物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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利用单分子光学探针测量幂律分布的聚合物动力学
李斌, 张国峰, 景明勇, 陈瑞云, 秦成兵, 高岩, 肖连团, 贾锁堂
物理学报. 2016, 65 (21): 218201
磁镊结合DNA发夹的方法在RecA蛋白介导的同源重组机制研究中的潜在应用
张宇微, 颜燕, 农大官, 徐春华, 李明
物理学报. 2016, 65 (21): 218702
磁热效应材料的研究进展
郑新奇, 沈俊, 胡凤霞, 孙继荣, 沈保根
物理学报. 2016, 65 (21): 217502
物理学报  
   物理学报--2016, 65 (21)   发布日期: 2016-11-05
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综述

磁热效应材料的研究进展 Hot!
Research progress in magnetocaloric effect materials

郑新奇, 沈俊, 胡凤霞, 孙继荣, 沈保根
物理学报. 2016, 65 (21): 217502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.217502
全文: [PDF 2076 KB] 下载:(1124)
摘要

磁制冷技术的发展取决于具有大磁热效应磁制冷材料的研发进展.经过长期的工作积累,特别是近20年来的努力,许多新型磁制冷材料的探索和研究极大地促进了磁制冷技术的进步.本文介绍了磁热效应的基本原理和磁制冷研究的发展历史,系统综述了低温区和室温区具有大磁热效应的磁制冷材料的研究进展,重点介绍了一些受到较为关注的磁热效应材料的最新研究成果.低温区磁制冷材料主要包括具有低温相变的二元稀土基金属间化合物(RGa,RNi,RZn,RSi,R3Co以及R12Co7)、稀土-过渡金属-主族金属三元化合物(RTSi,RTAl,RT2Si2RCo2B2RCo3B2)以及四元化合物RT2B2C等,其中R代表稀土元素,T代表过渡金属.这些材料一般都具有二级相变,具有良好的热、磁可逆性,也因其合金属性具有良好的导热性.室温区磁制冷材料主要包括Gd-Si-Ge,La-Fe-Si,MnAs基,Mn基Husler合金,Mn基反钙钛矿,Mn-Co-Ge,Fe-Rh以及钙钛矿氧化物等系列.这些材料一般都具有一级相变,多数在室温具有巨大的磁热效应而受到国内外的极大关注.其中,La-Fe-Si系列是国际上普遍认为具有重要应用前景的磁制冷工质之一,也是我国具有自主知识产权的材料.本文还对磁制冷材料的发展方向进行了展望.

总论

一种多用户上行放大转发中继系统中快速收敛的信道估计方法
A fast algorithm with convergence for channel estimation in multi-user uplink amplify-and-forward relay system

林和昀, 袁超伟, 杜建和
物理学报. 2016, 65 (21): 210201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210201
全文: [PDF 470 KB] 下载:(239)
摘要

针对传统交替最小二乘算法存在的收敛缓慢问题,本文在多用户上行放大转发中继系统中基于Levenberg Marquardt(LM)算法,提出了一种能够快速收敛的信道估计方法,实现了用户-中继信道和中继-基站信道的独立估计.在基站,通过对中继多次放大转发的信号进行建模,构造出具有平行因子结构的三维信号张量模型,并采用LM算法对该模型进行拟合,从而得到系统中两跳链路的信道状态信息.理论分析与仿真结果表明,与已有二线性交替最小二乘方法相比,所提方法具有近乎相同的估计精度;当中继放大因子矩阵为随机矩阵或者包含近似共线性相关列时,所提方法具有更快的收敛速度.

改进的自适应免疫优化算法用于Pd-Pt合金团簇结构快速优化
A modified adaptive immune optimization algorithm for geometrical optimization of Pd-Pt clusters

吴夏, 刘启满, 段仁燕, 魏征
物理学报. 2016, 65 (21): 210202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210202
全文: [PDF 704 KB] 下载:(209)
摘要

Pd-Pt合金团簇在催化、光学和磁学等基础科学及应用领域吸引了广泛的研究兴趣,优化不同元素序列组成的最稳定结构是探究其特殊性质的首要任务.本文结合了启发式优化算法的优点及动态建模的思想,提出了一种自适应免疫优化算法(AIOA)的改进算法,称之为AIOA-BDLS-ILS算法,用于合金团簇结构快速优化.运用该算法优化标准的二元Lennard-Jones模型团簇结构以测试算法效率,结果表明与BDLS-ILS算法相比该算法更为高效.优化34原子Pd-Pt团簇时发现了12个能量更低的结构.此外,50及79原子Pd-Pt团簇中,十面体及外层密堆积的十面体构型为主要构型,还存在双面心立方结构及少量的不完整二十面体结构.序列参数显示Pd-Pt团簇中Pd和Pt分层现象明显.

