沈洁

简介


现任中国科学院物理研究所特聘研究员。2008年在东南大学获得学士学位,2013年中科院物理所获得博士学位,先后在耶鲁大学(2013-2015)、荷兰代尔夫特理工大学qutech实验室-微软Delft量子实验室(2015-2019)做博士后。获中科院人才项目,主持基金委面上项目''基于强自旋-轨道耦合半导体纳米线的拓扑量子器件'',参与中科院战略性先导科技B类专项“新一代超导与拓扑物理学”、国家自然科学基金“第二代量子体系的构筑和操控”重大研究计划项目等。曾在美国参与NSF项目Beyond conventional methods: chemical routes to dope topological insulator nanostructures and two-dimensional materials magnetically和DOE项目Topological superconductor core-shell nanowires,在荷兰参与FOM/NOW/Microsoft项目Scalable circuits of Majorana qubits。先后在Science、Nature、Nature Communications、Nano Letters等发表多篇文章,引用3500以上,h因子16。目前担任Chinese Physics Letters、Chinese Physics B、《物理学报》和《物理》的青年编委会成员,Nature旗下Communication Physics学术编委。是首次观测到量子反常霍尔效应的团队成员之一,在稀释制冷机测量到了量子化平台,该工作被杨振宁誉为接近诺奖级别的工作。在微软量子实验室工作多年,主攻拓扑量子比特的核心器件,测到了完整的相图,为构筑拓扑量子比特奠定基础。受邀在2016年丹麦哥本哈根举办的Silicon Platform for Quantum Spintronics(SiSpin)、2019年中国香港举办的Gordon Research Conference以及2019年日本东京举办的Frontiers in Quantum Materials & Devices (FQMD) workshop等多个国际会议做报告。于2021年6月被Nature杂志邀请作为亚太区拓扑量子器件的代表,参加圆桌会Nature round table on magnetic topological materials,与Nature、Nature physics、Nature review physics等资深编辑和其他代表共同讨论拓扑材料的发展方向和应用前景。


主要研究方向


基于强自旋轨道耦合纳米线、二维拓扑绝缘体和陈绝缘体、三维拓扑绝缘体以及新型拓扑材料的拓扑量子态调控和拓扑量子计算

      在过去的近50年间,随着人类社会全面进入信息技术时代,无论是日常生活还是科学研究对计算机的计算能力要求越来越高。根据摩尔定律,每隔18个月计算机的性能翻两倍,芯片越做越小。但随之问题也接踵而至,一是目前的芯片尺寸达到了工业界器件合成的极限,二是量子效应随尺寸的减小而越来越明显,影响性能。此时,量子计算机呼之欲出。

      经典计算机由比特产生0或1两种态来构成二进制计算,计算能力与比特数量N的关系可表示为2N(线性增加)。而量子计算机构建在具有双能级系统 a |0> + b |1> 的量子比特上,量子比特处于双能级的叠加态从而可进行平行计算,故计算能力是2N(指数增加),远超经典计算机。然而,多个量子比特的纠缠极易受到环境噪声的破坏,导致保真度(fidelity)降低,增加计算中错误的几率。所以如何在增加量子比特数量的同时提高保真度是建立可扩展的量子计算芯片面对的核心问题。

      拓扑量子比特是利用系统本身的拓扑性质,通过对非阿贝尔任意子在2+1维空间下编织(braiding)而进行非定域的编码,具有免于环境噪声干扰的鲁棒性(robustness),从而提高保真度。欧美为发展拓扑量子计算已投入了大量资金,微软和IBM都已经组建了部门进行相关的研究。目前拓扑量子计算还处在初步研究的阶段——尝试建立第一个拓扑量子比特,但发展十分迅猛,有望在未来几年有所突破。因此,此时正是投入拓扑量子计算、抓住契机的合适时机。



实验室英文主页: 沈洁课题组ShenGroup (iphy.ac.cn)



个人Google Scholar:  https://scholar.google.com/citations?user=aOZ9xvgAAAAJ&hl=zh-CN



实验室主页:http://tsuilab.iphy.ac.cn/index.html


过去的主要工作及获得的成果


1.    国际上首次观察到量子反常霍尔效应的实验者之一,文章发表在Science 340, 167 (2013)。该工作由薛其坤老师牵头的清华-物理所团队联合完成。在磁性掺杂拓扑绝缘体中,量子化的边缘态不需要磁场便会出现,故称之为量子反常霍尔效应。量子反常霍尔效应是霍尔效应家族中重要的一员,是一类新的具有代表性的拓扑量子现象,其发现推动并一度引领了拓扑量子物态方面的实验研究。该工作发表后短短几年已被引用1500余次,并且在诺贝尔奖的官网上被作为支持理论物理学家Duncan Haldane获得2016年物理奖的重要实验辅助依据。2018年度国家自然科学一等奖由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学和中国科学院物理研究所王亚愚、何珂、马旭村和吕力组成的研究团队荣获国家自然科学奖一等奖,获奖项目名称是“量子反常霍尔效应的实验发现”,正是基于本工作。

