物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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丁酮3s里德堡态的超快光解动力学研究
罗金龙, 凌丰姿, 李帅, 王艳梅, 张冰
物理学报. 2017, 66 (2): 023301
金属价电子结构对磁性和电输运性质的影响
齐伟华, 马丽, 李壮志, 唐贵德, 吴光恒
物理学报. 2017, 66 (2): 027101
电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展
张楠, 张保, 杨美音, 蔡凯明, 盛宇, 李予才, 邓永城, 王开友
物理学报. 2017, 66 (2): 027501
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (2)   发布日期: 2017-01-20
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综述

电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展 Hot!
Progress of electrical control magnetization reversal and domain wall motion

张楠, 张保, 杨美音, 蔡凯明, 盛宇, 李予才, 邓永城, 王开友
物理学报. 2017, 66 (2): 027501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027501
全文: [PDF 597 KB] 下载:(891)
摘要

电学方法调控磁性材料及器件的磁性是当前自旋电子学研究的热点之一.本综述简要介绍利用电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展.首先简述了自旋极化电流的产生、自旋流与局域磁矩之间的作用原理以及对应的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski磁动力学方程;然后分别讨论了单层磁性材料、铁磁层/重金属、铁磁层/非磁金属/铁磁层等不同结构中的电流诱导磁化翻转或驱动畴壁运动;最后介绍了利用压电效应、磁电耦合效应和栅极电场效应三种电压方式对磁矩的调控.在此基础上,对电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动进行了总结和展望.

ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷缺陷弛豫特性的研究进展
Recent research progress of relaxation performances of defects in ZnO-Bi2O3 varistor ceamics

赵小强, 赵学童, 许超, 李巍巍, 任路路, 廖瑞金, 李建英
物理学报. 2017, 66 (2): 027701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027701
全文: [PDF 1077 KB] 下载:(283)
摘要
由于具有良好的非欧姆特性,ZnO压敏陶瓷被广泛用于电子线路和电力系统的浪涌吸收和瞬态过电压抑制,因此,ZnO压敏陶瓷材料的发展一直备受国内外学者和业界的关注.然而,ZnO压敏陶瓷内部的缺陷结构及其引起的弛豫过程与ZnO压敏陶瓷电性能之间的关联还不清楚,一直是研发新型ZnO压敏陶瓷所要面临的挑战.本文综述了ZnO压敏陶瓷的缺陷类型、理论计算,着重分析了不同缺陷的相应弛豫表征方法,并对ZnO压敏陶瓷的缺陷弛豫机理及其与电老化特性的关联等方面进行了评述.

正电子湮没谱学研究半导体材料微观结构的应用进展
Advances in applications of positron annihilation spectroscopy to investigating semiconductor microstructures

曹兴忠, 宋力刚, 靳硕学, 张仁刚, 王宝义, 魏龙
物理学报. 2017, 66 (2): 027801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027801
全文: [PDF 1114 KB] 下载:(342)
摘要
正电子湮没谱学技术在研究材料微观缺陷、微观结构方面有着独特的优势,尤其是在针对阳离子空位等负电性空位型缺陷的研究中,可以获取材料内部微观缺陷的种类与分布的关键信息.正电子湮没寿命和多普勒展宽能谱是正电子湮没谱学的最基本的分析方法,在半导体材料的空位形成、演化机理以及分布等研究方面能够发挥独特的作用;此外,慢正电子束流技术在半导体薄膜材料的表面和多层膜材料的界面的微观结构和缺陷的深度分布的研究中有广泛的应用.通过正电子技术所得到的微观结构和缺陷、电子密度和动量分布等信息对研究半导体微观结构、优化半导体材料的工艺和性能等方面有着指导作用.本文综述了正电子湮没谱学技术在半导体材料方面的应用研究进展,主要围绕正电子研究平台在半导体材料微观缺陷研究中对材料的制备工艺、热处理、离子注入和辐照情况下,各种缺陷的微观结构的表征及其演化行为的研究成果展开论述.
总论

基于散粒噪声方差实时监测的连续变量量子密钥分发系统的设计与实现
The design and realization of continuous-variable quantum key distribution system based on real-time shot noise variance monitoring

曹正文, 张爽浩, 冯晓毅, 赵光, 柴庚, 李东伟
物理学报. 2017, 66 (2): 020301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.020301
全文: [PDF 432 KB] 下载:(164)
摘要
为了有效抵御窃听者对本振光的攻击,提高连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution,CVQKD)系统的安全性,提出了一种基于散粒噪声方差实时监测的CVQKD系统.该系统采用散粒噪声方差标定技术,在原有的CVQKD系统中加入散粒噪声方差实时监测模块,通过本振光强和散粒噪声方差的线性关系评估出实时的散粒噪声方差,再计算系统准确实时的密钥率来判断当前系统是否处于安全状态.实验上也表明了该系统能够有效抵御Eve对本振光的攻击,提高CVQKD系统的安全性.

余维-1非光滑分岔下的簇发振荡及其机理
Bursting oscillations as well as the mechanism with codimension-1 non-smooth bifurcation

张正娣, 刘杨, 张苏珍, 毕勤胜
物理学报. 2017, 66 (2): 020501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.020501
全文: [PDF 1237 KB] 下载:(219)
摘要

不同尺度耦合会导致一些特殊的振荡行为,通常表现为大幅振荡与微幅振荡的组合,也即所谓的簇发振荡.迄今为止,相关工作大都是围绕光滑系统开展的,而非光滑系统中由于存在着各种形式的非常规分岔,从而可能会导致更为复杂的簇发振荡模式.本文旨在揭示存在非光滑分岔时动力系统的不同尺度耦合效应.以典型的含两个非光滑分界面的广义蔡氏电路为例,通过引入周期变化的电流源以及一个用于控制的电容,选取适当的参数使得周期频率与系统频率之间存在量级差距,建立了含不同尺度的四维分段线性动力系统模型.基于快子系统在不同区域中的平衡点及其稳定性分析,以及系统轨迹穿越非光滑分界面时的分岔分析,得到了不同余维非光滑分岔的存在条件及其分岔行为.重点探讨了余维-1非光滑分岔下的簇发振荡的吸引子结构及其产生机理,揭示了非光滑分岔下系统复杂振荡行为的本质.

