物理学系计算与模拟物理实验室

  计算机模拟一方面作为理论物理研究的重要手段，另一方面作为物理实验研究的重要延伸，近些年随着计算机技术的飞速发展逐渐呈现出强大的生命力，并与物理学研究结合成为一门介于理论物理和实验物理之间的独特的新领域—计算物理。计算物理特别在一些实验难以探测的情形（极端条件如极高温，高压，高密度，高强度等）和理论难以解析处理等情况发挥着不可或缺且不可替代的作用，是目前国际上非常重视的领域。本实验室正是在这种背景下应运而生。

      计算与模拟物理实验室成立于2002年，并于当年成为校级重点实验室，得到学校的支持。实验室依托我校具有深厚科研实力的理论物理国家级重点学科、凝聚态物理北京市重点学科和物理学一级博士点，是物理学学科建设的重要组成部分，其目标是借助购置大规模计算平台和其他计算设备，整合理论物理各方向和凝聚态方面与大规模数值计算模拟相关的人力与研究资源，系统地、有计划地进行建设，为重点学科建设提供一流平台和研究成果，争取并承担国家级和省部级重大、重点科研项目，建设一流的计算物理研究团队，为国家培育、输送一流的物理学研究人才提供坚实的研究基地。

      在985、211、学校实验室建设经费和一批国家重大、重点项目的支持下，本实验室经过五年的建设与发展，已经初具规模，在硬件、环境、人员配备方面均具有很大的发展，取得了一批具有国际水平的科研成果，建设了一系列与计算物理密切相关的课程。在实验室建设的五年里，我们开辟了非线性与复杂性仿真、计算统计物理、计算凝聚态物理、量子光学与光学材料模拟等几个与大规模计算密切相关的研究方向，在计算物理方面形成了一支高水平的研究团队，成为理论物理和凝聚态物理重点学科的重要力量。

      五年来，实验室充分发挥了团队的研究水平和购置的SGI计算平台的作用，计算资源处于高效利用状态，在队伍建设、学术成果、硬件建设等几个方面超额完成了上一阶段目标，并为今年理论物理重点学科中期评估的顺利通过做出了非常重要的贡献。

      五年来，实验室充分发挥了团队的研究水平和购置的SGI计算平台的作用，计算资源处于高效利用状态，在队伍建设、学术成果、硬件建设等几个方面超额完成了上一阶段目标，并为今年理论物理重点学科中期评估的顺利通过做出了非常重要的贡献。

1. 实验室队伍建设
      建设成了一支年龄层次合理、学历层次高、具有国际视野和竞争力的研究团队。实验室计算与模拟物理实验室使物理系一批较多利用数值计算与模拟手段进行不同研究方向的教师凝聚在一起，自然形成了一支计算物理的研究团队。通过学科整合，我们以计算物理这个新的学科生长点与高速SGI计算平台为核心，整合并开辟了以下几个研究方向：
2.  
   • 非线性与复杂性仿真：本方向以胡岗教授、郑志刚教授为学科带头人，拥有教授3人，副教授5人，在读博士生12人，硕士生10人。主要以时空非线性系统的混沌、同步与控制为研究主攻方向，自2002年以来主持了973非线性科学国家重大计划二级课题2项，自然科学基金重点项目2项，百优论文专项1项，高校青年教师奖1项，自然科学基金面上项目、博士点基金、霍英东基金等多项，研究经费约250万。
   • 计算凝聚态物理：本方向主要以冯世平教授、王甬军、寇谡鹏教授为学术带头人，拥有教授4人，副教授6人，在读博士生6人，硕士生21人，目前在研经费268万。
   • 计算统计物理：本方向以包景东教授、郭文安教授和朱建阳教授为学科带头人，拥有教授3人，副教授2人，讲师1人，在读博士生6人，硕士生15人，目前在研经费80余万。
   • 量子光学与光学材料模拟：本方向主要以杨国建教授、张向东教授和周静教授为学术带头人，拥有教授3名，副教授2名，在读博士生10名，硕士生13名，目前在研经费约148万。
3. 研究成果
      过去的五年中，实验室成员利用SGI服务器在以上几个方向上取得了一批有国际影响力的研究成果，在国际、国内的重要学术刊物上发表论文二百多篇，其中在物理学界最有影响的专业杂志美国Physical Review Letters上发表了10篇。以下是几项代表性研究成果：
4.  
