物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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金纳米柱阵列表面等离子体激元与J-聚集分子强耦合作用
赵泽宇, 刘晋侨, 李爱武, 徐颖
物理学报. 2016, 65 (23): 231101
基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源
刘贝, 靳刚, 何军, 王军民
物理学报. 2016, 65 (23): 233701
利用石墨烯等离激元与表面声子耦合增强量子摩擦
张超杰, 周婷, 杜鑫鹏, 王同标, 刘念华
物理学报. 2016, 65 (23): 236801
物理学报  
   物理学报--2016, 65 (23)   发布日期: 2016-12-05
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综述

超振荡及其远场聚焦成像研究进展
Progress in far-field focusing and imaging with super-oscillation

蒋忠君, 刘建军
物理学报. 2016, 65 (23): 234203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234203
全文: [PDF 897 KB] 下载:(558)
摘要
带限函数在某区间内的振荡速度超过其最高傅里叶分量的特殊性质被称为超振荡.基于超振荡原理的微纳光子学器件可在不依赖倏逝波条件下于远场处突破衍射极限,因此在超分辨成像、纳米光刻及高密度光存储等领域具有重要应用.简要介绍了超振荡原理,重点归纳了几种超振荡微结构器件的设计及其聚焦成像性能,并指出了这些器件的不足及未来的研究重点.

钙钛矿太阳能电池近期进展
Recent research progress in perovskite solar cells

柴磊, 钟敏
物理学报. 2016, 65 (23): 237902      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237902
全文: [PDF 919 KB] 下载:(1319)
摘要

近几年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿(ABX3)的太阳能电池由于其独特的物理化学性质受到了广泛的关注.这种钙钛矿材料具有很高的消光系数、较强的电荷传递能力、长的载流子寿命、长的载流子扩散距离以及特殊的双极性,同时低成本易制作.自2009年至今,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到了20.8%,使之成为最有可能在未来代替传统单晶硅太阳能电池的新型太阳能电池.同时,由于钙钛矿具有双极性,故钙钛矿太阳能电池的结构也有多种,最常见的结构有介孔结构、平面结构、介观超结构、无空穴传输层结构等.本文主要介绍钙钛矿太阳能电池的发展、电池结构及其对光电池性能的影响、钙钛矿薄膜的制备方法,同时探讨了钙钛矿在电子传输层上的吸附模型和电荷在电池界面中的传输机理以及界面工程,并介绍该类型电池在近期所获得的突破及未来可能的发展方向,以便对钙钛矿太阳能电池有进一步的了解.

总论

网络规模衰减的随机生灭网络平均度
Average degree under different network sizes for random birth-and-death networks

张晓军, 钟守铭
物理学报. 2016, 65 (23): 230201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.230201
全文: [PDF 391 KB] 下载:(232)
摘要
在社会和生物网络中,每个智能体都存在生与灭过程,这些演化网络可能存在一些特殊的性质.近年来,这些生灭网络受到了广泛的关注,大部分的生灭网络的研究都聚焦于度分布的求解和它们的性质.本文研究了节点增加概率0< p< 1/2的随机生灭网络在稳态情形下不同规模的网络的平均度,给出了平均度的基本性质和精确求解结果.首先,根据基于随机过程规则(SPR)的Markov链方法,给出了节点度的稳态方程组,由此得到不同网络规模的平均度的递推方程组;其次,根据递推方程组研究了平均度的性质,指出不同网络规模下的平均度严格单调递增收敛于2mq;利用这些性质,运用生成函数法求解出不同网络规模的平均度的精确表达式;最后,采用数值模拟方法验证了平均度的精确求解结果和性质,讨论了平均度与节点增加概率p以及连接数m之间的关系.

基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案
Quantum secure direct communication protocol based on the mixture of Bell state particles and single photons

曹正文, 赵光, 张爽浩, 冯晓毅, 彭进业
物理学报. 2016, 65 (23): 230301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.230301
全文: [PDF 362 KB] 下载:(347)
摘要
为了提高量子安全直接通信的效率,本文提出了一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案.该方案中Alice将所有Bell态粒子划分为两个序列SASB,先将SB发给Bob进行第一次窃听检测,检测结果表示量子信道安全后再将信息序列编码在序列SA和单光子序列SS混合的量子态序列上;然后将已编码序列经过顺序重排和添加单光子检测粒子后发给合法接收方Bob.该方案避免了复杂的U变换,简化了方案的实现过程.同时顺序重排和检测粒子的结合保证了方案的安全性.另外3 bits经典信息加载在一个态上的编码规则大大提高了编码容量,从而使信息传输效率也得到提高.

基于人工蜂群算法的混沌信号盲提取
Blind chaotic signal extraction based on artificial bee colony algorithm

李广明, 胡志辉
物理学报. 2016, 65 (23): 230501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.230501
全文: [PDF 457 KB] 下载:(349)
摘要
针对混沌信号在噪声信号中的提取问题,本文将其建立于线性混合模型进行分析.在该模型下,提出一种结合高维核函数的性能函数,该函数的计算复杂度较低.在使用人工蜂群算法来处理该多峰函数优化问题时,文中采用马尔可夫模型分析了人工蜂群算法的有效性.仿真实验表明本文方法能在较低复杂度下提取出相关系数很高的估计信号.