采用密度泛函理论与分子动力学对聚甲基丙烯酸甲酯双折射性的理论计算
Theoretical calculation of the birefringence of poly-methyl methacrylate by using the density functional theory and molecular dynamics method

鲁桃, 王瑾, 付旭, 徐彪, 叶飞宏, 冒进斌, 陆云清, 许吉
物理学报. 2016, 65 (21): 210301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210301
全文: [PDF 634 KB] 下载:(424)
摘要

双折射性是各种光学材料的重要性能之一,具有高双折射率的光学材料在诸多研究及工业领域的应用越来越广泛.然而,作为常用的光学薄膜及光波导材料之一的聚合物材料的双折射性通常却很弱,只能通过实验对其双折射率进行大致的表征,缺乏对其双折射率的系统性理论计算,从而限制了提高聚合物双折射性的研究.本文建立了从聚合物的单体分子结构到多分子链的系统性的双折射率理论计算方法,并借助此方法研究了导致聚合物弱双折射性的限制因素.以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为研究对象,运用密度泛函理论研究了其本征双折射率,这里的本征双折射率是指分子链完全取向时其单体单元的双折射率.计算结果表明其本征双折射率高达0.0738左右,并且通过计算给出了PMMA单体单元的平均双折射率色散曲线.采用分子动力学方法研究了该聚合物(包含20个分子链)的材料双折射率.理论计算结果表明,尽管该聚合物具有较大的本征双折射率,但是由于聚合物中分子链取向度极低,聚合物材料最终表现出来的双折射率只有0.00052.本文建立的研究方法及研究结果为研究增强聚合物材料双折射性提供了理论依据.

随机参激下Duffing-Rayleigh碰撞振动系统的P-分岔分析
P-bifurcations of a Duffing-Rayleigh vibroimpact system under stochastic parametric excitation

徐伟, 杨贵东, 岳晓乐
物理学报. 2016, 65 (21): 210501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210501
全文: [PDF 421 KB] 下载:(272)
摘要

基于等效非线性系统方法和突变理论,分析了随机参激下Duffing-Rayleigh碰撞振动系统的P-分岔.首先,借助非光滑变换和狄拉克函数将原碰撞振动系统转化为一个不含速度跳的新系统;接着,利用等效非线性系统方法得到了系统的稳态概率密度函数;然后,应用突变理论,得到了随机P-分岔发生的临界参数条件的解析表达式.最后,通过典型概率密度函数曲线和图像验证了结果的正确性.

具有时滞的抑制性自突触诱发的神经放电的加周期分岔
Period-adding bifurcation of neural firings induced by inhibitory autapses with time-delay

丁学利, 李玉叶
物理学报. 2016, 65 (21): 210502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210502
全文: [PDF 1307 KB] 下载:(251)
摘要

神经放电节律在神经系统功能实现中起着重要的作用.具有自突触(起始和结束于同一细胞的突触)的神经元普遍存在于神经系统,本文研究了单神经元模型在抑制性自突触作用下的放电节律.结果发现,随着时滞和/或耦合强度的增加,可以诱发Rulkov神经元模型放电节律的加周期分岔.随着放电节律的周期数的增加,平均放电频率增大,当时滞和/或耦合强度大于某一阈值时,频率大于没有自突触时的放电频率.用快慢变量分离方法可以获得没有自突触的神经放电节律的分岔结构,可用于认识外界负向脉冲诱发的新节律.这些新的节律模式与加周期分岔中的节律模式一致.研究结果不仅揭示了抑制性自突触可以诱发典型的非线性现象——加周期分岔,还给出了抑制性自突触可以提高放电频率的新现象,与以前的自突触压制放电的观点不同,进一步丰富了对抑制性自突触诱发的非线性现象的认识.

脉冲激光探测平面目标特性对测距分布的影响
Effect of plane target characteristics on ranging distribution for pulse laser detection

徐孝彬, 张合, 张祥金, 陈杉杉, 张伟
物理学报. 2016, 65 (21): 210601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210601
全文: [PDF 535 KB] 下载:(284)
摘要

针对脉冲激光近程探测系统平面目标特性影响测距分布的问题,推导了平面目标脉冲响应方程和脉冲激光回波方程,分析了不同平面目标倾斜角、激光发射发散角和激光发射脉宽对激光回波展宽的影响.基于脉冲激光回波方程和恒阈值时刻鉴别方法,推导了平面目标的测距概率密度函数解析式,并理论仿真分析了不同平面目标倾斜角、激光发射功率、激光发射发散角及阈噪比对测距统计特性分布的影响.运用蒙特卡罗算法进行全波形模拟测距实验;搭建脉冲激光测距实验环境,进行20 m测距实验.实验结果表明:理论仿真、蒙特卡罗模拟实验与实际实验的测距概率密度分布基本一致,随着平面目标倾斜角的增大,测距均值和测距方差增大;当倾斜角度为0°,20°,40°,60°时,回波信噪比高于阈噪比,测距分布呈现高斯分布;当倾斜角度为70°时,回波信噪比低于阈噪比,分布不再呈现高斯分布,呈现上升沿缓下降沿陡的分布特性.研究结果为研究目标平面特性对脉冲激光探测测距分布的影响提供了理论依据.

基于回溯筛选的稀疏重构时延估计算法
Sparse reconstruction time delay estimation algorithm based on backtracking filter

冷雪冬, 巴斌, 逯志宇, 王大鸣
物理学报. 2016, 65 (21): 210701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210701
全文: [PDF 528 KB] 下载:(264)
摘要

针对无线定位中时延估计在小样本(单快拍)、低信噪比条件下需要大量独立分布测量数据问题,提出了一种基于回溯筛选的稀疏重构时延估计算法,实现了单快拍、低信噪比条件下接收信号的精确时延估计.该算法首先建立接收信号的稀疏表示模型,然后基于该模型建立正交观测矩阵,最后在重构算法中引入回溯筛选思想,利用时延与观测矩阵之间的一一对应关系得到时延的无偏估计.对该模型下时延估计的克拉美罗界进行了推导.仿真分析表明,所提方法在单快拍、低信噪比条件下精度远高于求根多重信号分类算法,相比于正交匹配追踪算法,在较小的复杂度代价下性能得到了较大提升.