   • 时间对称性破缺导致合作定向输运：郑志刚等系统研究了耦合分子马达定向运动问题，（1）发现了耦合链在完全没有外界空间非对称驱动力的环境下，依靠内部耦合、非线性及对称势场的相互作用会发生单向有序的运动，我们用相互耦合力的时间对称性破缺诱发的空间不对称性来成功解释了这一现象，并把定向输运的钉扎与圆映射中的吸引子激变行为相联系，揭示了宏观输运与微观动力学行为之间的内在联系；（2）提出了时空对称破缺导致的马达运动，对称的耦合、周期势场和时间周期外力的匹配导致对称破缺而可以引发集体定向输运的新思想。这些成果在Braun和Kivshar的专著“The Frenkel-Kontorova Model: Concepts, Methods, and Applications”（Springer,2004）中进行了专门引用和详细介绍。上述工作分别于2001和2002年发表于Phys. Rev. Lett.上。
   • 时空混沌同步的斑图动力学及其应用：时空混沌由于其行为的复杂性和内含的丰富性吸引了统计物理和非线性科学学者的兴趣。由于时空混沌输出的类似“混乱”和“随机”的行为，人们很难将它与规则、漂亮的斑图形成建立联系。本方向的研究提出了在空间互相远离的混沌单位之间通过自组织会使部分格点的形成混沌同步集团，进一步发现这种部分同步直接联系着非线性时空系统的对称性自发破缺和形成突变行为。混沌同步自组织会产生出丰富的时间混沌而空间形态复杂而有序斑图，这与人们传统的时空混沌图象产生鲜明对比。本方向又提出了用简单的方法实现复杂的时空混沌同步，并利用时空混沌信号的复杂性和大量时空混沌单元的并行输出特性构建兼有高保密性和高操作效率的混沌加密系统，这一理论的模型已在实验室中用于实际的市话通信，取得保密，抗信道噪声和优化的加密速度等综合效果。研究成果在国内外同行中产生了积极的影响。被邀请在第22届国际统计物理会议上作邀请报告（Invited Speaker），主要成果收入国家自然科学基金委2001—2005年优秀成果选编。该研究组关于混沌和时空混沌同步的工作（包括2001年前的该方向的论文）的SCI他人引用已超过200次，其中关于时空混沌通信的思想受到混沌领域的国内外同行广泛认可，本成果提出的加密方案几年内他引超过30次，并被2002年底美国AIP的Physics News Update (PNU)和APS的Phys. Rev. Focus以Story的形式报道。
   • 高温超导机理的理论研究：为了统一说明氧化物材料的物理性质和超导机理，我们提出了一个能够严格处理电子的没有双重占据的局域约束条件的电荷自由度与自旋自由度相分离的费密子－自旋理论，这里物理电子被退耦为带电荷的费密子和自旋，其独特之处在于带电荷的费密子描述电子的电荷自由度以及由于掺杂而使得自旋构形重新组合后对电荷自由度产生的影响，而自旋算符描述电子的自旋自由度。在这一理论的基础上，我们能够统一说明氧化物材料从正常态到超导态中一些主要的物理性质和高温超导机理。在正常态反常物理性质的研究方面，我们说明了虽然反常的磁关联与带电荷的费密子的运动密切相关，但是对于这些磁关联的主要贡献则是来自于自旋的散射，即自旋的驰豫时间主要是响应系统的自旋动力学。同时我们也说明了虽然氧化物材料反常的电荷输运行为与自旋涨落背景密切相关，但是这些反常的输运行为主要是由带电荷的费密子的散射来决定的，即带电荷的费密子的驰豫时间主要是响应系统的电荷动力学。在这一理论框架下，我们也研究了氧化物材料的角分辨光电子谱的物理性质，并说明了由于系统中电子准粒子与磁的元激发产生了强的耦合作用，从而导致在电子能谱的[π,0]区域形成反常的平坦能带。