物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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利用信息流方法优化多激发自旋链中的量子态传输
陈俊, 於亚飞, 张智明
物理学报. 2015, 64 (16): 160305
双量子点结构中Majorana费米子的噪声特性
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物理学报. 2015, 64 (16): 167302
流场环境下复杂囊泡的动力学行为
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物理学报. 2015, 64 (16): 168201
物理学报  
   物理学报--2015, 64 (16)   发布日期: 2015-08-20
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编者按:

        量子信息是量子科学与信息科学的交叉学科,主要包括量子计算和量子通信。1980年,费曼从模拟量子力学体系的需求,班尼奥夫从降低计算机热耗的要求出发,分别提出了量子计算机的概念。1984年,量子密钥分发由班内特和布拉萨德提出,利用量子性质可现场发现窃听行为,从而实现安全地的数据传输。1995年,舒尔提出了大数质因子分解的量子算法,格罗夫提出了无需数据库的量子搜索算法,充分显示了量子计算机的强大计算功能,取得了量子计算的重大突破,从此量子计算的研究走上了世界科研的前沿,成为国际上具有重大战略意义的研究领域。而量子通信则能够抵御量子攻击,随着量子计算机研究的发展,量子通信也迅速发展,量子秘密共享、量子安全直接通信等相继提出。如今量子通信已经接近实用。

        量子计量是继量子计算和量子通信后又一个量子信息的重要方向,利用量子性质可以大幅度地提高测量的精度,从而实现高精度的频率、时间和长度等的计量,而量子操控是量子计算和量子通信的核心操作。本刊组织的“量子精密计量与操控”专题,从电子自旋共振、核自旋共振操控,电场测量、纳米检测,以及多光子纠缠态制备、光子角动量态的制备与应用、压缩态产生与干涉、噪声下的量子网络等几个方面对近几年的创新性研究进行系统的介绍和综述,以期对相关研究领域的研究人员有所帮助。

                                                                                                                 (客座编辑:清华大学物理系 龙桂鲁;中国科学院国家授时中心   张首刚)

专题: 量子精密计量与操控

六光子超纠缠态制备方案
Generation of six-photon hyperentangled states

丁东, 何英秋, 闫凤利, 高亭
物理学报. 2015, 64 (16): 160301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160301
全文: [PDF 389 KB] 下载:(8526)
摘要
自发参量下转换对应于一种非线性光学过程, 实验上作为一种标准方法, 人们利用自发参量下转换源产生纠缠光子对. 本文考虑由自发参量下转换源产生三对纠缠光子的情况. 通过使用由几组偏振光 束分束器、分束器和半波片等线性光学器件组成的量子线路演化三对光子, 给出了一个高效制备 包含偏振纠缠和空间纠缠的六光子超纠缠态方案. 因为方案中包含了参量下转换源产生三对纠缠光子 的所有可能情况, 所以本方案有很高的效率. 基于弱非线性介质构建了一个量子非破坏性测量装置, 用于区分光子在两指定的空间模中的两种分布情况. 特别地, 方案中可以通过合理约束在量子非破坏性测量过程中引入的非线性强度来达到实际实验所限定的数量级, 因此, 该方案易于在实验上实现.

光子两自由度超并行量子计算与超纠缠态操控
Hyper-parallel photonic quantum computation and manipulation on hyperentangled states

任宝藏, 邓富国
物理学报. 2015, 64 (16): 160303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160303
全文: [PDF 605 KB] 下载:(526)
摘要
光子系统在量子信息处理和传输过程中有非常重要的应用. 譬如, 利用光子与原子(或人工原子)之间的相互作用, 可以完成信息的安全传输、存储和快速的并行计算处理等任务. 光子系统具有多个自由度, 如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等自由度. 光子系统的多个自由度可以同时应用于量子信息处理过程. 超并行量子计算利用光子系统多个自由度的光量子态同时进行量子并行计算, 使量子计算具有更强的并行性, 且需要的量子资源少, 更能抵抗光子数损耗等噪声的影响. 多个自由度同时存在纠缠的光子系统量子态称为超纠缠态, 它能够提高量子通信的容量与安全性, 辅助完成一些重要的量子通信任务. 在本综述中, 我们简要介绍了光子系统两自由度量子态在量子信息中的一些新应用, 包括超并行量子计算、超纠缠态分析、超纠缠浓缩和纯化三个部分.

平面自旋压缩态的产生与原子干涉的机理
Planar quantum squeezing and atom interferometry

黄馨瑶, 项玉, 孙风潇, 何琼毅, 龚旗煌
物理学报. 2015, 64 (16): 160304      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160304
全文: [PDF 455 KB] 下载:(329)
摘要
在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现自旋压缩和量子纠缠, 对于提高原子干涉测量相位灵敏度和原子钟精度有着非常重要的意义. 基于一种新的平面自旋分量的不确定性关系, 介绍了如何利用两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中原子间相互作用提供的非线性效应和原子内部能级间线性耦合, 实现量子平面自旋压缩(挤压)和模式纠缠. 描述了一项关于平面压缩态的理论工作, 该工作利用哈密顿量的精确对角化求解系统基态, 优化非线性作用和线性耦合强度比值, 使得包含平均自旋方向在内的两个正交自旋分量的不确定度同时压缩, 因此在平面上所有相位角度的涨落都受到压制, 而在与该平面垂直的第三个自旋分量方向反压缩. 利用传统自旋压缩判定纠缠, 只能判断多个不可分辨的原子处于纠缠态, 而平面自旋压缩可以检测两个可区分模式(比如, 原子内态)间的纠缠, 从而在不同模式间进行量子信息处理. 同时, 为实现超越标准量子极限的原子干涉相位精密测量, 传统方式是利用单个自旋分量压缩, 但需要对待测相位角度有很好的估计, 或者可以进行多次测量以逐渐逼近可获得的最大压缩极限, 这就要求量子态可以被精确的重复制备. 而利用平面自旋压缩, 对任意未知相位角度只需要测量两个垂直自旋分量就可以实现高的相位测量灵敏度.

噪声情况下的量子网络直接通信
Quantum network direct communication protocol over noisy channel

马鸿洋, 秦国卿, 范兴奎, 初鹏程
物理学报. 2015, 64 (16): 160306      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160306
全文: [PDF 378 KB] 下载:(402)
摘要
提出和研究了噪声情况下的量子网络直接通信. 通信过程中所有量子节点共享多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)量子纠缠态; 发送节点将手中共享的GHZ态的粒子作为控制比特、传输秘密信息的粒子作为目标比特, 应用控制非门(CNOT)操作; 每个接收节点将手中共享GHZ 态的粒子作为控制比特、接收到的秘密信息粒子作为目标比特, 再次应用CNOT门操作从而获得含误码的秘密信息. 每个接收节点从秘密信息中提取部分作为检测比特串, 并将剩余的秘密信息应用奇偶校验矩阵纠正其中存在的比特翻转错误, 所有接收节点获得纠正后的秘密信息. 对协议安全、吞吐效率、通信效率等进行了分析和讨论.

量子直接通信
Quantum secure direct communication

李熙涵
物理学报. 2015, 64 (16): 160307      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160307
全文: [PDF 511 KB] 下载:(602)
摘要
量子直接通信是量子通信中的一个重要分支, 它是一种不需要事先建立密钥而直接传输机密信息的新型通信模式. 本综述将介绍量子直接通信的基本原理, 回顾量子直接通信的发展历程, 从最早的高效量子直接通信协议、两步量子直接通信模型、量子一次一密直接通信模型等, 到抗噪声的量子直接通信模型以及基于单光子多自由度量子态及超纠缠态的量子直接通信模型, 最后介绍量子直接通信的研究现状并展望其发展未来.

