近期论文


最近放春假,我休息,看到了一些论文,觉得有意思,推荐给大家。

第一是Xiao-liang Qi等人提出的在三维拓扑绝缘体系统中探测到磁单极子的理论方案,刚在《Science》上发表。 他上星期来我们这里做报告时提到了这个工作,我完全听不懂。不过这个工作对物理学家来说,显然是具有广泛的兴趣的。

另外一个是跟光合作用有关的两个工作。 第一个工作,测量了光和作用中的量子效应。这个工作是对2007年一篇发表在Nature上的工作的 进一步发展。这篇论文中应用了四波混频的技术,能够同时测量不同频率的光与叶绿素分子之间的反应过程。所谓四波混频,意味着有三束光固定了角度与频率,射 入样品。第四束光是宽频的激光,且使得分子发射的光包含垂直与水平偏振两种成分。由于能量守恒与动量守恒,我们可以通过出射光的光谱,偏振反推出光合作用 时分子内部能量是如何传输的。比如是否是相干传输,哪些波段的光能量是被相干传输的等等。在APS的焦点新闻的最后,作者Mercer 说这个工作有可能 对模拟光合作用设计更加高效的太阳能电池有促进作用。不久后,《物理世界》报道了一个提高太阳能电池效率的方案,他们的灵感也是来自光和作用。他们利用量子点模拟光合作用中的非幅射能量传输过程,理论上预计可以把太阳能电池的效率从18%提高到31%。

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新的一周,新的报告周


02/16/2009: Faculty Candidate Seminar
Topological Effects in Time Reversal Invariant Insulators

4:00 PM to 5:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Dr. Xiao-Liang Qi (SLAC)
02/17/2009: CM-AMO Seminar
Collective Biphoton Emission from Atomic Vapors

Speaker: Michael Moore (Michigan State University)

4:00 PM to 5:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Dr. Meera Parish (Princeton University)

这些报告也准备都去听听。尤其是第一个报告人,是我前室友的同班同学,1999年考入清华基科班,2007年清华博士毕业,一定要仔细听听。

找工作的问题


在大学读书十年了,博士也快毕业了,我也要面临找工作的问题了。

最近研究了一下国内高校招聘应届博士毕业生的待遇,有点失望:除了每个月七八百块的住房补贴,基本什么都没有。具有博士学位的新教师,月收入大概也就3000元吧。西安交大好像给1万元安家费,武汉大学没有安家费。其他同类大学我也懒得研究了,估计待遇都差不多。西南交大似乎待遇很不错,副教授给5-10万安家费,还有十万作用科研启动经费等,可是要求海外著名研究机构3年以上的研究工作经历(08年招聘时还只需用2年以上的经历)。应届博士生给3万安家费,再提供单身宿舍一间。一句话,待遇好的,要求也是一年年提高。我这样的应届博士生,大家都不在乎。

本来还可以申请出国做博后的,不过我已经提前预支了这个机会,公派留学后,必须回国服务2年。从不敢考虑北京上海,虽然学术资源和机会很多,可那里的生活成本太高,不适合我。找工作暂定的目标是西安和武汉,生活成本不高,而且在这两个城市我多少还是有些关系的。虽然没有多少安家费,不过我出国两年还算小有积蓄,照西安和武汉这样相对低的房价,还是付得起首付的。前几天给国内的导师发电子邮件询问找工作的事情,他要我从长计议,要以未来的发展前景为准。唉,可我看到国内高校这些步步高升的教师职称评选标准,心里真是有些打鼓。

刚刚出国的时候也做过梦,想着发几篇牛论文,这样回国直接破格副教授什么的,也不用愁找工作了。现在看来这是不可能实现了。主要问题是自制力差,在国外玩得太多,工作太少。而且真正好的工作也不容易做,需要持续积累,且选好方向。我换过几个方向,积累有限。我刚来美国时,开始进入新方向,遇到点挫折就打退堂鼓,来回折腾,真是浪费了不少时间。后悔药是没得吃了,只当是教训吧。还剩7个月回国,按部就班的做点东西,也许还能写一两篇论文。能够熟悉量子点这个新的研究方向,也不算白出来一趟。

高中毕业十周年


今年是我高中毕业10周年。

10年前毕业时,孝感高中还在后湖旁边,校园也不大,只有一个足球场,两个篮球场。所有人都集中在一栋楼上课。我们班是全年级最爱打篮球的,曾获得了年级第一名。第二名的那个班中锋接近2米,后来去了职业队打比赛。最疯狂的时候,全班有20多男生一到周末放学就占据了整个篮球场,分成两队互相PK。有个同学,临近高考时还打着赤膊在篮球场上拼杀。被告发到班主任那里,让班主任好好教育了一通。后来他没有参加高考,因为提前凭借竞赛获奖保送了中国科学技术大学。对了,我班主任是李腊生老师,当时他的儿子也在我们班念书。巧的是他儿子正好也是我小学同学。

