2014年度物理学院十大科研进展
1. 实现麦克斯韦妖式量子算法冷却
我院光学与光学工程系郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋教授研究组在量子冷却的研究中取得重要进展。研究组与哈佛大学和清华大学的理论组合作提出了一种新型的麦克斯韦妖式的量子算法冷却，并在光学系统中利用量子模拟技术实验演示了这种量子冷却方法的工作原理。这项研究成果1月19日在线发表在《自然•光子学》杂志上。
现代低温物理学的发展主要得益于有效冷却方法的发展。特别地，激光冷却技术的发展使人类可以达到十亿分之一度的极低温（nK），从而可以研究一些奇特的量子物理现象，如玻色-爱因斯坦凝聚等。在这种极低温下，热运动带来的消相干极小，系统能够处于量子状态，然而要实现量子计算、量子模拟等量子信息过程，通常需要系统初始时处于能量最低的量子态，即基态，这就需要量子冷却。一般说来，量子冷却的研究目标就是要降低量子态的平均能量，直至系统处于基态。研究组的理论合作者提出了一种量子冷却的新方法，通过引入一个辅助量子比特，实现与待冷却系统的控制耦合。通过对辅助量子比特的测量，实现待冷却系统高能量部分和低能量部分的区分。将高能量部分剔除后就可以实现系统的量子冷却。这就像一只量子的麦克斯韦妖可以轻而易举地除去量子态中能量高的部分，因此这种方法被称为麦克斯韦妖式量子算法冷却。
李传锋教授研究组与其合作，利用偏振依赖的干涉装置搭建成冷却模块，其中入射光子的路径信息作为辅助量子比特，而光子的偏振信息模拟待冷却系统，最后通过对路径信息的探测后选择即可降低光子偏振态的平均能量。研究组还利用光纤将不同的冷却模块连接起来从而形成了一个光学冷却网络，通过多次调用冷却模块来实现量子系统的逐步冷却。研究组在实验上实现并比较了蒸发冷却和循环冷却两种不同的量子冷却策略，实验结果和理论预言吻合的非常好，保真度达到97.8%以上。
本成果提供一种新的途径用以量子模拟经典方法难以实现的物理系统和化学系统的低温性质。另一方面，由于平均能量接近基态能量的量子态与真实基态有很高的重合度，并可通过量子算法估计的方法以很高的概率来得到量子基态，因此这项工作还可以用来为普适的量子计算和量子模拟提供初始量子态资源。
上述研究得到科技部、国家基金委、中国科学院和教育部“2011计划”的支持。
麦克斯韦妖式算法冷却原理抽象示意图
Jin-Shi Xu, Man-Hong Yung, Xiao-Ye Xu, Sergio Boixo, Zheng-Wei Zhou, Chuan-Feng Li, Alan Aspuru-Guzik, and Guang-Can Guo
Nature Photonics 8, 113–118(2014)
DOI:10.1038/NPHOTON.2013.354
2. 中国科大观测到不同核间距下的分子杨氏干涉效应
我院近代物理系陈向军教授研究组最近利用自主研制的高分辨(e, 2e)谱仪首次实现了振动分辨的电子碰撞电离三重微分截面的实验测量，并获得了H2分子振动分辨的电子动量分布。通过振动态的选择实现了分子核间距的选择，观测到了不同核间距下的分子杨氏干涉效应。研究结果发表在1月份的物理评论快报上 ：(Phys. Rev. Lett. 112, 023204 (2014))。
H2分子杨氏干涉实验的概念图
对波粒二象性的认识是量子力学发展的里程碑，这一革命性的概念一直以来不断地被各种实物粒子的杨氏双缝干涉实验所证实，小到电子，大到有机大分子。传统双缝实验的基础是海森堡的不确定关系，为了得到干涉图像，粒子的动量要精确确定，使得粒子位置的非局域化大于狭缝宽度，从而具有相干性。
使粒子具有相干性的另一种机制是粒子从空间不同位置出射的相干叠加，同核双原子分子的电离提供了这种分子尺度“双缝”干涉实验的例子(如图所示)，电离电子从两个原子相干出射，电子波的叠加导致可观测的干涉效应。
早在1966年，Cohen和Fano就在光电离中提出了观测这种分子杨氏干涉实验的可能性，但直到2001年和2005年才分别在重离子碰撞电离和光电离的实验中得到证实，而电子碰撞电离实验由于受到各种效应的影响，一直没有得到明确的结果。2012年陈向军教授与日本东北大学研究组合作，在CF4分子的电子碰撞电离实验中间接地观测到了多中心干涉效应 (Phys. Rev. Lett. 108, 173201 (2012))。最近，陈向军教授与研究组的单旭副教授等人一起，利用自主研制的高分辨(e, 2e)谱仪首次实现了振动分辨的电子碰撞电离三重微分截面的实验测量，并获得了H2分子振动分辨的电子动量分布。通过测量振动分辨的截面比避开了动力学效应的影响，直接观测到了分子的杨氏干涉效应，而且通过振动态的选择实现了分子核间距的选择，从而实现了不同核间距的分子杨氏干涉实验。研究结果发表在最新一期的物理评论快报上，审稿人认为：“在两体(e,2e)的实验中观测到H2的杨氏干涉是向前迈进的重要一步，会对相关领域的进一步发展产生影响，”“这是第一次(在(e, 2e)实验中)清楚地展示了不同核间距下的干涉效应。”
Zhe Zhang, Xu Shan, Tian Wang, Enliang Wang and Xiangjun Chen,
Phys. Rev. Lett. 112, 023204 (2014).