忆感器文氏电桥振荡器
Meminductive Wein-bridge chaotic oscillator

许碧荣, 王光义
物理学报. 2017, 66 (2): 020502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.020502
全文: [PDF 1603 KB] 下载:(305)
摘要
为了探索新型忆感器的特性,提出了一种新的忆感器模型,该模型考虑了内部变量的影响,更符合未来实际忆感器的性能.建立了其等效电路,分析了其特性.利用该忆感器模型,设计了一种忆感器文氏电桥混沌振荡器,分析了系统的稳定性和动力学行为.研究发现,此系统不仅存在周期、拟周期和混沌等多种状态,还发现了一些重要的动力学现象,如恒Lyapunov指数谱、非线性调幅、共存分岔模式和吸引子共存等复杂非线性现象,说明了这些特殊现象的基本机理和潜在应用.最后进行电路实验验证,验证了该振荡器的混沌特性.

基于分段信号相关累加的变速度多站联合直接定位方法
An improved direct position determination method based on correlation accumulation of short-time signals with variable velocity receivers

逯志宇, 任衍青, 巴斌, 王大鸣, 张杰
物理学报. 2017, 66 (2): 020503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.020503
全文: [PDF 480 KB] 下载:(165)
摘要
在低信噪比条件下,基于时延和多普勒频移的直接定位算法在解决宽带信号源定位时精度较差.针对此问题,提出了一种基于分段信号相关累加的变速度多站联合直接定位算法,并给出了其克拉美罗下界.该算法利用多个变速度的观测站对信号进行接收,然后将同一观测站接收的目标信号分割成多段不重叠的短时信号,采用最大似然估计器,联合各段信号的时延、多普勒频移信息对目标进行直接定位.算法充分利用了观测信号包含的定位信息,并利用观测站速度的变化增加了目标位置信息,解决了分段信号联合估计带来的定位模糊问题,使定位精度进一步提高,增加了算法的实用性.仿真实验表明,较之传统直接定位算法,本文算法定位精度更高,尤其在低信噪比条件下更能逼近克拉美罗界.

基于混沌系统的SM4密钥扩展算法
SM4 key scheme algorithm based on chaotic system

王传福, 丁群
物理学报. 2017, 66 (2): 020504      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.020504
全文: [PDF 473 KB] 下载:(279)
摘要
分组密码是一类广泛使用的加密方法.在网络数据加密体系中,为提高信息的安全性,需要保证初始密钥具有足够大的密钥空间.为克服量子计算机对短密钥的威胁,一种基于混沌映射的新型密钥扩展算法被提出.该算法将混沌映射融入到原SM4密钥扩展算法中,有效增大了密钥空间,提高了破译难度.

集合背景误差方差中小波阈值去噪方法研究及试验
Invesitgation and experiments of wavelet thresholding in ensemble-based background error variance

刘柏年, 皇群博, 张卫民, 任开军, 曹小群, 赵军
物理学报. 2017, 66 (2): 020505      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.020505
全文: [PDF 478 KB] 下载:(209)
摘要
背景误差方差的集合估计值中带有大量采样噪声,在应用之前需进行降噪处理.区别于一般的高斯白噪声,采样噪声具有空间和尺度相关性,部分尺度上的噪声能级远大于平均能级.本文针对背景误差方差中采样噪声的特征,引入小波阈值去噪方法,并根据截断余项的小波系数分布特征发展了一种计算代价很小,能自动修正阈值的算法.一维理想试验结果表明,该方法能滤除大量采样噪声,提高背景误差方差估计值的精度.相对于原来的小波阈值方法,修正阈值后减少了因部分尺度上噪声能级过大导致的残差,去噪后的RMSE减少了13.28%.将该方法应用在实际的集合资料同化系统中,结果表明,小波阈值方法优于谱方法,阈值修正后能在不影响信号的前提下增大小波去噪强度.
核物理学

用于三体系统玻色-爱因斯坦关联的事件混合方法
Event mixing constraints for Bose-Einstein correlations in reactions with three particles in the final state

何庆华
物理学报. 2017, 66 (2): 022501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.022501
全文: [PDF 481 KB] 下载:(227)
摘要
玻色-爱因斯坦关联(BEC)可以用于测量粒子出射区的时间空间性质,事件混合方法是用于观测BEC效应的常用手段,对于相对论能区重离子碰撞等可以产生大量全同末态粒子的反应,这种方法具有独特优势.但是对于末态粒子数非常有限的反应,守恒关系、共振态和一些其他原因引起的关联,对事件混合方法产生不可忽视的干扰,事件混合在消除玻色-爱因斯坦关联的同时也消除了其他所有的关联,严重制约了BEC研究.本文探索一种适合末态只有两个全同玻色子的三体反应系统的事件混合方法,提出了五种可行的事件混合限制条件,采用数值模拟研究了不同限制条件对事件混合的效果,甄别出最优的限制条件.测试结果显示,当要求混合事件的丢失质量与原始反应一致,并将原始事件样本中玻色子能量高于某一给定值的事件剔除掉,这种限制条件下得到的事件混合结果最优,可以用于观测BEC效应.另外,要求两个交换玻色子的方位角一致时得到的结果也较优,相比前者,此限制条件不需要删除一部分事件,可以得到更好的统计误差.
原子和分子物理学

基于ab initio计算的CF-离子低激发态光谱性质研究
Spectroscopic properties of low-lying excited electronic states for CF- anion based on ab initio calculation

