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随着高速成像、航空航天及光通信等领域的快速发展，对覆盖宽光谱范围且具备高性能的光电探测器需求日益迫切。二维材料因其独特的结构维度、可调的电子结构以及优异的载流子输运特性等，被视为宽谱光电探测的理想候选材料。然而，实现兼具高响应度与高速响应的宽谱探测器仍面临诸多挑战。本文首先介绍了二维材料的光电特性基础，包括带隙调控机制与光谱响应范围、载流子输运及复合过程、光吸收系特性等，为理解其宽谱探测能力奠定理论基础。随后，系统梳理了窄带隙二维材料、二维拓扑材料以及二维钙钛矿材料体系在宽谱探测中的研究进展。接下来重点探讨了异质集成、缺陷调控、光场增强以及应变调控等四类提升二维材料光电探测性能的有效途径。最后，对二维材料宽谱光电探测器在高性能、低功耗、多功能化及规模化应用方面的挑战与发展前景进行了展望，指出多种策略的协同集成有望推动新一代宽谱光电探测器的实用化进程。
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燃烧场温度与气体组分浓度的二维分布对发动机燃烧效率以及性能评估具有重要意义。本文提出一种基于自适应区域权重混合模型的燃烧场温度和气体组分浓度二维重建方法，提高复杂突变燃烧场重建精度。通过区域权重机制将多项式模型与高斯径向基函数模型结合为混合模型，并自适应迭代计算区域权重矩阵。一方面通过区域权重矩阵保证了混合模型在兼顾全局特征的同时，提高混合模型细节特征的描述能力；另一方面，在残差函数中加入区域权重正则化方法，提升算法的精度。数值模拟了三种燃烧场分布，通过对比验证了混合模型的表征能力和重建精度，结果表明混合模型算法重建误差低于单一模型及传统ART算法，其温度、浓度分布重建最大误差为3.31%、7.13%。并在标准McKenna燃烧器上搭建了扫描式TDLAS测量平台及热电偶测量平台对该方法进行实验验证，重建结果与实际分布一致性较好，1800 K下中心温度与热电偶测量结果偏差为10 K，验证了该方法的有效性，可为发动机燃烧场测量分析提供有效的参考。
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HfOX忆阻器因其低操作电压、良好的耐受性及循环特性等优异性能，使其成为下一代非易失性存储器最有前景的候选者之一。然而，由于HfOX薄膜内氧空位导电细丝的形成和断裂的随机性，器件阈值电压分布较为分散，整体稳定性较差，因此，通过调控氧空位来提高HfOX器件的稳定性具有重要的研究意义。本研究采用磁控溅射法制备了不同氩氧比的三组器件，均表现出双极性阻变特性。在三种不同氩氧比的W/HfOX/Pt器件中，氩氧比为45:5的器件展现出最优的综合性能： I-V循环超过200次、开关比~103、在104 s内具有优异的数据保持特性且阈值电压分布集中，表明器件稳定性显著提高。通过构建氧空位调控与导电细丝演变的物理模型，揭示了氧空位浓度对阻变机理的影响机制。本研究明确了氧空位的调控HfOX忆阻器性能的关键作用，为发展高性能、高可靠性的阻变存储器提供了有效途径。
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本文系统探究了刚性毛细管约束下微气泡在超声场中的弹跳行为及其动力学特性。实验采用高速摄像技术捕捉了单泡、双泡及三泡系统在粘弹性介质中的运动轨迹，并结合频谱分析揭示了气泡的振荡频率、迁移规律及多泡相互作用机制。结果表明，气泡的弹跳行为受超声驱动频率、管壁约束、流体粘性及气泡间耦合作用的协同调控；单泡呈现周期性左右迁移，其振荡频率略低于超声基频，频谱表现出非对称边带分布；双泡系统经历抑制、加速迁移、位置交换等五个阶段，两个泡振荡存在相位差；三泡系统则表现出更复杂的三角构型演化与时序性迁移，多泡协同效应增强了非线性频域特征。管径与流体粘度分别通过改变附加质量效应和粘性能量耗散影响气泡弹跳周期。基于改进的耦合Keller-Miksis方程，理论模型引入镜像气泡效应，定量解析了管壁约束下气泡的共振频率偏移及非线性声响应特性。数值分析进一步量化了泡间距、管壁位置及介质粘性对系统非线性共振频率与相位差的调控规律。本研究为受限环境中气泡-声场-流固耦合机制提供了新见解，对微流控器件优化与超声医学应用具有重要指导意义。