时间频率基准装置的研制现状
Progress towards primary frequency standard

阮军, 王叶兵, 常宏, 姜海峰, 刘涛, 董瑞芳, 张首刚
物理学报. 2015, 64 (16): 160308      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160308
全文: [PDF 568 KB] 下载:(368)
摘要
时间频率基准装置——铯原子喷泉钟, 在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用. 介绍了铯原子喷泉钟的工作原理, 对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析, 影响频率稳定度性能的主要因素为Dick 效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声, 影响频率不确定性能主要频移项为: 黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移; 总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术; 介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.

基于里德堡原子的电场测量
Rydberg-atom-based electrometry

黄巍, 梁振涛, 杜炎雄, 颜辉, 朱诗亮
物理学报. 2015, 64 (16): 160702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160702
全文: [PDF 722 KB] 下载:(530)
摘要
里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和大的电偶极矩,对外部电磁场十分敏感,可以用来测量电场强度特别是微波电场的强度. 利用里德堡原子的量子干涉效应(电磁诱导透明和Autler-Townes效应)测量微波电场强度的灵敏度远高于传统采用偶极天线测量微波电场的灵敏度. 此外,里德堡原子电场计 可以溯源到标准物理量,不需要额外校准; 采用玻璃探头,对待测电场干扰少; 灵敏度也不依赖于探头的物理尺寸. 同时,该电场计还可以实现对微波电场的偏振方向的测量, 实现亚波长和近场区域电场成像与测量. 通过选择不同的里德堡能级,可以实现1-500 GHz超宽频段范围内微波电场强度的测量. 主要综述基于里德堡原子的电场精密测量研究, 详细介绍了里德堡原子电场计的原理与实验进展, 并简单讨论了其发展方向.

光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展
Research progress on preparation, manipulation, and remote sensing applications of high-order orbital angular momentum of photons

陈理想, 张远颖
物理学报. 2015, 64 (16): 164210      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164210
全文: [PDF 1094 KB] 下载:(744)
摘要
光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量(与光波的圆偏振相关), 还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的Hilbert空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自Allen等于1992年确认光子轨道角动量的物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.

腔光力学系统中的量子测量
Quantum measurement with cavity optomechanical systems

陈雪, 刘晓威, 张可烨, 袁春华, 张卫平
物理学报. 2015, 64 (16): 164211      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164211
全文: [PDF 412 KB] 下载:(587)
摘要
腔光力学系统近年来迅猛发展, 在精密测量、量子传感等方面已展现出重要的应用价值. 特别是与微纳技术和冷原子技术结合后, 这一系统正发展成为研究量子测量与量子操控的理想平台. 本文首先综述腔光力学在量子测量, 尤其是量子测量基础理论研究方面的进展; 然后分析腔光力学系统中的量子测量原理; 最后介绍我们近来在这方面的研究进展, 并通过我们设计的一系列新颖的基于腔光力学系统的量子测量方案来具体展示该系统在量子测量、量子操控等方面的潜在应用.

基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测
Nano-partical sensing based on Raman laser in the whispering gallery mode microresonators

王涛, 杨旭, 刘晓斐, 雷府川, 高铭, 胡蕴琪, 龙桂鲁
物理学报. 2015, 64 (16): 164212      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164212
全文: [PDF 644 KB] 下载:(509)
摘要

回音壁模式光学微腔由于其品质因子高、模式体积小等优点, 近年来在非标记性的纳米粒子探测方面得到了广泛的重视, 开展了大量的研究, 取得了重要的进展. 利用回音壁微腔的拉曼激光, 通过测量纳米粒子造成的模式劈裂的拍频, 可以实现不同环境下纳米粒子的实时探测. 与传统的稀土离子掺杂法不同, 这种方法采用腔的内禀增益, 不仅提高了应用回音壁模式微腔进行纳米粒子探测的极限, 而且避免了传统方法中稀土离子能级对泵浦光的限制, 拓展了应用范围. 这种方法还可以应用于其他材料的回音壁微腔, 如硅基微环腔等, 以及光子晶体结构、超材料等受损耗限制的系统中. 本文简单介绍了回音壁模式光学微腔进行纳米粒子探测的基本原理以及最新研究进展.

准一维半导体量子点中电偶极自旋共振的物理机理
The mechanisms of electric-dipole spin resonance in quasi-one-dimensional semiconductor quantum dot

李睿
物理学报. 2015, 64 (16): 167303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167303
全文: [PDF 391 KB] 下载:(339)
摘要
半导体量子点中的电子自旋具有较长相干时间以及可扩展性的特点, 在近十几年来引起了人们的广泛兴趣. 人们常常利用电子自旋共振技术来对单个自旋进行操纵. 这样不但需要一个静磁场来使电子产生赛曼劈裂, 同时还需要一个与之垂直的局域振荡磁场. 但是, 在实验上产生足够强且具有固定频率的局域磁场是比较困难的. 后来人们发现, 局域的振荡电场也可以操纵单个电子自旋, 也就是所谓的电偶极自旋共振. 众所周知, 自旋只有自旋磁矩, 不会与电场有任何直接的相互作用. 所以, 电偶极自旋共振的发生必须依赖于某些媒质. 这些媒质包括:量子点材料中的自旋轨道耦合作用, 量子点中的局域磁场梯度, 以及量子点中电子自旋与核自旋的超精细相互作用. 这些媒质能诱导出自旋与电场之间间接的相互作用, 从而外电场操纵单个电子自旋得以实现. 本文总结归纳了目前半导体量子点系统中发生电偶极自旋共振的三种主要物理机理.

核磁共振中的量子控制
Quantum control of nuclear magnetic resonance spin systems

李俊, 崔江煜, 杨晓东, 罗智煌, 潘健, 余琦, 李兆凯, 彭新华, 杜江峰
物理学报. 2015, 64 (16): 167601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167601
全文: [PDF 810 KB] 下载:(495)
摘要
近年来, 随着量子信息科学的发展, 对由量子力学原理描述的微观世界的主动调控已成为重要的前沿研究领域. 为构造实际的量子信息处理器, 一个关键的挑战是: 如何对处于噪声环境下的量子体系实现一系列高精度的任意操作, 以完成目标量子信息处理任务. 为此, 人们将经典系统控制论的思想方法延伸到量子体系的领域, 提出了大量的量子控制方法以及相关的数值技术(如量子优化控制、量子反馈控制等), 并取得了丰富的研究成果. 核磁共振自旋体系具备成熟的系统理论和操控技术, 为量子控制方法的实用性研究提供了优秀的实验测试平台. 因此, 基于核磁共振的量子控制成为量子控制领域的重要方向. 本文简要介绍了量子控制的基本概念和方法; 从系统控制论的角度对核磁共振自旋体系的基本原理和重要控制任务做了阐述; 介绍了近些年来在该领域发展的相关控制方法及其应用; 对基于核磁共振体系的量子控制的进一步的研究做了几点展望.
综述

工业中粉体颗粒的荷电机理及数值模拟方法
Particle charging mechanism and numerical methodology for industrial applications

危卫, 张力元, 顾兆林
物理学报. 2015, 64 (16): 168301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.168301
全文: [PDF 611 KB] 下载:(336)
摘要
工业过程中粉体颗粒不可避免地会相互摩擦碰撞而荷电. 荷电颗粒的存在可能会危害正常的工业生产过程, 也可能对工业过程起促进作用. 因此, 荷电粉体颗粒及其特性受到了广泛的关注, 但目前对粉体颗粒的荷电机理依然缺乏透彻的了解, 尤其是在气固两相流动中的粉体颗粒荷电现象. 事实上, 工业中存在的粉体颗粒的运动都受到流体的影响, 是典型的气固两相流系统, 流体对粉体颗粒的作用使粉体颗粒接触的荷电现象变得更为复杂, 因此从两相流动的观点来研究粉体颗粒荷电的物理本质就显得越来越重要. 本文介绍了工业过程中的几种不同类型的粉体颗粒荷电行为, 回顾了颗粒的荷电机理与描述颗粒荷电的数学模型. 对于工业过程中颗粒的荷电现象及颗粒在多相流体中的动力学行为, 介绍了研究颗粒受流体影响时荷电特性的数值模拟方法. 本文旨在对粉体颗粒的荷电机理、应用以及研究方法进行梳理与探讨, 为正确认识工业过程中粉体颗粒的荷电现象并加以控制利用提供理论借鉴.
总论

量子力学坐标-动量算符幂次排序互换的简捷公式与新推导方法
Operator-ordering identities for mutual transformation of power of coordinate-momentum operators obtained by a new concise method

范洪义, 楼森岳, 张鹏飞
物理学报. 2015, 64 (16): 160302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160302
全文: [PDF 254 KB] 下载:(356)
摘要
量子力学坐标-动量算符幂次排序的相互转换是一个基本的量子力学课题, 本文提出了一个十分简捷有效的方法处理此问题, 即利用双变量厄米特多项式的母函数性质及有序算符记号内的算符特点, 给出一系列关于坐标-动量算符幂次排序的恒等式, 它们具有广泛的应用.