周锐, 李传亮, 和小虎, 邱选兵, 孟慧艳, 李亚超, 赖云忠, 魏计林, 邓伦华
物理学报. 2017, 66 (2): 023101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.023101
全文: [PDF 572 KB] 下载:(191)
摘要
基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用高精度的内收缩多参考组态相互作用方法计算了CF-离子两个最低解离极限C(3P2)+F-1S0)和C(1D2)+F-1S0)对应的5个Λ-S态(X3Σ-,a1Δ,b1Σ+,A3Π和c31Π)的势能曲线.计算中考虑了Davidson修正和标量相对论修正以提高数据的可靠性.根据Λ-S态的势能曲线,求解径向薛定谔方程得到振转能级,通过拟合获得了这些电子态的光谱常数.此外,研究了5个Λ-S态的电偶极矩随核间距变化的曲线,分析了电子态的组态变化对电偶极矩的影响.计算了A3Π-X3Σ-的跃迁偶极矩和Franck-Condon因子,获得了A3Π的5个最低振动能级的辐射寿命,分析了两个电子态之间的跃迁特性,并给出了振子强度.最后,研究了A3Π态的预解离机理,并计算得到了高振动能级的解离寿命.

丁酮3s里德堡态的超快光解动力学研究 Hot!
Ultrafast photodissociation dynamics of butanone in 3s Rydberg state

罗金龙, 凌丰姿, 李帅, 王艳梅, 张冰
物理学报. 2017, 66 (2): 023301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.023301
全文: [PDF 394 KB] 下载:(255)
摘要

本文采用195.8 nm飞秒激光将丁酮分子激发到S2(n,3s)里德堡态,在800 nm探测光的作用下获得时间分辨的飞行时间质谱.对实验结果的分析表明,由于丁酮α位置具有一个甲基和一个乙基,使得Norrish I型解离反应表现出丰富的动力学特征.母体离子瞬态衰减的时间常数为(2.23±0.02)ps.丙酰基离子瞬态衰减与母体类似,只有一个为(2.15±0.02)ps的时间常数,说明丙酰基离子来自于母体的解离性电离.乙酰基离子的时间曲线拟合得到四个时间常数:τ1=(2.40±0.15)ps,τ2=(1.10±0.25)ps,τ3=(0.08±0.02)ps,τ4=(17.72±0.80)ps,分别对应于S2→S1的内转换,S1态生成CH3CO(Ã)的初步解离,CH3CO(Ã)快速内转换为CH3CO(),以及CH3CO()基态上的二次解离.丁酮分子α-C–C键的解离存在分子内振动能量再分配(IVR)与势垒解离两种竞争的解离通道,但在该实验条件下,我们认为是通过分子内振动能量再分配通道发生解离的结果.

碰撞能对H+CH+→C++H2反应立体动力学性质的影响
Influence of collision energy on the stereodynamics of the H+CH+→C++H2 reaction

唐晓平, 周灿华, 和小虎, 于东麒, 杨阳
物理学报. 2017, 66 (2): 023401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.023401
全文: [PDF 4380 KB] 下载:(158)
摘要
采用准经典轨线法计算H(2S)+CH+(X1Σ+)→C+2P)+H2(X1ΣM=g+)反应在其基电子态势能面上的不同碰撞能时的反应截面和立体动力学性质.此外还计算了极化依赖的微分反应截面(2π/σ)(dσ00/dωt)和(2π/σ)(dσ20/dωt).结果表明该反应受到反应物碰撞能影响较大.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

拼接型光栅对压缩器中刻线密度差对输出脉冲的影响及补偿方案
Effect of grating groove density error on the output pulses of the tiled grating compressor and corresponding compensation scheme

赵丹, 王逍, 母杰, 左言磊, 周松, 周凯南, 曾小明, 李志林, 粟敬钦, 朱启华
物理学报. 2017, 66 (2): 024201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024201
全文: [PDF 1101 KB] 下载:(154)
摘要
拼接型光栅对压缩器中子光栅的刻线密度不一致会降低压缩器的品质,补偿刻线密度差的影响对于提高输出脉冲的性能具有十分重要的意义.基于光线追迹的方法建立了理论模型,数值分析了刻线密度差所导致的出射光角度偏移及输出脉冲展宽程度.提出同时用水平角偏误差和纵向错位误差来补偿光栅刻线密度差影响的方案,给出不同刻线密度差时的理论光栅偏转角度和对应的平移距离以及该方案的补偿范围.利用空谱干涉测量方法,验证了该方案在一定范围内可校正出射光的角度偏转,较好地补偿二、三阶色散误差,且实验与理论结果较为符合.本研究可为拼接光栅压缩器的设计与调整提供指导.

基于可调谐二极管激光技术利用小波去噪在2.008 μm波段对δ13CO2的研究(已撤稿)
The research of δ13CO2 by use of wavelet de-noising at 2.008 μm based on tunable diode laser absorption spectroscopy (Retracted Article )

牛明生, 王贵师
物理学报. 2017, 66 (2): 024202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024202
全文: [PDF 422 KB] 下载:(191)
摘要
利用分布反馈式激光器和小型多通池建立了性能稳定的δ13CO2测量系统.基于可调谐二极管激光技术在2.008 μm波段研究了几种常见的小波评价方法、评价能力与适用性,选出最佳小波函数Haar作为小波基进行分层.在最优层上采用VisuShrink阈值函数对δ13CO2测量中的去噪效果和测量精度进行了研究.在相同实验条件下,对去噪前后δ13CO2的测量结果进行了比较,然后从理论上分析了去噪前后测量结果不一致的原因,确定利用小波去噪对测量结果的精确性.结果表明,利用小波去噪对δ13CO2的测量精度比不用小波去噪时提高了7.3倍.

