实力满满！交大科研新成果
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近期，西安交大科研团队在非均匀应变下的导热机制、量子科学相关研究、纳米尺度毛细流动、自组装纳米诊疗材料、介电可调陶瓷等领域取得新进展。
西安交通大学科研团队
联合研究成果在《自然》发表
研究背景
纳米材料具备优异的力学特性，能够承受远超块体材料的应变，从而调节其物理/化学性能（如电子、光学、磁性、声子和催化活性）。基于力学应变工程，过去的研究优化设计了一系列前所未有的先进功能材料和器件，包括高迁移率芯片、高灵敏度光电探测器、高温超导体、和高性能太阳能电池以及电催化剂等等。尽管对基于应变调控电子输运性能和能带结构等方面进行了广泛研究，但由于单一施加应变梯度而不引入其他混淆因素（例如界面和缺陷）的困难，以及将纳米尺度热输运测量与原子尺度局域声子谱表征相结合的挑战，非均匀应变下的导热机制仍未被系统研究。这尤其令人沮丧，因为精确热管理被视为制约先进芯片和高端设备效率和寿命的关键瓶颈。
科研创新
西安交通大学岳圣瀛教授与北京大学工学院杨林研究员、北京大学物理学院高鹏教授、杜进隆工程师等人合作，提出了实验探究非均匀应力对导热调控的新策略，研究团队通过在自制的悬空微器件上弯曲单个硅纳米带（SiNRs）来诱发非均匀应变场，并利用具有亚纳米分辨率的基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术表征局域晶格振动谱，研究结果显示，0.112％/nm应变梯度将导致热导率（κ）显著降低34±5％，这是先前文献中均匀应变下热导率调制结果的3倍以上（图1）。该成果揭示了均匀应力下不存在的，由应变梯度导致的独特声子谱扩展效应及其对导热的反常抑制现象。
图1. 非均匀应力对硅纳米带导热的显著抑制现象
（a）实验测得的（实心符号）和理论模拟的（空心符号）结果表明，在均匀应变下，块体硅和硅纳米线的热导率基本保持不变，而弯曲硅纳米带的测量结果随着应变的增加急剧上升（半填充）。（b）基于悬空热桥微器件的热导率测试原理示意图。（c）高分辨透射电子显微镜显示弯曲硅纳米带的单晶特性。（d）实验测得的弯曲硅纳米带相较于无应力样品的热导率降低百分比。
为了揭示应变对声子传输的影响，直接测量弯曲硅纳米带的局域声子谱，并表征沿应变梯度声子模式的演变现象是非常必要的。与先前文献中观察到的在异质界面或缺陷周围的EELS峰移不同，运用同时具备亚纳米级空间分辨率和毫电子伏特（meV）能量分辨率的STEM-EELS技术，该工作首次表征了完全受非均匀应变调控的声子模式，揭示了应变梯度下奇特的声子谱扩展效应（图2）。
图2. 表征受应变调控的局域声子谱
（a）基于STEM-EELS的局域声子谱表征技术示意图。带有弯折的弯曲硅纳米带HAADF图像（b）和EELS测量区域的放大视图（c）。（d）在不同位置（P1至P5）沿应变梯度测得的TA和TO声子模式的EELS谱。（e）弯曲硅纳米带的HAADF图像。（f）沿电子束移方向TA和TO声子模式的振动谱图。（g）在e中标记的区域沿应变梯度测得的EELS谱线。与均匀应变下每个声子支具有的特定单一线条色散关系不同，不均匀应变的存在导致了在给定波矢处的声子频率分布区间（图3）。
这种奇特的声子谱扩展效应增加了声子频率的多样性，以满足声子-声子散射的能量守恒约束，因此加速了声子-声子散射率并缩短了声子寿命，引发了一种均匀应变不存在的全新声子散射机制。
图3.声子谱扩展增强声子散射率
（a）受应变梯度调制的声子色散示意图。（b）左侧，硅在不同弹性应变下的声子色散。右侧，应变梯度为0.118% /nm下声子谱扩展引发的声子散射率，τsg−1。
研究意义