利用信息流方法优化多激发自旋链中的量子态传输 Hot!
Optimizing quantum state transfer in multi-excitation spin chains via information flux

陈俊, 於亚飞, 张智明
物理学报. 2015, 64 (16): 160305      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160305
全文: [PDF 578 KB] 下载:(175)
摘要

研究了量子态在一条均匀耦合的反铁磁自旋链中传输时, 信道中自旋激发数变化对其传输性质的影响. 利用信息流方法分析输出端粒子的算符演化动力学, 获得了量子态传输的平均保真度与信道自旋初态之间的关系. 结果表明, 平均保真度的大小只依赖于信道中自旋激发数的奇偶性. 通过比较在奇偶激发信道中获得的最大平均保真度, 构建了优化信道来提升量子态在自旋链中的传输质量. 进一步分析了纠缠在激发信道中的传输情况, 发现纠缠的传输质量不仅和信道中自旋激发的具体个数有关, 还取决于激发自旋的初始排列. 特别地, 当信道中自旋无激发或全部激发时, 纠缠传输的大小和持续时间都优于其他的激发信道. 上述研究结果有助于在实际系统中搭建适合量子态和纠缠传输的量子信道.

基于数模混合的混沌映射实现
Chaotic map implementation based on digital-analog hybrid method

党小宇, 李洪涛, 袁泽世, 胡文
物理学报. 2015, 64 (16): 160501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160501
全文: [PDF 580 KB] 下载:(243)
摘要
混沌随机序列发生器在数字实现时面临有限字长效应, 无法严格保证伪随机序列的非周期性. 构建了一类包含最少模拟器件的新数模混合系统, 分析比较了此类系统的非线性动力学行为. 利用现场可编程逻辑门阵列和RC电路实现了混沌映射, 构造了稳定的高速随机序列发生器, 可产生100 Gbit/s以上速率的随机数. 研究表明, 数模混合系统的混沌性对元件参数变化不敏感, 数模实现验证了新系统的存在性和物理上的可实现性. 系统易于集成在数字加密、保密通信和雷达波形产生等应用系统中.

混沌信号的压缩感知去噪
Chaotic signal denoising in a compressed sensing perspective

李广明, 吕善翔
物理学报. 2015, 64 (16): 160502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160502
全文: [PDF 620 KB] 下载:(444)
摘要
对非线性时间序列进行噪声抑制是从中提取有效信息的前提. 混沌信号的去噪算法不仅要使滤波后的信号具有较高的信噪比, 也要具有较好的不确定性. 从压缩感知的角度出发,提出了一种新的噪声抑制方法. 该方法包括估计噪声方差, 以及依据动态的稀疏度将观测值往确定的过完备字典上投影. 仿真实验表明, 该方法比常用的小波阈值法和局部曲线拟合法具有更高的输出信噪比, 而原始信号的混沌特性也能得到较大程度的恢复.

最小可分辨气体浓度的等效测试评价方法
Equivalent-measurement evaluation method of minimum resolvable gas concentration

李家琨, 王霞, 金伟其, 张旭
物理学报. 2015, 64 (16): 160701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.160701
全文: [PDF 437 KB] 下载:(205)
摘要
最小可分辨气体浓度(MRGC)是最新提出的一种客观评价气体泄漏红外成像检测系统的性能参数, 但MRGC测试系统较为复杂. 本文首先推导建立了MRGC的数学模型, 然后在比较MRGC与常规热成像系统的最小可分辨温差(MRTD)性能参数模型原理以及测试方法的基础上, 依据最小可分辨辐射响应差相等的条件, 提出了一种气体泄漏红外成像检测系统的MRGC等效测试评价方法, 并对乙烯气体进行了MRGC的直接测量与等效测试结果的比较. 结果表明两者具有较好的一致性, 是一种可行的普适测试方法. 由于等效测试法只需常规MRTD 测试结果及气体红外光谱数据库, 方法简单可靠, 具有推广应用价值, 对气体泄漏红外成像检测系统的研发和应用具有重要的意义.
原子和分子物理学

49S里德堡态的射频双光子光谱
Two-photon radio frequency spectroscopy of 49S Rydberg state

李敬奎, 杨文广, 宋振飞, 张好, 张临杰, 赵建明, 贾锁堂
物理学报. 2015, 64 (16): 163201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.163201
全文: [PDF 365 KB] 下载:(295)
摘要
在室温铯原子蒸气池中, 由铯原子基态、激发态和里德堡态构建了阶梯型三能级系统, 研究了里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT). 在实现电磁感应透明的基础上, 利用16.9 GHz的射频电场耦合相邻的原子里德堡态, 实现49S1/2→47D3/2的双光子跃迁, 测量了里德堡原子的射频双光子光谱, 观察到了电磁感应透明光谱的分裂, 进一步研究了电场强度对射频双光子光谱的影响. 利用里德堡原子的EIT效应可实现对射频电场幅值和极化的精密测量, 具有潜在的应用前景.

量子计算正三角形腔内的氢负离子光剥离截面
Quantum calculations for photodetachment cross sections of H- in an equilateral triangle cavity

刘志刚, 刘伟龙, 赵海军
物理学报. 2015, 64 (16): 163202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.163202
全文: [PDF 350 KB] 下载:(138)
摘要
用传统量子力学方法研究了横截面为正三角形的腔内氢负离子光剥离, 得到了光剥离截面随能量变化的解析表达公式. 该公式还给出了剥离截面的阈值行为. 进一步研究发现, 当氢负离子处于正三角形一角附近时, 用量子力学方法得到的结果与氢负离子处于60°角域内时使用闭合轨道理论得到的结果一致.

氢团簇在飞秒强激光场中的动力学行为
Dynamic behavior of hydrogen clusters under intense femtosecond laser

张春艳, 刘显明
物理学报. 2015, 64 (16): 163601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.163601
全文: [PDF 1331 KB] 下载:(143)
摘要

利用分子动力学方法研究了氢团簇在飞秒强激光场中的动力学行为. 与库仑爆炸模型所预言的不同, 团簇的膨胀是各向异性的, 质子平均动能沿激光场极化方向上的分量要明显大于垂直于激光场极化方向上的分量. 讨论了团簇各向异性膨胀产生的原因, 分析了激光和团簇参数对各向异性程度的影响.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

一种采用互补结构的宽阻带共模缺陷地滤波器
A broad stopband common-mode suppression defected ground structure filter with complementary structure

曾志斌, 姚引娣, 庄奕琪
物理学报. 2015, 64 (16): 164101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164101
全文: [PDF 349 KB] 下载:(172)
摘要
为了抑制高速差分信号传输中的共模噪声, 提出了一种基于低成本FR4材料制作的互补型缺陷地结构(defected ground structure, DGS)共模阻带滤波器. 滤波器两边采用对称性酒杯形DGS结构, 中间采用对称伞形DGS结构. 由于这两种DGS 结构互补, 整个滤波器结构紧凑, 可以实现小面积设计目的; 另外, 由于三个DGS结构相邻较近, 相互之间存在互感, 可以通过改变相互之间的距离来调节相互之间的互感, 从而实现宽阻带滤波的目的. 仿真和测试结果表明, 该DGS滤波器的差模信号损耗小, 在抑制共模噪声20 dB条件下其阻带范围为4.8–11.4 GHz, 而且面积仅为10 mm×10 mm. 与周期性DGS结构相比, 本方法在相同共模噪声抑制深度下, 具有占用面积不到30%、阻带宽度增加约50%等优点.