我们在电荷自由度与自旋自由度相分离的费密子－自旋理论基础上建立和发展了一个动能驱动的高温超导机制，这里带电荷的费密子通过系统的动能直接交换自旋元激发而产生相互吸引作用，这个相互吸引作用导致带电荷的费密子形成带电荷的费密子对状态，而电子库柏对状态的形成则是由于电荷自由度与自旋自由度的重新组合，然后这些电子的库柏对玻色凝聚形成高温超导基态，这里与普通的低温超导基态不同的是这个高温超导基态是由超导能隙序参数和超导准粒子相干共同决定。我们的动能驱动的超导电性理论也说明强电子关联有利于超导电性，因为这里促成电子库柏对形成的要素是电子本身的自旋自由度，而不是其它外部因素。在这一动能驱动的高温超导电性机理下，我们也探讨了氧化物材料在超导态时反常的磁散射和角分辨光电子谱的物理性质。这些研究工作已得到国际同行的关注，2006年7月冯世平教授应邀在德国德累斯顿市举行的第八届国际超导大会（8th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors）上作分会邀请报告。
   • 强关联电子系统中量子相变的研究：我们从掺杂的Mott绝缘体出发，利用重整化群技术研究了其绝缘体—超导转变的物理机制。空穴运动给反铁磁序带来不可修补的破坏，空穴运动的末点演化为 meron，运动的起点演化为 anti-meron。空穴和 anti-merons 形成了一个有限浓度的二维库仑气体模型。利用重整化群技术，将 KT相变理论推广到有限浓度的二维库仑气体模型，我们发现了一种新的局域化—退局域化相变。当空穴占据数小于临界值4.3%时，空穴被对数势束缚在 anti-meron 周围。此时载流子处于强局域化状态，电导行为满足Mott型变程跳跃。当空穴浓度大于临界值4.3%时，空穴和 anti-merons之间的长程相互作用被屏蔽掉。此时载流子退局域化，进入超导状态。我们发现该转变的物理本质是一个量子临界点，在该量子临界点发生对偶禁闭退禁闭转变，并存在退禁闭的自旋子和空穴子。
   • 高朗道能级中的关联电子态：系统地研究了二维电子系统在高朗道能级中的关联电子态，说明了关联电子态从最低朗道能级到高朗道能级电子态的变化过程，并讨论了朗道能级耦合对单电子态局域性质的影响。
   • 基于反常扩散理论的超重核合成机制：包景东教授及其合作者近年来在反常扩散理论方面做了开创性的工作。解决了速度耦合与坐标耦合的非等价问题，提出了局域化和弹道扩散与噪声频谱的关系，建立了介于牛顿和朗之万力学之间的非完全耗散模型；尤其是他们改进了扩散模型并应用于超重核合成机制研究，探索了热熔合的靶核形变、同位素依赖性、Q值和颈部等效应，计算了几个实验关注的弹靶反应形成超重核的截面。包景东小组的合成Z=108超重核理论文章比德国墨尼黑工业大学A. Turler教授领导的小组在PRL的相同核实验工作早一个月发表在PRC上，他们的4n截面的理论预计与后来的实验结果较好地符合，Turler教授给他们发来一封E-mail，希望北师大小组为他们计算蒸发3n道和5n道的残余截面。包景东的工作被国际同行在重要期刊上评价为“打开了新话题”， “量子力学哈密顿表述的半经典动力学理论”，“使用了(他们的)H模型”，“同意(他们提出的)有限尺度的重要性” 等； 国内外几个大核物理实验室希望北师大小组能为新实验做一些理论计算。也受到一些学术团体的肯定：经美国IEEE举办的多学科和300人参加的第19届“Noise and Fluctuations” 科学计划委员会的投票选举，包景东为中国大陆唯一的邀请报告人；相关研究结果被作为前沿研究焦点领域的论文、全文收录在2005年8月由美国AIP和APS负责出版的Virtual J. Biological Physics Research 上；为庆祝2005世界物理年，中国物理学会主办的《物理学进展》约包景东撰写了“分数布朗运动和反常扩散”的综述文章，为5个方向之一；他还被国际理论和应用物理学联合会连续两届邀请为Boltzmann统计物理奖的提名人。