2.    在强自旋轨道耦合InSb纳米线及纳米片中构建并系统研究了马约拉纳零能模的性质,相关的文章有Nature Communications 9, 4801 (2018)(第一作者及共同通讯作者),Nano letters 18 (10), 6483–6488 (2018) (第一作者及共同通讯作者),arXiv:1906.05759(通讯作者), arXiv:2012.10118(第一作者以及共同通讯作者)以及一份专利(Jie Shen, 405693-US-NP; PWF ref 413513US; Hollow Shadow Walls),参与的工作还包括Nature 548, 434 (2017),Advanced Materials 31, 1808181 (2019)。利用一维纳米线结合超导的混合体系构造拓扑超导体,寻找并研究马约拉纳零能模,进而构筑拓扑量子比特,是当前拓扑量子计算的研究重点。在InSb纳米线上覆盖铝引入超导态,在施加一定磁场后这个体系能够成为一维拓扑超导体,在两端各形成一个马约拉纳零能模。这样的系统也被称为马约拉纳岛。我在外延生长铝的InSb纳米线中系统研究了电场、磁场等参数对马约拉纳岛的调控,区分了平庸和拓扑的安德烈夫束缚态,找到了更多马约拉纳零能模的证据;发现了2e和1e两种周期的振荡,证明了此类系统可以很好地控制费米子数目的奇偶性,从而可以用于构筑拓扑量子比特的|0>态和|1>态。曾正工作于这个领域最前沿的课题组(Microsoft Station Q - Delft, Leo Kouwenhoven组),是组内研究马约拉纳岛的子方向负责人,主攻利用马约拉纳岛构筑拓扑量子比特的基本单元。另外,也测到了马约拉纳岛上的拓扑相位图,找到了马约拉纳零能模中性的特征(particle-hole symmetry)arXiv:2012.10118(一作以及共同通讯作者)。

3.    是国际上首次在三维拓扑绝缘体(Bi2Se3, Bi2Te3)上实现超导邻近效应的实验者之一。在拓扑绝缘体中引入超导电性是研究拓扑超导和马约拉纳费米子的首要条件。基于拓扑绝缘体材料,在约瑟夫森结和超导量子干涉器(SQUID)中观测到很强的超导邻近效应和清晰的干涉现象(Scientific Reports 2, 339 (2012),共同第一作者)。基于此工作,我进一步利用不连续或者连续的铅膜,在三维拓扑绝缘体上做出了复杂的超导量子干涉器件,探测到了表面态的超导电流,并且发现其与表面态电子的螺旋性相关(arxiv:1303.5598 第一作者,arXiv:1503.00838共同第一作者)。

4.    是首次CVD长出大面积超薄三维拓扑晶体绝缘体SnTe的实验者(Nano Letters 14, 4183 (2014) 第一作者),并且首次测到掺In后诱导的超导及其表面态(Nano Letters 15, 3827 (2015) 第一作者)。拓扑晶体绝缘体是受到晶体对称保护而非时间反演对称保护的新型拓扑量子材料。我在耶鲁大学做博士后期间生长出了高质量的材料,制作了器件并开展了电子输运测量,较早地研究了拓扑晶体绝缘体表面态的特殊性质。由于在这方面做出了比较系统性的工作,我被邀请写作了这个领域的一篇综述性文章(Nanoscale 6, 14133 (2014) 第一作者)。之后还系统研究了掺杂对于费米能级的影响(Advanced Electronic Materials 2, 1600144 (2016) 第一作者)。基于此,申请人作为主要成员申请和参与了一个美国NSF的项目(40万美元),和另一个美国能源部DOE的项目(55万美元)。并且,基于这一系列的工作,我曾经工作的组受邀撰写了一篇关于拓扑纳米材料的综述Nature Reviews Materials 4, 479 (2019)。