基于十字形结构的相位梯度超表面设计与雷达散射截面缩减验证
Design and radar cross section reduction experimental verification of phase gradient meta-surface based on cruciform structure

吴晨骏, 程用志, 王文颖, 何博, 龚荣洲
物理学报. 2015, 64 (16): 164102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164102
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摘要
基于十字形结构设计了一种在雷达波低频段极化不敏感的相位梯度超表面, 并通过仿真和实验进行了验证. 不同金属十字周期结构单元复合, 在超表面上形成附加的平行波矢分量, 对反射波波前进行调控, 获得超表面后向雷达散射截面积(RCS)缩减. 在设计波段内, 超表面在法线方向的单站RCS缩减达18.19 dB, 偏离法线-30°–+30°范围的单站RCS 平均缩减达8 dB; 仿真与实验结果符合较好.

强流碳纳米管阴极快脉冲重频发射特性
Fast-pulse repetitive frequency emission characteristic of high current carbon nanotubes cathode

向飞, 吴平, 曾凡光, 王淦平, 李春霞, 鞠炳全
物理学报. 2015, 64 (16): 164103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164103
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摘要
在Cu基底上, 采用催化热解生长法制备了石墨化程度较高的碳纳米管阴极. 当电子束能量达到1 MeV、梯度约为60 kV/ns时, 发射束流强度达到15 kA, 相应密度约为1 kA/cm2, 束压、束流响应快, 波形间几无延时. 以50 Hz重复频率、约15 GW束功率强流发射时, 波形稳定, 随着频率增高, 稳定性降低. 发射炮次达1000后, 表面形貌保持完整、界面无脱附; 束压与束流基本满足空间电荷限制定律, 发射机理属闪络型等离子体发射, 等离子体速度约为3.9 cm/μs.

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能
Focusing performance of hard X-ray single Kinoform lens

陈直, 许良, 陈荣昌, 杜国浩, 邓彪, 谢红兰, 肖体乔
物理学报. 2015, 64 (16): 164104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164104
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摘要
Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.

二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计
Design of two-cascade optical antenna for indoor visible light communication

张逸伦, 蓝天, 高明光, 赵涛, 沈振民
物理学报. 2015, 64 (16): 164201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164201
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摘要
针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.

金属粒子阵列共振的偏振特性
Polarization characteristics of the lattice resonance of metal nanoparticle array

殷澄, 许田, 陈秉岩, 韩庆邦
物理学报. 2015, 64 (16): 164202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164202
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摘要
当金属纳米粒子形成规则分布且阵列周期与单粒子的共振波长近似匹配时, 会形成一种特殊的阵列共振, 这种共振比单粒子的局域表面等离子体共振具有更窄的共振线宽和更高的共振强度. 基于修正的长波近似方法, 讨论了矩形阵列的消光截面与阵列因子和单粒子的极化率之间的关系; 并详细研究了在不同偏振的入射光照射下, 阵列因子随着电偶极子方向的改变而产生的变化, 以及这一效应对阵列共振和消光截面所产生的影响. 结果表明, 大型的方阵是偏振无关的; 在矩形阵列中, 沿着阵列两个轴向的相邻粒子之间的耦合形成了阵列因子的两个极值, 并且分别对应了散射截面的最小值.

多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性
Multi-transverse-mode and wavelength split characteristics of vertical cavity surface emitting laser

关宝璐, 刘欣, 江孝伟, 刘储, 徐晨
物理学报. 2015, 64 (16): 164203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164203
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摘要
基于氧化限制型内腔接触垂直腔面发射激光器(VCSEL) 结构设计, 研究了VCSEL的多横模分布及其模式波长分裂特性与氧化孔径尺寸、形状的关系. 在实验基础上, 通过建立有效折射率模型, 并利用标量亥姆霍兹方程的迭代算法理论, 分别对椭圆形氧化孔径和圆形氧化孔径VCSEL的横向模式特性进行模拟研究, 计算得到不同形状孔径的多横模光场分布情况, 同时测量得到高阶横模多频输出光谱. 研究发现, 椭圆氧化孔形状不仅影响横模分布特性, 还会导致每个模式的波长产生分裂, 分裂值可达0.037 nm. 同时, 随着氧化孔径的增大, 波长分裂影响会逐渐减小, 直至趋近于圆形氧化孔径的分布特性. 研究结果为进一步实现氧化限制型VCSEL的多横模锁定提供了有益参考和借鉴.

国产光纤实现直接抽运全光纤化3000 W级激光输出
3000 W direct-pumping all-fiber laser based on domestically produced fiber

王雪娇, 肖起榕, 闫平, 陈霄, 李丹, 杜城, 莫琦, 衣永青, 潘蓉, 巩马理
物理学报. 2015, 64 (16): 164204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164204
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摘要
基于国产光纤构建了直接抽运全光纤化主控振荡器功率放大器结构光纤激光器, 放大级分别采用武汉烽火锐光科技有限公司和中国电子科技集团公司第四十六研究所提供的国产20/400 μm掺镱双包层光纤作为增益光纤, 通过全国产化放大级实现了3050和3092 W的1080 nm激光输出. 放大级提取效率分别为67.3%和68.2%, 光-光效率分别为63.0%和63.9%. 据可查询资料, 这是公开报道的直接抽运全光纤激光输出的最高水平, 同时由于采用了国产光纤作为放大级增益光纤, 表明国产光纤具备了3 kW级光纤激光器输出能力. 通过国产光纤横截端面以及光纤熔接显微镜图像实验分析知, 光纤制造工艺的不足是导致国产光纤激光器效率低的主要原因. 继续改进光纤工艺, 提升抽运功率, 优化光纤长度, 有望实现更高功率的全国产化光纤激光器输出.

Ba1-xB2-y-zO4SixAlyGaz晶体和频可调谐深紫外飞秒激光器
Tunable deep ultraviolet femtosecond sum frequency laser based on Ba1-xB2-y-zO4SixAlyGaz crystal

孟祥昊, 刘华刚, 黄见洪, 戴殊韬, 邓晶, 阮开明, 陈金明, 林文雄
物理学报. 2015, 64 (16): 164205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164205
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摘要
介绍了一种基于新型非线性晶体Ba1-xB2-y-zO4SixAlyGaz 的可调谐深紫外飞秒激光光源. 从理论上分析了基频光和倍频光在通过非线性晶体时所造成的空间走离和群速度失配, 为了补偿空间走离以及波长调谐过程中晶体折射造成的光束偏离现象, 将两块相同的倍频晶体成镜像放置来产生二次谐波. 并调节延迟线的长度来补偿基频光和倍频光之间的群速度失配, 从而提高和频转换效率. 然后通过和频方式进行三倍频和四倍频来突破晶体相位匹配条件的限制, 产生了波长低于200 nm的深紫外飞秒激光. 利用钛宝石激光器提供基频光光源, 最终在250–300 nm, 192.5–210 nm 范围内获得了高重频、可调谐超短脉冲紫外和深紫外激光. 并在基频光波长为800 nm时, 得到的二倍频、三倍频和四倍频的功率分别为1.28 W, 194 mW和5.8 mW, 相对于前一级的转换效率依次为46.14%, 15.16%和3%. 采用互相关法测量得到266.7 nm紫外激光的脉冲宽度约为640.4 fs.