我们班的物理竞赛也算是一个赫赫有名了。物理老师是胡仁安。虽然我觉得他讲课很单调,可是培养出的学生物理成绩很出色。物理竞赛初试后全年级有8人参加省复试,其中就有7人是我们班的。后来获得了3个一等奖,1个二等奖。其中有三人保送,分别是南开,人民大学和中科大。剩下一位参加高考,考上了清华大学。高考时我们班物理成绩也非常出色,全孝感地区物理单科第一名就在我们班,考了149分,他后来去了复旦大学物理系。全班物理单科超140的有五六人。我考了 148分,是我高中物理考得最高的一次。

我们班一共考上了两个清华。除了4名保送生外,还有近20人高考过600分(满分750)。全班五六十人,有一大半上了本科。也许是因为物理竞赛成绩好的缘故,其中选择念物理的最多,达到6人。依照我的记忆,考上的名牌大学包括:清华,人大,北航,北理工,复旦,南开,中科大,西安交大,武大,华工,国防科大,哈工大,西北工业大学。基本上班级排名前20的同学都考上了名牌大学,且中国的名牌大学都有我们的同学分布。

十年之后的今天,大部分同学都工作了。继续读书的不到10人了,都在国内外名校念博士。上中科大的那位同学现在在美国念统计,考上清华的一位同学,在东京大学即将博士毕业。也有博士毕业了,然后在国外做博后的。另外一位考上清华的同学,现在从事网络游戏业,是某著名网游的中国区代理。大家工作的地点包括北京,上海,武汉,深圳,澳大利亚等。大家都处于人生的重要关头:结婚生子,事业起步,一切都要靠自己的双手。

高中也有几位同学谈恋爱,但是十年后的今天没有一对成功。最惨的是有一位男生在高考前一两个月与女孩分手,极大的影响了他的发挥,后来只考上了一个很一般的大学。反倒是高中毕业后,再相逢时擦出了火花,成了两对。现在一对在东京念书,孩子已经两岁了;另外一对在澳大利亚,男生在做博士后。

这十年,我们班同学变化很大,孝高变化更大。校园搬了,学校规模也急剧增加。我们当时每届理科8个班,文科2个班,每个班五六十人。现在每届超过20个班了吧。我们入学时,孝高正好举办建校50周年庆典,现在六十周年校庆都过了。孝高搬校址后,我多次从新校门前经过,可看着那碉堡一样的大楼,却很难找到母校的感觉了。

毕业后,我偶尔也从父母那里听到孝高的情况,似乎教学水平有所下降。我们那几届,清华北大每年能够考上接近十人,现在好像只剩下三五人了。孝感以前是没有竞赛班的。我们这一届也是随机分班的,竞赛只是业余在搞,成绩也还不错。我们那一届,高考理科过600分的超过120人,理科班一共也只有8个。我不知道现在的孝高是怎么了,难道是搬家一次,负债太多,大大影响了办学?还是急剧扩张招生人数,却缺乏相应的师资,因此降低了教学水准?不管怎么样,作为孝高校友,还是希望孝感高中越来越好。

毕业十年了,写下这篇文章,献给我的高中,献给现在在孝高念书的同学们。

这个星期要听很多报告


02/09/2009: Faculty Candidate Seminar
The Race to Build a Quantum Computer
4:00 PM to 5:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Dr. Dave Bacon (University of Washington)
02/10/2009: CM-AMO Seminar
Spins and Excitons in Quantum Dot Lattices
04:00 PM to 05:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Carlo Piermarocchi (Michigan State University)
02/12/2009: Faculty Candidate Seminar
Probing Quantum Coherence and Ultracold Collisions with an 87 Strontium Optical Lattice Clock
4:00 PM to 5:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Dr. Gretchen Campbell (JILA)

这些还只是AMO部分的报告,剩下的生物物理,高能等还有很多,也是招教授的。看来密歇根大学受经济危机影响不大。 今天听了第一个报告,感觉很不错, Dave的报告非常浅显易懂,感觉就是一个高级科普,基本不涉及任何细节,可是物理讲得还是很清楚的。这个报告引起了广泛的兴趣,报告厅都坐满了,还有人站着听报告,这也是我来美国后第一次看到这种情况。祝福Dave运气好,能够拿到offer。

为什么离子阱中可以制备声子纠缠而机械振子不行?