   • 热光亚波长干涉和成像：双缝干涉反映了光场的相干性, 传统的观念认为混沌的非相干光源不会发生干涉。2004年实验室成员首次在理论上预言了传播方向混乱无序的热光源可以实现高阶双缝干涉，后被实验所证实(PRA 70, 041801R (2004), PRL 94, 173601(2005))。 热光亚波长干涉可以用多模热光场的二阶空间关联性质来解释, 是历史上著名的Hanbury-Brown和Twiss实验的空间干涉版本。该效应同双光子量子纠缠态在双缝实验中所产生的亚波长干涉效应十分类似。纠缠双光子对的亚波长干涉效应由于涉及多光子德布洛意波包概念和有可能实现量子光刻, 近年来是国际上关注的热点之一。我们的研究成果使得人们对量子纠缠和经典关联光场的高阶干涉现象有了正确和统一的认识，因此在国际上产生了较大的反响。同时, 我们还在理论上首次提出了热光关联成像公式和实现无透镜成像。国际上曾一度认为鬼成像、鬼干涉和亚波长干涉效应是双光子量子纠缠的特征，我们的工作对这些奇特的光学现象给出了正确的解释。
   • 光子和声子晶体中的负折射现象和亚波长成像：我们不仅在热光的亚波长干涉和无透镜成像研究方面取得了突破，而且在光子晶体平面透镜成像方面也取得了创新性成果。 近年来负折射现象由于其诱人的应用前景而获得了国际学术界的广泛关注，目前理论和实验报道的负折射效应都局限于周期性人工微结构材料。在这些周期性结构中，晶格点阵的Bragg散射起着重要的作用。对于非周期结构，由于不满足Bloch定理（不存在严格意义上的Bragg散射）, 人们一般认为在这些介质中可能没有负折射现象。 然而，最近我们通过理论计算发现十二重对称的电介质准晶光子结构也会出现负折射效应，而且在某些性能上优越于周期光子晶体负折射介质。我们的这一理论发现很快被中科院物理所张道中研究员领导的研究小组的实验所证实。相关结果已在Phys. Rev. Lett. （Vol.94 ，247402 (2005)）上发表。我们的研究结果不仅使人们对负折射现象有了新认识，而且为光子晶体在聚光成像方面的广泛应用开辟了新途径。同时，我们还将负折射现象的研究扩展到了声波在声子晶体中的传播， 并首次在声子晶体界面上观察到了声波的负折射现象， 设计出了声子晶体平面棱镜，实现了声波的超过衍射极限的聚集成像。研究成果不仅使人们对一些物理概念的理解上有突破，而且还有广泛的应用前景。因此受到了国际社会的关注。文章中有关声子晶体平面棱镜聚集成像的图被选为当期《应用物理快报》的封面；世界著名的Physicsweb (Physics World)就以“Negative refraction goes acoustic”为标题的新闻Story形式专门作了报道。在我们的文章发表仅两年的时间里已被国际同行SCI他引超过100次。这些引用中包括这个领域国际上著名的研究小组如美国Texas A&M大学的Scully研究小组、 Boston 大学的Teich研究小组、Maryland大学的Yanhua Shih研究小组、意大利Lugiato研究小组以及香港浸会大学的朱诗尧研究小组等。该成果还应邀三次在国际大会上做口头报告，受到了与会者的好评。由于上述研究成果，最近我们被邀请为专著“Optical and electronic negative refraction and negative refractive index materials”撰写了一章，题目为“Negative Refraction and Imaging with Quasi-Crystals”。这本书即将由World Science Publishing(世界科学出版社)出版，这是目前国际上第一本关于“负折射”的专著。