5.    还研究了一种有潜力的空穴型拓扑量子材料–GeSi纳米线。这个材料本身的自旋轨道耦合比较弱,但其空穴输运的特点使得多种能带之间的自旋轨道耦合作用增强,从而使这种材料能够被用于构造拓扑量子器件。这种不同能带之间的自旋轨道耦合被称为直接自旋轨道耦合,对研究自旋轨道耦合有着重要的意义。我证明了这种直接自旋轨道耦合的存在,并且在GeSi纳米线中引入了超导态,推动了这个材料在拓扑量子计算中的应用(Nano letters 18 (10), 6483-6488 (2018),Advanced materials 30 (44), 1802257(2018),Nano Lett. 20(1), 122–130(2020))。

代表性论文及专利


Published as the first author or corresponding author

1)Chang, C. Z.*, Zhang, J. S.*, Feng, X.*, Shen, J.*, Zhang, Z. C, Guo, M. H., Li, K., Ou, Y. B., Wei, P., Wang, L. L., Ji, Z. Q., Feng, Y., Ji, S. H., Chen, X., Jia, J. F., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. C., He, K.†, Wang, Y. Y.†, Lu, L., Ma, X. C., & Xue, Q. K.† (*The first four authors contributed equally to this work.)Experimental observation of the quantum anomalous hall effect in a magnetic topological insulator. Science 340, 167-170 (2013)- the first paper about quantum anomalous hall effect, citation is 1313 according to google scholar up to Nov. 19st, 2018

2) Shen, J., Heedt, S., Borsoi, F., van Heck, B., …
Geresdi, A., Palmstrøm, C. J., Bakkers, E. P. A. M. & Kouwenhoven, L. P. (Shen is the equal contribution and corresponding author)Parity transitions in the superconducting ground state of hybrid InSb–Al Coulomb islands.Nature Communications 9, 4801 (2018).

3) de Vries, F.K., Sol, M.L., Gazibegovic, S., op het Veld, R.L., Balk, S.C., Car, D., Bakkers, E.P., Kouwenhoven, L.P. and Shen, J., Crossed Andreev reflection in InSb flake Josephson junctions. Physical Review Research 1(3), 032031(2019)

4) Shen, J., Jung, Y., Disa, A. S., Walker, F. J., Ahn, C. H., & Cha, J. J. Synthesis of SnTe Nanoplates with {100} and {111} surfaces. Nano letters 14, 4183-4188 (2014).

5) Shen, J., Xie, Y. J., & Cha, J. J. Revealing surface states in In-doped SnTe superconducting nanoplates with low bulk mobility.Nano letters 15, 3827-3832 (2015).

6) Shen, J., & Cha, J. J. Topological crystalline insulator nanostructures. Nanoscale 6, 14133-14140 (2014). (Review)

7) de Vries, F.K.*, Shen, J.*†, Skolasinski, R. J., Nowak, M. P., Varjas, D., Wang, L., Wimmer, M., Ridderbos, J., Zwanenburg, F.A., Li, A., Koelling, S., Verheijen, M. A., Bakkers, E. P. A. M. & Kouwenhoven†. (Shen is the equal contribution and corresponding author)Spin–Orbit Interaction and Induced Superconductivity in a One-Dimensional Hole Gas Nano letters 18 (10), 6483–6488 (2018).

8) Shen, J., Song, Y., Lee, M. L., & Cha, J. J. Spatially resolved In and As distributions in InGaAs/GaP and InGaAs/GaAs quantum dot systems. Nanotechnology 25, 465702 (2014)

9) Shen, J., Woods, J.M., Xie, Y. J., Morales-Acosta, M. D. & Cha, J.Structural Phase Transition and Carrier Density Tuning in SnSexTe1-x Nanoplates.Advanced Electronic Materials 2, 1600144 (2016).      

10) Woods, J. M.*, Shen, J.*, Kumaravadivel, P., Pang, Y., Xie, Y., Pan, G. A., ... & Cha, J. J. (*The first two authors contributed equally to this work.) Suppression of magnetoresistance in thin WTe2 flakes by surface oxidation.ACS applied materials & interfaces 9(27), 23175-23180 (2017).

11) Qu, F. M.*, Yang, F.*, Shen, J.*, Ding, Y., Chen, J., Ji, Z. Q., Liu, G. T., Fan, J., Jing, X. N., Yang, C. L., & Lu, L. (*The first three authors contributed equally to this work.)  Strong superconducting proximity effect in Pb-Bi2Te3 hybrid structures. Scientific reports 2, 339 (2012)



12)J. Shen, G. W. Winkler, F. Borsoi, S. Heedt, V. Levajac, J.-Y. Wang, D. van Driel, D. Bouman, S. Gazibegovic, R. L. M. Op Het Veld, D. Car, J. A. Logan, M. Pendharkar, C. J. Palmstrøm, E. P. A. M. Bakkers, L. P. Kouwenhoven, and B. van Heck. Full-parity phase diagram of a proximitized nanowire island. 