分数阶Willis环脑动脉瘤系统的混沌动力学分析与控制
Chaotic dynamics of the fractional Willis aneurysm system and its control

高飞, 李腾, 童恒庆, 欧卓玲
物理学报. 2016, 65 (23): 230502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.230502
全文: [PDF 779 KB] 下载:(251)
摘要

整数阶Willis环脑动脉瘤系统在描述表现出黏弹性的血液在具有繁杂弹性的血管系统内的复杂血流动力学机理上有一定局限性;鉴于此,本文利用分数阶Caputo微分及其理论,提出分数阶Willis环脑动脉瘤模型(FWAS):证明FWAS解的存在惟一性;利用相图和Poincaré截面证明FWAS具有混沌特性,是其整数阶形式的合理推广;结合分岔图和倍周期分岔讨论脉冲压、系统阶次对FWAS的影响;采用通过非自治非线性系统的稳定性条件设计合理的控制器,以药物激励项函数作为脉冲函数进行脉冲控制这两种方法,对FWAS进行有效的控制.本文对FWAS的探讨将对脑动脉瘤的研究具有一定的理论指导意义.

基本粒子物理学与场

金纳米柱阵列表面等离子体激元与J-聚集分子强耦合作用 Hot!
Strong coupling between J-aggregates and surface plasmon polaritons in gold nanodisks arrays

赵泽宇, 刘晋侨, 李爱武, 徐颖
物理学报. 2016, 65 (23): 231101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.231101
全文: [PDF 483 KB] 下载:(330)
摘要

采用脱模工艺制备了表面光滑的金纳米柱阵列结构,这种加工方法操作简单、可重复性强,可以将形貌相同的纳米柱阵列结构大批量复制到不同衬底上.采用这种金纳米柱阵列结构激发表面等离子体激元并实现了其与J-聚集染料分子的强耦合作用.在所制备的杂化耦合体系中,观测到了200 meV的拉比劈裂值.进一步通过调节金纳米柱阵列的周期来改变耦合强度,在反射谱中观测到了强耦合存在的标志性实验证据:耦合杂化态对应能量的反交叉曲线.这种简单并可以大批量制备的强耦合杂化体系对于促进强耦合作用在纳米等离子体器件中的广泛应用具有积极意义.

核物理学

粒子(E≥45 MeV)核内级联Monte Carlo模拟程序研究
Development of an intranuclear-cascade code CBIM applicable to the nuclear reaction with incident particle energy above 45 MeV

胡志良, 周斌, 曾智蓉, 梁天骄
物理学报. 2016, 65 (23): 232501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.232501
全文: [PDF 429 KB] 下载:(205)
摘要

本文基于核内级联物理过程,采用Monte Carlo方法发展了一款质子、中子以及π介子的粒子输运程序.基本物理模型基于适当简化和核内级联Bertini模型,同时借鉴了INCL模型质心系下的角微分分布以克服Bertini模型之不足,即采用Monte Carlo方法模拟核子与核子、核子与π介子间的弹性散射、非弹性散射等过程,粒子相互作用时,核子密度随半径变化且作用截面参考Bertini模型22类实验截面数据,出射粒子散射角在质心系下的抽样遵从INCL模型所确定的微分分布.可模拟45–3500 MeV的中子、质子或2500 MeV以下π介子引起的核内级联过程.入射粒子能量在60–378 MeV范围内反应截面理论计算值与已有实验数据、以及在65–3000 MeV较宽能区范围内反应截面、出射粒子增殖比、微分截面和剩余核等计算结果与MCNPX,GEANT 4和PHITS模拟结果符合较好.

原子和分子物理学

利用基频与倍频脉冲控制扩展“ladder”式跃迁
The extended “ladder” transition controlled by two harmonic pulses

牛英煜, 王荣, 邱明辉, 修俊玲
物理学报. 2016, 65 (23): 233301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.233301
全文: [PDF 745 KB] 下载:(92)
摘要
利用含时量子波包动力学方法研究了两束基频与倍频脉冲控制下的扩展“ladder”式跃迁.通过基频与2倍频脉冲控制分子布居从|0,0>态跃迁至|5,0>与|5,2>态;基频与3倍频脉冲控制分子布居从|0,0>态跃迁至|5,3>与|6,2>态.计算结果表明,利用两束基频与倍频脉冲,通过“ladder”式跃迁,可以得到近100%的布居跃迁概率.两束脉冲间的相对相位角影响分子的布居分布.当脉冲频率比为1:2时,布居以π为周期变化;当脉冲频率比为1:3时,布居以2π为周期变化.

