這里我們選取了5篇2020年發(fā)布在Nature上關于納米光電子學、運用拓撲概念的最新文章，與大家共同學習。
Nature 2月12日
具有谷邊緣模式的電泵浦拓撲激光器
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，位于電磁光譜技術上重要的中紅外和太赫茲區(qū)域。最近，拓撲的概念已從凝聚態(tài)物理擴展到光子，從而產生了一種新型的激光，其拓撲保護光子模式能夠有效繞過拐角和缺陷。拓撲激光器的先前演示需要外部激光源來進行光泵浦，并在常規(guī)的光學頻率范圍內進行操作。在這里，我們展示了基于拓撲受保護的谷邊緣狀態(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撲保護的拓撲激光器不同，我們的緊湊型設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。即使在底層結構中引入了擾動，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，由于存在受拓撲保護的山谷邊緣狀態(tài)，這些狀態(tài)在空腔周圍循環(huán)而未經歷局部化。我們通過向拓撲腔中添加不同的耦合器來探究拓撲激光模式的特性。基于谷邊緣狀態(tài)的激光器可以為在電動激光源中實際使用拓撲保護開辟道路。
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，醫(yī)學，材料科學和采礦中。早期關于固態(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-核超細相互作用將電信號轉換成磁場，這嚴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產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制如何導致相干核自旋躍遷，由于晶格應變，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)電驅動的方法獲得的相移時間要長幾個數(shù)量級。這些結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
觀察啟用拓撲的單向引導共振
Observation of topologically enabled unidirectional guided resonances.?Nature?580,?467–471 (2020).
單向輻射對于各種光電應用（例如激光器，光柵耦合器和光學天線）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構-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輻射，而另一側沒有反射鏡。這些共振（我們稱為“單向引導共振”）在本質上被發(fā)現(xiàn)是拓撲結構：當極化場中的一對半整數(shù)拓撲電荷在動量空間中相互反彈時，它們就會出現(xiàn)。我們通過實現(xiàn)高達1.6×105的單邊輻射品質因數(shù)，通過實驗證明了電信號體制中的單向引導共振。我們通過遠場極化測量進一步證明了它們的拓撲性質。我們的工作代表了應用拓撲原理來控制光場的典型示例，并且可能會產生用于光檢測和測距的節(jié)能光柵耦合器和天線。
圖. UGR及其拓撲性質
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角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中的強相關和超導相關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傳輸特性的質量之間存在相關性，并表明，即使是具有相關狀態(tài)的最先進的設備，朗道風扇和超導性-在θ上顯示相當大的局部變化，最大變化為0.1度，表現(xiàn)出明顯的梯度和跳躍網(wǎng)絡，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的梯度會產生較大的門可調平面內電場，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)，并可能影響相關態(tài)和超導態(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，從而能夠在結構設計中使用扭曲角梯度，用于實現(xiàn)相關現(xiàn)象以及用于設備應用的門可調內置平面電場。
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)量子計算機和遠程量子網(wǎng)絡的一個主要挑戰(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。下一步的關鍵是將大量的人造原子與光子結構集成在一起，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，器件產量低和器件要求復雜而受阻。在這里，我們介紹了一種在光子集成電路（PIC）上高產量異構集成“量子微芯片”（包含高度相干色心的金剛石波導陣列）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50千兆赫茲范圍內進行集成調諧來原位補償單個色心光學過渡的不均勻性，而不會降低線寬。將大量幾乎無法區(qū)分和可調的人造原子組裝成相對穩(wěn)定的PIC的能力，標志著邁向多路復用量子中繼器和通用量子處理器的關鍵一步。
圖. 人造原子與光子學的可擴展集成
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用于自己的研究，它可以模擬電磁，光學，聲學，力學，流體，化工，電池與電化學等等各種能用偏微分方程來描述物理和化學過程。