基于全相位谱分析的剪切光束成像目标重构
Sheared-beam imaging target reconstruction based on all-phase spectrum analysis

陈明徕, 罗秀娟, 张羽, 兰富洋, 刘辉, 曹蓓, 夏爱利
物理学报. 2017, 66 (2): 024203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024203
全文: [PDF 639 KB] 下载:(152)
摘要
剪切光束成像技术是一种非传统散斑成像技术,能透过扰动介质对远距离目标进行高分辨率成像.本文提出了一种基于全相位谱分析的图像重构算法,利用全相位谱分析对回波信号数据进行预处理,可有效抑制频谱泄露,校正散斑频谱,消除多种因素引起的频率漂移误差,得到准确的散斑强度和相位差,提高实际成像环境的系统成像能力.仿真结果表明:该图像重构算法有效抑制了频率漂移对成像质量的影响,当信号存在频率误差时,其成像效果大大优于基于传统傅里叶变换谱分析的重构算法.

相位梯度界面对光传播规律的影响
Influence of gradient phased interfaces on the laws of light propagation

肖啸, 谢世伟, 张志友, 杜惊雷
物理学报. 2017, 66 (2): 024204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024204
全文: [PDF 843 KB] 下载:(255)
摘要
在两种介质分界面上引入相位梯度形成相位梯度界面,这将使该界面的出射光和入射光之间产生相移.因此,与普通分界面不同,该界面对光的传播行为有着重大影响.为深入认识梯度相位界面的光学特性,本文研究了光在该类界面上的一般性传播规律.从费马原理出发,采用稳态相位法推导了基于相位梯度界面条件下的二维和三维广义反射和折射定律,该定律表明分界面也会成为影响光传播行为的重要因素,可以作为新的波前调制工具.利用广义反射和折射定律讨论了相位梯度对光传播行为的影响规律,得出了二维和三维情形下的临界条件(全反射和全透射条件),阐明了反射角不等于入射角、异常反射和折射、非平面反射和折射等一些新颖光学现象出现的原因;提出了以相位梯度界面为光学变换核心单元,依据广义反射和折射定律进行光学设计的思路,并以平面透镜和平面轴锥镜为例进行了详细说明与实验验证,实验结果和理论值符合较好,可为拓展广义定律在平面光学设计、自由曲面光学设计以及复杂光束控制中的应用提供参考.

利用相干制备的三能级原子介质实现低噪声弱光相位操控
Low-noise optical field phase-shifting manipulated using a coherently-prepared three-level atomic medium

关佳, 顾翊晟, 朱成杰, 羊亚平
物理学报. 2017, 66 (2): 024205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024205
全文: [PDF 647 KB] 下载:(189)
摘要
我们发现利用相干制备的三能级原子介质可实现低噪声弱光相位操控.基于两波混频效应,相干制备的原子系统在弱光相位操控方面有许多新特性,例如宽频范围内无损常数相位的实现以及无附加相位的吸收与放大等.通过同时锁定抽运光的光强和双光子失谐,我们发现探测光的吸收为零,且探测光的相位对于频率的变化十分缓慢,因而可以通过选择适当的系统参数在很宽的频率范围内实现无损π相位操控.同时,利用该系统我们可以在单光子水平下实现低噪声、无损的量子相位门,这个系统在光通信和信息处理领域有着重要的应用价值.

级联掺Yb增益光纤提高拍频信号信噪比的实验研究
Experimental study on increasing signal-to-noise ratio of a beat note by cascading an Yb-doped fiber in an Er-fiber comb

刘欢, 曹士英, 于洋, 林百科, 方占军
物理学报. 2017, 66 (2): 024206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024206
全文: [PDF 1411 KB] 下载:(190)
摘要
飞秒光学频率梳的出现使对未知激光的绝对频率测量成为可能,极大地简化了激光绝对频率的量值溯源和比对工作.为了保证测量数值的准确性,飞秒光学频率梳与未知激光的拍频信号fb的信噪比要求大于30 dB.针对碘稳频532 nm激光绝对频率测量的特定需求,以532 nm激光的基频光1064 nm激光的绝对频率测量为着眼点,本文采用303 MHz重复频率的掺Er光纤光学频率梳,首先通过激光放大和光谱展宽技术使光谱覆盖到1 μm波段,然后采用级联掺Yb增益光纤技术,将扩谱后1 μm波段的激光功率进行放大,提高了掺Er光纤光学频率梳扩谱后1 μm波长附近的激光强度.采用碘稳频532 nm激光的基频光作为待测光源与飞秒光学频率梳进行拍频.实验表明,与未经过光谱增强的激光相比,光谱增强后的激光与1064 nm激光拍频信号的信噪比提高了5 dB,保持在35 dB附近.该技术有效地缓解了采用掺Er光纤光梳测量1064 nm激光绝对频率时对直接扩谱所获得的1 μm波长激光的强度要求.

少模光纤的不同模式布里渊散射特性
Characterization of Brillouin scattering in a few-mode fiber

张燕君, 高浩雷, 付兴虎, 田永胜
物理学报. 2017, 66 (2): 024207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024207
全文: [PDF 640 KB] 下载:(245)
摘要
少模光纤可以传输有限的正交模式,具有模间干涉小、模式易于控制等优点.基于少模光纤的布里渊散射传感器能够有效地减小多参量测量过程中的交叉敏感,实现多物理量的测量.本文基于波动光学理论对阶跃型少模光纤各个模式布里渊散射谱的频移、线宽、峰值增益等参数进行了分析.首先对少模光纤进行了模式分析,其次分析了少模光纤不同模式的频移、线宽、增益的数学模型,以及不同模式叠加的布里渊散射谱频移、线宽、增益.结果表明:少模光纤各模式布里渊散射谱的频移在10.19–10.23 GHz范围内,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射谱的线宽在32–34 MHz,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射增益谱相对幅度因为模式阶数的减小而增大.少模光纤中各个模式布里渊增益谱和多模式联运布里渊增益谱均符合洛伦兹曲线分布,多模式联运导致布里渊增益谱线宽展宽,且多模式联运布里渊增益谱相对振幅一般小于单个模式的布里渊相对振幅.