基于环形抽运光的红外超分辨显微成像方法
A super-resolution infrared microscopy based on a doughnut pump beam

刘鸿吉, 刘双龙, 牛憨笨, 陈丹妮, 刘伟
物理学报. 2016, 65 (23): 233601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.233601
全文: [PDF 351 KB] 下载:(222)
摘要
本文提出一种突破衍射极限的红外显微成像方法,该方法基于抽运-探测模式,采用了环形而非高斯型强度分布的抽运光,由于样品在环形光强度峰值附近区域达到吸收饱和,因此当高斯分布的探测光随后到达样品时,只有环形光的中心区域才能吸收探测光的能量,而且吸收区域随着环形光的强度增加而减小.这意味着,如果以被吸收的探测光能量作为该成像系统的信号,本文提出的方法可以使系统的分辨率超越衍射极限的限制.本文模拟了不同环形光能量下成像系统的空间分辨率,结果表明:当环形光能量为100 nJ、探测光能量为0.1 nJ时,该方法的理论分辨率在236 nm,比传统红外显微成像系统分辨率提高了约14倍.

基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源 Hot!
852-nm triggered single-photon source based on trapping and manipulation of a single cesium atom confined in a microscopic optical dipole trap

刘贝, 靳刚, 何军, 王军民
物理学报. 2016, 65 (23): 233701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.233701
全文: [PDF 463 KB] 下载:(239)
摘要

基于单原子操控的单光子源具有窄带宽、可与同类原子吸收线匹配、基本不受外界环境因素的影响等特点,在量子光学基本问题研究及量子信息处理等方面具有重要价值.本文研究了强聚焦1064 nm基模高斯光束形成的光学偶极阱中铯原子6S1/2|Fg=4,mF=+4>-6P3/2|Fe=5,mF=+5>循环跃迁的光频移,并在实验上进行了测量.基于共振脉冲光激发俘获在远失谐微型光学偶极阱中的单个铯原子,实验演示了10 MHz重复频率的触发式852 nm单光子源.采用基于单光子探测器的Hanbry Brown-Twiss实验系统,对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处符合计数值为0.09,实验显示单光子源呈现显著的光子反群聚特性.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

用钕铁硼(NdFeB)永磁材料实现磁斗篷
Magnetic cloak made of NdFeB permanent magnetic material

戴存礼, 蹇兴亮, 赵艳艳, 姚雪霞, 赵志刚
物理学报. 2016, 65 (23): 234101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234101
全文: [PDF 438 KB] 下载:(190)
摘要

固有磁化强度方向与外磁场方向相反的钕铁硼(NdFeB)空心圆柱和固有磁化强度方向与外磁场方向相同的钕铁硼铬(NdFeCrB)空心圆柱镶嵌在一起,组成一个磁化强度方向相反的双层磁环.利用柱坐标系中磁标势的公式及本构关系,推导了均匀外磁场在双层空心圆柱永磁体内外的磁场强度,得到了半径比率与外加磁场、相对磁导率及磁化强度的关系.计算结果表明,当施加均匀外磁场时,双层空心圆柱NdFeB永磁体可以屏蔽静磁场从而实现磁斗篷.

插值小波尺度法探地雷达数值模拟及四阶Runge Kutta辅助微分方程吸收边界条件
Ground penetrating radar numerical simulation with interpolating wavelet scales method and research on fourth-order Runge-Kutta auxiliary differential equation perfectly matched layer

冯德山, 杨道学, 王珣
物理学报. 2016, 65 (23): 234102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234102
全文: [PDF 607 KB] 下载:(156)
摘要
应用迭代插值方法构造了插值小波尺度函数,并将该尺度函数的导数用于离散Maxwell方程组的空间微分,使用四阶Runge Kutta(four order Runge Kutta,RK4)算法计算时间导数,导出了插值小波尺度法的探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演公式,与常规的基于中心差分的时域有限差分算法(finite difference time domain,FDTD)相比,插值小波尺度算法提高了GPR波动方程的空间与时间离散精度.首先,采用具有解析解的层状模型,分别将FDTD算法及插值小波尺度法应用于层状模型正演,单道雷达数据与解析解拟合表明:相同的网格剖分方式,插值小波尺度法比FDTD具有更高的精度.然后,将辅助微分方程完全匹配层(auxiliary differential equation perfecting matched layer,ADE-PML)边界条件应用到插值小波尺度法GPR正演中,在均匀介质模型中对比了FDTD-CPML(坐标伸缩完全匹配层),FDTD-RK4ADE-PML、插值小波尺度RK4ADE-PML的反射误差,结果表明:插值小波尺度RK4ADE-PML吸收效果优于另外两种条件下的吸收边界.最后,应用加载UPML(各向异性完全匹配层)的FDTD和RK4ADE-PML的插值小波尺度法开展了二维GPR模型的正演,展示了RK4ADE-PML对倏逝波的良好吸收效果.

