新型多铁材料SrMnO3薄膜的量子调控

多铁材料及其磁电耦合效应因所蕴含的丰富物理特性和广阔应用前景而吸引了广泛的关注。最近，第一原计算和实验研究揭示了一类全新的单向多铁材料，AMnO3 (A=Ca, Sr, Ba)。因为自旋和声子的相互作用，该材料呈现出与磁序强烈耦合的铁电序。受此启发，本课题围绕应变SrMnO3薄膜的多铁序的量子调控进行系统研究。在本项目的支持下，课题组目前已经完成对于SrMnO3高质量薄膜的制备，有效的解决了国际上众多研究小组所广泛面临的氧缺陷问题的苦扰；在国际上首次实现了对于该样品的本征铁电极化的测量；通过对于该薄膜样品的外延应力依赖研究，发现了应力诱导下的SrMnO3反铁磁基态的演变以及其对于铁电特性的影响。在此基础上，课题组还在本项目的支持下进一步拓展了研究的方向，在铁酸铋中发现了电场诱导的铁电结构相变，不但突出地揭示了多铁性模型体系铁酸铋中尚未发现的巨大的电场可调的弹性特性以及显著的压电特性，为未来的铁电和多铁研究开辟了一个全新的发展空间。同时通过近场扫描微波阻抗谱测量解决了当前铁电畴壁研究中，直流电流小、不易观测等问题，并且这一手段由于微波信号与畴壁的耦合较小，而对畴壁不存在破坏性，能够实现畴壁信号的非破坏性读取。这一研究使铁电畴壁向着新型电子器件应用这一目标又跨出了一步，同时也为其它材料微观导电性研究提供了一种新型的手段。项目执行期间共发表学术论文7篇。在国际会议上作邀请报告9次。 2100433B

近年来，多铁性材料及其磁电耦合效应因其蕴含的丰富物理和广阔应用前景而吸引了广泛关注。最近，第一原理计算和实验研究揭示了一类全新的单相多铁材料，AMnO3 (A=Ca, Sr, Ba)。因为自旋和声子的相互作用，该材料呈现出与磁序强烈耦合的铁电序。本课题将对应变SrMnO3薄膜中多铁序的量子调控进行系统研究。我们首先通过调节衬底与薄膜之间的应力来了解结构改变与晶格极化畸变的关联以及由此而产生铁电序的物理特性。我们将研究这个体系中的磁电耦合机制；既探索利用磁场控制介电和铁电性质以及利用应力或外加电场控制磁性的可能性。最后基于该模型系统，我们将对铁电畴壁等量子受限系统中的局域导电、磁阻效应等进行研究。我们预期本项研究将为多铁性研究开辟一个全新的道路。

光子系统在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，量子中继器能够链接距离较远的通信节点，抑制环境噪声对光子信号的影响，提高远程量子通信的保真度和安全性。光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题。研究内容主要包括：基于腔量子电动力学非线性光学作用的光量子纠缠门、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化和浓缩、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移。通过本项目研究获得了以下成果：一、利用金刚石NV色心-光学腔系统中的腔量子电动力学原理构建了鲁棒的两光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制相位门和三光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制交换门，能够将影响保真度的主要因素转化为可探测的光子信号，用于构建高容量量子中继器。二、利用线性光学元件构造了未知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案和超纠缠GHZ态浓缩方案；利用线性光学元件构造了已知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案；利用腔量子电动力学设计了预报式纠缠纯化方案；这些方法能够抑制远程量子通信中噪声对超纠缠光子系统的影响。 三、在光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移方面，重点研究了超纠缠态测量这一核心问题。利用线性光学元件，通过引入时间序列设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。通过辅助其他自由度纠缠态设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。四、针对信道噪声问题，利用线性光学元件和光子系统两个自由度设计了抗联合噪声的量子密钥分发方案。

光子系统是易于操控和传输的信息载体，在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，需要应用量子中继器抑制环境噪声对光子信号的影响，提高通信的保真度和安全性。光子系统具有极化、空间模式、频率、时间-能量和轨道角动量等多个自由度。将光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题，研究内容主要包括：研究基于腔量子电动力学非线性光学作用的杂合量子纠缠门，服务于量子中继中飞行光子比特量子态与固态存储比特量子态之间的转移；研究光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化，提高量子中继器的容量，服务于高容量安全量子通信；研究光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移，用于链接远距离通信节点，提高量子中继器的效率。通过本项目研究，力争在高容量量子中继器中光子系统多自由度的量子操控方面做出一些创新性的研究成果。