体物理研究中心杨小虎教授荣获上海市自然科学一等奖(获奖项目名称:探索暗物质晕中的星系形成和演化)。图1:上海市奖励大会授奖现场星系的形成和演化是当前宇宙学和天体物理领域的最前沿课题之一,杨小虎教授的研究团队,从理论和观测两个方面出发,着力建立可靠的暗晕和星系的链接。这些链接无论是在量化星系形成的物理机制还是可靠分析宇宙大尺度结构、从事精确宇宙学的研究中形成的物理机制还是可靠分析宇宙大尺度结构、从事精确宇宙学的研究中都有极其重要的价值。结合结构形成的暗晕模型和大型星系红移巡天观测数据,杨小虎教授创建了星系形成的条件光度函数模型、创建了自适应的星系群寻找方法、建立了暗晕条件质量函数的演化模型、提出了研究星系形成的ELUCID计划等;获得了多项原创性成果。代表性工作如:1)创立了基于暗晕的自适应星系群寻找方法;并成功应用于美国斯隆数字巡天SDSS,构建并向国际同行公开释放了理想的星系群表;该群表被国际同行称为“暗晕天图”;已被国外32个研究团组采用。图2:构建的星系群表(暗晕天图)切片2)首次实测了星系条件光度、恒星质量函数等。该系列测量结果将传统星系形成模型的整体检验分解为对其各个环节的检验,已被国际同行广泛应用于改进星系形成和演化模型。图3:基于条件光度函数模型预言的星系分布图3)创建了自洽的星系暗晕占据数演化模型,预言了星系的演化特征。该模型被当前最大的PRIMUS高红移巡天项目组称为“最先进”的星系演化暗晕模型。图4:基于星系自洽演化模型预言的恒星演化历史图4)发现卫星星系以更大的几率沿中心星系主轴方向分布,且颜色较红的星系有更强的信号。这一观测特征推翻了经典的Holmberg效应,已成为目前的主流观点。图5:卫星星系沿中心星系主轴方向有更大的分布几率个人简历:杨小虎,男,上海交通大学物理与天文系教授。1974年出生,籍贯江苏武进,1997年本科毕业于中国科学技术大学,并于1997-2002年间,在该校分别获硕士、博士学位。2001-2002年间在德国马普天体物理研究所从事访问研究,2003-2005年间在美国马萨诸塞大学从事博士后研究工作;2005年回国后,入选中国科学院上海天文台“人才研究员”,2006-2011年间担任“中德马普青年伙伴小组”中方负责人,联合培养了多名研究生、博士后。2012年12月,杨小虎加盟了上海交通大学物理与天文系。杨小虎在科研工作方面一丝不苟,迄今,已在美国ApJ、 英国MNRAS等国际顶级期刊发表论文80余篇,这些论文被引用5000余次,其中他人独立引用4000余次,研究工作h因子为42。代表论文分别入选2008、2009年度中国百篇最具影响国际学术论文。与此同时,杨小虎还入选了爱思唯尔(elsevier)2014 、2015年度中国高被引学者榜单。基于其出色的科研工作表现,杨小虎教授于2009年获得国家自然基金委杰出青年基金资助;2011 年“人才”终期考核优秀,并被评为2011年度上海市科技系统优秀共产党员;2013年获第四届中国天文学会黄授书奖(唯一);2014年获教育部J类特聘教授;2015年入选国家百千万人才工程;并于2016年获2015年度上海市自然科学一等奖(唯一)。目前,杨小虎教授主持科技部973项目(首席科学家)和国家基金委重点项目各一项。
2016-05-24
杨小虎教授荣获2015年度上海市自然科学一等奖
引力波终被探测—爱因斯坦百年预言证实!