随机电磁光束经像散透镜后磁场的光谱Stokes奇点
Magnetic spectral Stokes singularities of stochastic electromagnetic beams through an astigmatic lens

郑尚彬, 唐碧华, 姜云海, 高曾辉, 罗亚梅
物理学报. 2016, 65 (23): 234201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234201
全文: [PDF 444 KB] 下载:(86)
摘要

利用交叉谱密度函数的传输公式,以部分相干刃型位错光束为例,推导出随机电磁光束磁场通过像散透镜传输后的解析表达式.使用光谱Stokes参数,详细讨论了光谱Stokes场的奇点变化规律.结果表明,随机电磁光束磁场通过透镜后的传输过程中,存在光谱s12s23s31奇点.改变刃型位错的离轴量、斜率、空间相关长度等光束参数以及随着传输距离的变化,会有磁场光谱Stokes奇点的移动、产生和湮没,也会有V点的产生和C点旋向性的反转.此外,还与电场的光谱Stokes奇点做了比较.

贝叶斯迭代联合双边滤波的散焦图像快速盲复原
Fast Bayesian blind restoration for single defocus image with iterative joint bilateral filters

尹诗白, 王卫星, 王一斌, 李大鹏, 邓箴
物理学报. 2016, 65 (23): 234202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234202
全文: [PDF 594 KB] 下载:(255)
摘要
实现有效的单幅散焦图像盲复原对军事及地质勘测领域的清晰图像获取具有极为重要的意义.常用算法存在计算量大、振铃及噪声敏感的问题,为此本文提出了贝叶斯框架下迭代双边滤波器的快速盲复原算法.它首先用基于深度信息的盲去卷积结果估计点扩散函数的概率模型,进而通过贝叶斯理论构建合理的盲复原最小优化问题;然后推理分析最小优化问题的求解实质,得出双边滤波器快速求解最小优化问题的结论;最后设计迭代联合双边滤波器的求解方式,即利用一次双边滤波器求解的复原结果设计联合双边滤波器的指导图,再将其作为优化问题的输入,迭代实施求解.实验结果表明:该算法能有效抑制振铃,减少计算量,去除噪声,85%图像的像素误差平均值低于0.03,较常用盲去卷积法在同一误差区间的复原成功率提高了19%,运行时间缩短了约78%,能有效用于单幅散焦图像盲复原的实际工程实践中.

基于压电陶瓷与光纤电光调制器双通道伺服反馈的激光相位锁定实验研究
Experimental researches of laser phase lock with dual-servo feedbacks based on the piezoelectric transducer and fiber electrooptic phase modulator

侯佳佳, 赵刚, 谭巍, 邱晓东, 贾梦源, 马维光, 张雷, 董磊, 冯晓霞, 尹王保, 肖连团, 贾锁堂
物理学报. 2016, 65 (23): 234204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234204
全文: [PDF 1037 KB] 下载:(156)
摘要
通过相干合束提高光纤激光源的输出功率是目前研究的一个热门领域,其中多束激光的相位控制是提高合束效率的关键技术之一.本文基于主动相位锁定技术对传统外差探测法进行了改进,基于压电陶瓷及光纤电光相位调制器双通道伺服反馈,实现了对同一激光源输出的两路相位独立变化的1531 nm激光长时间的相位锁定.通过选择合适的PID控制参数,将反馈带宽拓展到了220 kHz(受限于PID控制器自身带宽).最终的相位锁定控制在0.88°以内,即相位控制精度为λ/400,经过160 s平均后可得到相位锁定的最佳值为0.006°,整体实验装置结构简单、运行稳定.

气泡线性振动对含气泡水饱和多孔介质声传播的影响
Effect of linear bubble vibration on wave propagation in unsaturated porous medium containing air bubbles

郑广赢, 黄益旺
物理学报. 2016, 65 (23): 234301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234301
全文: [PDF 434 KB] 下载:(194)
摘要
为了研究孔隙水含少量气泡时多孔介质中波的传播,本文在Biot模型的基础上,将孔隙水中气泡的体积振动融合到多孔介质的孔隙流体渗流连续性方程中,从而得到了考虑气泡体积振动的孔隙流体渗流连续性方程.在此基础上,根据气泡线性振动下气泡瞬时半径和介质背景压力的关系,以及多孔介质运动方程和流体介质运动方程,导出了受气泡影响下多孔介质位移矢量波动方程,建立了非水饱和多孔介质声速频散和衰减预报模型.气泡的存在增大了孔隙水的压缩率,导致含气泡水饱和多孔介质声速的降低.当声波频率等于气泡的共振频率时,在声波激励下,介质呈现高频散,且孔隙水中的气泡产生共振,吸收截面达到最大,使得多孔介质的声衰减也达到最大.文中数值分析验证了上述结论,表明了气泡含量、大小和驱动声场频率是影响声波在含少量气泡的水饱和多孔介质中传播的主要因素.