双层金属纳米光栅的TE偏振光异常透射特性
Extraordinary optical transmission through bilayer metallic nano-grating for s-polarization light

褚金奎, 王倩怡, 王志文, 王立鼎
物理学报. 2015, 64 (16): 164206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164206
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摘要
根据在亚波长金属光栅表面添加电介质会引起TE偏振光的透射异常性, 应用严格耦合波理论和时域有限差分方法, 研究了双层金属纳米光栅在TE偏振光入射时产生的异常透射现象. 利用等效折射率方法建立了双层金属光栅的等效模型, 得到了TE偏振光透射率与聚合物的折射率、厚度以及金属层厚度的变化关系. 确认了结构中聚合物是透射异常出现的必要条件, TE偏振光以波导电磁模式在其中传播, 并认为类Fabry-Perot腔谐振是透射峰值产生的主要原因.

高稳定性、高质量脉冲压缩飞秒光纤激光系统研究
Femtosecond fiber laser for high-stability and high-quality pulse compression

连富强, 樊仲维, 白振岙, 刘一州, 林蔚然, 张晓雷, 赵天卓
物理学报. 2015, 64 (16): 164207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164207
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摘要
报道了一款用于眼科手术的高稳定性、高质量脉冲压缩飞秒光纤主振荡功率放大系统. 振荡器采用混合腔方式增加了光纤双折射, 改善了非线性偏振旋转锁模在低重复频率下无法自启动的缺点, 提高了飞秒光纤激光器自启动锁模的稳定性. 研究了脉冲预啁啾与飞秒脉冲压缩质量的关系, 通过实验证明了光纤放大器的入射脉冲保持负的预啁啾状态可以得到最好的脉冲压缩结果. 实验最终实现了满足自启动锁模条件的重复频率19.4 MHz、平均功率1.2 W、脉冲宽度183 fs的激光脉冲, 目前这台激光器是国内首台具有自主知识产权并应用于动物角膜实验的飞秒光纤激光器.

基于MgO:QPLN的多光参量振荡器电场调谐特性理论与实验研究
Electric field tuning characteristic of multiple optical parametric oscillator based on MgO:QPLN

于永吉, 陈薪羽, 成丽波, 王超, 吴春婷, 董渊, 李述涛, 金光勇
物理学报. 2015, 64 (16): 164208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164208
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摘要
报道了基于掺氧化镁准周期极化铌酸锂(MgO:QPLN)的多光参量振荡器电场调谐特性理论与实验研究. 通过对电场调谐能力与极化结构参数间关联性的理论分析, 确定了高正负晶畴比MgO:QPLN电场调谐的可行性, 并模拟得到跨周期参量光输出波长与加载电压的关系曲线. 实验中通过对MgO:QPLN有效的电场加载, 实现了3.84 μm波段参量光的电场调谐, 频谱调谐带宽约6 nm, 调谐速率接近1 nm/kV, 进一步结合温度调谐, 实现了参量光宽谱段高精度的连续调谐. 所获得实验结果与理论模拟结果基本符合, 电场调谐在精度控制、快速响应方面相比于传统温度调谐更具技术优势.

基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体二维观测方法
Two-dimensional observation of atmospheric trace gases based on the differential optical absorption spectroscopy technique

刘进, 邹莹, 司福祺, 周海金, 窦科, 王煜, 刘文清
物理学报. 2015, 64 (16): 164209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164209
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摘要
基于差分吸收光谱技术, 对大气痕量气体二维观测方法进行研究. 对常规多轴差分吸收光谱系统进行改进, 使望远镜可指向不同方位角, 获取测量点各方位角上的痕量气体信息, 从而更直观地了解测量点四周污染气体分布及其演变情况. 主要对NO2浓度分布进行了研究, 同时获取了不同方位角上的O4斜柱浓度; 采用辐射传输模型模拟计算O4斜柱浓度并与实测数据对比, 结果表明二者具有高度相关性, 验证了大气中O4分布的稳定性; 基于实测O4数据提取光路信息, 结合辐射传输模型对NO2和O4因廓线不同造成的散射路径差异进行修正, 将NO2斜柱浓度进一步转化为体积混合比, 获得了不同方位角上NO2 浓度分布图. 将计算结果与长光程差分吸收光谱技术数据进行对比, 结果表明二者具有较好的一致性.

声脉冲法空间电荷测量系统的研究
Measurement of space charges in air based on sound pulse method

刘康淋, 廖瑞金, 赵学童
物理学报. 2015, 64 (16): 164301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164301
全文: [PDF 960 KB] 下载:(157)
摘要
气体中空间电荷的分布与电晕放电的机理紧密相关, 获取电晕放电过程中空间电荷分布对深入研究电晕放电起始、自持过程有着重要作用, 但是如何准确获得电晕放电过程中的空间电荷分布一直是国际上尚未解决的难题. 本文基于声脉冲法提出一种电场信号解耦算法, 推导了空间电荷在声场中被调制产生的电场信号与声脉冲信号和空间电荷密度之间的数值关系, 讨论了不同测量情况下声发射系统的设计要求; 搭建了一套可用于实时测量针板电极电晕放电空间电荷分布的非接触式测量系统, 该系统主要包括声脉冲发生模块、空间电荷模块及电场信号解耦算法模块. 运用该系统实现了声脉冲激发作用下电场信号的测量, 通过提出的电场信号解耦算法得到了空间电荷密度, 对其测量结果与电晕电流法测量结果进行比较, 验证了电场信号解耦算法的有效性. 该算法可以应用于空间电荷一维、二维和三维测量系统中.

基于水声信道传播时延排序的分层空时信号检测
Ordered detection of layered space-time signals based on the propagation delays of underwater acoustic channels

张歆, 邢晓飞, 张小蓟, 周燕群, 赵顺德, 李俊威
物理学报. 2015, 64 (16): 164302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.164302
全文: [PDF 368 KB] 下载:(151)
摘要
基于分层空时编码的多输入多输出技术是一种极具潜力的高速水声通信技术, 但要实现这种潜力需要复杂的空时信号处理方法, 以抵消来自水声信道的多径干扰和异步到达干扰, 以及叠加在接收端的各层信号之间的干扰. 对低复杂度的空时信号处理方案进行了研究, 提出了一种基于子信道传播时延排序的有序连续干扰抵消信号检测算法, 利用子信道间的传播时延差, 实现可使差错概率最小的最佳检测排序; 给出了利用信道估计, 以极低的计算量确定排序的方法, 从而可以大幅降低信号检测的计算复杂度. 采用低复杂度的单载波频域均衡来抵消水声信道中的码间干扰和异步到达干扰. 仿真结果表明, 基于时延排序的信号处理算法可以获得检测性能的改善, 而且性能增益在高数据率时更加显著. 研究结果表明, 采用有效的信号处理方法可使水声信道中造成信号检测干扰的传播时延成为改善系统性能的有利因素.
气体、等离子体和放电物理

激光驱动磁重联过程中的喷流演化和电子能谱测量
Measurement of jet evolution and electron energy spectrum during the process of laser-driven magnetic reconnection

张凯, 仲佳勇, 裴晓星, 李玉同, 阪和洋一, 魏会冈, 袁大伟, 李芳, 韩波, 王琛, 贺昊, 尹传磊, 廖国前, 方远, 杨骕, 远晓辉, 梁贵云, 王菲鹿, 朱健强, 丁永坤, 张杰, 赵刚
物理学报. 2015, 64 (16): 165201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.165201
全文: [PDF 565 KB] 下载:(225)
摘要
利用神光Ⅱ激光器和日本大阪大学Gekko激光器构建了激光驱动等离子体磁重联过程. 在垂直于磁重联平面方向发现了高速喷流, 从不同观测方向实验证实了该喷流的存在并测量了喷流的流体力学演化过程, 对其中的电子能谱进行了诊断分析.