Version 30 Jan 2016, LIGO Document LIGO-L1600011-v5Common Language In All Press ReleasesGRAVITATIONAL WAVES DETECTED 100 YEARS AFTER EINSTEIN’S PREDICTIONLIGO Opens New Window on the Universe with Observation of Gravitational Waves from Colliding Black HolesLIGO探测到双黑洞碰撞产生的引力波,打开了一扇观察宇宙的新窗口For the first time, scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves, arriving at the earth from a cataclysmic event in the distant universe. This confirms a major prediction of Albert Einstein’s 1915 general theory of relativity and opens an unprecedented new window onto the cosmos.有史以来,科学家第一次观测到了时空纤维中的涟漪——引力波,这一来自遥远宇宙的灾变性事件所产生的信号。这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦在1915年的广义相对论的一个重要预言,并打开了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口Gravitational waves carry information about their dramatic origins and about the nature of gravity that cannot otherwise be obtained. Physicists have concluded that the detected gravitational waves were produced during the final fraction of a second of the merger of two black holes to produce a single, more massive spinning black hole. This collision of two black holes had been predicted but never observed.起源于剧烈物理活动的引力波,携带着关于其源头和关于引力的独一无二的信息。物理学家们确信他们探测到了来自两个黑洞最后并合瞬间的引力波,这两个黑洞最终形成了一个更重的快速旋转的黑洞。这一现象长久以来就被理论预言,然而在此之前却一直没被观测到。The gravitational waves were detected on September 14, 2015 at 5:51 a.m. Eastern Daylight Time (9:51 a.m. UTC) by both of the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, USA. The LIGO Observatories are funded by the National Science Foundation (NSF), and were conceived, built, and are operated by Caltech and MIT. The discovery, accepted for publication in the journal Physical Review Letters, was made by the LIGO Scientific Collaboration (which includes the GEO600 Collaboration and the Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) and the Virgo Collaboration using data from the two LIGO detectors.这一引力波信号于美东夏令时2015年9月14日凌晨5:51分(北京时间当天下午5:51 分),由一对分别位于路易斯安那州列文斯顿(Livingston,Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)探测到。LIGO天文台是由美国国家科学基金资助,由加州理工和麻省理工构思、建造并运行的。这一发现是由LIGO科学合作组织(包含GEO600组织和澳大利亚干涉引力天文协会)以及Virgo组织使用来自两台LIGO探测器的数据后做出的。本次发现被物理评论快讯(PhysicalReviewLetters)期刊接受发表。LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of more than 1000 scientists from universities around the United States and in 14 other countries. More than 90 universities and research institutes in the LSC develop detector technology and analyze data; approximately 250 students are strong contributing members of the collaboration. The LSC detector network includes the LIGO interferometers and the GEO600 detector. The GEO team includes scientists at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, along with partners at the University of Glasgow, Cardiff University, the University of Birmingham, other universities in the United Kingdom, and the University of the Balearic Islands in Spain.LIGO 的研究工作由LIGO科学合作组织(LSC)完成,这一合作组织包含来自美国和其他14各国家的1000多名科学家。LSC中的90多家大学和研究所参与研发了探测器所使用的技术,并分析其产生的数据;在组织中,有约250名做出重要贡献的成员是学生。LSC探测网络包括LIGO干涉仪和GEO600探测器。GEO团队包括来自德国马克斯-普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所(AEI)),汉诺威莱布尼兹大学与格拉斯哥大学,加迪夫大学,伯明翰大学,其他英国的大学以及西班牙的巴利阿里群岛大学。