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玻色-爱因斯坦凝聚体的涡旋研究是探索宏观量子现象的重要途径.本文聚焦于旋转双势阱中势垒参数对隐藏涡旋形成和演化的影响，旨在揭示势垒宽度和高度对涡旋动力学的调控机制.通过数值求解带耗散的Gross-Pitaevskii方程，分析了不同势垒宽度和高度下凝聚体的密度分布、相位分布、涡旋数量及平均角动量.结果表明，增加势垒宽度可以显著促进隐藏涡旋的生成，且生成的可见涡旋和隐藏涡旋总数仍然满足费曼规则；当势垒宽度较大时，隐藏涡旋会沿势垒轴线呈现摆动分布，反映隐藏涡旋间相互作用增强.相比之下，势垒高度高于临界值（指能够将凝聚体完全分隔的势垒高度）时，改变其值对生成涡旋数量影响很小；低于临界值时，隐藏涡旋核因势阱连通变得可见，而且可见涡旋的生成阈值降低.特别地，在旋转谐振子势阱中临时引入中间势垒可有效引入相位奇点，促进在较低旋转频率下生成稳定涡旋态，优于纯谐振子势阱所需的频率.本研究为实验调控涡旋提供了理论依据，具有一定的学术价值和应用前景.
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月面任务将面临月球车车轮与月尘摩擦充放电风险，初步的理论研究表明金属材质的车轮可能会充电至-5000V量级，放电脉冲电流可达0.1A量级，严重威胁航天员生命安全和器件电路的正常工作。本文采用地面实验手段研究了真空、太阳风等离子体环境下月球车车轮摩擦充放电风险。研究结果表明，真空环境下，直径为136mm的铝合金月球车车轮以0.003m/s在月尘层上行驶时会快速充电至几百伏正电位，车轮行驶距离至约20m，电位为550V时即发生放电击穿，此时捕捉到的放电电流脉冲幅值可达1.5A，脉冲持续时间约100ns；增加摩擦频率充电速率明显增加，放电更频繁的发生；在模拟的太阳风等离子体环境下，车轮以0.003m/s行驶时环境和摩擦共同作用使充电电位为负，平衡后电位约-830V左右，且放电更加频繁，行驶至8.5m时即发生放电击穿，放电电流脉冲幅值可达0.3A，脉冲持续时间100ns。该放电脉冲对线性电路造成了电磁干扰，导致信号的异常输出；本研究表明月球车摩擦充放电风险较高，需在后续工程任务中关注并进一步评估其危害程度。
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近年来，无限层镍氧化物薄膜作为首个实现超导电性的镍氧化物体系，引起研究者广泛关注.该材料通过将钙钛矿结构前驱体去除顶角氧获得.传统的CaH2封管还原法虽简单有效，但属于非原位手段且容易造成表面非晶化，不适用于表面敏感实验的研究.为了解决该问题，本文在超高真空腔体中建立了三种不同的原位原子氢还原方式(科研用射频等离子体裂解源、工业用射频等离子体裂解源和热裂解源)，系统探索各自的最优还原条件，并比较不同还原方式对薄膜表面形貌和超导转变温度等性质的影响.多种原位还原方式的优化和对比对于进一步提升无限层镍氧化物的表面质量及超导性能至关重要.结果表明，三种原位手段在降低薄膜表面粗糙度方面相比于CaH2还原表现出优势，工业用射频等离子体裂解源和热裂解源可实现优于CaH2的超导性能.研究还系统介绍了各还原方式的参数优化结果，为实现高质量无限层镍氧化物薄膜的可控还原提供了重要参考.