第一性原理下铟锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱
First-principles study on the electronic structures and the absorption spectra of In: Mn: LiNbO3 crystals

张耘, 王学维, 柏红梅
物理学报. 2017, 66 (2): 024208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024208
全文: [PDF 468 KB] 下载:(242)
摘要
本文利用第一性原理研究了In:Mn:LiNbO3晶体及对比组的电子结构和光学特性.研究结果显示,掺锰铌酸锂晶体的杂质能级主要由Mn的3d态轨道贡献,在禁带中处于较浅的位置,在价带顶端也有所贡献,晶体带隙较纯铌酸锂晶体变窄;Mn:LiNbO3晶体分别在1.66,2.85 eV等位置形成了吸收峰;掺In的Mn:LiNbO3晶体在1.66 eV附近的吸收明显减弱,掺铟浓度约为阈值(约3 mol%)时在1.66 eV吸收继续减弱,并出现了一些新的光吸收峰.本文提出了1.66 eV的吸收与Mn2+离子相关,因掺铟离子而出现的2.13 eV的吸收与Mn3+离子相关,这两峰随着掺铟离子的增加将出现前者减弱而后者增强的变化,该变化可以用电荷在锰、铟离子间的转移解释;还提出在铟、锰共掺铌酸锂晶体中,若光存储的记录光选择低能段(1.66 eV附近),此时对应记录灵敏度要求较小的掺铟量等观点.

基于领结型多孔光纤的双芯太赫兹偏振分束器
Dual-core terahertz polarization splitter based on porous fibers with near-tie units

汪静丽, 刘洋, 钟凯
物理学报. 2017, 66 (2): 024209      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024209
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摘要
领结型多孔光纤具有高双折射的特性,本文基于此设计了一种新型的双芯太赫兹(THz)偏振分束器,采用调整结构法实现了折射率反转匹配耦合,达到偏振分离.仿真结果表明:该偏振分束器在0.5–2.5 THz频率范围内均可实现偏振分离,最小分离长度仅为0.428 cm,且在整个频率范围内分离长度不超过2.5 cm.在2.3 THz,x,y两偏振模的吸收损耗均小于0.35 dB;消光比高达22.9和19.2 dB.此外,与填充法实现折射率反转匹配耦合的双芯THz偏振分束器进行比较,本文设计的偏振分束器实现简单,运行的频率范围更宽,分离长度更短,吸收损耗更低.

环绕空气孔结构的双模大模场面积多芯光纤的特性分析
Dual-mode large-mode-area multi-core fiber with circularly arranged airhole cores

靳文星, 任国斌, 裴丽, 姜有超, 吴越, 谌亚, 杨宇光, 任文华, 简水生
物理学报. 2017, 66 (2): 024210      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024210
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摘要
将多芯光纤与无芯空气孔结构结合,设计了一种具有大模场面积的十九芯双模光纤结构.该结构由位于中心的5根常规纤芯及环绕其周围的14根空气纤芯按正六边形排布构成,能实现稳定的双模传输,其基模有效模场面积的最小值约为285.10 μm2.系统地分析了影响模式传输特性和模式有效模场面积的结构参数:纤芯间距、相对折射率差和纤芯大小.通过对这三个参数的优化,在双模传输的条件下,增大基模的有效模场面积.此外,具有大模场面积的多芯双模光纤结构具有良好的抗弯曲特性,基模弯曲损耗小于5×10-5dB/m.该结构还具有制作简单、设计灵活等优点,适用于高功率光纤激光器和光纤放大器.

负质量密度声学超材料的反常多普勒效应
Inverse Doppler effect of acoustic metamaterial with negative mass density

刘松, 罗春荣, 翟世龙, 陈怀军, 赵晓鹏
物理学报. 2017, 66 (2): 024301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024301
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摘要
能够按照人们的意愿控制声波的传播一直是研究者们想要解决的问题.一类由人工微结构组成的声学超材料吸引了研究者的注意,因为它具有许多天然材料所不能实现的奇特性质,例如负折射、平板聚焦和反常多普勒等.本文中,我们制备了一种二维的负质量密度声学超材料,在频率1560–5580 Hz范围内质量密度为负值,折射率在1500–5480 Hz范围内为负值,设计了一种测量多普勒效应的测试装置,测试了其在1200–6500 Hz内的多普勒效应.实验结果表明:在所制备的声学超材料负折射区域内,以声源的频率为2000 Hz为例,当声源靠近探测器时,探测器探测到的频率为1999.27 Hz,与声源相比有0.73 Hz的减小;而当声源远离探测器时,探测器探测到的频率为2000.68 Hz,与声源相比有0.68 Hz的增大,即在频率点为2000 Hz时,有明显的反常多普勒现象.对整个负区域内进行选点测量,发现在整个负区域内有宽频带的反常多普勒效应现象.

极化状态与方向对单轴压缩下Pb(Zr0.95Ti0.05)O3铁电陶瓷畴变与相变行为的影响
Effects of poling state and direction on domain switching and phase transformation of Pb(Zr0.95Ti0.05)O3 ferroelectric ceramics under uniaxial compression

蒋招绣, 王永刚, 聂恒昌, 刘雨生
物理学报. 2017, 66 (2): 024601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024601
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摘要
利用数字图像相关性分析方法发展了全场应变光学测量技术,并原位实时测量了准静态单轴压缩下铁电PZT95/5陶瓷试件的轴向应变和横向应变.基于轴向应变、横向应变随着轴向应力的变化关系,讨论了极化状态和极化方向对PZT95/5铁电陶瓷的畴变与相变行为的影响.实验结果显示:单轴压缩下,未极化和Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷都会发生畴变,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则不发生畴变;畴变促使Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷的轴向应变和横向应变同时快速地增长,而对未极化PZT95/5铁电陶瓷的应变增长的影响非常微弱,这种差异性归因于电畴极轴不同的取向分布特征;通过应变分解分析,验证了畴变与相变过程是解耦的,并界定了畴变应变和相变应变的影响范围;与Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷相比,未极化PZT95/5铁电陶瓷的相变开始临界应力和相变结束应力减小,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则明显增大,由此推论畴变对相变有一定促进作用.基于放电特性的实测结果,还讨论了极化方向对极化PZT95/5铁电陶瓷去极化机理的影响.实验结果显示:Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷去极化机理是畴变和相变的共同作用,其中畴变占主导地位,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷的去极化机理仅是相变.