水平激励下颗粒物质的有效质量及耗散功率的研究
Effective mass spectrum and dissipation power of granular material under the horizontal and vertical excitation

许聪慧, 张国华, 钱志恒, 赵雪丹
物理学报. 2016, 65 (23): 234501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234501
全文: [PDF 530 KB] 下载:(155)
摘要
对颗粒物质的有效质量谱及耗散功率进行了数值研究,发现水平和垂直激励下颗粒体系的共振频率fg与体积模量k均随压强P呈分段幂律变化,在高压强下遵循fgP1/6kP1/3的规律,在低压强下遵循fgP1/4,k∝P1/2的规律.同时,在水平和垂直振动下,颗粒体系品质因子的倒数1/QP的变化呈指数衰减.在特定频率和压强下,颗粒体系的平均耗散功率p随振动强度Γ的变化曲线上存在一个特征振动强度Γ*,当Γ< Γ*时,颗粒体系表现出类固态行为,平均耗散功率p随振动强度Γ呈幂律标度,pΓα(2< α< 5);当Γ >Γ*时,颗粒体系表现出类液态行为,体系的平均耗散功率p随振动强度Γ呈线性变化.由此得到了水平激励下颗粒体系类固体类流体转变的Γ-P相图.

微米级超润滑石墨接触面的表征与分析
Characterization and analysis of microscale superlubricity graphite surface

史云胜, 刘秉琦, 杨兴, 董华来
物理学报. 2016, 65 (23): 234601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234601
全文: [PDF 704 KB] 下载:(184)
摘要

超润滑可能是解决摩擦磨损问题的理想方案.目前已经能够在大气环境下实现基于石墨的微米尺度超润滑,但石墨接触面在超润滑实现过程中的影响还需要深入研究.为此,本文用电子束曝光及反应离子刻蚀方法在高定向热解石墨上加工出微米尺度的氧化硅/石墨方台结构,并用钨针尖推开方台的上部获得超润滑的石墨接触面.然后用原子力显微镜对多个石墨接触面进行了形貌表征,并使用能谱仪及X射线光电子能谱对石墨接触面的边缘进行测试.研究发现,高定向热解石墨的多晶结构在接触面的形成过程中有重要影响,能够决定接触面的质量进而决定超润滑能否实现.石墨接触面的边缘存在大量加工中引入的化学键及在大气中吸附的物理键,这些键是推开石墨方台形成接触面时阻力的来源,并在接触面发生相对滑动时表现为摩擦力.本文通过对具有微米尺寸的超润滑石墨接触面进行研究,明确了接触面内部及边缘影响超润滑实现的规律,对大面积超润滑的实现及应用能够提供有益的帮助.

受热基底上的液滴铺展及换热特性
Spreading and heat transfer characteristics of droplet on a heated substrate

叶学民, 李永康, 李春曦
物理学报. 2016, 65 (23): 234701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.234701
全文: [PDF 909 KB] 下载:(186)
摘要
液滴在受热基底上的铺展特征将直接影响其传热特性.基于润滑理论建立了单液滴在受热基底上的演化模型,模拟了壁温均匀和自中心向两侧呈指数规律衰减两种情形下液滴的铺展历程,提出了一种针对二维液滴表面热流密度和传热量的计算方法,借助该方法分析了液滴铺展特征及外部对流换热条件对传热特性的影响,所得结果与已有文献有较好的一致性.结果表明:当壁温均匀时,液滴在重力驱动下呈现具有“单峰”结构的对称铺展特征,表面热流密度由两侧向中心递减;液滴表面积随时间小幅增大,传热能力有所增强.当壁温自中心向两侧呈指数规律衰减时,液滴铺展明显呈现三个阶段特征,厚度剖面由“单峰”结构渐变为“双峰”结构,且“双峰”峰值随时间先增大后减小,该变化源于重力和热毛细力的复杂博弈及在演化过程中的交替主导地位;液滴中心处热流密度不断增大,“双峰”处热流密度则持续减小;接触线处热流密度相比邻近有一明显跃升;液滴表面积随时间显著增大,传热能力有效提高.增强外部对流换热条件虽将减缓液滴铺展过程,抑制其表面积增大,但总体上有利于提高其传热能力,且随时间增长,该现象愈加显著;增大毕渥数使液滴动态接触角及接触线移动速率的变化发生延迟,但并不改变其总体特征.
气体、等离子体和放电物理

磁空混合约束激光诱导Cu等离子体光谱特性
Laser induced plasma spectral characteristics of Cu with magnetically and spatially combined confinement

李百慧, 高勋, 宋超, 林景全
物理学报. 2016, 65 (23): 235201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.235201
全文: [PDF 476 KB] 下载:(170)
摘要
本文基于发射光谱法对磁空混合约束铜等离子体光谱特性进行了研究,分析了磁空混合约束条件下铜等离子体光谱强度演化过程以及等离子体光谱轴向和横向分布.实验结果表明,在磁空混合约束和空间约束条件下等离子体光谱均出现增强,对原子光谱Cu I 521.8 nm的最大增强因子分别为2和1.2,磁空混合作用等离子体离子光谱增强效果大于纯空间约束情形.在磁空混合约束作用下,光谱增强在小延时来源于磁场约束产生,而大延时为空间约束产生.结合光学阴影成像法,分析了Cu I 521.8 nm谱线强度的轴向和横向空间强度分布,由于空间约束作用的冲击波反射压缩,使等离子体羽横向膨胀方向存在约束,使等离子体内原子数密度最大空间位置前移,造成了磁空混合约束下Cu I 521.8 nm谱线强度的轴向最大空间位置远离铜表面.