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石墨烯等离激元在红外-太赫兹波段具有高度局域化和动态可调性，但其精准调控机制仍需深入探索。本研究基于国产第一性原理计算软件ABACUS，采用线性响应含时密度泛函理论方法，结合截断库仑势消除层间耦合效应，系统研究了石墨烯狄拉克等离激元的三类调控机制。研究结果表明，无论采用何种调控手段，石墨烯狄拉克等离激元的色散关系均呈现出典型的双区域特征：在长波区域，其色散关系遵循√q的形式；而在短波区域，则逐渐过渡为准线性行为。此外，随着载流子浓度的增加，等离激元的激发能量呈现系统性增强，并遵循ω∝n1/4的标度律；施加双轴应变时，等离激元激发能量随晶格常数的增大而线性降低；引入六方氮化硼（hBN）作为基底时，对原始结果影响较小，仅导致整体能量发生轻微红移。进一步地，研究深入揭示了上述三种调控机制的物理起源。这些结果为基于石墨烯/hBN异质结构的高性能动态光电器件设计提供了坚实的理论支撑。
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量子通信具有感知窃听的功能，这是其区别于经典通信而独有的优势，能够为信息安全提供新的保障。在实际应用中，量子通信具有绝对安全性的前提是所有通信方均是合法通信方，然而，这在实际通信环境中难以保证，为量子保密通信带来安全性隐患。因此，在通信之前对通信方进行身份认证具有重要意义。量子身份认证利用量子力学基本原理在通信方之间实现单项或双向身份认证，并能确保身份认证码的绝对安全，在量子通信领域具有重要的研究价值。本文系统梳理了量子身份认证协议的研究历程，根据所需的不同量子资源对基于单光子、纠缠态、连续变量、混合型变量的量子身份认证协议进行介绍，又根据身份认证过程中使用的量子协议类型，介绍了基于量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态以及乒乓协议框架的量子身份认证协议，并分析各类协议在效率、安全性及实用化方面的优缺点。最后，本文详细介绍了最新的量子身份认证协议-基于GHZ态的多方同步身份认证协议以及具有身份认证功能的极化-空间超编码的三方量子安全直接通信协议，并对量子身份认证的未来发展方向以及在量子通信领域的应用潜力进行展望。本综述可为未来量子身份认证的实用化发展提供理论支持。
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纳米尺度下液体的蒸发因微观效应的影响而显著增强，其速率甚至超过经典赫兹-克努森方程的预测上限。这一特性使纳米液体蒸发在太阳能界面蒸发、电子散热及微流控等领域展现出重要应用价值。然而，现有研究多聚焦于单一微观效应的影响，对多种效应协同作用机制的认识仍显不足。为了准确地描述纳米尺度下液体的相变行为，本研究以液氩为对象，系统探讨了纳米尺度下液氩的势能与空化效应协同作用对液氩蒸发的影响机制。采用了分子动力学模拟研究在不同固液相互作用强度的纳米通道内液氩的蒸发，结果表明固液相互作用强度增大使液氩势能减小，蒸发能垒增大理论上抑制其蒸发。但由此所形成的毛细压力诱导液氩内部负压而形成的空化效应增大了液氩的蒸发面积，进而促进液氩的蒸发，并且还伴随着蒸发模式的转变。本研究表明，在εsl=0.5εll εsl=εll ε sl=2εllε sl=4εsl四种不同固液相互作用强度的通道中液氩的蒸发速率依次为： 3.95×10-14 kg/s、3.49×0-14 kg/s、3.02×0-14 kg/s以及2.44×0-14 kg/s ，可得出在中等固液相互作用强度εsl=εsl下二者达到最佳的协同效果，蒸发速率达到最大值。
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元素镁和铝是地壳中丰度较高且被广泛应用于工业工程中的金属材料，它们在高压下能以单质形式形成电子化合物，导致丰富多彩的晶体结构和电子性质。本研究使用第一性原理结构搜索方法系统地对0-500GP压力范围内镁铝合金的可能结构进行了探索，获得了8种可在不同压强范围下稳定存在的晶体结构和2种亚稳的富镁合金结构，其中6种稳定结构具有电子化合物特征。通过计算分析验证了电子化合物中间隙准原子对晶格振动特性的影响，同时在富镁合金结构中发现铝原子具有独特的-5e超高氧化价态，形成满壳层电子结构。本研究丰富了镁铝合金的高压相图，并为开发新型高压功能材料提供了理论参考。
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在量子资源理论中，系统中不可避免存在的噪声使得调控和转化量子资源变得困难.为了克服转化量子资源态时噪声的影响，高资源初态ρ到低资源目标态ρ'的转化往往考虑多份初始态到多份目标态的渐近转化.渐近转化率R(ρ→ρ')可以刻画这类转化过程中量子操作的能力，并且它被定义为目标态份数与初态份数的比值.一般地，要得到渐近转化率的确切值是困难的.在一般的多体量子资源理论中，我们研究了两部划分下渐近转化率的分布特征：当α≥ 1时Rα(ρ→ρ')服从单配性关系式，并且证明得到边际转化率和边际的催化转化率也都服从上述分布特征.这些关系式表明多体系统中量子资源的分布以及子系统间量子资源的配置是存在束缚的.