超声速湍流边界层密度场特性
Experimental study on the density characteristics of a supersonic turbulent boundary layer

何霖, 易仕和, 陆小革
物理学报. 2017, 66 (2): 024701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024701
全文: [PDF 794 KB] 下载:(172)
摘要
本文采用基于纳米示踪平面激光散射技术的密度场测量方法,对Ma=3.0零压力梯度平板湍流边界层的密度场特性进行了实验研究,分析了边界层密度场的平均特性和脉动特性,并利用泰勒假设将空间信号转换为时域信号,对密度脉动的频谱特性进行了分析.研究发现,随着高度增加,边界层平均密度逐渐增大,但密度脉动仅在对数区内逐渐增大,在边界层外层却逐渐减小.密度脉动的概率密度函数在对数区内呈正态分布.从频谱特性可以发现,湍流边界层内部密度脉动具有丰富的脉动频率,最高达到MHz量级;在边界层近壁区和外层,密度脉动以低频分量为主;在对数区,高频分量与低频分量所占的比例基本相同.结合速度和密度同时测量发现,密度脉动与质量流量脉动在概率密度分布和频谱特性方面具有非常好的一致性,但与速度脉动相关性不大.超声速湍流边界层内部强烈密度脉动,及其与速度脉动的明显差别,是可压缩湍流边界层与不可压湍流边界层的显著区别之一.

双液滴同时垂直撞击壁面的数值研究
Simulation investigation of two droplets vertically impacting on solid surface simultaneously

高亚军, 姜汉桥, 李俊键, 赵玉云, 胡锦川, 常元昊
物理学报. 2017, 66 (2): 024702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024702
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摘要
采用质量守恒的level set方法对双液滴同时垂直撞击干壁面后的流动过程进行了模拟研究,主要讨论了韦伯数(We)、壁面接触角(θ)以及双液滴水平间距(S)等物理参数对相界面流动过程的影响,分析了不同参数下射流高度和水平铺展半长随时间的变化规律.研究表明:We数较大时,中心射流液柱将产生二次液滴,随后液柱反弹至空中,且We数越大,中心射流产生的二次液滴次数越多,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越大;随壁面接触角的增大,中心射流液柱出现反弹现象,水平铺展液流出现断裂的时间越早,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越小;最大无量纲射流高度值与液滴水平间距的相关性不单调,铺展半长随水平间距的增大而增大.
气体、等离子体和放电物理

螺旋波等离子体放电三维直接数值模拟
Three-dimensional direct numerical simulation of helicon discharge

杨雄, 程谋森, 王墨戈, 李小康
物理学报. 2017, 66 (2): 025201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.025201
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摘要
在详细考虑电化学反应和粒子碰撞关系的基础上,建立了螺旋波放电三维直接数值计算模型,舍弃以往模型小扰动假设,对Maxwell方程组直接求解以计算电磁场能量沉积份额,扩展了螺旋波等离子体计算模型的精度和适用范围.以Ar为工质气体的仿真结果显示:密度跃升效应和电子温度与放电压力的关系与Toki等和Chen的实验结果符合较好;与经典鞘层理论对比,在粒子数密度、德拜长度、电势以及电子温度的分布上取得高度一致,验证了模型的有效性和精度.利用本文模型研究了低场螺旋波放电过程中的磁场峰值现象,验证了放电室端面的波干涉机理,并发现波干涉的本质是螺旋波分量与其端面回波叠加形成的驻波.

多能复合谱电子束与X射线能量沉积剖面的等效性
Equivalence of energy deposition profile in target between electron beam of multi-energy composite spectrum and X-ray

刘学, 冉宪文, 徐志宏, 汤文辉
物理学报. 2017, 66 (2): 025202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.025202
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摘要
以模拟等效核爆X射线热-力学效应为目标,从能量沉积剖面着手,对给定多能复合谱电子束的入射角度进行了设计计算.给出了不同靶材、不同温度黑体谱X射线的等效设计计算结果.对比表明,该设计方法适用于多种靶材、多种目标X射线的等效设计,并且设计后的电子束能够提高模拟目标X射线的热-力学效应的逼真度.

大气压介质阻挡辉光放电脉冲的阴极位降区特性及其影响因素的数值仿真
Simulations of the cathode falling characteristics and its influence factors in atmospheric pressure dielectric barrier glow discharge pulse

姚聪伟, 马恒驰, 常正实, 李平, 穆海宝, 张冠军
物理学报. 2017, 66 (2): 025203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.025203
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摘要
大气压介质阻挡放电常用于产生低温等离子体,其放电特性已成为当前的研究热点.本文针对大气压氦气介质阻挡放电结构建立了流体数值仿真模型,研究其辉光放电脉冲特性.从发光结构、粒子分布和电场分布等方面说明了该类型放电辉光结构的时空演化过程;分别从电子增长率和电场强度分布两个角度比较和分析了该类型放电中阴极位降区范围的定义,并探讨了发光最强点位置与阴极位降区边界的关系,认为利用电场强度分布来定义该类型放电的阴极位降区范围更加合理,且在电流下降沿内,光强最强点始终处于阴极位降区内部.研究了外施电压、阻挡介质二次电子发射系数γ和N2含量对间隙电压、电流密度和阴极位降区特性等的影响规律.发现:在二次电子发射系数γ不变时,阴极位降区宽度与电流密度具有负线性相关关系;利用阴极位降区的伏安特性证明了该类型放电属于亚辉光放电靠近正常辉光放电的部分;主要考虑N2与He的Penning效应时,电流密度和带电粒子密度在一定N2含量下具有最大值等.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