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.023204
3. 铁基超导体研究取得重要进展
铁基高温超导体是目前凝聚态物理领域的研究热点，其机理还没有得到完全的理解，FeSe类超导体以其诸多独特的性质被认为是研究铁基超导机理的理想材料体系。尤其是近期报道的生长于SrTiO3衬底上的FeSe单层薄膜的零电阻转变温度高达100K以上，更加激起了科学家们对于这一体系的浓厚兴趣。然而，对于FeSe类超导材料，目前研究较为广泛的AxFe2Se2 (A=K, Rb, Cs)体系存在严重的相分离，使得研究其内在的物理变得非常困难。而FeSe单层薄膜以及通过液氨等低温液相插层方法合成的Lix(NH2)y(NH3)1-yFe2Se2等化合物在空气中极不稳定，无法深入研究其物理性质。为了能够深入地探究铁基高温超导的物理机制，亟需寻找到新的具有高的超导转变温度且空气稳定的并适合物理测量的FeSe类超导材料。
我院陈仙辉教授研究组首次利用水热反应方法成功发现了一种新的FeSe类超导材料(Li0.8Fe0.2)OHFeSe，超导转变温度高达40 K以上。通过结合X射线衍射，中子散射和核磁共振三种技术手段精确地确定了该新材料的晶体结构。此外，发现该结构中严重畸变的FeSe4 四面体有利于超导，这与FeAs类超导体中完美的FeAs4 四面体有利于超导完全不同。同时比热、磁化率和核磁共振数据表明该新超导材料在低温~8.5 K存在反铁磁序，并与超导电性共存。这一重要工作是首次利用水热法发现FeSe类新型高温超导材料，为相关体系新超导体的探索提供了新的研究思路。同时，该新超导体所具有的高超导转变温度、空气中稳定等优点为进一步的实验研究提供了可能，同时也为探索铁基高温超导的内在的物理机制提供了理想的材料体系。成果于12月5日发表在Nature Materials上。
X. F. Lu, N. Z. Wang, H. Wu, Y. P. Wu, D. Zhao, X. Z. Zeng, X. G. Luo, T. Wu, W. Bao, G. H. Zhang, F. Q. Huang, Q. Z. Huang and X. H. Chen*
Nature Materials
DOI: 10.1038/nmat4155
4. 中国科大在超冷原子量子模拟研究领域取得重要突破
我院近代物理系潘建伟教授及其同事陈帅等与清华大学翟荟小组合作，在超冷原子量子模拟研究领域取得重要突破，在超冷铷原子玻色气体中人工合成自旋-轨道耦合的基础上，首次在实验上成功确定自旋-轨道耦合玻色气体在有限温度下的相图。该实验成果于3月9日以封面标题的形式发表在国际权威物理学杂志《自然•物理学》[Nature Physics 10, 314–320 (2014)]上，标志着我国在超冷原子量子模拟的这一重要实验领域占据了一席之地。
凝聚态物理中由于复杂的多体相互作用导致的强关联体系，例如高温超导、分数量子霍尔效应等等，很难直接得到求解，妨碍了人们对这类物理问题的深入理解和应用。基于超冷原子的量子模拟通过人工合成等效的量子体系，利用易于观测的超冷原子在等效体系中的演化来模拟传统强关联体系中复杂的电子行为，为人类对某些重大凝聚态物理机制的理解开辟了一条更直观的道路，在当前被认为是理解和解决诸多复杂物理系统和物理机理的最有力的手段。最近十余年来国际上超冷原子量子模拟实验研究的蓬勃发展充分地证明了这一点。
自旋-轨道耦合是很多重要物理现象的关键因素，例如原子中的精细结构以及近年发现的拓扑绝缘体等等。因此，对自旋-轨道耦合的研究和量子模拟也成为对这些现象深入理解以及进一步加以利用的有效手段。美国国家标准与技术研究院（NIST）的I. Spielman小组于2011年首先在实验上合成了自旋-轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体，并迅速成为人们关注和追踪研究的热点。随后在2012年，山西大学的张靖小组，麻省理工学院的M. Zwierlein小组和中国科大的潘建伟小组也分别在超冷费米子和玻色子的实验上实现了自旋-轨道耦合。
潘建伟、陈帅等首先利用拉曼耦合技术人工合成了自旋-轨道耦合的超冷铷原子玻色气体。通过改变系统温度，首次观察到了玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的转变温度在自旋-轨道耦合影响下的变化；实验上确定了磁性平面波相BEC到非磁性条纹相BEC在非零温度下的相变曲线；并且还观察到在自旋－轨道耦合作用下，玻色气体磁性的产生与BEC转变温度的一致性。他们在这些现象的基础上比较完整地描绘出有限温度下自旋-轨道耦合玻色气体的相图。
他们的发现使人们能够更清楚地理解自旋-轨道耦合的玻色气体的基本特性，展现了超冷量子气体在相互作用效应和热力学效应的共同影响下所产生的丰富的物理内容，是超冷原子量子模拟的一项重要进展，充分显示出量子模拟的强大功能。
SiCong Ji, JinYi Zhang, Long Zhang, ZhiDong Du,Wei Zheng, YouJin Deng, Hui Zhai, Shuai Chen and JianWei Pan
Nature Physics 10, 314–320 (2014)
http://dx.doi.org/10.1038/NPHYS2905
5. 基于自旋的量子模拟取得重要进展
我院近代物理系杜江峰教授领导的自旋磁共振量子模拟研究团队彭新华教授、李兆凯博士后等，利用核自旋量子模拟器，开展多学科领域间交叉的量子模拟实验研究，在多体系统的量子模拟方面取得了一系列重要进展。相关研究成果于6月2日发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上。
微观粒子系统遵循的量子物理定律极为复杂，很难用经典计算机进行研究。如描述一个由32个粒子组成的微观系统的状态就需要约20亿块常见的500G硬盘，这已经超过了全球硬盘厂商的年出货量，而进行研究所需的计算能力更是超过了目前电子计算机的极限。如果使用量子模拟方法研究这一系统，仅仅需要约32个量子比特就可以精确地对其进行模拟，研究它的各项性质。使用量子模拟器来研究微观粒子的高效特性吸引了了各国政府，研究机构，IT 公司的广泛兴趣。
现阶段量子计算与量子模拟研究的一个重要限制是实验室环境中比特数目的限制。杜江峰教授、李兆凯博士后等成功实现了新型量子模拟技术，极大地减少了量子模拟中对量子比特数的要求。他们使用基于5个原子组成的核磁共振量子计算平台，成功研究了一个32粒子组成的微观系统的基本性质。这一压缩方法利用了原微观系统的特殊性质，消除了量子模拟过程中不必要的冗余计算量，使得所需的量子比特数进一步指数级地减少，从而在实验中成功实现。使用同样的手段，1000个粒子的微观系统也仅需10个量子比特就可以进行研究，这表明研究特定微观系统的研究难度将极大地降低，为当前技术水平下实现对蛋白质，DNA等大型分子的研究奠定了坚实的基础。该成果发表在《物理评论快报》上，并被选为当期的编辑推荐亮点文章。[Phys. Rev. Lett. 112, 220501 (2014), Editors’ Suggestion] 。