通过开发跨微米-原子尺度的实验表征技术，并结合第一性原理的理论模拟，该工作为长期以来有关非均匀应变对声子传输影响的难题提供了关键线索。因此，这项研究不仅清楚地揭示了非均匀应变对固体导热的调制机理，而且为基于应变工程的功能性器件的创新设计提供了重要思路。例如，基于应变梯度引起的晶格热导率降低，与此前已证明的载流子迁移率增强之间的协同作用，为开发高性能的热电转换器件提供一种新颖策略。此外，基于非均匀应变调制热导率可实现功能性热开关器件，用于动态控制热通量。
科研成果
论文题目
《非均匀应变对硅纳米带中热输运的抑制效应》（Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain）
发表期刊
《自然》（Nature）
文章作者
北京大学杨林研究员、西安交通大学岳圣瀛教授是该论文的共同第一作者，杨林研究员、高鹏教授、杜进隆工程师是共同通讯作者。论文合作者包括东南大学陈云飞课题组、北京大学戴兆贺课题组、北京大学宋柏课题组和美国范德堡大学Deyu Li课题组
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07390-4
西安交通大学量子光学团队在量子科学相关研究领域取得系列重要进展
量子科学作为现代物理学的两大基石之一，引领了上世纪诸如半导体、光通信、核能等革命性技术的发展。以精准操控光子、电子、原子等量子系统为特征的量子科技的迅猛发展，开启了量子科学的“二次革命”。针对具有量子特性器件的研发，将产生一系列冲击传统技术体系的重大颠覆性技术创新，引领新一轮信息技术革命和产业变革方向。量子信息技术已经成为培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要方向之一。
西安交通大学物理学院量子光学研究团队面向量子信息研究国际前沿，主动对接国家需求，在量子信息科技领域产出了一系列有国际影响力的研究成果，承担了国家重大、重点项目。近日，团队李蓬勃、高宏、张沛教授课题组分别在磁振子-斯格明子混合量子系统、矢量结构光场与物质相互作用、高维量子纠缠等方面研究相继取得重要突破。
提出磁振子-斯格明子二能级系统量子相互作用新机制
研究背景
不同物理体系之间的相干和耗散相互作用是量子科学和技术的基本问题。这些不同类型的相互作用是基于混合量子系统进行量子信息处理的理论基础。Jaynes-Cummings (JC)模型描述了两能级量子系统和量子化单模场之间的相干相互作用，它是量子体系中光-物质相互作用的经典理论模型，奠定了量子光学的基础。探索基于不同物理自由度相互作用的新量子系统和新理论方法具有重要的科学意义和研究价值。
科研创新
李蓬勃教授课题组与合作者通过开展磁振子和斯格明子相互作用的全量子理论研究，提出了一种全新的理论模型——利用磁偶极相互作用，可以实现磁振子和斯格明子二能级体系之间的强耦合。
当量子化的自旋波（磁振子）被激发时，斯格明子量子比特感受到磁振子的磁场会发生变化，从而能够实现由JC模型描述的磁振子和斯格明子量子比特在单量子水平上的直接相干耦合。为了控制和增强磁振子和斯格明子量子比特的相干耦合，可以利用磁振子克尔效应，通过参量驱动增大磁振子的零点涨落，从而实现指数型的相互作用增强。
此外，磁振子-斯格明子混合量子系统对支持磁子模式的磁性材料的几何形状没有具体限制，因此，球形、薄膜或块状磁性材料均可用于构建该混合量子系统。
磁振子-斯格明子混合量子系统耦合机制示意图
研究意义
基于磁振子和斯格明子构建的全磁混合量子系统可以实现磁振子和斯格明子中量子化的螺旋度自由度之间的直接强耦合，并能够控制和增强该相互作用，具有潜在的应用价值和科学意义。例如，可以实现长程的斯格明子量子比特之间以及斯格明子量子比特与其他量子体系之间的相干耦合，并且利用量子库工程的方法，能够实现斯格明子量子比特之间以及斯格明子量子比特与其他量子体系之间的非互易响应，这为相关量子技术的应用提供了便利。这项工作为研究微磁结构的各种量子效应和量子信息处理提供了一个很有前途的量子平台。