基于光学相干层析成像的早期鸡胚心脏径向应变测量
Measurement of wall strain in embryonic chick heart by spectral domain optical coherence tomography

马振鹤, 窦世丹, 马毓姝, 刘健, 赵玉倩, 刘江红, 吕江涛, 王毅
物理学报. 2016, 65 (23): 235202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.235202
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摘要
本文提出了一种测量胚胎心脏流出道径向应变的方法.使用光学相干层析成像系统对早期鸡胚流出道进行4D(x,y,z,t)扫描,重建流出道图像后计算多普勒角度;在任意走向的流出道的断层图像中采用半自动边缘检测算法,提取管壁内外边缘,测量管壁面积和短轴长度信息;结合多普勒角度、管壁面积和短轴长度得到管壁壁厚信息,从而实现心脏流出道管壁径向应变的计算.对HH18阶段鸡胚心脏流出道的径向应变进行测量,结果表明该方法能够在任意流出道倾角下测量其径向应变,有效扩大了心脏应变测量的范围,为胚胎心脏生物力学特性的研究提供了一种工具.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

Mg-Y-Cu合金长周期有序相热力学稳定性及其电子结构的第一性原理研究
First-principles study of the thermodynamic stabilities and electronic structures of long-period stacking ordered phases in Mg-Y-Cu alloys

马振宁, 周全, 汪青杰, 王逊, 王磊
物理学报. 2016, 65 (23): 236101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236101
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摘要

采用基于密度泛函的第一性原理平面波赝势方法计算了Mg-Y-Cu合金中长周期有序相14H和18R(18R(m),18R(t))的形成焓、反应能、电子态密度和电荷密度.计算结果表明,14H和18R相都具有负的形成焓,说明两相都能够由单质转变形成,并且18R相比14H相更容易形成,但14H相具有更好的热力学稳定性;14H和18R相的态密度分布形态和变化趋势相似,它们的成键峰均主要来自于Mg的3s轨道、Mg的2p轨道,Cu的3d轨道和Y的4d轨道的贡献,且在费米能级低能级区域产生了轨道杂化效应.14H相和18R相的成键都具有明显的共价性.通过对各相(0001)面的电荷密度分析表明,14H和18R相中的Cu原子和Y原子之间都形成了共价键,并且14H相的共价性比18R相的共价性更强.

晶粒尺寸对纳米多晶铁变形机制影响的模拟研究
Molecular dynamics simulation of effect of grain on mechanical properties of nano-polycrystal α-Fe

王鹏, 徐建刚, 张云光, 宋海洋
物理学报. 2016, 65 (23): 236201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236201
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摘要

利用分子动力学模拟方法研究了拉伸荷载作用下晶粒尺寸对纳米多晶铁变形机制的影响.研究结果表明杨氏模量随着晶粒尺寸的减小而减小.当晶粒尺寸小于15.50 nm时,纳米多晶铁的峰值应力和晶粒尺寸之间遵循反常的Hall-Petch关系,此时晶粒旋转和晶界迁移是其塑性变形的主要变形机制;随着晶粒尺寸的增大,变形孪晶和位错滑移在其塑性变形过程中逐渐占据主导地位.裂纹的形成是导致大晶粒尺寸模型力学性能降低的主要因素.纳米多晶铁在塑性变形中会出现孪晶界的迁移和退孪晶现象.此外还研究了温度对纳米多晶铁变形机制的影响.

基于比热的完全物态方程
Complete equation of state based on specific heat

范小兵, 陈俊祥, 向士凯
物理学报. 2016, 65 (23): 236401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236401
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摘要

在热力学中,一个封闭体系的完全物态方程指由两个状态量为自变量所确定的一种函数关系,由这个关系能够导出所有其他热力学量之间的关系.比如亥姆霍兹自由能F表示为体系的比体积v和温度T的函数Fv,T)时,就是这种完全物态方程.但是这种完全物态方程至今没有实际计算的表达式.我们以等温压强函数pTv)和建立在德拜模型基础上的定容比热函数Cvv,T)为基础,建立了一个有具体函数表达式的完全物态方程.用这种完全物态方程对几种固体金属材料进行了实际计算,所导出的热力学状态量和物性参数,与实验测量能够比较好地符合.这种完全物态方程在高温高压物理领域具有一定的应用价值.