量子模拟的另一大特色是可以用模拟的方法研究一些难以直接实验观测的量子物理现象。 1952年李政道和杨振宁证明了Ising铁磁模型的系统配分函数存在为零的点（Lee Yang零点），如果知道零点的位置，就可以得知系统的各项热力学性质（如熵，配分函数，自由能等）。然而这些零点存在于复数域内，无法直接被实验探测到，因此对其的实验研究一直未能开展。杜江峰教授、彭新华教授等利用量子模拟手段，使用量子模拟器重现了该铁磁模型，并使用一个探测量子比特，观测到了该系统的Lee Yang零点。这是对这一问题的首次实验研究，证明了量子模拟方法在这类难以直接实验研究的问题上的可行性。该成果已被《物理评论快报》接收，并被选为编辑推荐亮点文章。[Phys. Rev. Lett. (2014), Editors’ Suggestion] 。
在新型量子计算平台的开拓性研究中，量子模拟也有着极其重要的作用。在多种备选的新型量子计算平台中，基于量子系统拓扑序的拓扑量子计算由于其高容错性得到了广泛的关注与研究。然而，由于实验体系中的拓扑序较为少见，且其实验观测非常困难，这使得人们开始考虑用量子模拟方法对其进行研究。杜江峰教授、彭新华教授等在核磁共振体系上首次模拟了最重要的拓扑序模型之一: Wen-plaquette模型，并实验探测了两种不同拓扑序间的跃迁相变过程。这一工作不仅为拓扑序的研究开发了新的方法，同时也验证了制备与调控拓扑序的可行性，为下一步构建拓扑量子计算做好了准备。该研究成果发表于《物理评论快报》上 [Physical Review Letter 113,080404 (2014) ]。
1. Zhaokai Li, Hui Zhou, Chenyong Ju, Hongwei Chen, Wenqiang Zheng, Dawei Lu, Xing Rong, Changkui Duan, Xinhua Peng, and Jiangfeng Du.
Physical Review Letters 112.220501 (2014). Editors’ Suggestion
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.220501
2. Xinhua Peng, Hui Zhou, Bo-Bo Wei, Jiangyu Cui, Jiangfeng Du, and Ren-Bao Liu
Accepted by Physical Review Letters. Editors’ Suggestion
3. Xinhua Peng, Zhihuang Luo,Wenqiang Zheng, Supeng Kou, Dieter Suter, and Jiangfeng Du
Physical Review Letters 113, 080404, (2014).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.080404
我院近代物理系杜江峰教授领导的单自旋灵敏探测团队的荣星研究员、石发展副研究员等，发展高精度量子操控技术，首次成功将对电子自旋的精确操控水平突破T2极限，推进到了T1水平，极大延长了可对电子自旋量子比特的进行操控的时间。并利用发展的高精度量子操控技术，成功探测到距离NV探针约1 纳米处的单13C-13C 对；与德国斯图加特大学合作实现了固态自旋体系中的量子纠错实验。
量子逻辑门是量子计算的核心要素之一，逻辑门的优劣直接决定了量子计算成功与否。由于环境噪声和操控场引入的额外噪声，逻辑门的品质远远还没有达到实用化的要求。因此，寻求有效的方式来克服噪声的危害，提升量子逻辑门的品质迫在眉睫。杜江峰教授课题组通过将动力学解耦技术和磁共振中的组合脉冲技术结合起来，有效的提升量子逻辑门的品质[1]。实验结果表明外磁场噪声被有效地抑制到六阶，量子相干时间被延长至690±40微秒，这比自由感应衰减时间长了两个数量级，也远远超过了普通脉冲控制下量子相干时间，达到了T1ρ极限。该工作首次成功将对电子自旋的精确操控水平突破T2极限，推进到了T1水平，极大延长了可对电子自旋量子比特的进行操控的时间，使得更为复杂精确的操控成为可能，从而为基于电子自旋的量子计算及灵敏探测提供了关键技术。研究成果于2月6日发表在Phys. Rev. Lett. 112, 050503 (2014)。
利用发展的多种动力学解耦技术等精密操控技术方法，杜江峰课题组成功探测到距离氮-空位探针约1纳米处的单13C-13C 对，并且通过实验数据分析刻画出两个核自旋的相互作用[2]。从测得的相互作用，以原子尺度分辨率解析出自旋对的空间取向。这些结果证明动力学解耦作用氮-空位上，是核磁共振实现单分子结构解析的切实可行的手段。研究成果发表在Nature Physics, 10, 21-25 (2014)。
量子纠错是实现容错量子计算的关键，是未来大规模量子计算应用的重要基础。杜江峰课题组与德国斯图加特大学J. Wrachtrup教授课题组合作，将最优控制方法应用到光探测磁共振实验体系，实现了一个电子自旋和三个核自旋构成的复杂量子系统的高精度操控，从而实现了固态自旋体系中的量子纠错[3]。这项工作是当今所有固态体系中的首个量子纠错实验，研究成果发表在国际顶尖学术期刊《Nature》上，并被Nature Nanotechnology的专文报道评述为“这项工作是量子信息领域中量子纠错算法提出以来最早的实验验证工作之一，并为以后更高维量子信息处理打下了基础。” 研究成果发表在Nature 506, 204-207 (2014)上。
Reference:
[1]. Rong X, Geng JP, Wang ZX, Zhang Q, Ju CY, Shi FZ, Duan CK, Du JF，Implementation of Dynamically Corrected Gates on a Single Electron Spin in Diamond, PHYSICAL REVIEW LETTERS 112,050503 (2014)
[2] Shi FZ, Kong X, Wang PF, Kong F, Zhao N, Liu RB and Du JF, Sensing and atomic-scale structure analysis of single nuclear-spin clusters in diamond, Nature Physics, 10, 21-25 (2014)
[3] Waldherr G, Wang Y, Zaiser S, Jamali M, Schulte-Herbruggen T, Abe H, Ohshima T, Isoya J, Du JF, Neumann P, Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register, Nature 506, 204-207 (2014).
