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院系风采

物理与天文系

— 院系风采

2016年03月15日

－－－－－－－－－－－－IFSA协同创新中心－－－－－－－－－－－－

IFSA协同创新中心由上海交通大学、中物院与北京大学、中科院上海光机所、华中科技大学等单位共同组建，其核心任务是对激光聚变进行科学研究，追求人类梦想中的终极能源。几十年来，全球科学家一直梦想在实验室中模拟太阳的聚变反应，以获得取之不尽的清洁能源。IFSA 协同创新中心致力于激光聚变科学研究，是全球“追梦”队伍中的一支新兴力量。

目前，世界上最著名的激光聚变研究机构有美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、欧洲激光聚变实验室（LMJ）、英国卢瑟福实验室（RAL）和日本大阪大学激光能源中心（ILE），而IFSA协同创新中心的长期发展目标，是成为与它们齐名的国际五大研究机构之一。

协同创新确实起到了实效。2014年度的基础研究成果，已经开始展现出协同创新的“聚变增值”作用。中心2014年在Nature、PNAS、Physical Reports和Physical Review Letters等四类顶级学术期刊上发表论文26篇，相对于协创中心启动之前的2011年增加了2倍，使得我们在基础研究的成果方面已经进入到了国际五大聚变研究中心的前列。更加重要的是，这些高端论文数量中的40%源自于中心团队之间的协同创新以及国际化的合作研究。我们相信协同创新也将很快地在工程技术方面展示重要成效。

－－-－－－－－－拓扑超导及Majorana费米子探测－－－－-－－－－

理论预言，利用拓扑绝缘体薄膜和超导薄膜形成的异质结可以实现拓扑超导，从而得到自然界中不存在的拓扑超导材料。在拓扑超导材料中存在马约拉纳(Majorana)费米子（马约拉纳费米子是自身与反粒子同体的一类全新的费米子）。马约拉纳费米子由于具有非阿贝尔的统计特性而且对去相干具有极强的抵抗性，能极大提高量子计算容错率，是实现量子计算的一个非常重要的途径。2012年，贾金锋课题组采用了全新的设计，在国际上第一个制备出了拓扑绝缘体/超导体异质结，他们用STM和ARPES观察到了拓扑表面态和超导态的共存，证明该材料体系是研究Majorana费米子的最佳体系之一。该工作投到Science杂志，被审稿人评价为“材料科学的突破(a breakthrough)”和“巨大的实验成就(a tremendous experimental feat)”。文章在Science上发表 (Published Online March 15 2012)，并被编辑以“Demonstrating the Coexistence of Superconductivity and Topological Order”为题进行了推荐。最近，他们又进一步证明这个体系是拓扑超导，并发现了Majorana费米子存在的迹象。这一系列相关研究成果发表在PRL上，国际著名期刊《现代物理评论》和美国《新科学家》等杂志把这一系列工作作为探索Majorana费米子的重要进展之一，认为他们的研究工作开辟了人造拓扑超导材料研究的新领域。

左图：Bi2Se3薄膜上的拓扑表面态，右上（左）：在Bi2Se3薄膜上测到的超导能隙，右上（右）：原子分辩的STM图，右下：超导衬底NbSe2上生长的Bi2Se3薄膜。

－－－－－－-－－－－原位输运系统及界面超导－－－-－－－－－－－

2014年贾金锋研究组自主创新研制了国际上第一套与STM兼容的极低温、强磁场、超高真空新型的原位输运测量系统。利用这种原位四探针技术，首次在单层FeSe薄膜中观察到了100K以上的高温界面超导现象。他们的原位测量结果证实了界面体系存在高温超导的预测，这是自1986年铜氧化物高温超导发现以来第一次在常压下观察到高于液氮温度的超导，对研究高温超导机理及探索新型高温超导材料有着重大意义。该成果发表在自然-材料（Nature Materials），Nature Physics邀请国际著名的超导领域专家布鲁海文国家实验室Ivan Bozovic教授以 “A new frontier for superconductivity” 为题高度评价了这一工作。

左图：单层FeSe/STO样品上测得的电阻-温度曲线，结果表明在109K时样品电阻降到了零；右图：原位四探针测量示意图（在不同磁场下测得的电阻-温度曲线）。

－－－－－－实用化高温超导材料产业化关键制备技术研究－－－－－－

该项目面向国家重大需求，研究开发出了具有我国自主知识产权的第二代高温超导带材制备关键技术。建立起了一整套适合于批量生产的镀膜工艺数据库，突破了长带材连续化制备的稳定性、重复性和可靠性等技术难点，实现了产业化生产。

该项目从2007年起由物理与天文系李贻杰教授组建团队开始实施。2011年1月研制成功我国第一根百米级二代超导带材，跻身该领域国际先进行列。2011年联合赣商集团成立了上海超导科技股份有限公司。2012年建成了第一条公里级生产线，2013年成功将实验室科研成果转移到生产线上，2014年研制出超导电流达500安培的公里级带材，2015年实现商业化生产。产品可应用于电力、能源、医学成像等领域,市场前景可观。

左图：第二代高温超导带材结构示意图；右图：产业化生产的镀银层超导长带。

上海超导公司第二代高温超导带材公里级生产线

－－－－－－－－超强激光驱动粒子加速及其重要应用－－－－－－－－

该项目研究强激光驱动的粒子加速和高亮度超快辐射产生的物理机制，借助强激光等离子体实验揭示天体物理环境中高能粒子加速的物理机制，解决制约相对论强激光发展的极高脉冲信噪比世界性瓶颈难题。通过物理方法和关键技术的突破，为从当前的“新型粒子加速方案”跨越到“真正的激光加速器”奠定核心基础，并开创相对论实验室天体物理研究新方向。

该项目已经取得了多项具有国际先进水平的成果，在PNAS、Nature Phys、Physical Review Letters、Nature Communications、Optica等高端期刊发表了20余篇高水平论文，入选2011年度中国科学十大进展。在强激光超高对比度方面产生了3项已授权的美国专利技术，并被美国激光专业媒体《Laser Focus World》亮点介绍（2015年3月）。

左图：自主研发的强激光脉冲对比度测量装置，拥有目前国际最高的动态范围；右上：阿秒时间尺度电子层；右下：激光尾场加速获得1.2GeV电子束。

－－－－－－－－－－－PandaX暗物质探测实验－－－－－－－－－－－

暗物质探测是国际科学前沿极其重要的研究领域。上海交通大学领导的PandaX国际合作组自2012年起在世界最深的锦屏地下实验室开展了中国首个大型液氙暗物质探测实验，取得了重大研究成果。PandaX自主研制了同类探测实验中国际最先进的制冷和氙气循环系统，建造了世界最低本底水平的辐射屏蔽体，设计和建造了120公斤级的极高灵敏度暗物质探测器。项目首期实验以大于90%的置信度排除了该领域至今找到的所有暗物质“疑似事例”。该结果预示着需要更加灵敏的探测器才能进一步对暗物质进行直接探测。项目的研究结果引发了国际同行的广泛关注。美国《Science》杂志以《探索暗物质，中国团队迎头赶上》为题，报道了PandaX科研团队暗物质探索实验所取得的显著成果。