极化检测型铷原子磁力仪的研究
Research on an pump-probe rubidium magnetometer

汪之国, 罗晖, 樊振方, 谢元平
物理学报. 2016, 65 (21): 210702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.210702
全文: [PDF 620 KB] 下载:(308)
摘要

针对交变弱磁场的检测,研制了一种基于极化-检测双光束结构的激光抽运铷原子磁力仪.为了获得该磁力仪对磁场的响应特性,通过数值仿真分析了信号幅度随极化磁场强度、弛豫时间的变化关系,并进行了实验验证.最后通过选择合适的极化磁场使磁力仪对待测磁场的灵敏度最大.实验结果表明,优化后磁力仪灵敏度为0.2 m pT/√Hz,响应带宽3.5 kHz,可用于弱磁场磁共振、高频异常物理现象等信号的检测.

核物理学

铍反射层临界基准实验分析
Analysis of criticality benchmark experiments with beryllium reflectors

胡泽华, 尹延朋, 叶涛
物理学报. 2016, 65 (21): 212801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.212801
全文: [PDF 518 KB] 下载:(135)
摘要

作为重要的核材料,铍的中子核反应数据的可靠性对核工程有重要的意义.临界积分实验是检验核数据可靠性乃至指明核数据改进方向的基本手段.两个系列的铍金属反射层临界积分实验HMF058和HMF066,在铍的中子核数据检验中给出了明显矛盾的结论,使得这些积分实验无法评价核数据的品质,更不能指出明确的数据改进方向.本文提出利用相似性理论分析临界积分实验自洽性的方法,主要采用基于灵敏度系数的相似性指标,对两系列实验进行相似度分析.分析结果显示,对于两系列中高度相似的实验,积分量模拟结果与实验值的偏差存在显著的差异.数值模拟与理论分析都表明,无法通过改进核数据来同时改进HMF058和HMF066的模拟计算与实验的符合.据此,推论HMF058和(或)HMF066基准临界积分实验的测量或评价可能存在系统性的疏失,有必要对实验进行细致的再评价,或开展可靠的新积分实验以排除不可靠的实验,避免误导核数据的检验.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

阻抗劈绕射对破碎波后向散射特性的影响
Effects of impedance wedge diffraction on backscattering from breaking waves

张肖肖, 吴振森, 苏翔
物理学报. 2016, 65 (21): 214101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214101
全文: [PDF 536 KB] 下载:(156)
摘要

海浪的破碎区会导致海面电磁散射特性发生很大改变,导致海尖峰现象的产生.本文结合阻抗劈结构模型分析了劈绕射对破碎波后向散射特性的影响.首先利用基尔霍夫近似求解破碎波的物理光学场;基于Maliuzhinets方法,从波动方程及精确阻抗边界条件出发,由谱函数的积分形式得到阻抗劈的一致性绕射系数,结合物理光学绕射系数导出阻抗劈等效边缘电磁流;利用边缘绕射场修正物理光学场,得到考虑劈绕射效应的破碎波散射总场.数值结果表明,阻抗劈的绕射场在Keller锥内出现HH极化大于VV极化的现象,因此计入绕射场的影响会使得破碎波生长到临近坍塌阶段时,小擦地角逆风观测出现总场的后向散射截面HH极化大于VV极化的现象,说明劈绕射是造成海尖峰现象产生的原因之一.

在单零色散微结构光纤中一次抽运同时发生两组四波混频的实验观察
Experimental studies of two sets of four-wave mixing processes in a single-zero-dispersion microstructured fiber by the same pump

李建设, 李曙光, 赵原源, 刘强, 范振凯, 王光耀
物理学报. 2016, 65 (21): 214201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214201
全文: [PDF 498 KB] 下载:(134)
摘要

采用可以减小纤芯面积的小气孔设计方案巧妙设计并成功拉制了一根高非线性的单零色散微结构光纤.利用有限元法模拟并计算得到了该光纤的基模有效折射率、色散系数和非线性系数等基本属性随波长的变化关系,然后利用四波混频的有效相位失配方程模拟了其相位失配曲线.模拟表明,在该光纤中可以同时发生两组四波混频.在位于微结构光纤的正常色散区的0.800,0.810和0.820 μm三个波长处,分别采用不同的功率抽运,在实验上都非常明显地观察到了分列于抽运波长两侧的四个增益波带的产生.经与相位失配曲线比较,发现它们满足相位匹配条件,从而证明了两组四波混频过程的同时发生.实验结果与理论预言符合得很好.发生在正常色散区的四波混频效应的产生可归结于负的四阶色散对相位匹配过程的贡献.本文研究可对微结构光纤的结构设计和基于四波混频的多波长转移技术的发展提供经验与借鉴,同时也对非常见波段激光器和宽带光源的开发具有参考意义.