如今在高檔次文章中結合COMSOL仿真模擬來解釋科學問題，展示物理機制的方式已經變得越來越常見。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。
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科研模擬·學術仿真專題培訓會
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
2020年10月17-18日?上海·復旦大學
提高文章中稿率、沖高影響因子的關鍵，在于數(shù)據(jù)的說服力是否足夠強大。實驗結果不理想，數(shù)據(jù)不夠完美，論文內容缺乏支撐，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)，讓你的實驗結果從此告別“差強人意”，高影響因子不是夢！
在當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科（力學，光學，流體力學，電磁學，聲學，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，結構設計和優(yōu)化都依靠仿真模擬來完成。近年來隨著交叉學科的發(fā)展，仿真模擬的需求也不限于上述的學科，在新興的材料科學，能源科學，生命科學的研究工作中也越來越多的應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的高門檻技術。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術領域，為學員提供仿真模擬軟件COMSOL Multiphysics 軟件使用的全面詳細講解。課程從入門級內容開始，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、設定物理場、求解及結果的后處理等），讓學員全面掌握整個建模流程，并能夠獨立地使用 COMSOL 求解相關仿真問題。有無基礎的學員均可參加培訓，我們將根據(jù)學員的專業(yè)背景和軟件基礎量身定制課程內容。
1.入門有限元仿真模擬
有限元方法的基本內涵，仿真模擬基本理論的講解，以及該方法在科學研究中的廣泛應用領域和重要意義，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，包括軟件界面學習、創(chuàng)建和導入幾何模型、物理場設置、網(wǎng)格剖分與求解和結果后處理等。
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，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案例，幫助學員迅速入門并掌握有限元分析方法的基本思路，并能夠靈活應用于自己的研究領域。
3.COMSOL軟件的高級使用技巧
結合大量科研實際案例進行實踐操作過程的演示教學，包括幾何建模注意事項，優(yōu)化網(wǎng)格劃分的方法與技巧，結果后處理與復雜圖表的繪制方法，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雜的問題等，深入學習COMSOL軟件的高級操作技巧，并結合學員科研背景進行案例演示，進一步挖掘實操中的常用技巧。
4.多物理場仿真建模的高效技術解決方案
結合實例學習多物理場仿真有限元法的數(shù)學理論基礎，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，結合學員背景與最新頂級期刊案例進行仿真模擬實戰(zhàn)訓練，進一步深入學習COMSOL軟件的指導與建議，針對科研工作中的問題和老師當面交流，理清思路，解決模擬困難。
部分教學案例展示
幾何建模注意事項
優(yōu)化網(wǎng)格劃分的方法與技巧
結果后處理與復雜圖表繪制
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
的使用模擬復雜問題
納米摩擦發(fā)電機仿真模擬
微流體物質混合模擬
金屬光柵衍射
電化學電流密度分布模擬
電容計算
光學環(huán)形諧振腔濾波器
光子晶體帶隙分析
化學反應濃度分布模擬
結果應力應變模擬
金屬顆粒光散射
流固耦合
流體傳熱多物理場
熱應力形變模擬
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域，模擬計算可以作為實驗的補充，能進一步驗證實驗的結論，提高結論的說服力。理論模擬豐富了文章的內容，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)化實驗設計，提高實驗效率。
Q：我是零基礎學員，兩天的時間也能學會嗎？
A：我們的培訓就是針對零基礎學員的。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科和工程領域這些傳統(tǒng)領域有廣泛的應用，而且現(xiàn)在越來越多的運用到交叉學科的研究中，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域。
Q：每場培訓有多少學員呀？不會是那種人山人海的大課吧？
A：為保證教學質量，也為學員營造舒適的學習環(huán)境，我們每場培訓都會將招生人數(shù)限制在30人以內，以保證良好的課堂秩序，同時安排助教協(xié)助學員進行軟件安裝、現(xiàn)場答疑、課堂輔助教學等。
Q：我是慢熱型的學生，接受新知識慢，一次學不夠怎么辦？
A：老學員可以免費復聽，一次報名終身免費復學，只要你學不夠，我們就一直教下去～
Q：可以開具發(fā)票進行報銷嗎？
A：當然可以！我們將為學員開具正規(guī)發(fā)票，并可以根據(jù)學員報銷需求提供培訓邀請函、項目明細清單、會議注冊表等材料，并在培訓當天將發(fā)票和報銷材料發(fā)放給學員。
Q：培訓提供食宿嗎？
A：我們?yōu)閷W員提供兩日培訓的午餐，住宿需要學員自費，我們會在報名確認郵件中發(fā)送周邊酒店信息，方便學員選擇和預定。老學員復聽不再重復安排午餐和資料，帶著身份證現(xiàn)場簽到即可。