科研成果
论文题目
《磁振子-斯格明子混合量子系统：通过磁振子定制相互作用》（Magnon-Skyrmion Hybrid Quantum Systems: Tailoring Interactions via Magnons）
发表期刊
《物理评论快报》( Physical Review Letters）
文章作者
西安交大物理学院为该论文的第一完成单位，博士生潘雪峰为论文第一作者，李蓬勃教授为论文唯一通讯作者。参与此工作的还有西安交通大学黑鑫磊博士、李福利教授，日本理化学研究所的Franco Nori教授，以及日本早稻田大学的张溪超助理教授和Masahito Mochizuki教授。
论文链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193601
基于冷原子介质实现矢量结构光场不可分离度测量新机制
研究背景
量子纠缠是微观粒子之间的一种关联关系，也是量子信息科学的核心。经典光场的不可分离度是可以类比量子纠缠态的重要概念，其表现为同一系统下不同自由度之间的关联特性，例如偏振态与空间模式。矢量结构光场具有空间不均匀的偏振分布，同时也是光子自旋与轨道角动量相互耦合的新型光场模式。不同于单一偏振且无不可分离特性的标量光场，矢量结构光场具有可自由调控的不可分离度。探索矢量结构光场的不可分离度与冷原子介质的映射关系对于光场调控、量子通讯和精密测量等领域具有重要的科学意义和研究价值。
科研创新
高宏教授课题组与合作者通过开展矢量结构光场与冷原子介质相互作用的理论与实验研究，提出了一种测量矢量结构光场不可分离度的全新方法——利用冷原子介质中的空间电磁诱导透明效应，建立了矢量结构光场不可分离度与冷原子介质吸收特性的直接联系。
在外加横向磁场作用下，矢量结构光场与原子能级耦合构造出闭环形式的原子跃迁通道，而正交自旋态所携带的轨道角动量赋予了原子跃迁通道不同的相位差，因此产生了空间分布的相长与相消干涉，改变了冷原子介质对矢量结构光场的吸收特性。
矢量结构光场与冷原子介质相互作用示意图
研究意义
干涉图案的条纹对比度与矢量结构光场不可分离度存在映射关系，因此可以通过单次吸收图案直接得到矢量结构光场的不可分离度，突破了传统光学方案至少需要四次探测的局限性。
此外，本工作还实现了矢量结构光场中的自旋与轨道角动量关联特性到原子空间自旋极化中的转移，这将为包括自旋电子学、量子存储器、计量学和原子时钟等领域提供新的理论和实验手段。
科研成果
论文题目
《利用原子态干涉仪测量矢量光场的光学不可分离度》（Measuring the Optical Concurrence of Vector Beams with an Atomic-State Interferometer）
发表期刊
《物理评论快报》( Physical Review Letters）
文章作者
西安交大物理学院为该论文的第一完成单位，西安交通大学物理学院助理教授王金文为论文第一作者兼通讯作者，高宏教授与格拉斯哥大学Sonja Franke-Arnold教授为论文共同通讯作者。参与此工作的还有湖州师范大学陈云博士，英国格拉斯哥大学的Niclas Westerberg博士，以及匈牙利维格纳物理研究中心Thomas W. Clark博士等。
论文链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193803
实现高维量子导引不对称结构的判定与观测
研究背景
爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）导引是一类特殊的量子关联性，描述了作用在纠缠粒子对中一个粒子上的局域测量能够非局域地影响另一个粒子状态的能力。与贝尔非定域性和量子纠缠不同，EPR导引从定义上具有独特的非对称性，甚至能够进一步导致单向导引，被认为是单方设备无关量子信息处理的重要资源。高维量子系统中的EPR导引已经在各种光子自由度中得到证明。