非均匀拉盖尔-高斯关联光束及其传输特性
Nonuniform Laguerre-Gaussian correlated beam and its propagation properties

余佳益, 陈亚红, 蔡阳健
物理学报. 2016, 65 (21): 214202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214202
全文: [PDF 803 KB] 下载:(240)
摘要

提出了一种新型特殊关联部分相干光束即非均匀拉盖尔-高斯关联光束,其在x和y方向上的关联结构函数分别为非均匀关联和拉盖尔-高斯关联函数.基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了这种光束交叉谱密度函数在自由空间以及大气湍流中的传输式,并计算了该光束经过自由空间和湍流大气传输的光强分布和关联结构函数分布演化特性.研究发现,该光束光强分布在传输过程中展现出自聚焦、自偏移和自分裂等奇异特性,同时发现控制关联结构函数参数可以有效地降低湍流大气的影响.关联结构调控为操控光束传输行为提供了一种新颖而有效的手段,在大气激光通信、微粒操控等领域具有重要的应用前景.

基于gyrator变换和矢量分解的非对称图像加密方法
Asymmetric image encryption method based on gyrator transform and vector operation

姚丽莉, 袁操今, 强俊杰, 冯少彤, 聂守平
物理学报. 2016, 65 (21): 214203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214203
全文: [PDF 1048 KB] 下载:(167)
摘要

本文结合矢量分解和gyrator变换的数学实现得到了一种新的非对称图像加密算法,它将待加密图像先通过矢量分解加密到两块纯相位板中,然后利用从gyrator变换的数学实现中推导出来的加密算法加密其中一块相位板,获得最终的实值密文.另一块相位板作为解密密钥.算法的解密密钥不同于加密密钥,实现了非对称加密,加密过程中产生的两个私钥增大了算法的安全性.数值模拟结果验证了该算法的可行性和有效性.

回音壁微腔光力系统的相干控制与完全相干透射
Coherent control of whispering-gallery-mode optomechanical microresonators and perfect transparency

陆赫林, 杜春光
物理学报. 2016, 65 (21): 214204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214204
全文: [PDF 857 KB] 下载:(211)
摘要

本文研究了两侧同时输入的回音壁模谐振双微腔光力系统中电磁诱导透明的相干调控.通过改变双微腔两侧探测场的强度比值及相位差,可以有效控制电磁诱导透明窗口的宽度和深度,对探测场的吸收和色散等性质实施显著的影响,并且能够在特殊频率处产生关于探测场的完全相干透射现象.

ArF准分子激光系统的能量效率特性
Energy efficiency analysis of ArF excimer laser system

王倩, 赵江山, 罗时文, 左都罗, 周翊
物理学报. 2016, 65 (21): 214205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214205
全文: [PDF 421 KB] 下载:(102)
摘要

为深入理解ArF准分子激光系统的运转机制,进而获得优化ArF准分子激光系统设计的理论及方向性指导,利用一维流体模型,以气体高压放电等离子体深紫外激光辐射过程为主要对象,研究了放电抽运ArF准分子激光系统的动力学特性,梳理了ArF准分子激光系统的能量传递过程,深入研究了等离子体放电机理,从能量沉积效率、ArF*粒子形成过程、激光输出三个方面,分析了动力学过程中影响能量效率的主要因素,提出了相应的改进优化措施.仿真结果表明,氟气及相关粒子在系统运转过程中有重要作用,工作气体中氟气的组分比例对能量效率影响较大,偏离最佳点会导致激光系统能量效率的下降.相关结论为ArF准分子激光系统的优化设计和稳定可靠运转提供了重要的理论参考依据.

1550 nm-VCSELs在偏振保持光反馈和正交光注入下的偏振转换特性
Polarization switching characteristics of polarization maintaining optical feedback and orthogonal optical injection of 1550 nm-VCSEL

张晓旭, 张胜海, 吴天安, 孙巍阳
物理学报. 2016, 65 (21): 214206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214206
全文: [PDF 379 KB] 下载:(148)
摘要

基于自旋反转模型,研究了1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)在偏振保持光反馈和正交光注入下的偏振转换特性.结果表明:正交光注入下的从激光器会随着注入强度的增加产生偏振转换.在归一化注入电流较小时,改变反馈强度,会使从激光器发生偏振转换的注入强度出现规律不同的变化;改变频率失谐,会使从激光器发生偏振转换的注入强度出现规律相同的变化.

利用啁啾脉冲光谱滤波和非线性偏振旋转技术实现高稳定性和开机自启动的全光纤掺Yb3+光纤锁模激光器
Highly stable and self-started all-fiber Yb3+ doped fiber laser mode-locked by chirped pulse spectral filtering and nonlinear polarization evolution

张攀政, 汪小超, 李菁辉, 冯滔, 张志祥, 范薇, 周申蕾, 马伟新, 朱俭, 林尊琪
物理学报. 2016, 65 (21): 214207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214207
全文: [PDF 982 KB] 下载:(220)
摘要

建立理论模型,讨论了非线性偏振旋转全光纤锁模激光器的锁模过程、谐波过程以及导致激光器锁模运行难以稳定的影响因素.讨论了采用啁啾脉冲光谱滤波产生脉冲自振幅调制、增加激光器锁模稳定性和自启动能力的机理以及非线性偏振旋转与啁啾脉冲光谱滤波相结合实现锁模的物理过程和脉冲演化过程.研制出全光纤结构的超短脉冲掺Yb3+光纤环形激光器,采用非线性偏振旋转和啁啾脉冲光谱滤波相结合的锁模技术,实现了激光器锁模的开机自启动和高稳定运行.对激光器进行了长期运行稳定性、锁模开机自启动能力、锁模输出参数可重复性监测.锁模脉冲中心波长1052.9 nm,谱宽9.1 nm,脉冲能量4.25 nJ,脉冲宽度17.8 ps.运行期间,各参数波动均小于0.3%.开机自启动能力和可重复性测试显示,激光器可实现一键自启动,启动后各参数可重复精度在0.55%以内.