辐照导致硼硅酸盐玻璃机械性能变化
Irradiation-induced modifications in the mechanical properties of borosilicate glass

王铁山, 张多飞, 陈亮, 律鹏, 杜鑫, 袁伟, 杨迪
物理学报. 2017, 66 (2): 026101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.026101
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摘要

为了模拟研究高放废物玻璃固化体在处置过程中因辐照导致的机械性能变化,本文采用5 MeV Xe离子和1.2 MeV电子辐照硼硅酸盐玻璃,利用纳米压痕技术表征了辐照前后样品的硬度和模量,并利用傅里叶变换衰减全反射红外光谱测试,研究了辐照导致玻璃机械性能变化的微观机理.结果表明:当能量沉积达到6.6×1021 keV/cm3时,Xe离子辐照样品的硬度和模量下降都达到饱和,其中硬度下降约24%,模量下降约7.4%;电子辐照后样品的硬度和模量也有轻微下降,但在实验所用剂量范围内硬度和模量下降未出现饱和现象,当吸收剂量达到最大值(1×109 Gy)时,硬度和模量分别下降约4.7%和2.9%.分析表明:Xe离子辐照后样品的恢复阻力增大,韧性提高,整体机械性能提升,而电子辐照后样品的机械性能无明显变化.研究结果证明了离子辐照导致玻璃机械性能变化的主要因素是离子在样品中的核能量沉积.

基于固溶体短程序结构的团簇式合金成分设计方法
A cluster-formula composition design approach based on the local short-range order in solid solution structure

姜贝贝, 王清, 董闯
物理学报. 2017, 66 (2): 026102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.026102
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摘要

合金成分设计对于研发高性能复杂合金材料至关重要,是实现新材料研发由经验指导实验的传统模式向理论预测、实验验证的新模式转变的关键环节.总结了合金研发中常用设计方法的应用领域及存在的局限性,包括Hume-Rothery规则、电子理论、当量法、计算机模拟等.详细介绍了我们提出的基于固溶体局域短程序结构的团簇成分式设计方法.该方法建立在团簇加连接原子稳定固溶体结构模型基础上,其在不同复杂合金体系中的成功应用表明了该方法的普适性,为多元复杂合金成分设计提供了一种简单、精确的途径.

质子束辐照单层石墨烯的损伤效应
Damage effects of proton beam irradiation on single layer graphene

张宁, 张鑫, 杨爱香, 把得东, 冯展祖, 陈益峰, 邵剑雄, 陈熙萌
物理学报. 2017, 66 (2): 026103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.026103
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摘要

基于石墨烯优异的电学性能,其已被广泛应用于许多工业领域.但由于其带隙为零,一定程度上限制了在电子器件方面更进一步的应用.为了通过离子辐照在石墨烯中引入缺陷并打开带隙,本工作研究了能量为750 keV,1 MeV的质子束对硅衬底单层石墨烯的辐照损伤效应.通过对比辐照前后的石墨烯样品的拉曼光谱发现:ID/IG随着入射质子能损的增大而增大,与SRIM程序模拟结果趋势一致;缺陷间平均距离LD随入射质子能量的增大而增大;缺陷密度nD随入射质子能量的增大而减小.这表明质子在石墨烯中的损伤效应与三维材料相似.

Rh(111)表面NO分子对多层膜的原子结构
Structure of NO dimer multilayer on Rh(111)

汪辰超, 吴太权, 王新燕, 江影
物理学报. 2017, 66 (2): 026301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.026301
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摘要

利用第一性原理研究了NO分子对[(NO)2]分子链、分子单层膜,Rh(111)表面上的(NO)2分子单层膜和多层膜的原子结构.(NO)2分子单体在虚拟Rh(111)表面自组装成两个稳定的分子链,(NO)2分子平行有序排列,氧原子和氮原子都呈现(100)和(111)结构.在虚拟Rh(111)-(1×√3)上,1.00 ML(molecular layer)覆盖度时,(NO)2分子自组装成两个稳定的分子单层膜(M1和M2),分子膜M1中N–N键与衬底的夹角为70°–90°;分子膜M2中N–N键平行衬底.在M2/Rh(111)中,(NO)2分子可吸附于顶位、fcc空心位和hcp空心位,通过电荷转移可解释两个空心位的稳定性强于顶位.Rh(111)表面(NO)2分子多层膜系统中,(NO)2分子垂直吸附于两个空心位,第一层是分子膜M2,N–N键平行于衬底,第二层及以上都是分子膜M1,N–N键与衬底夹角为70°–90°,分子膜真空层为0.31 nm±0.02 nm.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

金属价电子结构对磁性和电输运性质的影响 Hot!
Dependences of valence electronic structure on magnetic moment and electrical resistivity of metals

齐伟华, 马丽, 李壮志, 唐贵德, 吴光恒
物理学报. 2017, 66 (2): 027101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027101
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摘要

本文以原子物理学中电子按能级分布理论为基础,提出一个关于金属磁性的新的巡游电子模型:在形成金属的过程中由于受到电子间泡利排斥力的作用,Fe,Ni,Co原子的大部分4s电子进入3d轨道,只有一少部分4s电子成为自由电子;最外层3d轨道的电子有一定概率在离子实间巡游,形成巡游电子;其余的3d电子为局域电子.因此,由Fe,Ni,Co金属的平均原子磁矩实验值2.22,0.62和1.72 μB,计算出Fe,Ni,Co金属中平均每个原子贡献的自由电子数目为0.22,0.62和0.72,从而解释了为什么Fe,Ni,Co金属的电阻率依次减小.应用这个模型计算出的平均每个原子的3d电子数为7.78,9.38和8.28,与金属能带论计算结果(7.4,9.4和8.3)比较接近,但是本文的方法更加简单、有效,易于理解.这为进一步澄清金属与合金的价电子结构提供了新思路.