然而，迄今为止单向导引仅在qubit-qubit或qubit-qutrit系统中得到了实验证明。考虑到高维量子系统中更复杂情况，表征和观测其中的非对称导引特性对于基础量子理论具有重要意义，并在理论和实验上仍具有挑战。
科研创新
此前，张沛教授课题组基于双光子OAM自由度高维纠缠系统，利用多测量设置方法揭示高维纠缠体系中更高的EPR导引强度，实现从高噪声环境中提取高维导引[Phys. Rev. Lett. 128, 240402 (2022)]，并提出了一种高鲁棒性和高准确性的EPR导引维度判定方法，为单方设备无关情况下对共享量子态的维度进行可靠而准确的认证提供了有效途径[Optica 9, 473 (2022)]。
基于以上成果，在本工作中研究团队通过发展新的理论判据，通过制备高保真度的路径-偏振高维纠缠态揭示了高维量子系统中更普适的不对称导引结构。
(a)高维单向量子导引新结构
(b)基于路径-偏振自由度高维纠缠系统的实验观测装置
研究意义
张沛教授团队与合作者在理论上提出了新的概念——真高维单向导引，即在一个导引方向上量子态显示出更高的导引维度，而在另一个方向上则不能。然后，通过发展两种导引维度的新判据，提供了一种方法来度量两个导引方向上导引维度的不对称性。这些不对称导引结构明显区别于对称导引和标准单向导引，例如，从Alice到Bob是三维可导引的，但相反从Bob到Alice是二维可导引的。
在实验上，与中国科学技术大学柳必恒教授团队合作，利用光子的路径和偏振自由度产生了双光子三维（qutrit-qutrit）混态实现了这些不对称导引结构的实验观测。
该研究工作突出了高维量子系统的复杂性和丰富性，在非对称高维量子信息任务中具有潜在的应用前景。
科研成果
论文题目
《高维EPR导引中多种非对称结构的观测》（Observation of Diverse Asymmetric Structures in High-Dimensional Einstein-Podolsky-Rosen Steering）
发表期刊
《物理评论快报》( Physical Review Letters）
文章作者
西安交大物理学院为该论文的第一完成单位，西安交通大学20级博士生瞿睿（现新加坡国立大学博士后）和中国科学技术大学博士生张超为论文的共同第一作者，张沛教授和中国科学技术大学柳必恒教授为论文的共同通讯作者。
论文链接
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.210202
西安交通大学白博峰、孙成珍教授团队揭示纳米尺度水的流动之谜
研究背景
纳米空间受限水的自发毛细流动现象广泛存在于致密油气开采、纳米多孔膜分离、太阳能辅助水蒸发等能源开发、转化与利用的工业过程中，其流动过程的基础理论研究会有助于相关过程的提质增效与节能减排。然而，由于表面效应、小尺寸效应等纳米尺度效应，纳米空间受限水完全有别于宏观体相水，经典流体力学理论通常不再适用。因此，如何通过充分考虑纳米尺度效应实现纳米空间受限水流动过程的理论描述就成为重要的学术难题。
科研创新
受限于实验技术，目前对纳米尺度毛细流动的直接实验研究止步于10 nm。通过高精度大尺度分子模拟，西安交通大学绿色氢电全国重点实验室白博峰、孙成珍教授团队研究了特征尺度在亚纳米至30 nm间的纳米通道内水的毛细流动特性。
研究发现纳米受限空间尺度减小将导致水的毛细流动能力低于经典Lucas-Washburn理论预测，且偏差随尺度降低而显著增加，符合常规实验发现。但当通道特征尺度继续降低至3 nm时，水的流动发生意料之外的逆转，表现出反常的流动增强特性，使得理论偏差不升反降。