先进微波成像诊断技术中高通滤波板的优化设计
Optimization design of dichroic plate for the advanced technology in microwave imaging diagnostic

杨华斌, 仝丽, 朱逸伦
物理学报. 2015, 64 (16): 165202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.165202
全文: [PDF 431 KB] 下载:(199)
摘要
介绍了频率选择表面的理论模型和高通滤波板的模拟结果. 通过在高通滤波板中规律性地加入介质, 提高了高通滤波板高通上升沿的上升速度, 并在模拟中证明了其可行性. 论证了使用介质填充的方法可明显优化上升沿速度, 并拓展通带带宽, 拓展了高通滤波板的使用范围, 提高了工作性能. 为先进微波成像的高斯光束空间滤波提供了理想部件.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

液氘状态方程实验数据测量
Experimental measurement of liquid deuterium equation of state data

贾果, 黄秀光, 谢志勇, 叶君建, 方智恒, 舒桦, 孟祥富, 周华珍, 傅思祖
物理学报. 2015, 64 (16): 166401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.166401
全文: [PDF 517 KB] 下载:(218)
摘要
在神光Ⅱ高功率激光装置上建立了液氘状态方程实验研究系统, 在80 min内实现控温范围12–300 K可调、控温精度±0.03 K、机械震动 ≤20 μm的实验控制精度; 通过镀膜窗口质量筛选和靶体清洁工作解决了低温下窗口材料残余反射率高的难题, 获得了信噪比较好的实验图像; 利用神光II第九路输出3ω (351 nm)、3 ns、1000 J的能力, 采用阻抗匹配方法, 配合任意反射面速度干涉仪诊断系统, 在国内首次获得液氘在约60 GPa压力下的冲击绝热线实验数据, 数据与国外同压力区间数据符合较好, 为下阶段约100 GPa压力范围液氘状态方程的实验研究奠定了基础.

粉末状态对激光立体成形Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金晶化行为的影响
Influence of powdered state on crystallization during laser solid forming Zr55Cu30Al10Ni5 bulk metallic glasses

张媛媛, 林鑫, 杨海欧, 李加强, 任永明
物理学报. 2015, 64 (16): 166402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.166402
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摘要
基于金属熔体结构的遗传性, 激光熔池的快速熔凝导致粉末的晶化状态可能会对最终成形件的晶化产生重要影响, 理清其影响规律对于制备大块非晶合金具有重要意义. 本文选取等离子旋转电极法所制粉末和1000 K退火态粉末为沉积材料, 采用激光立体成形技术沉积Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金, 考察了粉末中已有晶化相对熔池及热影响区晶化行为的影响. 结果发现, 原始粉末组织由非晶相及粗大的Al5Ni3Zr2相组成; 当激光线能量较低时, 相应熔覆层的熔池和热影响区皆含有Al5Ni3Zr2相; 随着线能量的提高, 熔池中Al5Ni3Zr2相消失, 保持了非晶态, 但热影响区晶化加重, 并有大量Al5Ni3Zr2相析出; 当采用退火态粉末时, 即使线能量较小, 相应熔覆层仍主要由非晶构成, 几乎无Al5Ni3Zr2相析出. 这是由于原始粉末在退火时其微观结构发生重排, 与Al5Ni3Zr2相关的原子短程/中程有序结构减少, 导致已沉积层非晶区的热稳定性提高, 不利于Al5Ni3Zr2相析出. 可见, 提高线能量将会加剧非晶沉积体的晶化, 而粉末中的Al5Ni3Zr2团簇相状态对Zr55Cu30Al10Ni5合金沉积层的晶化有重要影响.

热迁移对Cu/Sn/Cu焊点液-固界面Cu6Sn5生长动力学的影响
Effect of thermomigration on the growth kinetics of Cu6Sn5 at liquid-solid interfaces in Cu/Sn/Cu solder joints

赵宁, 钟毅, 黄明亮, 马海涛, 刘小平
物理学报. 2015, 64 (16): 166601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.166601
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摘要
电子封装技术中, 微互连焊点在一定温度梯度下将发生金属原子的热迁移现象, 显著影响界面金属间化合物的生长和基体金属的溶解行为. 采用Cu/Sn/Cu焊点在250℃和280℃下进行等温时效和热台回流, 对比研究了热迁移对液-固界面Cu6Sn5生长动力学的影响. 等温时效条件下, 界面Cu6Sn5生长服从抛物线规律, 由体扩散控制. 温度梯度作用下, 焊点冷、热端界面Cu6Sn5表现出非对称性生长, 冷端界面Cu6Sn5生长受到促进并服从直线规律, 由反应控制, 而热端界面Cu6Sn5生长受到抑制并服从抛物线规律, 由晶界扩散控制. 热端Cu 基体溶解到液态Sn中的Cu原子在温度梯度作用下不断向冷端热迁移, 为冷端界面Cu6Sn5的快速生长提供Cu 原子通量. 计算获得250℃和280℃下Cu原子在液态Sn中的摩尔传递热Q*分别为14.11和14.44 kJ/mol, 热迁移驱动力FL分别为1.62×10-19和1.70×10-19 N.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

Cu掺杂ZnO稀磁半导体磁电性能影响的模拟计算
Effects of Cu doped ZnO diluted magnetic semiconductors on magnetic and electrical performance from simulation and calculation

侯清玉, 许镇潮, 乌云, 赵二俊
物理学报. 2015, 64 (16): 167201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167201
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摘要
在Cu重掺杂量摩尔数为0.02778–0.16667的范围内, 对ZnO掺杂体系磁电性能影响的第一性原理研究鲜见报道. 采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 用第一性原理计算了两种不同Cu单掺杂量Zn1-xCuxO (x=0.02778, 0.03125)超胞的能带结构分布和态密度分布. 结果表明, 掺杂体系是半金属化的稀磁半导体; Cu掺杂量越增加、相对自由空穴浓度越增加、空穴有效质量越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越增加. 此结果利用电离能和Bohr半径进一步获得了证明, 计算结果与实验结果相符合. 在限定的掺杂量0.02778–0.0625 的条件下, Cu单掺杂量越增加、掺杂体系的体积越减小、总能量越升高、稳定性越下降、形成能越升高、掺杂越难. 在相同掺杂量、不同有序占位Cu双掺ZnO体系的条件下, 双掺杂Cu-Cu间距越增加, 掺杂体系磁矩先增加后减小; 当沿偏a轴或b轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系会引起磁性猝灭; 当沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系居里温度能够达到室温以上的要求. 在限定的掺杂量0.0625–0.16667的条件下, 沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, Cu 双掺杂量越增加, 掺杂体系总磁矩先增加后减小. 计算结果与实验结果变化趋势相符合.

Au纳米颗粒和CdTe量子点复合体系发光增强和猝灭效应
Enhancement and quenching of photoluminescence from Au nanoparticles and CdTe quantum dot composite system

周小东, 张少锋, 周思华
物理学报. 2015, 64 (16): 167301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167301
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摘要
利用金属蒸发真空多弧离子源注入机, 将Au离子注入到高纯石英玻璃来制备镶嵌有Au 纳米颗粒的衬底材料, 随后将化学方法合成的CdTe量子点旋涂在玻璃衬底上制备了Au纳米颗粒和CdTe量子点复合体系. 通过对镶嵌有Au纳米颗粒的衬底进行热退火处理来控制Au纳米颗粒的生长和分布, 系统研究了Au纳米颗粒的局域表面等离子体共振对CdTe量子点光致发光性能的影响. 利用光学吸收谱、原子力显微镜、透射电子显微镜和光致发光谱对样品进行了表征和测试. 光致发光谱表明, Au纳米颗粒的局域表面等离子体对CdTe量子点的发光有增强效应也有猝灭效应. 深入分析了Au纳米颗粒和CdTe量子点之间的相互作用过程, 提出了关于Au-CdTe 纳米复合体系中CdTe 发光增强和猝灭的新机理. 该实验结果为利用金属纳米颗粒表面等离子体技术制备高发光性能的光电子器件提供了较好的参考.