基于马尔可夫决策模型的异构无线网络切换选择算法
Markov decision model based handoff selection algorithm for heterogeneous wireless networks

梁潇, 钱志鸿, 田洪亮, 王雪
物理学报. 2016, 65 (23): 236402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236402
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摘要

针对异构环境下不同业务类型用户对于接入网络的不同服务质量(quality of service,QoS)需求,该文提出了一种基于马尔可夫决策模型的切换选择算法.建立基于软件定义网络(software defined network,SDN)的异构无线网络架构,以实现对异构网络的通透控制.利用马尔可夫过程预测下一时刻的网络状态以得到采取动作后的一次回报,依据网络的不同状态属性针对实时用户和非实时用户分别构建立即回报函数,并采用层次分析法确定属性权重;基于状态动作对构建期望回报函数,采用逐次逼近的迭代方式得到使长期期望回报最大的切换策略.仿真结果表明,该方法针对不同业务类型用户均能选取最优切换策略,同时降低阻塞率,提高了用户的QoS和无线网络的资源利用率.

利用石墨烯等离激元与表面声子耦合增强量子摩擦 Hot!
Enhancement of quantum friction via coupling of surface phonon polariton and graphene plasmons

张超杰, 周婷, 杜鑫鹏, 王同标, 刘念华
物理学报. 2016, 65 (23): 236801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236801
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摘要

详细研究了以SiC为基底的石墨烯之间量子摩擦.由于SiC可以支持表面声子极化子,石墨烯可以支持表面等离激元,在一定的频率范围,表面声子极化子和等离激元能够耦合.发现相对于单纯石墨烯或SiC来说,由于表面声子极化子与石墨烯等离激元的共同作用,以SiC为基底的石墨烯之间的量子摩擦有很大的增强.此外,我们发现量子摩擦系数随石墨烯化学势的增加先增加后减小,摩擦系数可以取得最大值.本文的研究对于微/纳机电系统的制作具有积极的意义.

活性质吸附氢修饰金刚石表面的第一性原理研究
A first principles study on the active adsorbates on the hydrogenated diamond surface

刘峰斌, 陈文彬, 崔岩, 屈敏, 曹雷刚, 杨越
物理学报. 2016, 65 (23): 236802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236802
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摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建了不同活性质吸附氢修饰和氧修饰金刚石(100)表面,计算了氢修饰和氧修饰金刚石(100)表面吸附体系的平衡态几何构型和态密度.结果表明,氢修饰金刚石表面与H3O+离子间具有较强的相互作用,在费米能级附近出现浅受主能级,电荷会发生从氢修饰金刚石表面向吸附H3O+离子迁移,从而呈现p型导电性;当吸附物为H3O+离子和H2O分子混合吸附时,能带结构发生改变,但是其导电性并没有发生变化.相比之下,含水分子和H3O+离子的吸附物在氧修饰金刚石表面将发生分解,不能稳定存在,吸附体系仍呈现绝缘性质.

多层纳米AlGaN薄膜制备及其场发射性能
Preparations and field emission properties of multilayer AlGaN nanofilm

沈震, 陈程程, 王如志, 王波, 严辉
物理学报. 2016, 65 (23): 236803      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.236803
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摘要

本文采用激光脉冲沉积系统在SiC基底上制备了GaN/AlN/GaN多层纳米结构薄膜,探索了多层纳米薄膜量子结构增强场发射性能.X射线衍射和扫描电子显微镜结果表明,已成功制备出了界面清晰、结晶良好的GaN/AlN/GaN多层纳米薄膜.场发射测试结果表明:多层纳米薄膜结构相对于GaN和AlN单层纳米薄膜,其场发射性能得到显著提升.其开启电场低至0.93 V/μm,电流密度在5.5 V/μm时已经能够达到30 mA/cm2.随后进一步分析了纳米结构增强场发射机理,电子在GaN/AlN/GaN多层纳米薄膜结构中的量子阱中积累使其表面势垒高度显著下降,并通过共振隧穿效应进一步提高电子的透过概率,从而使场发射性能极大提高.研究结果将为应用于高性能场发射器件的纳米薄膜材料的制备提供一种好的技术方案.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

钙钛矿结构SnTiO3铁电相变的第一性原理研究
Ferroelectric phase transition of perovskite SnTiO3 based on the first principles

叶红军, 王大威, 姜志军, 成晟, 魏晓勇
物理学报. 2016, 65 (23): 237101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237101
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摘要

铁电材料因其自发极化而表现出优异的介电、压电、热电等性能,可用于电容器、滤波器、传感器、探测器、换能器等多种应用途径.本文利用有效哈密顿方法和基于密度泛函理论的第一性原理计算对钙钛矿结构SnTiO3进行了研究,计算获得了SnTiO3的有效哈密顿量系数.利用这一结果,通过蒙特卡罗模拟,预测了SnTiO3的相变温度和参与相变的结构相.