理论分析发现纳米受限水的结构依赖于受限尺度，并产生两种相反的尺度依赖效应，分别为能够增加流动阻力的长程粘性增强效应和增加流动动力的短程分离压效应，尺度效应的不匹配使得纳米尺度水的毛细流动表现出特异的非单调尺度依赖性，特别发现这种特异尺度依赖性广泛存在于亲水和疏水纳米通道中。通过引入分离压、对粘度进行尺度修正以及对其他纳米尺度效应（如动态接触角、壁面滑移）建模，建立了从纳观到宏观、纳秒到秒的多尺度时空统一的毛细流动理论预测模型，并通过大量分子动力学模拟和文献实验结果进行验证。
纳米尺度水的毛细流动非单调变化
及流动理论模型对比
研究意义
该研究全面揭示了毛细流动的尺度依赖性，打破了通道越小阻力越大流动越慢的固有认知，构建的毛细流动模型为纳米流体力学提供了统一的见解，标志着该领域向前迈出了重要一步，为纳米空间受限流体流动特性理论体系的进一步完善和以纳米尺度水分子快速输运和精准调控为基础的膜分离、能源转化等技术的开发与升级奠定了坚实的理论基础。
评审专家评价该研究：“its results are compelling as they offer a unified theoretical framework for the spontaneous imbibition of nanochannels” “These results are of great importance for understanding and predicting nanofluidic flows”。
科研成果
论文题目
《亲水纳米通道中异常渗吸与疏水纳米通道中快速流动的相互联系》（Interlink between Abnormal Water Imbibition in Hydrophilic and Rapid Flow in Hydrophobic Nanochannels）
发表期刊
《物理评论快报》（Physical Review Letters）
文章作者
西安交通大学绿色氢电全国重点实验室为第一单位和唯一通讯单位，孙成珍教授为论文唯一通讯作者
论文链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.184001
西安交通大学党东锋、孟令杰教授团队在自组装纳米诊疗材料领域取得新进展
研究背景
对于光动力(PDT)纳米诊疗而言，开发兼具高活性氧物种(ROS)生成效率、良好肿瘤靶向能力和肿瘤滞留特性的有机荧光纳米材料至关重要。然而，目前的光动力治疗试剂大多为基于供体(D)和受体(A)特征的对称型D-A-D型分子，其纳米材料通常是微小的球形颗粒，虽然可以通过EPR效应实现良好的肿瘤靶向，但该类材料的肿瘤滞留时间较短。
因此，如何设计并构筑具有合适尺寸的棒状纳米体系以延长其瘤内停留时间，是目前光敏材料研究领域的一大挑战；尤其通过分子设计，在实现高ROS生成的同时，整合肿瘤靶向性及长滞留性等生物学优势于一体的形态可调型光敏材料更是鲜有报道。
动态自组装纳米晶体用于长效光动力治疗的
设计示意图
科研创新
近日，西安交通大学化学学院党东锋教授、孟令杰教授研究团队利用非对称的D-A型聚集诱导发光(AIE)分子TIBT构筑了一种形貌动态可变的自组装有机纳米晶体光敏材料。与对称的D-A-D型分子DTIBT相比，TIBT在固体状态下具有相近的长波长发光(600-850 nm)和更为出色的荧光效率，其量子产率(PLQY)值高达52.24%；此外，TIBT在相应的自组装纳米晶体(TIBT-NCs)中还显示出了更高的ROS产生效率，在由初始的小尺寸纳米球(50 nm)到大尺寸纳米棒(700 nm)的动态自组装过程中，其ROS量子产率可从0.55提高至0.72 。