Phys. Rev. B 104,045422(2021) http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202108/t20210807_6153270.html













Published as co-author

1) Jung, Y., Shen, J., Liu, Y., Woods, J. M., Sun, Y., & Cha, J. J. Metal seed layer thickness-induced transition from vertical to horizontal growth of MoS2 and WS2. Nano letters 12, 6842-6849 (2014).

2) Jung, Y., Shen, J., Sun, Y., & Cha, J. J. Chemically Synthesized Heterostructures of Two-Dimensional Molybdenum/Tungsten-Based Dichalcogenides with Vertically Aligned Layers ACS nano, 8, 9550-9557 (2014).

3) Jung, Y., Shen, J., & Cha, J. J. Surface effects on electronic transport of 2D chalcogenide thin films and nanostructures.Nano Convergence 1, 18 (2014). (Review)- recognized as a highly contributed paper by Nano Convergence in 2015

4) Qu, F., Yang, F., Chen, J., Shen, J., Ding, Y., Lu, Lu, J. B., Song, Y. J., Yang, H. X., Liu, G. T., Fan, J., Li, Y. Q., Ji, Z. Q., Yang, C. L. & Lu, L. Aharonov-Casher effect in Bi2Se3 square-ring interferometers. Physical review letters 107, 016802 (2011)

5) Yang, F., Qu, F., Shen, J., Ding, Y., Chen, J., Ji, Z. Q., Liu, G. T., Fan, J., Yang, C. L., Fu, L. & Lu, L. Proximity-effect-induced superconducting phase in the topological insulator Bi2Se3. Physical Review B 86, 134504 (2012).

6) Yang, F., Ding, Y., Qu, F., Shen, J., Chen, J., Wei, Z. C., Ji, Z. Q., Liu, G. T., Fan, J., Yang, C. L., Xiang, T. & Lu, L. Proximity effect at superconducting Sn- Bi2Se3 interface. Physical Review B 85, 104508 (2012).

7) Yu, L., Jung, D., Law, S., Shen, J., Cha, J. J., Lee, M. L., & Wasserman, D. Controlling quantum dot energies using submonolayer bandstructure engineering. Applied Physics Letters 105, 081103 (2014).

8) Zhu, X., Morales-Acosta, M.D., Shen, J., Walker, F.J., Cha, J. J., & Altman, E.I. Growth, structure, and electronic properties of nonpolar thin films on a polar substrate: Cr2O3 on ZnO (0001) and ZnO (000 1¯). Physical Review B 92, 165414 (2015).

9) Gazibegovic, S., Car, D., Zhang, Z., Balk, S. K, Logan, J. A., de Moor, M. W. A., Cassidy, M. C., Schmits, R., Xu, D., Wang, G. Z., Krogstrup, P., het Veld, R. L. M. O., Zuo, K., Vos, Y., Shen, J., Bouman, D., Shojaei, B., Pennachio, D., Lee, J. S., van Veldhoven, P. J., Koelling, S., Verheijen, M. A., Kouwenhoven, L. P., Palmstrøm, C. J. & Bakkers, E. P. A. M.Epitaxy of advanced nanowire quantum devices.Nature 548, 434 (2017)

10) Ridderbos, J., Brauns, M., Shen, J., de Vries, F. K., Li, A., Erik PAM Bakkers, E. P. A. M., Brinkman, A., Zwanenburg, F. A.Josephson Effect in a Few‐Hole Quantum Dot Advanced Materials 30, 1802257 (2018)

11) Ma, M., Liu, K., Shen, J., Kas, R., & Smith, W. A.In-situ Fabrication and Reactivation of Highly Selective and Stable Ag Catalysts for Electrochemical CO2 Conversion.ACS Energy Letters, 3 (6), 1301–1306 (2018)

12) Gazibegovic, S., Badawy, G., Buckers, T. L. J., Leubner, P., Shen, J., de Vries, F. K., Koelling, S., Kouwenhoven, L. P., Verheijen, M. A., & Bakkers, E. P. A. M. Bottom‐Up Grown 2D InSb NanostructuresAdvanced Materials 31, 1808181 (2019)



 


目前的研究课题及展望


1. 拓扑量子比特器件的物理实现,包括一维强自旋轨道耦合纳米线和超导的复合器件、二维拓扑绝缘体和超导的复合器件以及其他新型拓扑超导体系

2. 介观量子器件的集成化以及应用化,包括基于强自旋轨道耦合的自旋器件、量子点等等

培养研究生情况


招硕士、博士、博士后以及研究助理。

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010-82649981

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