40 nm金属氧化物半导体场效应晶体管感应栅极噪声及互相关噪声频率与偏置依赖性建模
Frequency and bias dependent modeling of induced gate noise and cross-correlation noise in 40 nm metal-oxide-semiconductor field-effect transistors

王军, 王林, 王丹丹
物理学报. 2016, 65 (23): 237102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237102
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摘要

用于低功耗、混合信号及高频领域的CMOS技术的缩比进展,表明其最佳的高频性能已从低中反区转移至弱反区.高频噪声模型是射频与毫米波电路设计的先决条件,是纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)噪声分析的重要基础.本文基于40 nm MOSFET的器件物理结构,并结合漂移-扩散方程和电荷守恒定律,提出了基于物理的高频感应栅极电流噪声模型及其与漏极电流噪声的互相关噪声模型,以此来统一表征噪声从弱反区到强反区的频率与偏置依赖性.本文通过将有效栅极过载引入高频噪声模型中,使得统一模型具有良好的准确性、连续性和平滑性.最后,通过所建模型的仿真结果与实验结果的数据比较,验证了本文所建模型的准确性及其对长沟道器件在强反区的适用性.

菲涅耳聚光下半导体温差发电组件性能研究
Performances of thermoelectric module under solar Fresnel concentration

许强强, 季旭, 李明, 刘佳星, 李海丽
物理学报. 2016, 65 (23): 237201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237201
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摘要

采用菲涅耳透镜汇聚太阳辐射,提高半导体温差发电组件的热端温度,冷端利用散热片进行散热.从热流密度的角度建立了半导体温差发电片理论分析模型,实验基于稳态的条件下,忽略冷热端之间以及电臂间的空气对流和辐射,研究菲涅耳聚光下半导体温差发电组件的性能,推导出了半导体温差发电片的温度梯度dT/dx关系式,获得了输出电流、输出功率及热电转换效率的表达式.研究表明:随着电阻比率aRL/R)的增大,半导体温差发电器件的输出电流I减小,输出功率P和转换效率ηhe先增大后减小,且在a=1时,其输出功率和转换效率最高.随着温差比率b(ΔT/TH2)的增大,无论a取何值,其输出功率P和转换效率ηhe均增大.实验研究中,半导体温差发电片应偏离菲涅耳透镜焦平面一定距离以获得较好输出特性.通过温差发电片的不同串并联组件可获得相应输出电压.

温度、缺陷对磁畴壁动力学行为的影响
Influences of material defects and temperature on current-driven domain wall mobility

朱金荣, 范吕超, 苏垣昌, 胡经国
物理学报. 2016, 65 (23): 237501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237501
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摘要

基于Landau-Lifshitz-Gilbert自旋动力学方法,研究了磁纳米条中缺陷、温度对其电流驱动磁畴壁移动性质的影响.研究结果表明:缺陷能有效钉扎电流对磁畴壁的驱动作用,并且其钉扎能力依赖于其缺陷浓度、位置及形态.而温度能有效地去钉扎.特别地,缺陷处的焦耳热能有效地消除其缺陷对磁畴壁的钉扎作用.进一步的研究表明:其影响磁畴壁移动的缘由在于缺陷、温度能有效调节磁纳米条中磁畴壁的面外磁化强度.

基于多铁逻辑的铁磁耦合互连线磁化动态模拟
Magnetization dynamics in ferromagnetic coupling interconnect wire using multiferroic logic scheme

杨晓阔, 张斌, 崔焕卿, 李伟伟, 王森
物理学报. 2016, 65 (23): 237502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237502
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摘要

建立了多铁纳磁体逻辑器件的铁磁耦合作用模型,通过施加应变时钟对铁磁耦合互连线的磁化动态进行了理论模拟.结果表明:合适的应力(19.7–20.1 MPa)能够实现近180°磁化翻转,完成逻辑态在铁磁耦合互连线中的正确传递;多铁纳磁体间的强耦合阻碍器件的有效磁化翻转,这可能源于小间距增强了纳磁体的面外磁化,从而阻碍了面内翻转.研究结论可为多铁逻辑电路的设计提供重要指导.

基于频域电磁场的微波器件微放电阈值快速粒子模拟
Fast particle-in-cell simulation method of calculating the multipactor thresholds of microwave devices based on their frequency-domain EM field solutions

王洪广, 翟永贵, 李记肖, 李韵, 王瑞, 王新波, 崔万照, 李永东
物理学报. 2016, 65 (23): 237901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.237901
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摘要

提出了一种利用频域电磁场快速计算微波器件微放电阈值的粒子模拟方法.首先通过CST微波工作室频域求解器获得微波器件中频域电磁场分布,在微放电过程模拟时将其转换到时域,再采用Boris算法求解电磁场中的电子运动,然后判断电子是否与三角面片边界相交,进行二次电子发射处理.变化输入功率,经过系列粒子模拟后,根据电子数目随时间的变化曲线确定微放电阈值.采用该方法分别对平行平板和同轴传输线微波器件的微放电阈值进行模拟计算,并与CST粒子工作室的模拟结果进行对比.结果表明,两者获得的阈值基本一致,但本方法的计算效率提高了1–2个数量级.

地球物理学、天文学和天体物理学

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