双量子点结构中Majorana费米子的噪声特性 Hot!
Shot noise characteristics of Majorana fermions in transport through double quantum dots

周洋, 郭健宏
物理学报. 2015, 64 (16): 167302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167302
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摘要

Majorana费米子是其自身的反粒子, 在拓扑量子计算中有着重要的应用. 利用粒子数表象下的量子主方程方法, 研究双量子点与Majorana费米子混合结构的电子输运特性, 特别是散粒噪声. 有无Majorana费米子耦合的电流与散粒噪声存在明显差别: 有Majorana费米子耦合时稳态电流差呈反对称, 噪声谱呈现相干振荡并且低频噪声显著增强. 量子点与Majorana费米子对称弱耦合时, 零频噪声由"峰"变为"谷", 并且"边谷"展宽逐渐减小; 当对称强耦合时, 零频噪声的谷深增加, "边谷"向高频端移动. 改变系统与电极的耦合强度时, 零频噪声由谷变成峰. 因此, 稳态电流结合散粒噪声可以探测双量子点结构中Majorana费米子是否存在.

具有P型覆盖层新型超级结横向双扩散功率器件
New super junction lateral double-diffused metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with the P covered layer

李春来, 段宝兴, 马剑冲, 袁嵩, 杨银堂
物理学报. 2015, 64 (16): 167304      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167304
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摘要
为了设计功率集成电路所需要的低功耗横向双扩散金属氧化物半导体器件(lateral double-diffused MOSFET), 在已有的N型缓冲层超级结LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构基础上, 提出了一种具有P型覆盖层新型超级结LDMOS结构(P-covered-SJ-LDMOS). 这种结构不但能够消除传统的N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底产生的衬底辅助耗尽问题, 使得超级结层的N区和P区的电荷完全补偿, 而且还能利用覆盖层的电荷补偿作用, 提高N型缓冲层浓度, 从而降低了器件的比导通电阻. 利用三维仿真软件ISE分析表明, 在漂移区长度均为10 μm的情况下, P-covered-SJ-LDMOS的比导通电阻较一般SJ-LDMOS结构降低了59%左右, 较文献提出的N型缓冲层 SJ-LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构降低了43%左右.

超短沟道绝缘层上硅平面场效应晶体管中热载流子注入应力导致的退化对沟道长度的依赖性
Gate length dependence of hot carrier injection degradation in short channel silicon on insulator planar MOSFET

刘畅, 卢继武, 吴汪然, 唐晓雨, 张睿, 俞文杰, 王曦, 赵毅
物理学报. 2015, 64 (16): 167305      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167305
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摘要
随着场效应晶体管(MOSFET)器件尺寸的进一步缩小和器件新结构的引入, 学术界和工业界对器件中热载流子注入(hot carrier injections, HCI)所引起的可靠性问题日益关注. 本文研究了超短沟道长度(L=30–150 nm)绝缘层上硅(silicon on insulator, SOI)场效应晶体管在HCI应力下的电学性能退化机理. 研究结果表明, 在超短沟道情况下, HCI 应力导致的退化随着沟道长度变小而减轻. 通过研究不同栅长器件的恢复特性可以看出, 该现象是由于随着沟道长度的减小, HCI应力下偏压温度不稳定性效应所占比例变大而导致的. 此外, 本文关于SOI器件中HCI应力导致的退化和器件栅长关系的结果与最近报道的鳍式场效晶体管(FinFET)中的结果相反. 因此, 在超短沟道情况下, SOI平面MOSFET器件有可能具有比FinFET器件更好的HCI可靠性.

Co基金属纤维不对称巨磁阻抗效应
Asymmetric giant magnetoimpedance of Co-rich melt-extraction microwires

张树玲, 陈炜晔, 张勇
物理学报. 2015, 64 (16): 167501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167501
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摘要
以直径32 μm的熔体抽拉Co基非晶金属纤维为研究对象, 分析了该纤维不同激励条件下的巨磁阻抗(giant magneto impedance, GMI)效应. 实验结果表明: 这类纤维的GMI效应具有不对称性特点, 即 AGMI (asymmetric GMI)效应. 同时, 发现AGMI效应随激励条件不同而变化, 随交流频率或者激励幅值升高而逐渐增强; 当存在一定偏置电压时, AGMI效应大幅增强. 通过研究纤维的磁化过程, 分析了Co基金属纤维的AGMI效应. 由于Co基熔体抽拉纤维具有螺旋各向异性以及磁滞的存在使得GMI效应具有不对称性, 频率升高或者激励电流幅值增加有利于壳层畴环向磁化, AGMI增强. 当在纤维两端施加偏置电压时, 偏置电流诱发环向磁场增强了环向磁化, AGMI效应提高; 偏置电压较低时磁场响应灵敏度提高, 同时磁化翻转向高场移动, 阻抗线性变化对应的直流磁场区间增大. 这一方面拓宽了GMI传感器工作区间及灵敏度, 另一方面不利于获得更大的磁场响应灵敏度. 10 MHz (5 mA)激励时, 施加1 V强度的偏置电压后, 对应的磁场灵敏度从616 V/T 提高至5687 V/T; 偏置电压为2 V时, 灵敏度降低到4525 V/T. 因此, 可以通过适当提高环向磁场的方法获得大的磁场响应灵敏度及阻抗变化线性区域.

聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)纳米薄膜极化反转与疲劳特性
Study of ferroelectric switching and fatigue behaviors in poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) copolymer nano-films

杜晓莉, 张修丽, 刘宏波, 季鑫
物理学报. 2015, 64 (16): 167701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167701
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摘要
采用旋涂法制备了厚度为140 nm的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]纳米薄膜, 研究了不同退火温度以及环境相对湿度对薄膜的极化反转和疲劳性能的影响. 运用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪等测试技术对薄膜的微结构进行了表征. 实验结果表明, 通过不同温度的退火处理, P(VDF-TrFE)铁电薄膜的结晶度随着退火温度的升高而不断提高, 并且一定的温度范围内的退火处理可以提高薄膜的极化性能; 此外, P(VDF-TrFE) 铁电薄膜性能还表现出一定的环境湿度的敏感特性, 这与薄膜的物理性能和结构特点密切相关; P(VDF-TrFE)铁电薄膜在不同的环境湿度条件下 表现出较好的电学特性, 其漏电流均保持在10 -7A/cm2 的较低水平. 本工作揭示了再退火过程对薄膜的极化反转速度和疲劳恢复特性的影响, 并结合薄膜二次疲劳结果, 探讨了薄膜可逆的内部疲劳恢复特性机理.

基于溶液加工小分子材料发光层的有机-无机复合发光器件
Phosphorescent hybrid organic-inorganic light emitting devices with solution-processed small molecule emissive layers

范昌君, 王瑞雪, 刘振, 雷勇, 李国庆, 熊祖洪, 杨晓晖
物理学报. 2015, 64 (16): 167801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167801
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摘要
报道了基于溶液加工有机小分子材料发光层、聚乙烯亚胺电子注入层的有机-无机复合发光器件. 优化了空穴传输层和磷光染料的掺杂浓度, 得到最佳发光效率的器件. 蓝光、黄光和红光器件的最大外量子效率为17.3%, 10.7% 和7.3%. 在发光亮度为1000 cd/m2 时, 蓝光、黄光和红光器件的外量子效率分别为17.0%, 10.6% 和5.8%, 器件效率下降较小. 原因在于同时采用空穴传输型和电子传输型的小分子材料作为共同主体材料, 器件具有较宽的载流子复合区域, 降低了三线激发态-三线激发态湮灭和三线激发态-极化子相互作用对器件发光效率的影响. 白光器件在亮度为1000 cd/m2时, 发光效率和功率效率为31 cd/A和 14.8 lm/W. 器件的色度为(0.32, 0.42), 色度比较稳定, 随电流的变化微小. 器件的效率较以往报道的有机-无机复合发光器件有显著的提高, 主要归因于在聚乙烯亚胺上能够制备特性良好的小分子材料薄膜, 以及小分子主体材料拥有较高的三线态能量和平衡的载流子传输特性, 能够获得高效的磷光发射.