双Pearcey光束的构建及数学机理研究
Construction of Bi-Pearcey beams and their mathematical mechanism

任志君, 李晓东, 金洪震, 施逸乐, 杨照清
物理学报. 2016, 65 (21): 214208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214208
全文: [PDF 378 KB] 下载:(144)
摘要

通过推导椭圆线的菲涅耳衍射分布,得到了形如Pearcey函数的数学表达式.通过数值模拟和实验产生,发现椭圆光环经菲涅耳衍射后形成的Pearcey光束外形上很像两个经典Pearcey光束面对面组合而成,我们把它命名为双Pearcey光束,这是形式不变Pearcey光束家族的新成员.随后,利用数学突变理论,给出了双Pearcey光束所具有的光学拓扑结构的数学机理和相应表达式.

单片集成放大反馈激光器的脉冲包络动力学实验研究
Experimental investigations on the dynamical characteristics of pulse packages in a monolithically integrated amplified feedback laser

陈熙, 赵玲娟, 陈建军, 王会苹, 吴正茂, 陆丹, 夏光琼
物理学报. 2016, 65 (21): 214209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214209
全文: [PDF 505 KB] 下载:(139)
摘要

实验研究了由分布反馈激光器区(DFB区)、相位控制区(P区)以及放大反馈区(A区)所构成的三段式单片集成放大反馈激光器(AFL)所产生的脉冲包络(PPs)的动力学特征,并分析了P区电流IP和A区电流IA对PPs的重复频率νPP以及包络规则性的影响.研究结果表明:DFB区电流IDFB相对较大时,AFL存在两个模式,此时通过选取合适的IP和IA可使AFL工作在PPs动力学状态;对于一给定的IP,IA在两个分离区域内可使AFL呈现PPs状态.随着IA的增加,在IA相对较小的区域,AFL输出PPs的重复频率νPP以及表征PPs规则性的时间序列自相关函数的次最大值σ均呈现单调下降趋势.而在IA相对较大的区域,νPP呈现出先减小然后小幅波动的变化趋势,而σ则总体呈现先增加后减小的趋势;对于一给定的IA,IP的变化也会对AFL输出PPs的特性产生显著影响,在AFL呈现PPs状态所要求的IP的变化范围内,随着IP的增加,νPP呈现出先减小后增大而σ则呈现先增加后减小的变化趋势.通过观测IA,IP连续变化时AFL的动力学特性,确定了AFL呈现PPs在IA和IP构成的参量空间的分布图谱.

表面粗糙度对固体内部超声背散射的影响
Effects of surface roughness on diffuse ultrasonic backscatter in the solids

宋永锋, 李雄兵, 史亦韦, 倪培君
物理学报. 2016, 65 (21): 214301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214301
全文: [PDF 920 KB] 下载:(154)
摘要

超声背散射法可通过多晶体金属内部的空间方差信号,实现微观结构参数的无损评价,但表面粗糙度对评价模型的精度及实用性存在显著影响.基于高斯声束理论推导垂直入射粗糙界面的纵波声场,以此研究声能的Wigner分布规律;在超声的波长远大于粗糙度的前提下,构造表面粗糙度修正系数,并建立粗糙界面的单次散射响应模型,揭示粗糙度对超声波背向散射的影响规律.用304不锈钢制备轮廓均方根值为0.159 μm的光滑试块和25.722 μm的粗糙试块开展超声背散射实验,结果表明模型在粗糙度修正前后均可实现光滑试块的晶粒尺寸有效评价,但未经修正的传统模型对粗糙试块的晶粒尺寸评价结果与金相法结果的相对误差高达-21.35%,而本模型的评价结果与金相法结果符合得很好,相对误差仅为1.35%.可见,本模型能有效补偿粗糙度引起的超声背散射信号衰减,从而提高晶粒尺寸无损评价的精度.

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法
A source range and depth estimation method based on modal dedispersion transform

郭晓乐, 杨坤德, 马远良, 杨秋龙
物理学报. 2016, 65 (21): 214302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214302
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摘要

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.

Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动中对流斑图的分区和成长
Partition and growth of convection patterns in Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow

宁利中, 胡彪, 宁碧波, 田伟利
物理学报. 2016, 65 (21): 214401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214401
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摘要

采用SIMPLE算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟,研究了Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动中对流斑图的分区、成长及水平流动对不同斑图特征物理量的影响.结果表明,上下临界雷诺数ReuRel将流动分成三个区域,即行波区、局部行波区、水平流区.ReuRel随着相对瑞利数r的增大而增大.在对流斑图的成长阶段,三种斑图随时间的成长过程是不同的,但对流圈都是从下游区开始成长;特征物理量随着时间的变化也是不同的,行波对流和局部行波对流的最大垂直流速wmax和努塞尔数Nu经过指数增长阶段后进入周期变化的稳定阶段;水平流斑图的wmaxNu经过缓慢增长后又缓慢降到稳定值.三种斑图的wmaxNu随雷诺数Re增大而减小,不同斑图区域有不同的变化规律.本文给出了ReuRelr的变化关系式及不同斑图的wmaxNu随着Re的变化关系式.