我院物理系陈向军教授研究组与罗毅教授合作，利用自主研制的扫描探针电子能谱仪发现了全新的非线性电子散射现象，该现象的发现有可能发展出一种革命性的固体表面单分子探测技术。研究成果发表在7月的《自然×物理》(Nature Physics 10 (2014) 753-757)上。
电子能量损失谱学是分析材料化学组成的一种重要手段，它通过测量电子的非弹性散射获得原子分子的信息。然而在常规的电子散射中，非弹性电子只占极少的比例，大多数电子是没有能量损失的弹性散射电子。合肥微尺度物质科学国家实验室的徐春凯副教授、陈向军教授及其同事将电子能谱学技术与扫描探针技术结合自主研制了扫描探针电子能谱仪，并利用针尖场发射电子束与石墨表面的银纳米结构相互作用，测量散射电子的能谱。实验表明，银纳米结构激发出的局域等离激元场可以导致非线性的电子散射现象，使得非弹性电子的强度显著增强。罗毅教授提出了一种单电子两步过程的理论模型解释了这种非线性电子散射。
非线性电子散射不仅是一种全新的物理现象，它同时还会带来一种新的、具有潜力的谱学技术即“非线性电子散射谱学”，未来可以用于研究吸附在金属纳米结构上的原子、分子。非线性电子散射过程会大大提高信噪比，从而实现固体表面纳米空间分辨的原子分子谱学测量。Phys.org网站和亚洲科学家杂志对研究成果做了专题报道。
图一 实验装置示意图 图二 非线性电子散射概念图
ChunKai Xu, WenJie Liu, PanKe Zhang, Meng Li, Hanjun Zhang, KeZun Xu, Yi Luo and XiangJun Chen,
Nature Physics 10 (2014) 753-757.
http://dx.doi.org/10.1038/nphys3051
宇宙的起源一直都是物理学家致力探索的最基本的问题之一。“大爆炸“理论预言宇宙起源于时间诞生时刻的极高能量密度的爆发，在之后的百万分之数秒内，宇宙形成其最初形态。此时并没有组成我们现在的物质世界的原子或原子核出现，而是以夸克、胶子游离的形式存在，这就是科学家们试图在对撞机上利用高能核-核对撞重建的新物质形态——夸克胶子等离子体（QGP）。在实验上找寻这种物质存在的证据就成为最为核心的问题。
我院近代物理系张一飞副教授，联合美国劳伦斯伯克利国家实验室董昕博士和所属的美国STAR合作组在相对论重离子对撞机(RHIC)上获取的8亿个金-金对撞事例中测量了D0介子（由一个粲夸克和一个反上夸克组成）的核修正因子，证实粲夸克在产生后必然经过一个热密核物质损失了大量能量，同时验证了D0介子的强子化过程是通过这种热密核物质中游离的粲夸克和反上夸克溶合产生的。这两个证据都支持宇宙早期的夸克胶子等离子体的物质形态在对撞机中产生了。该研究成果以合作组文章的形式于9月30日发表在在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 113, 142301，2014）。
此外双轻子作为电磁探针，不受强相互作用影响，在对撞机产生的核物质中一旦发射出来就必然携带当时的QCD物质的信息，就像“录像机”一样可以把核物质演化过程记录下来。张一飞、唐泽波、郭毅课题组联合中科院上海应用物理所，美国布鲁克海文国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室在RHIC-STAR实验中首次测量了质心能量200 GeV金-金对撞中的双电子的产额，并发现中等质量区间（质量1-3 GeV/c2）来源于粲-反粲关联的双电子谱受到核物质作用的影响，与D0介子与核物质介质发生相互作用的结论相符合；同时确定低质量区间（< 1 GeV/c2）的产额增强主要是由于矢量介子与碰撞过程中产生的强子介质相互作用质量展宽而导致的，从而解决了长期困扰RHIC能区低质量区间双轻子产额增强的机制问题。这项研究成果也以合作组文章形式发表于《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 113, 022301, 2014）。
L. Adamczyk et al. (STAR Collaboration)
PA：Yifei Zhang, Xin Dong
Physical Review Letters 113, 142301 – Published 30 September 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.142301
L. Adamczyk et al. (STAR Collaboration)
PA：Joey Butterworth, Xiangli Cui, Xin Dong, Fra nk Geurts, Yi Guo, Bingchu Huang, Patrick Huck, Kurt Jung, Yugang Ma, Lijuan Ruan, Zebo Tang, Wei Xie, Zhangbu Xu, Yifei Zhang, Jie Zhao
Physical Review Letters 113, 022301 – Published 9 July 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.022301
我院近代物理系潘建伟教授及其同事陈宇翱、刘乃乐等组成的研究小组采用光子级联编码的方式实现了对于任意噪声都具有高容错率的薛定谔猫态，朝着实现大尺度量子网络乃至宏观纠缠态迈出了重要一步。该研究成果于4月20日发表在国际权威学术期刊《自然·光子学》上 [Nature Photonics 8, 364-368 (2014)]。
由于量子态与环境相互耦合会发生退相干现象，随着制备薛定谔猫态的粒子数目增多，纠缠品质会呈指数下降，这大大限制了薛定谔猫态在量子计算、量子精密测量等量子信息处理任务中的应用。虽然原则上人们可以利用量子纠错编码的方式来保护量子态，但是这种方式会耗费大量的量子资源，使得利用量子纠缠进行量子信息处理所能带来的优越性受到巨大限制。2012年，奥地利物理学家Fröwis 和Dür提出了一种级联猫态的概念，在该方案中通过将普通猫态作为一个编码逻辑单元，采用级联编码的方式组合起来，可以达到有效抵抗退相干作用的目的。相对于在以往实验中实现的普通薛定谔猫态而言，这种级联猫态具有对任意噪声免疫的天然优越性。
潘建伟小组发展了一套可扩展的编码方式，用两个光子比特编码一个逻辑比特，制备了一个三逻辑比特的级联猫态，通过实验观察级联猫态与普通猫态在不同噪声影响下各自的纠缠演化特性，演示了编码猫态在噪声影响下具有的显著优越性。由于其天然的高容错性，级联猫态可被广泛应用于大尺度的量子网络中，如三人密码协议，量子密钥共享等。同时，这种制备级联猫态的方法可扩展到任意比特数，甚至可能达到宏观级别，实现多年来的研究热点——宏观纠缠。