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甚低频声波因具有强的穿透性，其在海洋环境中的传播特性可受到海底深层地质结构的影响。在已开展的海洋试验中，垂直阵观测到水面航船的甚低频辐射噪声可激发高能量的深层海底声弹射路径，但其激发机理尚不明确，本文针对该现象开展理论基础研究。基于海底的沉积过程构建包含声速梯度的等效海底模型，并利用波数积分数值计算方法模拟声波跨海水-海底-海水的传播过程，深入探究深层海底结构对声传播的影响，进而揭示高能量海底声弹射现象的激发机理和相关特性规律。研究表明，受地质作用影响，海底沉积层中可产生一定的声速梯度，该梯度结构使得入射的甚低频声波在深层海底介质中传播时可发生“声翻转”效应，将大部分能量重新辐射回水声场，从而激发高能量海底声弹射路径。在该过程中，沉积层的厚度和声速结构共同作用影响表层和深层弹射路径的观测特征。本研究深化了深海甚低频声传播机理的认知，为利用海底弹射波进行甚低频目标的声探测应用提供理论支撑。
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为了优选等离激元太阳能分解水体系中金属和半导体的复合光电极, 本文采用非平衡分子动力学方法计算了等离激元金属Cu, Ag和Au与半导体TiO2, ZnO和MoS2的复合电极在不同温度下的界面热导, 并通过计算声子态密度和声子参与率研究了不同频率的声子与界面热导的关系. 结果表明, 随温度的增加, 不同复合电极的界面热导增加. 在相同的半导体TiO2上, Cu-TiO2和Ag-TiO2界面热导均高于Au-TiO2, Cu-TiO2复合电极的界面热导在800 K时可以达到973.56 MW·m–2·K–1. 对于等离激元金属Au, 相对MoS2和TiO2, 其与ZnO复合的界面导热更高; 而对于等离激元金属Cu, Cu-TiO2的界面热导高于预测的Cu-ZnO, 这取决于更多处于核心热输运频段的低频声子参与界面热输运.
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实现国家标准时间的自主可控在当前的国际形式下具有重要现实意义. 本文通过研究基于自研铯基准钟和国产光抽运守时小铯钟, 产生一个独立的、不依赖于外部参考的时间尺度. 具体做法是将铯基准钟作为频率参考, 用于预报光抽运守时小铯钟的频率漂移. 通过分析光抽运守时小铯钟的噪声特性, 建立了原子钟的状态方程, 基于Kalman滤波算法估计光抽运守时小铯钟的状态. 时间尺度的计算是基于原子钟的频率状态估计和频率漂移状态估计作为预报值, 通过权重算法实现. 研究了基于预测误差的权重算法和噪声特性的权重算法, 结果表明利用Kalman滤波状态估计的情况下, 基于预测误差的权重算法显著提升了独立时间尺度的准确度. 选用铯基准钟作为频率参考, 用于预报光抽运守时小铯钟的频率漂移, 计算得到的独立时间尺度的准确度和长期稳定度明显优于时间尺度本身作为频率参考的情况. 以国际标准时间UTCr为参考得出独立时间尺度的准确度保持在15 ns以内. 取样间隔为1 d的频率稳定度为1.57 × 10–14, 取样间隔为15 d的频率稳定度为4.29 × 10–15, 取样间隔为30 d的频率稳定度为2.87 × 10–15. 可满足当前国家用时需求.
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