LIGO was originally proposed as a means of detecting these gravitational waves in the 1980s by Rainer Weiss, professor of physics, emeritus, from MIT; Kip Thorne, Caltech’s Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics, emeritus; and Ronald Drever, professor of physics, emeritus, also from Caltech.LIGO这种用激光干涉探测引力波的方法最初是在上世纪80年代提出的,主要的提出人有MIT物理教授、荣休教授雷纳·韦斯(RainerWeiss),加州理工的理查德·费曼理论物理讲座教授、荣休教授基普·索恩(KipThorne)以及同样来自加州理工的物理教授、荣休教授罗纳德·德雷弗(RonaldDrever)。Virgo research is carried out by the Virgo Scientific Collaboration, a group of more than 250 physicists and engineers belonging to 18 different European laboratories: 6 with Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France; 8 with the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy; Nikhef in the Netherlands; the Wigner Institute in Hungary; the POLGRAW group in Poland; and the European Gravitational Observatory (EGO), the laboratory hosting the Virgo interferometer.室女座引力波探测器(Virgo)的研究工作由Virgo科学合作组织完成,这一组织包含250多名物理学家和工程师,分别隶属于18个不同的欧洲的实验室,包括法国国家科学研究中心(CNRS)的6家研究所、意大利国立天体物理研究所(INFN)的8家研究所、荷兰国家核物理及高能物理研究所、匈牙利维格纳研究所,波兰引力研究组和安置室女座引力波探测器的欧洲引力天文台。The discovery was made possible by the enhanced capabilities of Advanced LIGO, a major upgrade that increases the sensitivity of the instruments compared to the first generation LIGO detectors, enabling a large increase in the volume of the universe probed—and the discovery of gravitational waves during its first observation run. The US National Science Foundation leads in financial support for Advanced LIGO. Funding organizations in Germany (Max Planck Society), the U.K. (Science and Technology Facilities, Council, STFC) and Australia (Australian Research Council) also have made significant commitments to the project. Several of the key technologies that madeAdvanced LIGO so much more sensitive have been developed and tested by the German UK GEO collaboration. Significant computer resources have been contributed by the AEI Atlas cluster, the LIGO Laboratory, Syracuse University, and the University of Wisconsin-Milwaukee. Several universities designed, built, and tested key components for Advanced LIGO: The Australian National University, the University of Florida, Stanford University, Columbia University of New York, and Louisiana State University.这一发现得益于高新激光干涉仪引力波天文台(AdvancedLIGO)探测能力的大大提升。对比第一代LIGO探测器,AdvancedLIGO的重要升级工作使得仪器的灵敏度大大增强,从而可以大大增加了可探测的宇宙空间,也直接导致在其第一次观测运行中发现引力波。美国国家科学基金会主导了高新激光干涉的财政支持。德国的马克斯-普朗克学会,英国的科学与技术设施委员会和澳大利亚的澳大利亚研究基金会等资助机构均对本项目作出了巨大贡献。使高新探测器林敏度大大提高的几项关键技术由德国-英国的GEO合作组织开发并测试。主要的计算机资源由AEI的Atlas机群,LIGO实验室,雪城大学和威斯康星大学密尔沃基分校贡献。一些大学设计、建造并测试了AdvancedLIGO的关键部分:澳大利亚国立大学,弗罗里达大学,斯坦福大学,纽约哥伦比亚大学和路易斯安那州立大学。
2016-03-04
引力波终被探测—爱因斯坦百年预言证实!
国家自然科学基金委“新型量子材料物理和器件”创新群体启动会召开
12月21日,由物理与天文系贾金锋教授负责的国家自然科学基金委“新型量子材料物理和器件”创新研究群体启动会在上海交通大学顺利召开。国家自然科学基金委物理科学一处处长张守著、副处长倪培根,上海交通大学校长张杰、科研院常务副院长关新平、科研院计划项目办主任刘萍,以及物理与天文系主任王孝群等出席了会议。会上,张杰校长代表上海交通大学致欢迎辞,他简要回顾了该团队的发展历程,并对该团队近年来取得的多项成果和荣誉给予了充分肯定。团队骨干成员钱冬教授从大带隙二维拓扑绝缘体、人工拓扑超导体和马约拉纳费米子以及二维新型超导体三个方面向与会专家和领导汇报了该群体过去几年的主要成果。创新群体负责人贾金锋教授从科学问题、学术目标、仪器建设、人才培养等几个方面介绍了未来几年的工作计划。随后,出席会议的领导和专家与该创新群体的成员进行了深入的交流讨论。?自然科学基金委张守著处长做总结发言,他指出,由贾金锋、钱冬、刘灿华、罗卫东、李耀义、刘荧组成的“新型量子材料物理和器件”创新研究群体年龄结构合理、科研实力雄厚、在拓扑超导体和马约拉纳费米子研究领域做出了世界领先成果,并希望该团队在保持科研优势的同时,帮助更多青年科研人员快速成长,形成具有良性循环的学术梯队。会后,有关专家和领导共同参观了贾金锋教授实验室和刘荧教授实验室,并希望实验室能够产生新的世界级研究成果,培养更多的优秀博士毕业生。来源:上海交大物理与天文系
2016-01-05
国家自然科学基金委“新型量子材料物理和器件”创新群体启动会召开