稠密颗粒射流撞击壁面颗粒膜表面波纹特征
Characteristics of surface waves on the granular sheet of dense granular jet impingement

钱文伟, 李伟锋, 施浙杭, 刘海峰, 王辅臣
物理学报. 2016, 65 (21): 214501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214501
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摘要

采用高速摄像仪对稠密颗粒射流撞击有限尺寸壁面的流动过程进行了实验研究,重点研究了颗粒膜及其表面波纹特征,考察了颗粒粒径、射流速度和固含率等因素对颗粒膜形态和表面波纹的影响.研究结果表明,随着颗粒粒径增大,稠密颗粒撞壁流由颗粒膜向散射模式转变.与液体射流撞壁液膜相比,颗粒膜扩展角较大,射流速度对其影响不显著.稠密颗粒射流撞壁颗粒膜表面波纹存在明显的叠加现象,颗粒膜表面波纹频率比液膜大约低一个数量级.颗粒膜表面波纹主要由射流脉动引起,表面波纹频率与射流脉动频率具有相同的数量级.

高超临界雷诺数区间内二维圆柱绕流的实测研究
Field measurements on flow past a circular cylinder in transcritical Reynolds number regime

程霄翔, 赵林, 葛耀君
物理学报. 2016, 65 (21): 214701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.214701
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摘要

实测强风工况下高度167 m的徐州彭城电厂冷却塔的表面风荷载,并归纳历史上其他研究人员给出的实测结果,以丰富高超临界雷诺数(Re)区间二维圆柱绕流的试验成果.在低湍流度均匀流场和高湍流度大气边界层流场中分别开展4种风速8类粗糙度条件下的冷却塔刚性模型测压风洞试验,通过对比低雷诺数(Re=2.1×105–4.19×105)条件下的风洞试验结果和高雷诺数(Re=5.4×107–1×108)条件下的现场实测结果研究各种静动态绕流特征随雷诺数的变化规律,重点考察雷诺数无关现象的产生条件.研究结果表明,对于物表相对粗糙度在0.01以上的圆柱绕流,雷诺数不相关现象存在于很宽的雷诺数范围(2×105<Re<1×108)内;增大来流湍流度亦能引起的雷诺数无关现象,但此时该现象可能仅存在于一个较窄的低雷诺数范围内.

凝聚物质: 结构、力学和热学性质

Au(111)表面甲基联二苯丙硫醇盐单层膜的原子结构
Structure of BP3S monolayer on Au(111)

李白, 吴太权, 汪辰超, 江影
物理学报. 2016, 65 (21): 216301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.216301
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摘要

利用第一性原理研究了甲基联二苯丙硫醇盐(BP3S)单体、虚拟Au表面BP3S的分子链和单层膜及BP3S/Au(111)吸附系统的原子结构.计算表明BP3S单体呈对称结构,两苯环夹角为35°±10°.首先BP3S单体在虚拟Au(111)表面自组装成稳定的单一分子链.然后在虚拟Au(111)表面,分子链错位排列自组装成两种稳定的单层膜.在虚拟Au(111)-(√3×√7)和Au(111)-(√3×√13)表面,分子链与虚拟表面夹角分别为60°和30°.最后把两种稳定的单层膜吸附在Au(111)表面的四个吸附位,计算表明只有桥位和顶位稳定,且桥位的吸附能比顶位的吸附能低.比较吸附前后BP3S单层膜的结构变化,可知其变化不大,这说明吸附系统的结构参数主要取决于单层膜内的相互作用,衬底对其的影响不大.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

单层SbAs和BiSb的表面修饰调控
Effects of surface regulation on monolayers SbAs and BiSb

袁俊辉, 谢晴兴, 余念念, 王嘉赋
物理学报. 2016, 65 (21): 217101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.217101
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摘要

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了V族二维层状材料SbAs和BiSb在全氢化和全氟化后体系的晶体结构、稳定性和电子结构.计算结果表明,全氢化后SbAs和BiSb由buckled结构转变为准平面结构,而全氟化后则转变为low-buckled结构.同时,本征、全氢化和全氟化的SbAs和BiSb均具有很好的稳定性,具备实验合成的可能性.电子结构的分析表明,全氢化和全氟化后SbAs和BiSb均由宽带隙半导体转变为窄带隙的直隙半导体,且其能带结构仍具有很好的线性色散.通过对准平面和low-buckled结构SbAs和BiSb电子结构的进一步分析,揭示了全氢化和全氟化后体系能带变化的原因.在h-BN衬底上的计算结果显示,由于两者间的弱耦合作用,使得全氢化和全氟化SbAs的直隙半导体特征得以保留,表明其在未来光电子设备等领域中具有广泛的应用前景.