图一 实验方案图，该方案可以扩展到任意比特数
图二 级联猫态和普通猫态在相同噪声影响下的演化实验结果
He Lu, LuoKan Chen, Chang Liu, Ping Xu, XingCan Yao, Li Li, NaiLe Liu, Bo Zhao, YuAo Chen and JianWei Pan
Nature Photonics 8, 364-368 (2014)
http://dx.doi.org/10.1038/NPHOTON.2014.81
三维拓扑绝缘体是当今凝聚态物理领域的研究热点。近年来理论研究提出在具有强电子关联的近藤绝缘体材料中可以存在拓扑非平庸的表面态。在近藤绝缘体中，低温下局域电子和巡游电子的杂化导致费米面附近打开能隙，产生电绝缘行为。理论计算指出在T<3K的低温下电阻出现反常饱和行为的近藤绝缘体SmB6可能是具有较好体绝缘性的三维拓扑绝缘体。一些输运实验的结果表明SmB6低温电阻饱和区域的输运行为被表面电子态主导。
为了验证这些理论预言，物理系陈仙辉教授密歇根大学的李璐教授合作，利用灵敏度极高的磁转矩电容测量法，通过特殊设计的悬臂装置将样品的磁化强度信号转化为电容信号采集，在超强磁场下成功观测到近藤绝缘体SmB6单晶样品的磁化率量子振荡（即德哈斯-范阿尔芬效应），并给出了SmB6是三维拓扑绝缘体的理论假设提供了有力实验证据。SmB6可能会成为首个在实验上发现的强关联三维拓扑绝缘体材料，对该材料中表面态性质的研究，对于深入理解电子关联体系的物理性质具有重大意义，也是对拓扑绝缘体单电子带理论的重要补充。同时，这一工作也是首次在实验中观察到近藤绝缘体当中的磁化率振荡，证明磁转矩测量是研究体绝缘材料表面态二维费米面的有效手段。 成果于12月5日发表在Science。
Science 346, 1208 (2014).
DOI: 10.1126/science.1250366
物理学院2013年度十大科研进展提名
我院近代物理系潘建伟教授及同事张强、彭承志等在国际上首次实现了无条件安全“比特承诺”，在解决如何在相互不信任的通信终端之间直接建立信任的问题上实现了突破。该实验研究成果于1月10日发表在国际权威物理学杂志《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 112, 010504 (2014)]上，被评价为“密码学界的重要进展”和“该领域的先驱实验”。美国物理学会《物理.焦点》栏目也对该成果进行了专题报道。
随着电子商务，特别是网络金融的迅猛发展，越来越多的缺乏相互信任的通信者（例如：互联网终端）之间需要进行合作，所以确保各终端之间建立信任成为保证未来互联网经济健康发展的基础。事实上，如何在互不信任的终端之间建立信任并实现通信是密码学的一个重要研究分支，而实现安全的“比特承诺”（Bit Commitment）就是这类研究必须解决的奠基性课题。
实现“比特承诺”是指成功建立如下通信机制：甲乙双方为互不信任的终端，甲方可以对某未发生事件做出是或否的预测（即0或1），然后该预测将在事件发生后的某个确定时刻对乙方公布。比特承诺的核心在于确保乙方不能在甲方预测公布前窃听到相关信息，同时也必须保证甲方不能在做出预测后修改结果。这样，甲乙双方都可以确信对方遵守了承诺，从而建立信任并实现通信。
为实现安全“比特承诺”，各国科学家在过去几十年中进行了不懈努力。其中，经典密码学有两种解决方案，即使用第三方公共平台或者利用计算复杂性假设。然而，这两种方案都被证实存在安全隐患，即无法实现“无条件安全”。1997年，加拿大科学家Mayers和Lo分别独立证明，即使是量子保密通信本身也无法保证无条件安全“比特承诺”的建立。
2012年，剑桥大学的Adrian Kent教授提出，只有同时利用量子力学和狭义相对论，才能实现无条件安全比特承诺。潘建伟小组通过其自主开发的高速量子保密通信技术和自由空间高速光通信技术，结合西班牙科学家A. Cabello和M. Curty的理论分析，成功地实验验证了Kent教授的理论方案，将互不信任终端之间互相欺骗的几率降低到6%以下，在世界上首次实现了互不信任终端之间的安全“比特承诺”。这一奠基性的研究成果可以被广泛应用于互联网金融、公共随机数产生、设计零知识证明协议、安全计算等领域，开拓了量子通信新的研究方向。
Yang Liu, Yuan Cao, Marcos Curty, ShengKai Liao, Jian Wang, Ke Cui, YuHuai Li, ZeHong Lin, QiChao Sun, DongDong Li, HongFei Zhang, Yong Zhao, TengYun Chen, ChengZhi Peng, Qiang Zhang, Adán Cabello and JianWei Pan
Phys. Rev. Lett. 112, 010504 (2014)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.010504
两维晶体已经作为一类可能影响未来电子技术的材料出现世人面前。实验上的确认和表征新的功能二维材料具有挑战性，但同时也可能是很有价值的。单层原子厚度的碳单质石墨烯因为其具有允许电子在表面自由流动的迷人电学性质而吸引了材料科学家们。但是石墨烯没有自然的能隙，从而不能实现电流的“开”和“关”，这就弱化了其取代计算机电路中半导体开关的用途。科学家们开始探索替换材料，希望可以克服石墨烯的缺陷，并提出了几种竞争者，如silicene(单层硅)、germanene（单层锗)，但是都在空气中不稳定。针对上述挑战，我院物理系陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波教授合作，成功的利用高温高压的方法生长了空气中稳定的黑磷单晶并利用胶带进行机械剥落的方法从块状单晶中剥出薄片到具有一层热生长的二氧化硅的的退化掺杂的硅晶片上,在此基础上制备出场效应三极管，在黑磷薄片厚度小于7.5nm时室温下可以得到可靠的三极管性能。这项工作证实黑磷是将来纳米电子和光电应用中的一个候选者。成果于3月2日发表在Nature Nanotechnology。
Likai Li, Yijun Yu, Guo Jun Ye, Qingqin Ge, Xuedong Ou, Hua Wu, Donglai Feng, Xian Hui Chen, and Yuanbo Zhang
Nature Nanotechnology 9, 372-377 (2014).
