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)物理擴展到光子，從而產(chǎn)生了一種新型的激光，其拓?fù)浔Ｗo光子模式能夠有效繞過拐角和缺陷。拓?fù)浼す馄鞯南惹把菔拘枰獠考す庠磥磉M行光泵浦，并在常規(guī)的光學(xué)頻率范圍內(nèi)進行操作。在這里，我們展示了基于拓?fù)涫鼙Ｗo的谷邊緣狀態(tài)的電泵太赫茲量子級聯(lián)激光器。與依靠大型特征提供拓?fù)浔Ｗo的拓?fù)浼す馄鞑煌?，我們的緊湊型設(shè)計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，在尖角三角形的空腔中也會發(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。我們通過向拓?fù)淝恢刑砑硬煌鸟詈掀鱽硖骄客負(fù)浼す饽Ｊ降奶匦浴；诠冗吘墵顟B(tài)的激光器可以為在電動激光源中實際使用拓?fù)浔Ｗo開辟道路。
Nature 3月1日
硅中單個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象。在大型諧振中，它們通過磁共振控制和檢測已被廣泛使用，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)量子計算機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。擴大這樣的概念需要控制單個原子核，當(dāng)耦合到電子時可以檢測到。但是，需要通過振蕩磁場來處理原子核，這使其在多自旋納米級器件中的集成變得更加復(fù)雜，因為該字段無法本地化或篩選。通過電場控制可以解決這個問題，但是以前的方法依靠電子-核超細(xì)相互作用將電信號轉(zhuǎn)換成磁場，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)生的局部電場對單個123Sb（spin-7 / 2）原子核進行相干量子控制。該方法利用了1961年提出的想法，但以前并未通過單個核實驗實現(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。自旋相移時間為0.1秒，比通過需要耦合電子自旋以實現(xiàn)電驅(qū)動的方法獲得的相移時間要長幾個數(shù)量級。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械量子系統(tǒng)。將電可控核與量子點集成在一起，可以為無需振蕩磁場即可運行的硅中可擴展的，基于核和電子自旋的量子計算機鋪平道路。
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實驗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)極化場中的一對半整數(shù)拓?fù)潆姾稍趧恿靠臻g中相互反彈時，它們就會出現(xiàn)。我們通過實現(xiàn)高達1.6×105的單邊輻射品質(zhì)因數(shù)，通過實驗證明了電信號體制中的單向引導(dǎo)共振。我們通過遠(yuǎn)場極化測量進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)湓韥砜刂乒鈭龅牡湫褪纠?，并且可能會產(chǎn)生用于光檢測和測距的節(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
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，我們使用納米級尖端掃描超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID-on-tip）來獲得處于量子霍爾態(tài)的朗道能級的斷層圖像。并繪制六方氮化硼（hBN）封裝的MATBG器件中的局部θ變化圖，其相對精度優(yōu)于0.002度，并且空間分辨率為幾個莫爾周期。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)相對于扭曲角異常特別脆弱。我們還表明，θ的梯度會產(chǎn)生較大的門可調(diào)平面內(nèi)電場，即使在金屬區(qū)域也不會被屏蔽，通過在樣品的大部分區(qū)域中形成邊緣通道來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無序作為非常規(guī)類型無序的重要性，從而能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用扭曲角梯度，用于實現(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。
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).