具有条纹磁畴结构的NiFe薄膜的制备与磁各向异性研究
Preparation and magnetic anisotropy of NiFe film with stripe domains

李金财, 詹清峰, 潘民杰, 刘鲁萍, 杨华礼, 谢亚丽, 谢淑红, 李润伟
物理学报. 2016, 65 (21): 217501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.217501
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摘要

具有条纹磁畴结构的磁性薄膜表现出面内转动磁各向异性,对于解决高频电子器件的方向性问题起着至关重要的作用.本文采用射频磁控溅射的方法,研究了NiFe薄膜的厚度、溅射功率密度、溅射气压等制备工艺参数对条纹磁畴结构、面内静态磁各向异性、面内转动磁各向异性、垂直磁各向异性的影响规律.研究发现,在功率密度15.6 W/cm2与溅射气压2 mTorr(1 Torr=1.33322×102 Pa)下生长的NiFe薄膜,表现出条纹磁畴的临界厚度在250 nm到300 nm之间.厚度为300 nm的薄膜比250 nm薄膜的垂直磁各向异性场增大近一倍,从而磁矩偏离膜面形成条纹磁畴结构,并表现出面内转动磁各向异性.高溅射功率密度可以降低薄膜出现条纹磁畴的临界厚度.在相同功率密度15.6 W/cm2下生长300 nm的NiFe薄膜,随着溅射气压由2 mTorr增大到9 mTorr,NiFe薄膜的垂直磁各向异性场逐渐由1247.8 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)增大到3248.0 Oe,面内转动磁各向异性场由72.5 Oe增大到141.9 Oe,条纹磁畴周期从0.53 μm单调减小到0.24 μm.NiFe薄膜的断面结构表明柱状晶的形成是表现出条纹磁畴结构的本质原因,高功率密度下低溅射气压有利于柱状晶结构的形成,表现出规整的条纹磁畴结构,高溅射气压会导致柱状晶纤细化,面内转动磁各向异性与面外垂直磁各向异性增强,条纹磁畴结构变得混乱.

磁涡旋极性翻转的局域能量
Local energy of magnetic vortex core reversal

吕刚, 曹学成, 张红, 秦羽丰, 王林辉, 厉桂华, 高峰, 孙丰伟
物理学报. 2016, 65 (21): 217503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.217503
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摘要

针对坡莫合金纳米圆盘中的单个磁涡旋结构,采用微磁学模拟研究了磁涡旋极性翻转过程中的局域能量密度.磁涡旋的极性翻转通过与初始涡旋极性相反的涡旋与反涡旋对的生成,以及随后发生的反涡旋与初始涡旋的湮没来实现.模拟结果显示当纳米圆盘样品中局域能量密度的最大值达到一临界值时,磁涡旋将会实现极性翻转,其中交换能起主导作用.基于涡旋极性翻转过程中出现的三涡旋态结构,应用刚性磁涡旋模型对局域交换能量密度进行了理论分析.通过刚性磁涡旋模型得到的磁涡旋极性翻转所需的局域交换能量密度的临界值与模拟结果符合得较好.

金纳米棒三聚体中的等离激元诱导透明
Plasmon induced transparency in the trimer of gold nanorods

马平平, 张杰, 刘焕焕, 张静, 徐永刚, 王江, 张梦桥, 李永放
物理学报. 2016, 65 (21): 217801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.217801
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摘要

基于金纳米棒构成的三聚体微元结构模型,详细地研究了等离激元诱导透明(plasmon induced transparency,PIT)现象产生的物理过程.研究发现,三聚体的吸收谱线随着其耦合距离以及尺寸的变化,竖直金纳米棒所对应的偶极明模在平行双长条金纳米棒对应的暗模作用下会产生分裂.依据这一结果提出了一个新的物理解释,PIT现象的产生主要来自于竖直金纳米棒中偶极振荡的模式分裂后的相干叠加.同时,考虑到两个振子之间的耦合会伴随着一定的相位关联性,进而引入了耦合相位因子修正了洛伦兹振子耦合模型,解析地研究了耦合相位因子对吸收谱的调控作用和分裂明模之间的相干叠加效应对PIT效应的影响.这为在纳米尺寸范围设计人造原子、光开关、慢光效应等方面的应用提供了理论参考.

复合结构螺旋超材料对光波前的高效调控
High-efficiency wavefront control with based on helical metamaterials

汪肇坤, 杨振宇, 陶欢, 赵茗
物理学报. 2016, 65 (21): 217802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.217802
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摘要

近年来,超材料和超表面因为一些不同于传统材料的新奇性质一直被广泛研究,而基于超材料或者是超表面的波前控制也是其中的一个热门研究领域.迄今为止,已经提出了很多不同的结构来对反射光和透射光的波前进行调控,在已知的结构中,反射光的波前调控效率已经可以达到较高数值,但是很少有报道能够使用超材料简单高效地调制透射光的波前.本文提出了一种由相同几何结构的左旋和右旋结构复合而成的螺旋超材料.通过使用时域有限差分方法进行仿真,发现这种螺旋结构将会在入射光和透射光之间引入一个可控的相位变化,从而可直接对透射光波前进行调控.仿真结果还表明,该复合结构螺旋超材料在较宽的波长范围内可以达到近64%的透射率.最后通过将该螺旋材料沿着X轴排布成有着连续相位变化的阵列,可以在近红外区域(1.0–1.4 μm)观察到反常折射现象,仿真结果与理论计算得出的反常折射角十分符合.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

利用单分子光学探针测量幂律分布的聚合物动力学 Hot!
Single molecule optical-probes measured power law distribution of polymer dynamics

李斌, 张国峰, 景明勇, 陈瑞云, 秦成兵, 高岩, 肖连团, 贾锁堂
物理学报. 2016, 65 (21): 218201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.218201
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摘要

研究聚合物薄膜纳米尺度的动力学特性对于高性能材料的制备具有重要的意义.本文利用尼罗红单分子作为光学探针吸附在聚丙烯酸甲酯(PMA)聚合物链上,研究该聚合物薄膜的动力学特性.通过单分子散焦宽场荧光成像显微镜技术测量了单分子随PMA聚合物链转动弛豫的三维再取向特性,当环境温度高于PMA的玻璃点温度19 K时,发现处于PMA聚合物薄膜中的单分子光学探针的转动态和非转动态的持续时间概率密度服从指数截止的幂律分布.研究结果表明该温度下PMA聚合物薄膜的纳米环境动力学仍存在空间和时间异构性.