DOI:10.1038/nnano.2014.35
利用外操控电子自旋的操纵场也会引入额外的噪声。当环境中自旋热库噪声被有效抑制之后，操纵场噪声将成为制约操控品质的一个重要因素。我院近代物理系杜江峰教授领导的力探测磁共振团队的黄璞助理研究员等，利用快速的微波频率调制，将拉比振荡和Landau-Zener (LZ)隧穿结合在了一起，首次在时域上观测到超过100 次的LZ隧穿现象，并且利用多次隧穿形成一种新型拉比振荡。理论与实验结果表明，这种新型的拉比振荡可以有效抑制操纵场引入的噪声，从而为实现精密操控提供了一种崭新的手段。该工作不仅将有助于深入理解与LZ隧穿和拉比振荡相关的重要物理过程，而且对于量子控制技术在量子计算、生物化学等领域的应用具有重要的价值。研究成果于1月2日发表在Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)。
Zhou JW, Huang P, Zhang Q , Wang ZX, Tan T, Xu XK, Shi FZ, Rong X, Ashhab S and Du JF, Observation of Time-Domain Rabi Oscillations in the Landau-Zener Regime with a Single Electronic Spin,
Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)
天文观测积累了庞大的观测数据，然而观测揭示的只是宇宙的很小一部分，越来越多的证据表明不可见的暗物质才是宇宙的主导物质。要想深刻洞察星系物理过程，就必须研究星系、重子气体和暗物质之间的相互作用。因此，再构造出邻近宇宙结构与演化历史成为研究星系形成的重要手段。近20多年来，国际上多个研究团队发展出不同的再构造方法，都采用了低阶近似理论来追踪物质演化历史。由于近似理论不能精确模拟非线性结构的形成，导致显著的系统性偏差。
我院天文学系王慧元副教授、大师讲席教授莫厚俊，上海天文台杨小虎研究员等自主发展了再构造方法。研究组引入了N体数值模拟中常用的Particle Mesh （PM）动力学作为结构形成模型，并用Hamiltonian Markov Chain Monte Carlo（HMC）算法获得结构演化的初始条件。测试显示出该方法可以精确再现输入模拟密度场在不同红移时的相位和幅度。与之前的研究相比，研究组的方法把空间精度提高了2-3倍, 并可以精确的再现宇宙的演化历史（见图）。再构造精度随着采用的时间和空间分辨率的提高进一步得到提升，这表明HMC+PM方法的精度在方法层面上没有原则性的限制。此外，通过比较研究还发现，早前研究采用的结构形成模型会在初始条件中引入非高斯性（这不符合标准宇宙学的要求），并最终导致暗物质晕质量函数上的严重偏离。而这一问题在研究组的方法中得到了很好的解决——再次说明了引入高精度的结构形成模型非常有必要。
3维粒子分布图。左图是输入的数值模拟，右图显示的是再构造的结果。从上到下显示的分别是红移为4，2，1和0时的结果。
Huiyuan Wang, H. J. Mo, Xiaohu Yang, Y. P. Jing, and W. P. Lin
The Astrophysical Journal, 794:94 (21pp), 2014 October 10
DOI:10.1088/0004-637X/794/1/94
规范场/引力场对偶猜想是人们在研究弦论过程中提出的，对于我们最终理解量子引力、弦论等宇宙本质的问题具有重要意义。该猜想认为，一些D+1维空间里的强（弱）耦合量子场论有可能可以映射到D维边界上的弱(强)耦合的量子引力理论。强耦合系统中难以求解的物理量可以在对偶的弱耦合系统中使用标准的微扰理论求解。但是这一重要的猜想一直缺乏实际实验的支持。最近，人们尝试将该猜想应用于凝聚态系统的研究中。特别是在2011年，哈佛大学Sachdev教授与他的合作者提出了一种描述超流-Mott绝缘体强耦合临界系统的引力理论。通过微扰计算引力场论，它们获得了一组可能描述原临界系统的电导率与频率关系的曲线。
我院近代物理系邓友金教授研究组认识到使用量子蒙特卡洛技术精确而可控地计算出一个实际的玻色子临界系统的电导率-频率曲线，以实现对规范场/引力场的严格检验。最终，通过与美国麻省大学Amherst分校Prokofiev教授以及德国慕尼黑大学的Pollet教授合作，选择了玻色-哈伯德模型的超流-Mott绝缘体相变点进行研究。通过使用数值解析延拓方法，他们分析了不同温度下的流密度关联函数。最终测量到的电导率-频率曲线表明，普适电导率在低频下是类粒子性质的，具有一个Drude峰；而在频率逐渐增大时，电导率趋于一个普适常数。高精度的电导率曲线使得我们能够对Sachdev教授的引力理论的预测进行检验。我们发现，若允许共形场温度乘以一个重正化常数，数值和理论的结果可以相洽。
该工作是规范场/引力场对偶猜想在凝聚态体系的应用的第一个可靠而严格的检验。该工作于1月24日被选为编辑推荐文章。
Kun Chen, Longxiang Liu, Youjin Deng, Lode Pollet, and Nikolay Prokof’ev
Phys. Rev. Lett.112, 030402 (2014); editors’suggestion
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.030402
我院近代物理系潘建伟教授及同事包小辉、江晓等在国际上首次实现了不同颜色独立光子间的量子纠缠，解决了量子网络中如何在不同频率终端间进行纠缠连接这一难题。该工作于3月10日以编辑推荐论文（Editors' Suggestion）的形式发表在国际权威物理学杂志《物理评论快报》 [Phys. Rev. Lett.112, 103602 (2014)]上，美国物理学会《物理·观点》栏目（Physics: Viewpoint）也对该成果进行了专题报道。
量子纠缠是量子信息科学中的重要资源。以往实验上有很多方法可产生纠缠光子，如利用非线性晶体内的参量下转化过程、原子体系内的四波混频过程等。不过通过这些方法只能局域地产生光子间的量子纠缠。然而在量子网络等应用中需要将来自不同光源的独立光子纠缠起来，进而实现多个终端间的纠缠连接。