体外及体内实验表明，TIBT-NCs的动态组装在生物环境中同样适用。更为重要的是，动态的形貌变化使其同时具备了良好的肿瘤靶向性、长滞留性/积累性及可代谢性。最终，在4T1荷瘤小鼠的实验模型中，低剂量的TIBT-NCs成功实现了长效的体内光动力治疗，取得了优异的肿瘤消融效果。该研究表明非对称D-A型分子能够实现动态自组装有机纳米平台的有效构筑，这也为开发新型高性能光敏材料提供了有效思路。
动态自组装TIBT纳米晶体的制备、表征及性能研究
活体荧光成像和光动力治疗4T1荷瘤小鼠的抑瘤实验
科研成果
论文题目
《简而未减：基于非对称D-A型分子的动态自组装纳米聚集体用于长效光动力治疗》(Less is More: Asymmetric D-A Type Agent to Achieve Dynamic Self-Assembled Nanoaggregates for Long-Acting Photodynamic Therapy)
发表期刊
《先进材料》(Advanced Materials)
文章作者
文章第一作者是西安交通大学化学学院博士生徐若寒，西安交通大学化学学院党东锋教授和孟令杰教授为论文共同通讯作者
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402434
西安交通大学周迪教授团队
在介电可调陶瓷领域取得新进展
研究背景
由于在相控阵雷达与微波移相器中的重要应用，介电常数能随外加电场而变化的介电可调材料一直以来被广泛的研究。包括铁氧体、铁电体、液晶、聚合物等多种材料体系都被发现具备介电可调效应。然而，日益发展的通讯技术和雷达系统对于可调材料提出了在可调度、驱动场强、介电常数、介电损耗、响应时间等多个性能指标上更高的要求，目前所研究的材料体系均在不同方面存在各自的短板，难以满足应用需求。曾被寄予厚望的钛酸锶钡铁电可调材料，也因为有效可调谐度的不足与较高的损耗，未能在实际器件中得到更进一步的应用——实现介质可调材料的复合优化，探索兼顾大可调度、低驱动场强、低介电损耗的可调材料，一直是该领域内的难点与挑战。
图1.(1-x)Bi6Ti5WO22 -xBi6Ti4Nb2O22陶瓷的离子取代的设计思路与最终制备效果
科研创新
针对这一难题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队在此前探索的新型高介低损Bi6Ti5WO22陶瓷体系的基础之上，通过引入Nb5+离子取代Ti4+/W6+离子，设计并顺利制备出组分为(1-x)Bi6Ti5WO22 -xBi6Ti4Nb2O22的一系列固溶体陶瓷。
这一明智的离子取代设计，实现了对该体系陶瓷晶格常数与纳米畴尺寸的连续精准调控，成功将陶瓷材料的相变温度点移至室温附近，使得材料的介电可调性能获得了大幅提升。其中，组分为0.7Bi6Ti5WO22 -0.3Bi6Ti4Nb2O22的陶瓷在极低电场（1.5kV/mm）下兼具超大的介电可调度（~75.6%）与超低损耗（＜0.002），这一可调度是钛酸锶钡陶瓷的两倍，而损耗仅为其十分之一。中子粉末衍射和高分辨率透射电子显微镜显示了取代引发的纳米畴和微应变的变化，密度泛函理论模拟计算揭示了离子取代对极化的贡献。
该研究为制备快速响应的高性能铁电移相器提供了一种理想的替代品，也为调节相变温度以改善介电性能提供了一个通用策略。
图2.(1-x)Bi6Ti5WO22 -xBi6Ti4Nb2O22陶瓷同其他材料体系对比更为优异的介电可调性能
科研成果
论文题目
《在低损耗铁电陶瓷中通过离子取代设计实现超大介电可调度》(Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design)
发表期刊
《自然通讯》(Nature Communications)
文章作者
该工作以西安交通大学为唯一通讯单位，电信学部电子学院博士生李睿韬为论文第一作者，电子学院周迪教授、徐谛明助理教授、微电子学院王大威教授和航天学院梁旭教授为共同通讯作者
供稿单位：西安交通大学