ResearchBlogging.org
最近看到NIST的Winland组成功的在四离子阱系统中的声子模之间制备出 了量子纠缠态。这是一个很有意思的工作,因为在声子系统中制备纠缠态以及其它非经典态一直是量子物理学家的梦想。当然,现在这个梦想只是实现了一部分。人 们的最终梦想是在微机械振子系统中制备出纠缠态来。为了达到这个梦想,人们正在努力的冷却机械振子的振动模,希望能够把声子数降低到0。

我们也曾经想过这个问题,但发现理论上几乎无法做什么,主要困难来自实验。实际上,振子的质量因子直接限制了其作为量子存储器的功效。目前机械振子 的质量因子最高值在10^5到10^6之间,声子的相干时间只是微秒量级以下,即使声子模的平均声子数只有0,也是如此。这个时间尺度比对振子状态进行探 测所需的时间还短,因此根本无法完成实验。对离子阱系统来说,其振子的质量因子Q实验上超过10^10,声子相干时间达到毫秒乃至秒的量级,是一个比较好 的量子存储器。因此,首先在离子阱系统中观察到声子间的纠缠态也就是一个顺理成章的事情。

为了提高微机械振子的质量因子,有人(应该是Peter Zoller)提出用光势阱(电势阱?)束缚那个纳米级别的振子。把振子悬在真空中,能够极大的减小阻尼,增大振子的品质因子。不过这个设想暂时还只是一 个梦想,有什么样的光电势阱能够束缚这样一个介观物体呢?最近一个有关Casimir力的实验也许为这个设想铺平了道路:人们终于在实验中看到了Casimir斥力。我个人认为利用Casimir斥力有可能把微机械振子束缚到半空中,提供一个比较高Q值的振子势阱。事实是否如此,还需要理论计算以及实验验证。

update: 我再解释一下Q与振子相干时间的关系。

Q实际上就是零温时声子产生后在衰减前的振动周期数。如果声子接触的热库温度是T,那么声子的相干时间正比于Q/T。当T不变时,我们只有增大Q,才能获 得更长的相干时间。目前用液氦冷却等办法,可以把环境温度降低到1K附近。即便如此,对Q值只有10^5的微机械振子来说,相干时间也只在1微秒。用光学 手段对机械振子测量所花的时间也在微秒两级。任何量子态都无法从机械振子中读出来,也无法储存进去。而对Q值达到10^10以上的离子阱系统来说,声子相 干时间在0.1秒以上。这是一个非常好的量子系统,声子的量子态存储时间很长。
Jost, J., Home, J., Amini, J., Hanneke, D., Ozeri, R., Langer, C., Bollinger, J., Leibfried, D., & Wineland, D. (2009). Entangled mechanical oscillators Nature, 459 (7247), 683-685 DOI: 10.1038/nature08006

有及:最近有实验表明,微球也可以被光势阱捕捉和束缚住。在这个光机械系统中,机械振子Q也能够超过10^10,因此理论上也是可能在这个系统中制备出机械振子的量子纠缠态的。

利用光学机械振子制备EPR纠缠光


最近我与人合作写的论文”Generating EPR beams in a cavity optomechanical system“发表了。在这里我简要介绍一下这个工作的动机和主要结果。

最开始我们希望做做光机械振子系统中的一些问题,比如冷却振子到量子区域,制备振子的一些非经典态等等。这也是目前实验最关注的问题。做过一些初步的理论计算后,发现能够做的理论工作不多。目前的困难主要还是实验上的。另外一个想法就是用振子作为一个有效的Kerr介质,制备压缩光。初步计算结果很不错。压缩基本不受热噪声的影响。可是进一步调研文献后,我们发现早在十几年前,就有人做过这个工作,得出了一样的结论。这个工作基本做不下去了。

后来,我们发现在回音壁(WGM)腔中存在动量相反能量兼并的一对光模,且这两个光模之间有很强的耦合。由此我们可以定义相互间不耦合的驻波模。我们可以在Stokes和反Stokes两个模附近上对光学腔进行驱动,正好驱动这两个驻波模。在合适的失谐与驱动功率下,与单模的情况类似,可以发现振子等价于一个交叉Kerr(cross-Kerr)介质,其非线性系数比一般玻璃中的非线性系数要高很多。利用非线性效应,我们可以把这两个驻波模纠缠起来,得到一个双模压缩态,也就是EPR态。然后,想办法把纠缠光导出腔外,即可。

这个工作并没有特别多的物理,大部分都是标准的量子光学计算。但是计算表明,我们的方案可以把热噪声的影响基本屏蔽掉,得到不受温度影响的纠缠光源。对实验而言,这应该是一个非常好的消息。基本的想法就是,我们通过绝热消去的办法把机械振子的自由度去掉,于是得到一个有效的Kerr效应,同时也把热噪声的影响屏蔽了。我们用实验上实现了的参数进行估计,发现在室温300K下,仍旧能够输出非常强的纠缠光。实际上合适的驱动和失谐量下,温度的变化基本不影响输出光的纠缠大小。另外我们也发现机械振子的质量因子Q也只需要超过一个适中的值即可,再继续增加Q因子,基本不会增大输出光的纠缠度。由于光机械振子实验发展非常迅速,我希望我们的这个方案未来能够为实验所验证,也许能够用作一种新的纠缠光源。

下一步在这个方向上做什么,我并没有清晰的目标。我现在已经把注意力转到量子点系统中了。希望能够与系里的实验组合作,提出一些能够减小量子点退相干的新方案。或者探讨一下如何利用量子点周围的核自旋实现一些量子信息处理过程。已经有一些初步的结果,正在与实验组合作交流中。