目前双光子干涉是实现独立光子间量子纠缠的最主要方法。不过双光子干涉对入射光子有着非常严格的要求，即只有当两个光子具有同样的颜色（频率）时，才可以通过双光子干涉来产生量子纠缠。然而在量子网络中很多原因会导致不同终端发射的单光子具有不同的颜色，比如在量子点等人工物理体系中，每个量子点所处的环境因具有微小差别就会导致不同量子点的发光频率具有较大的差异。此外，即使原本频率一致的单光子也会由于平台（星载或机载终端等）的高速运动导致其频率发生移动。因此，如何在不同频率的独立光子间建立量子纠缠成为了可升级量子网络进一步发展所急需解决的关键问题之一。
潘建伟小组在此研究工作中首次提出可采用时间分辨测量与主动相位反馈相结合的方法来实现不同频率光子间的量子纠缠，并利用该小组近年来发展的窄带量子光源平台对此理论方案进行了实验演示。他们通过研究发现，入射光子间的频率差异会导致不同时间探测到的光子对具有不同的随机相位，进而导致两个单光子无法纠缠起来。为此，他们发展一套高精度的时间分辨探测系统及高速相位反馈系统。时间分辨探测系统主要用于实现对光子到达时间的精确测量，进而对随机相位涨落进行跟踪测量；高速相位反馈系统主要用于实现对纠缠光子态的内部随机相位进行反馈控制。
通过采取这些技术手段，潘建伟小组成功地实现了将频率相差为80MHz的两个独立光子纠缠起来，该频率差别超过了每个入射光子各自频率宽度的16倍之多。这一研究成果将在未来可升级量子网络中有重要应用，可用于解决不同量子点间、不同NV色心间、以及不同物理体系间等因具有不同的跃迁频率而难以进行纠缠连接的困难。
TianMing Zhao, Han Zhang, Jian Yang, ZiRu Sang, Xiao Jiang, XiaoHui Bao and JianWei Pan
Phys. Rev. Lett.112, 103602 (2014)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.103602
我院光学与光学工程系郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋教授研究组与其合作者在量子力学基础研究方面取得重要进展，实现了“非此即彼”（All-Versus-Nothing）框架下的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）操控的实验验证，揭示了量子力学中一类新的非局域特性。这项研究成果9月30日发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上。
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了著名的EPR佯谬，他们以量子力学基本原理为基础，推导出与经典理论中的物理实在论相矛盾的结论，并把这一量子特性称之为“幽灵般的超距作用”，进而对量子力学提出了质疑。薛定谔在研究这一佯谬时提出了 “操控（steering）”的概念，后来被称为EPR操控(EPR steering)。EPR操控描述了对一个粒子进行测量能非局域地影响另一个粒子状态的能力，它是一类新的量子非局域特性。我们通常说的量子非局域特性是指某个纠缠态能违背贝尔不等式，叫做贝尔非局域性。EPR操控则介于量子纠缠与贝尔非局域性之间，也就是说量子纠缠态中只有一部分具有EPR操控特性，而这些具有EPR操控特性的态中只有一部分具有贝尔非局域性。
李传锋研究组基于可操控的“非此即彼”判据，实现了一个两体的EPR操控游戏。贝尔非局域性（即贝尔不等式的违背）的检验是基于统计特性的，需要多次不同测量基的测量结果统计得到，而这种“非此即彼”的方法原则上一次测量就可以判定量子力学和因变量理论孰是孰非。实验中，操控方宣称与被操控方共享一个两比特纠缠态，通过己方的测量，被操控方的量子态将会得到两个纯态之一，从而非局域性地实现对量子态的操控；被操控方不相信操控方可以非局域地操控自己这一端的量子态，他首先检验自己得到的是否为两个不同的纯态之一，然后和操控方进行联合测量以验证二者共享的是否为一个纠缠态，以此来排除操控方欺骗自己的可能。EPR操控要求能够存储被操控方量子态的信息，从而对操控方的信号进行响应。研究组利用50米光纤来延迟被操控方光子的到达时间，并利用自由空间光调制器来实现被操控方对操控方信号的响应，从而逻辑严谨地实现了EPR操控。由于“非此即彼”判据对实验误差非常敏感，研究组一方面不断改进实验装置使得整套系统的保真度达到98%，另一方面与合作者发展出一套在“非此即彼”框架下处理实验误差的方法，从而很好地检验不同量子态的可操控性。
本实验提供了一种简易的实现及验证EPR操控的方法，扩展了量子非局域性的应用范围，对于远程态制备、量子信息远程传输及量子密钥分配等具有重要意义。
上述研究得到科技部、国家基金委、中国科学院和教育部“2011计划”的支持。
Kai Sun, Jin-Shi Xu, Xiang-Jun Ye, Yu-Chun Wu, Jing-Ling Chen, Chuan-Feng Li, and Guang-Can Guo
Phys. Rev. Lett. 113, 140402(2014)
DOI:10.1103/PhysRevLett.113.140402
核探测与核电子学国家重点实验室刘树彬教授研究组参加中国科学院空间科学先导专项暗物质粒子探测卫星（DAMPE）进展顺利。其关键的设备BGO量能器整机总重量约为1.06吨，共包括308根BGO晶体和616个光电倍增管，输出信号达1848路。根据暗物质粒子探测卫星的物理设计目标，BGO量能器的电子测量能区为5 GeV-10 TeV，且要求整个暗物质探测器的本底抑制比达到100,000倍。为了达到这些指标，要求单个BGO晶体单元的信号动态范围覆盖11.5 MeV-2 TeV，动态范围高达2×105倍。
一、初样研制：
在2014年1月～2014年4月期间，进行了BGO单机的探测器组装、前端电子学FEE焊接调试、BGO单机组装、联试以及单机的环境试验，并于4月初将BGO单机交付载荷总体，进行了载荷联试。2014年4月下旬～2014年8月下旬，载荷交付卫星总体，并跟随卫星，完成了所有的整星环境试验。2014年9月，暗物质粒子探测卫星初样阶段的工作圆满完成，转入正样阶段。
初样BGO量能器的组装
二、初样鉴定件束流实验