開發(fā)量子計算機和遠(yuǎn)程量子網(wǎng)絡(luò)的一個主要挑戰(zhàn)是糾纏在許多可單獨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，因為它們可以按需進行遠(yuǎn)程糾纏，具有十分鐘長的相干時間和記憶增強量子通信的十個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）的過程。我們使用此過程在氮化鋁PIC中實現(xiàn)了128通道的無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，可以通過在50千兆赫茲范圍內(nèi)進行集成調(diào)諧來原位補償單個色心光學(xué)過渡的不均勻性，而不會降低線寬。將大量幾乎無法區(qū)分和可調(diào)的人造原子組裝成相對穩(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)的可擴展集成
以上這些高水平文章都有一個共同點那就是使用了COMSOL數(shù)值模擬來幫助闡述科學(xué)問題。COMSOL是功能非常強大的數(shù)值計算軟件，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越來越多地出現(xiàn)在高檔次文章，越來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描述物理和化學(xué)過程。
如今在高檔次文章中結(jié)合COMSOL仿真模擬來解釋科學(xué)問題，展示物理機制的方式已經(jīng)變得越來越常見。特別是對于這種機理解釋型文章，一些仿真模擬可以說是必不可少的。
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
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?上海·復(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)的說服力是否足夠強大。實驗結(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)，讓你的實驗結(jié)果從此告別“差強人意”，高影響因子不是夢！
在當(dāng)今的高檔次科研論文中我們能夠見到許多工作都使用到了仿真模擬來闡述科學(xué)問題。一直以來仿真模擬就是一項重要的科研技能，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)計和優(yōu)化都依靠仿真模擬來完成。近年來隨著交叉學(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需要深厚理論基礎(chǔ)的高門檻技術(shù)。通過COMSOL軟件的使用，越來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。課程從入門級內(nèi)容開始，循序漸進地講解數(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、求解及結(jié)果的后處理等），讓學(xué)員全面掌握整個建模流程，并能夠獨立地使用 COMSOL 求解相關(guān)仿真問題。有無基礎(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際問題，不同仿真模擬軟件（COMSOL ANSYS Abaqus）的特點和在科研上運用的優(yōu)缺點比較；
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 多物理場仿真軟件的基本知識，以典型的多物理場模擬為入門教學(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軟件的高級使用技巧
結(jié)合大量科研實際案例進行實踐操作過程的演示教學(xué)，包括幾何建模注意事項，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，多物理場耦合的方法與技巧，通過函數(shù)、變量與自定義方程的使用模擬復(fù)雜的問題等，深入學(xué)習(xí)COMSOL軟件的高級操作技巧，并結(jié)合學(xué)員科研背景進行案例演示，進一步挖掘?qū)嵅僦械某Ｓ眉记伞?/p>
4.多物理場仿真建模的高效技術(shù)解決方案
結(jié)合實例學(xué)習(xí)多物理場仿真有限元法的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，多物理場耦合的分析方法和注意事項，添加方程式及耦合分析；求解時域，頻域和特征值問題；移動網(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戰(zhàn)演練，結(jié)合學(xué)員背景與最新頂級期刊案例進行仿真模擬實戰(zhàn)訓(xùn)練，進一步深入學(xué)習(xí)COMSOL軟件的指導(dǎo)與建議，針對科研工作中的問題和老師當(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
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
多物理場耦合的方法與技巧
通過函數(shù)、變量與自定義方程
的使用模擬復(fù)雜問題
納米摩擦發(fā)電機仿真模擬
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
熱應(yīng)力形變模擬
水的蒸發(fā)冷卻
微流體多相流
相場法模擬枝晶生長
壓頂換能器
蒸發(fā)通量模擬
4
課程試聽
5
學(xué)員作品
6
模擬案例
常見問題
Q：有限元仿真模擬對我的論文有怎樣的幫助，真的能提高文章檔次嗎？
A：對于一部分的研究領(lǐng)域，例如人工超材料，理論上的模擬計算可以說是必不可少的。而對于更多的研究領(lǐng)域，模擬計算可以作為實驗的補充，能進一步驗證實驗的結(jié)論，提高結(jié)論的說服力。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。另外模擬計算很多時候可以優(yōu)化實驗設(shè)計，提高實驗效率。
Q：我是零基礎(chǔ)學(xué)員，兩天的時間也能學(xué)會嗎？
A：我們的培訓(xùn)就是針對零基礎(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)值計算的方法，用來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)過程都可以都用有限元方法求解。有限元不僅在各個物理學(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)在越來越多的運用到交叉學(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：每場培訓(xùn)有多少學(xué)員呀？不會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)員營造舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，我們每場培訓(xùn)都會將招生人數(shù)限制在30人以內(nèi)，以保證良好的課堂秩序，同時安排助教協(xié)助學(xué)員進行軟件安裝、現(xiàn)場答疑、課堂輔助教學(xué)等。
Q：我是慢熱型的學(xué)生，接受新知識慢，一次學(xué)不夠怎么辦？
A：老學(xué)員可以免費復(fù)聽，一次報名終身免費復(fù)學(xué)，只要你學(xué)不夠，我們就一直教下去～
Q：可以開具發(fā)票進行報銷嗎？
A：當(dāng)然可以！我們將為學(xué)員開具正規(guī)發(fā)票，并可以根據(jù)學(xué)員報銷需求提供培訓(xùn)邀請函、項目明細(xì)清單、會議注冊表等材料，并在培訓(xùn)當(dāng)天將發(fā)票和報銷材料發(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，我們會在報名確認(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)聽不再重復(fù)安排午餐和資料，帶著身份證現(xiàn)場簽到即可。