Ce3+掺杂SiO2-Al2O3-Gd2O3玻璃的闪烁性能
Scintillation properties of Ce3+ doped SiO2-Al2O3-Gd2O3 glass

刘力挽, 周秦岭, 邵冲云, 张瑜, 胡丽丽, 杨秋红, 陈丹平
物理学报. 2015, 64 (16): 167802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.167802
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摘要
通常, Ce离子掺杂的低密度玻璃有较高的发光效率, 而高密度的Ce离子掺杂玻璃其发光效率很低. 为了解释这一现象, 采用高温熔融法获得了SiO2-Al2O3-Gd2O3三元系统的玻璃形成区, 并在还原气氛下制备了Ce3+掺杂SiO2-Al2O3-Gd2O3以及SiO2-Al2O3-Gd2O3-Ln2O3 (Ln=Y, La, Lu)闪烁玻璃, 研究了其光谱和闪烁性能. 测试结果显示: 随着Gd2O3含量增加, 玻璃紫外截止波长发生红移, 荧光强度降低, 衰减时间缩短; 加入Lu2O3, La2O3, Y2O3后, 紫外截止波长发生红移, 荧光强度降低, 衰减时间变短; 当Gd2O3超过10% mol时, X射线荧光积分光产额从相当于锗酸铋 晶体的61%降低到13%. 荧光强度降低、衰减时间缩短的原因是随着玻璃的紫外截止波长红移玻璃的能带宽度变窄, 使得Ce3+离子的d电子轨道开始接近玻璃的导带, Ce3+离子受辐射后跃迁到d电子轨道的电子会通过导带与玻璃中的空穴复合, 产生电荷迁移猝灭效应.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

计入固液界面作用的润滑热力学模型与分析
Thermodynamic analysis of lubrication considering solid-liquid interface interaction

经昊达, 张向军, 田煜, 孟永钢
物理学报. 2015, 64 (16): 168101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.168101
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摘要
摩擦与润滑过程是典型的能量耗散过程, 在机理上与非平衡热力学中的熵增、耗散结构等理论颇有相似之处. 通过热力学分析可以对一些典型的摩擦磨损过程做出合理的机理揭示与推测. 本文利用热力学理论对典型的润滑过程进行了建模分析. 采用分离压模型表征和计入了微尺度下的固液界面作用, 揭示分析了润滑热力学模型与润滑状态Stribeck曲线的联系. 从分析计算结果来看, 润滑Stribeck曲线的摩擦系数最低点与系统热力学上的熵增率最低点具有相当好的对应关系, 而润滑状态从弹流润滑向薄膜润滑的转变过程, 可以用耗散结构理论加以机理解释. 文中的热力学模型和方法能够有效地体现出润滑过程中多物理要素跨尺度非线性耦合的作用, 对实际工程与实验有着重要的指导作用.

流场环境下复杂囊泡的动力学行为 Hot!
Dynamics of complex vesicles in shear flow

邓真渝, 章林溪
物理学报. 2015, 64 (16): 168201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.168201
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摘要

采用非平衡态分子动力学方法研究了二维复杂囊泡在剪切流中的动力学行为. 模拟发现了复杂囊泡经典的翻滚(tumbling)、摇摆(trembling)和坦克履(tank-treading)行为, 还观察到由坦克履行为向平动行为(translating)的转变. 囊泡的平动行为与剪切率大小、复杂囊泡的形状密切相关. 当大囊泡均匀嫁接较多数目的小囊泡后, 其平动方式消失. 该研究有益于加深对囊泡在剪切流场中复杂性行为的理解.

溶胶凝胶法制备以HfO2为绝缘层和ZITO为有源层的高迁移率薄膜晶体管
High mobility thin-film transistor with solution-processed hafnium-oxide dielectric and zinc-indium-tin-oxide semiconductor

朱乐永, 高娅娜, 张建华, 李喜峰
物理学报. 2015, 64 (16): 168501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.168501
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摘要
采用溶胶凝胶法制备了h-k氧化铪HfO2薄膜, 经500℃退火后, 获得了高透过率、表面光滑、低漏电流和相对高介电常数的HfO2薄膜. 并采用氧化铪作为绝缘层和锌铟锡氧化物作为有源层成功地制备了底栅顶接触结构薄膜晶体管器件. 获得的薄膜晶体管器件的饱和迁移率大于100 cm2·V-1·s-1, 阈值电压为-0.5 V, 开关比为5×106, 亚阈值摆幅为105 mV/decade. 表明采用溶胶凝胶制备的薄膜晶体管具备高的迁移率, 其迁移率接近低温多晶硅薄膜晶体管的迁移率.

血凝素蛋白及抗体相互作用的太赫兹光谱主成分分析
Principal component analysis of terahertz spectrum on hemagglutinin protein and its antibody

孙怡雯, 钟俊兰, 左剑, 张存林, 但果
物理学报. 2015, 64 (16): 168701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.168701
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摘要
采用太赫兹时域光谱系统, 测量了7种不同浓度的血凝素蛋白及其与特异性抗体、无关抗体对照组反应的透射光谱, 采用光谱预处理及主成分分析法, 对多个太赫兹光谱参数进行分析. 结果显示, 主成分分析在数据降维的同时, 可以突出数据的主要变化趋势; 在原始变量相关性一致的条件下, 约化吸收截面与血凝素蛋白浓度之间表现出最强的相关性, 而介电损耗角正切值更适合于对血凝素蛋白-抗体复合物的聚类效果进行定性分析. 该研究表明主成分分析法对于太赫兹生物光谱的分析及进一步研究蛋白质的结构和功能具有重要的指导意义.
地球物理学、天文学和天体物理学

中层大气静力稳定性减弱趋势——历史火箭探空数据分析
Decreasing trend of the middle atmospheric static stability in historical data from rocketsonde network

王丽吉, 陈泽宇, 凌超, 吕达仁
物理学报. 2015, 64 (16): 169201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.169201
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摘要
大气静力稳定性参数Brunt-Vaisala频率反映了以温度垂直梯度为代表的大气整体结构的特征. 全球增暖背景下, 学术界对中层大气静力稳定性的响应形式还相当缺乏了解. 利用历史火箭探空资料, 考察了1962–1991年期间从赤道到北半球中纬度地区中层大气静力稳定性(Brunt-Vaisala频率的平方, N2)的长期趋势. 结果表明, 对于选取的6个典型站点, 在平流 层上部到中间层中部区域(48–60 km), 所有站点大气静力稳定性一致呈现显著减弱的长期趋势. 48–60 km整层平均N2长期趋势统计结果表明, 在两个热带站点, N2长期趋势一致, 每十年减小0.11×10-4 s-2; 随着纬度增加, 在从22°N (Barking Sand 站)向38°N (Wallops Island 站)过渡的区间内, N2趋势从-0.16×10-4 s-2/decade增强到-0.22×10-4 s-2/decade.

地表反照光对天基空间目标的成像影响
Influence of earth's reflective radiation on space target for space based imaging

闫佩佩, 马彩文, 折文集
物理学报. 2015, 64 (16): 169501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.169501
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摘要
天基空间目标观测时, 在对空间目标的可见光特性提取的过程中, 随着其姿态的不断变化, 存在太阳光照射不到目标表面、或是在某一特定位置由于目标的强烈反射导致太阳光照度不均匀的情况. 针对这些问题, 分析了在可见光和近红外波段空间目标表面的光照特性, 提出了利用地表反照光作为天基空间目标成像辅助照明光源的思想, 给出了一种精确的建模方法. 基于漫反射模型建立了地表反照光在空间目标表面的照度计算方法, 借助satellite tool kit卫星工具软件获取太阳、目标的坐标, 省去了以往方法中烦琐的矩阵相乘和坐标转换过程; 对任意时刻的地表有效反照区域给出了判断, 引入对地球表面进行网格划分的方法, 对划分后的每一个面元均匀采样, 通过数值积分可计算出整个有效地表反照区域的地表反照辐射. 以某天基成像任务中的太阳同步轨道卫星为例, 就地表反照光对目标的光照情况进行仿真, 计算得出卫星在经过北极上空时可以利用地表反照光作为辅助光源这一重要结论. 仿真结果验证了建模方法的正确性.

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