在开展正样飞行件设计的同时，于2014年10月～2014年11期间，到欧洲核子中心开展了暗物质粒子探测卫星的第二次束流标定实验，束流实验取得圆面成功，验证了能量线性、能量分辨等关键指标，为在轨物理数据的分析提供了依据，保证了未来科学成果的可信度。
初样鉴定件CERN束流试验
束流实验结果，线性良好，分辨率达标
三、正样飞行件的研制工作
从2014年9月暗物质粒子探测卫星转入正样阶段以来，科大BGO量能器项目组完成了所有元器件以及相关组件的采购，完成了FEE正样设计、实验室调试；开展批量生产，完成了1600PMT BASE板的电装；完成了800只PMT的组装；完成了320根晶体的测试；目前正在开展晶体与PMT的配对测试。预计2015年上半年可完成飞行件整机总装及一系列单机验收级环境试验工作，并交付总体。
正样阶段PMT的测试工作
有关成果发表在Nuclear Science and Techniques Vol. 25, No. 1, 2014, pp. 010402：
我院光学与光学工程系郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室李传锋教授研究组成功研制出光学量子模拟器，并首次在纯量子模型中证实描述相变过程的Kibble-Zurek（KZ）理论的绝热—脉冲近似成立。此成果发表在1月24日的《物理评论快报》上。
量子计算机拥有经典计算机所无法比拟的巨大优势。受技术所限制,人们尚无法实现通用的普适量子计算机。 然而随着量子信息技术的飞速发展，目前人们已经可以利用一些量子系统实现某些特殊的量子计算功能。这类实现特殊任务的量子计算机就是量子模拟器。该研究组研制的量子模拟器就是面向量子相变中的KZ机制这一特殊问题。
连续相变的标准模型认为二阶相变过程中会伴随对称破缺，然而对称破缺点附近的相变动力学我们却知之甚少。著名高能物理和宇宙学专家Kibble教授在研究早期宇宙的相变问题时发现相变残留的拓扑缺陷和相变动力学特征有关，因此通过观测拓扑缺陷便可研究相变动力学。随后，量子退相干理论的奠基人Zurek教授进一步研究发现，这一宇宙学中的机制在凝聚态的连续相变中也成立。由此这一理论被称为Kibble-Zurek理论，此理论的核心是绝热—脉冲近似，在此近似下连续相变的动力学过程可以分成绝热—脉冲—绝热三个过程，从而可以得出相变残留的拓扑缺陷的密度与动力学中猝变速度的关系。在经典的相变中，KZ理论已为多项实验所证实，然而在量子系统中的KZ机制还没有任何实验验证。
李传锋研究组研制出的光学量子模拟器由九级干涉装置组成,这是迄今为止世界上干涉级次最高的光学装置，它是首个真正意义上的光学量子模拟器。此前已有的光学量子模拟实验需要事先知道被模拟系统的量子态，因此实质上是量子态制备过程。研究组利用这个光学量子模拟器以极高的精度（九级干涉装置的总可见度达到97.5%）首次证实在纯量子的模型中绝热—脉冲假设是成立的。本成果为进一步验证KZ理论在量子相变中的有效性，以及为进一步研制解决更复杂问题的量子模拟器打下了坚实的基础。
审稿人认为该量子模拟器“具有极高的干涉可见度”，给出的实验结果“以令人惊讶的精度与理论结果一致”,因此，“此装置是进行更复杂量子模拟的非常有前途的出发点”。而且，“他们的工作会促发量子光学领域对非平衡量子相变动力学的兴趣。” Zurek等人在庆祝Kibble 80岁生日而撰写的关于KZ理论的综述性文章（arXiv:1310.1600）中，专门用一节的篇幅介绍本成果。
上述研究得到科技部、国家基金委、中国科学院和教育部“2011计划”的支持。
Xiao-Ye Xu, Yong-Jian Han, Kai Sun, Jin-Shi Xu, Jian-Shun Tang, Chuan-Feng Li, and Guang-Can Guo
Phys. Rev. Lett. 112, 035701 (2014)
DOI:10.1103/PhysRevLett.112.035701
我院物理系乔振华教授研究组与校内外同行合作在预言石墨烯的量子反常霍尔效应方面取得新突破，成果发表在2014年3月21日国际权威物理学杂志《物理评论快报》上并入选编辑推荐文章（Editors’ Suggestions）。
量子反常霍尔效应是当今凝聚态物理领域一个备受关注的研究热点。传统的量子霍尔效应源于电子在外加强磁场作用下的朗道能级；作为一种新的量子态，量子反常霍尔效应源于材料自身的自旋轨道耦合和局域交换场的联合作用。该效应在1988年由美国科学家F. D. M. Haldane在理论上提出，随后物理学家们试图在多类新型量子材料中实现这一效应，直到2013年才首次由清华大学的薛其坤教授所主导的国际研究团队在超低温（~0.03K）的极端条件下的磁性拓扑绝缘体中观测到。如何在更高温度或其它更易实现的体系里观察到这一新奇的量子效应，具有广泛的基础与应用价值。
由于其独特的晶体结构与线性狄拉克色散关系，石墨烯提供了另一种理想的探索量子反常霍尔效应的平台。不同于拓扑绝缘体，石墨烯本身没有磁性并且内禀自旋轨道效应极弱。2010年乔振华博士与合作者提出在石墨烯中通过引入破坏镜面对称性的外禀Rashba自旋轨道耦合作用以及破坏时间反演对称性的局域交换场，可以打开一个拓扑性质非平庸的体能隙来实现量子反常霍尔效应[Phys. Rev. B 82, 161414(R)(2010)]。随后的研究发现通过吸附磁性金属原子在石墨烯中实现量子反常霍尔效应是极端困难的。
最近，乔振华教授与校内外同行提出一种新的实验方案来实现量子反常霍尔效应：将石墨烯置于反铁磁绝缘体材料铁铋酸的铁磁面上。由于石墨烯与磁性原子间的近邻效应，石墨烯可以同时诱导出较强的外禀Rashba自旋轨道耦合作用以及更强的局域交换场，从而打开一个约为11.5K的量子反常霍尔效应体能隙。此外，通过外加垂直应力来调节石墨烯与磁性衬底的间距，可以增强近邻效应从而使得其实验可实现温度达到40K以上。
Zhenhua Qiao, Wei Ren, Hua Chen, L. Bellaiche, Zhenyu Zhang, A. H. MacDonald, and Qian Niu
Phys. Rev. Lett. 112, 116404, March 2014
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.116404
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