基于边界元方法的超导核磁共振成像设备高阶轴向匀场线圈优化算法
Optimization of magnetic resonance imaging high-order axial shim coils using boundary element method

胡洋, 王秋良, 李毅, 朱旭晨, 牛超群
物理学报. 2016, 65 (21): 218301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.218301
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摘要

在磁共振成像设备中,为了消除目标区域内的高阶谐波磁场分量,传统方法采用无源匀场,但该方法匀场精度较低,针对性较差,适用于全局匀场,而有源匀场则可以通过优化线圈分布来产生所需要的特定的磁场分布.但是,由于匀场线圈线型的复杂度会随着线圈阶数的增加而增加,难以满足设计需要,因此本文提出了一种用于磁共振成像超导匀场线圈系统的多变量非线性优化设计方法.该方法基于边界元方法,将匀场线圈所产生的磁场与目标磁场之间的偏差作为目标函数,线匝间距、线圈半径等作为约束条件,通过非线性优化算法,得到满足设计要求的线圈分布.通过一个中心磁场为0.5 T的开放式双平面磁共振成像超导轴向匀场线圈的设计案例,说明本方法具有计算效率高、灵活性好的特点.

基于模糊近似熵的抑郁症患者静息态功能磁共振成像信号复杂度分析
Analysis of resting state functional magnetic resonance imaging signal complexity of adult major depressive disorder based on fuzzy approximate entropy

杨孝敬, 杨阳, 李淮周, 钟宁
物理学报. 2016, 65 (21): 218701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.218701
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摘要

提出采用模糊近似熵的方法对功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)复杂度量化分析,并与样本熵进行比较.采用的22个成年抑郁症患者中,11位男性,年龄在18–65岁之间.我们期望测量的静息态fMRI信号复杂度与Goldberger/Lipsitz模型一致,越健康、越稳健其生理表现的复杂度越大,且复杂度随年龄的增大而降低.全脑平均模糊近似熵与年龄之间差异性显著(r=-0.512,p< 0.001).相比之下,样本熵与年龄之间差异性不显著(r=-0.102,p=0.482).模糊近似熵同样与年龄相关脑区(额叶、顶叶、边缘系统、颞叶、小脑顶叶)之间差异性显著(p<0.05),样本熵与年龄相关脑区之间差异性不显著性.这些结果与Goldberger/Lipsitz模型一致,说明采用模糊近似熵分析fMRI数据复杂度是一个有效的新方法.

磁镊结合DNA发夹的方法在RecA蛋白介导的同源重组机制研究中的潜在应用 Hot!
Combination of magnetic tweezers with DNA hairpin as a potential approach to the study of RecA-mediated homologous recombination

张宇微, 颜燕, 农大官, 徐春华, 李明
物理学报. 2016, 65 (21): 218702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.218702
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摘要

同源序列识别与链交换过程是同源重组领域的重要研究方向.RecA蛋白作为重组酶家族的重要成员而一直被广泛研究.利用smFRET以及传统磁镊、光镊等技术,人们对同源重组过程的分子机制有了较深入的了解,然而,这些技术无法同时兼顾大量程与高精度的需求.本文提出一种传统磁镊结合DNA发夹结构的研究方案,并以大肠杆菌中的RecA介导的同源重组过程为例来阐述该方法的优点.使用本实验方案,我们实时观察到以下过程:1) RecA介导的链交换平均速度与已有结果一致,但并非匀速,而是以台阶式的跳变进行;2)直接观察到RecA第二结合位点与被置换链的动态相互作用过程,测量到第二结合位点与被置换链之间的结合力为3.0 pN,与光镊结合磁镊测量出的结果相符;3)能够区分链交换的方向性并观察到按照不同方向进行链交换的反应细节.本文提供了一个可以兼顾精度和测量范围的实验方法,并以RecA蛋白为例设计实验验证了其可靠性.磁镊结合DNA发夹结构的方法具备用于研究RecA或其他同源重组蛋白工作机理的潜质.因此,本文的工作有望成为单分子生物学领域研究同源重组过程的一个重要方法.

地球物理学、天文学和天体物理学

线焦斑X射线源成像
Line focal X-ray source imaging

刘鑫, 易明皓, 郭金川
物理学报. 2016, 65 (21): 219501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.219501
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摘要

为解决普通X射线源光通量和空间相干性的矛盾,本文提出一种焦斑为线状的新型X射线源.理论上,本文所提的射线焦斑为理想的线,沿线方向上提供高通量光子;垂直线方向光源为空间相干光,可为系统提供高分辨率图像.沿着线方向上,图像会损失细节,为补偿该方向上图像的损失,利用旋转叠加的方法,重构出高分辨率图像.在频率域,分析了旋转叠加空间频率传递函数值的分布特性,其结果表明:相对单个图像,频率传递函数在频域的各个方向,传递函数特性有大幅度提高,从而可以传递图像高空间频率成分.基于普通X射线管,实现了该种射线源,并利用实验验证了该方法的有效性.


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