5. 实验室硬件建设、利用与管理情况
      实验室在985、211等经费支持下，于2004年和2005年分别购置了两台SGI的服务器。2006年学校高性能计算中心建立，本实验室的SGI计算资源与学校的128个CPU资源联网，实现了资源共享。这些计算资源使得实验室成员用于研究的大规模计算能力大大提高。
      实验室目前的SGI服务器拥有64颗主频为1.5GHz的CPU、96GB的内存和2TB的磁盘阵列，并使用远程登录方式，每位用户可以在各自的计算机上登录SGI服务器，进行编写、编译程序，提交作业的工作，该服务器在不停电的条件下，每年365天、每天24小时不间断地为用户提供服务。每年约有60位经常的用户，每年运行约20万CPU小时。
      在实验室建立的五年当中，通过扩建实验室设备和完善实验室的管理，使得我系的理论科研计算能力得到大幅提高，计算资源得到充分的利用，大大提高了全系师生的科研工作效率。例如，在微机上在需要运行一周时间的凝聚态理论研究方面的科学计算，使用SGI服务器进行并行计算后仅仅只需要几个小时就可完成，计算速度提高了四十多倍。另外，通过对SGI服务器硬件、软件、工作环境的严格、认真、细致地管理，保障了SGI服务器正常、高效的运行，为科研运算提供了优质、高效的服务。过去的五年中，利用实验室的SGI服务器的计算成果在国际、国内的学术刊物上发表了二百多篇论文，其中有很大部分是在SCI收录的学术期刊上发表的。
6. 实验室开放与课程建设情况
      计算与模拟物理实验室对实验室成员、物理系教师和学生开放，实验室的计算平台与学校联网，计算资源共享；实验室于2007年购置了40台快速的高性能微机，可用于研究生作为计算终端、学术讲座、课程授课等，对本系研究生充分开放。
      本实验室承担了本科生、研究生进行与计算物理有关的一系列教学工作。根据计算物理的特点，实验室设立了一系列计算物理课程，如计算物理基础、Fortran语言、C语言、分子动力学模拟、蒙特卡罗方法、Matlab与科学计算等，形成了完整的计算物理课程体系，为更充分、更优化、高效率发挥本实验室的计算资源奠定了良好基础。实验室成员承担了以上所有课程。彭芳麟教授开设的“计算物理基础”课程面向本科生由于其注重教学科研的结合而深受本科生的欢迎，2004年获北京市教学成果一等奖，2005年获国家级教学成果二等奖，并成为国家级和北京市精品课进行建设。
      本实验室还担负着物理实验教学中心服务器的管理、维护、以及运行的工作。该服务器专门用于物理实验教学工作的各项工作。它具有设置实验课程、登录实验教案、介绍实验仪器、进行实验教学讲座、观看实验教学录像、登录学生论文、公布实验室的规章制度、查询实验教学大纲、发布实验中心新闻等各项功能。教师可以利用该服务器批阅学生的实验报告并给出成绩；学生可以利用该系统进行实验课程的选课活动、查询自己的上课时间和任课教师，并对教师的教学工作做出评价。该系统还可以对实验室的固定资产进行管理。该系统相比过去只能提供学生选择实验课程的旧系统在功能、服务内容等各方面有了极大的提高和改善。该系统的建立和使用为我系及相关单位今年北京市物理实验教学示范中心申请成功作出了很大的贡献，对物理实验教学的智能化管理起到了极大的推进作用。