时效Ag-7wt.%Cu合金的微观组织、电阻率和硬度
Microstructure, resistivity, and hardness of aged Ag-7wt.%Cu alloy

李蕊, 左小伟, 王恩刚
物理学报. 2017, 66 (2): 027401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027401
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摘要

采用差示扫描量热法、X射线衍射及透射电子显微镜研究了固溶和固溶-冷轧Ag-7wt.% Cu合金在时效过程中富Cu相的析出动力学和形貌特征,同时结合电阻率和显微硬度的测量,定量对比了固溶和固溶-冷轧Ag-7wt.% Cu合金时效过程中富Cu相对电阻率和硬度的影响及其机理.研究结果表明:固溶样品中富Cu相反应温度为300 °C–350 °C,析出激活能为(111±1.6)kJ/mol;而固溶-冷轧样品中由于形变能的存在,富Cu相温度降低为290 °C–330 °C,析出激活能升高为(128±12)kJ/mol.XRD结果证实富Cu相的析出过程与时效温度有关.固溶和固溶-冷轧合金在450 °C时效后均能观察到球状的富Cu相,富Cu相的析出和溶解过程对电阻率和显微硬度有显著影响.当时效温度低于450 °C时,随时效温度的提高,固溶-时效样品的电阻率降低,显微硬度增加;而固溶-冷轧-时效样品的电阻率和显微硬度均逐渐降低.显微硬度除了受富Cu相的影响外,还受到位错和形变孪晶的影响.当时效温度高于450 °C时,两种样品的电阻率增大,而显微硬度降低.

Ag缓冲层对ZnO:Al薄膜结构与光电性能的改善
Structural and photoelectrical properties of AZO thin films improved by Ag buffer layers

程静云, 康朝阳, 宗海涛, 曹国华, 李明
物理学报. 2017, 66 (2): 027702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027702
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摘要

在室温条件下,采用射频磁控溅射法在玻璃基底上制备出了一系列高质量的AZO薄膜和不同Ag缓冲层厚度的AZO/Ag/AZO复合薄膜.利用X射线衍射和原子力显微镜分别对薄膜的物相和表面形貌进行了表征;利用霍尔效应测试仪和紫外-可见光分光光度计等实验技术对薄膜的光电性能进行了研究.实验结果表明,Ag缓冲层厚度对AZO薄膜的晶体结构和光电性能影响较大.当Ag层厚度为10 nm时,AZO(30 nm)/Ag(10 nm)/AZO(30 nm)薄膜拥有最优品质因子,为1.59× 10-1Ω-1,方块电阻为0.75Ω/□,可见光区平均透过率为84.2%.另外,薄膜电阻随温度的变化趋势呈现金属电阻随温度的变化特性,光电热稳定性较好.

压电材料全矩阵材料常数超声谐振谱反演技术中的变温模式识别
Mode identification via temperature variation in resonant ultrasonic spectroscopy technique for piezoelectric material

汤立国
物理学报. 2017, 66 (2): 027703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.027703
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摘要

利用传统的超声脉冲-回波与电谐振技术定征压电材料全矩阵材料参数,必须采用多块尺寸差异显著的样品,故很可能导致定征结果不自洽.超声谐振谱(RUS)技术仅需一块样品即可对压电材料全矩阵材料参数进行定征,故可确保定征结果的自洽.由于实际测量谐振谱中模式混叠与遗漏现象不可避免,使得谐振谱中谐振模式的准确识别成为RUS技术顺利实施的最大难点.本文提出一种谐振模式的变温识别技术.温度变化可导致压电体材料参数发生变化,材料参数的改变可影响各谐振模式的振动频率,且对不同谐振模式影响不一致,因此改变测量环境温度,有可能使得所测量超声谐振谱中某些原本混叠的模式分开或使得某些原本遗漏的模式出现.压电陶瓷(PZT-8)的实验结果表明,该技术可有效提高谐振谱中谐振模式识别准确率,从而保证了RUS反演的可靠性.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟
Study of three-dimensional nonlinear backward-wave interaction model and numerical simulation for helical traveling wave tube

胡玉禄, 胡权, 朱小芳, 李斌, 邱海舰, 高鸾凤
物理学报. 2017, 66 (2): 028401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.028401
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摘要
建立了三维非线性返波互作用模型,用于精确分析大功率螺旋线行波管中返波振荡非线性过程问题,并提出了计算返波振荡功率的方法及磁场抑制手段.该理论模型包括三维线路场方程、三维运动方程以及三维空间电荷场.首先比较三维模型与原有一维模型之间的差异,发现一维空间电荷场的径向交流电流分布模型与三维模型的差异是导致振荡频率偏大及起振长度缩短的主要原因.然后计算返波饱和输出功率大小并揭示返波饱和功率和振荡频率与互作用长度的关系,并探讨了磁场对返波振荡的抑制影响.最后以某一毫米波行波管为例,实验对比了一维与三维模型计算的振荡频率与热测的差异,其中三维模型的相对误差小于4.8%.

度相关性对无向网络可控性的影响
Effect of degree correlations on controllability of undirected networks

徐明, 许传云, 曹克非
物理学报. 2017, 66 (2): 028901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.028901
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摘要
复杂网络的可控性不仅与网络的度分布有关,还受到度相关性的影响,但这种影响在无向网络的情况下尚不清楚.本文采用模拟退火算法,通过边的重连改变网络的度相关性从而研究其对网络可控性的影响.数值模拟结果显示,在度分布不变的情况下,无向网络的可控性指标(驱动节点密度)一般随着度相关系数的增大而单调减小;进一步研究表明,双向网络和某些有向网络也遵循这种规律.无向网络的度相关系数增大意味着对应有向网络的各种度相关系数同步增大,但这些综合变化对网络可控性的影响不能简单归结为对应有向网络中各影响的叠加.本文对这种现象给出了部分解释.此外,对于无自环的大型稀疏网络,无论其同配还是异配,验证了其结构可控性与严格可控性是几乎相同的.这些研究将深化对网络可控性与网络结构之间关系的理解.

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