Vol. 66, No. 15 (2017)
2017年08月05日
总论
2017, 66 (15): 150201.
doi: 10.7498/aps.66.150201
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DNA超分子水凝胶在生物、医学领域具有广阔的应用前景，基于计算模拟技术研究其分子结构与其宏观性能关系具有重要意义.归因于其复杂的结构和较大的相关时间空间尺度，目前针对DNA水凝胶的分子建模与模拟研究比较缺乏.本文建立了一种DNA水凝胶的粗粒化模型，采用分子动力学模拟的方法针对一种模块化纯DNA水凝胶进行了研究.模拟结果表明其凝胶态介观结构为多孔海绵状，其交联度与水凝胶的浓度成正相关，并得出了其转变温度的范围等.模拟结果与相关实验定性或半定量符合，表明该模型可能用于该模块化DNA水凝胶等类似系统的结构功能关系研究.
2017, 66 (15): 150202.
doi: 10.7498/aps.66.150202
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具有特殊催化、磁性和化学活性的三元合金团簇已成为基础科学研究的热点问题.确定其稳定结构是研究团簇性质的重要前提.针对大尺寸Cu-Au-Pd团簇结构优化，提出了内核构建的方法改进了自适应免疫优化算法的效率（称为AIOA-IC算法）.采用基于紧束缚势二阶矩近似的多体Gupta势函数来描述三元合金团簇原子间相互作用.为测试算法效率优化了原子数为60的Ag-Pd-Pt团簇稳定结构.结果显示新得到的结构比文献报道的团簇结构势能量值更低，由此可知AIOA-IC算法具有更强的势能面搜索能力.运用该算法研究了38及55原子Cu-Au-Pd团簇的稳定结构.所研究的38原子Cu-Au-Pd团簇包含了五折叠、六折叠和截角八面体结构，并且原子成分比例影响了团簇的结构类型.而55原子Cu-Au-Pd团簇均为完整二十面体结构，序列参数显示Cu，Au和Pd原子分层现象明显.对于147原子Cu12Au93Pd42团簇完整二十面体结构，中心原子为Au，内层和次外层分别被12个Cu原子和42个Pd原子占据，最外层则被92个Au原子占满.通过原子半径及表面能分析了Cu，Pd和Au原子分别倾向于分布在内层、次外层和最外层的规律.
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2017, 66 (15): 150601.
doi: 10.7498/aps.66.150601
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采用常规透镜设计了适用于非真空环境中交叉偏振波（XPW）产生的双透镜聚焦系统，在相对较短的距离实现了长焦透镜聚焦的效果，并测量了聚焦后的激光脉冲，发现其没有显著的非线性相位积累，保证了激光光束质量.在非真空中采用双BaF2晶体得到了XPW系统转换效率22%，光谱1.78倍展宽的净化脉冲输出，双透镜组合聚焦形式使得双BaF2晶体间距在1322 cm内可保证20%以上的XPW转换效率，双晶体间距的调节冗余度提高了两个量级，极大地降低了双晶转换效率对晶体间距的依赖.这种正负透镜组合聚焦的光路设计在非真空中实现了高效稳定的XPW输出，为后续的放大应用提供了高对比度、宽光谱的高质量种子源.
2017, 66 (15): 150701.
doi: 10.7498/aps.66.150701
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制冷型红外探测器f数由冷阑尺寸和位置决定，在冷阑附近加温阑可以改变探测器f数，但是会引入大量杂散辐射.为解决这一问题，提出一种基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计方法.建立了温阑红外辐射模型，分析普通平面温阑引入的杂散辐射及其对探测器性能的影响.在此基础上提出球面反射温阑的设计方法，通过改变表面形状和发射特性，降低温阑引入的杂散辐射，以保证探测器变f数后的性能.为验证本文方法，设计球面反射温阑和普通平面温阑改变某制冷型探测器f数，在高低温试验箱内进行辐射定标实验测量两种温阑引入的杂散辐射，比较二者对探测器的影响.分析和实验结果表明，球面反射温阑引入的杂散辐射远小于普通平面温阑，引入的噪声等效温差也较小，能够更好地保证红外系统的成像性能.
2017, 66 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.66.150301
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以马赫-曾德尔干涉仪作为基本模型对量子干涉雷达的探测原理进行分析，讨论了目标探测过程中光场量子态的具体演化情况，并采用宇称算符作为相位检测算符分析了量子干涉雷达的回波信号，将其与基于振幅检测的经典雷达回波信号进行比较，证明量子干涉雷达具有超越衍射极限的超分辨率特性.此外，针对大气损耗的进一步研究显示：量子干涉雷达分辨率受大气损耗影响较小，且可通过增大脉冲光子数N克服其影响；而量子干涉雷达的灵敏度则受到较大影响，尤其当两路光的损耗情况不同时，灵敏度随N的增加呈现先升高后降低的趋势；当两路光损耗情况相同时，系统灵敏度随N的增加而升高且正比于1/N.综上，可根据探测光的大气损耗情况适当调节参考光的衰减来克服大气损耗带来的不良影响.
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2017, 66 (15): 150302.
doi: 10.7498/aps.66.150302
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随着量子信息与量子计算科学的发展，量子信息处理器被广泛地用于量子计算、量子模拟、量子度量等方面的研究.为了能在实验上实现这些日益复杂的方案，将量子计算机的潜能转化成现实，需要不断提高可操控的量子体系比特位数，实现更复杂的量子操控.核磁共振自旋体系作为一个优秀的量子实验测试平台，提供了丰富而又精密的量子操控手段.近几年来在此平台上进行了不少的多量子比特实验，发展并积累了一系列的多量子比特实验技术.本文首先阐述了核磁共振体系多量子比特实验中的实验困难，然后结合7量子比特标记赝纯态制备以及其他有关实验，对多比特实验过程中应用到的实验技术进行介绍.最后对核磁共振体系多量子比特实验技术方向的进一步研究进行了总结和展望.
原子和分子物理学
2017, 66 (15): 153201.
doi: 10.7498/aps.66.153201
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X射线自由电子激光与物质相互作用时出现了X射线透明现象，研究X射线透明现象的产生机制对理解X射线自由电子激光与物质相互作用过程具有重要参考价值.本文基于FAC（Flexible Atomic Code）程序计算的氖原子（离子）对2000 eV X射线的光电离截面和俄歇衰变速率，确定了不同通量密度下氖原子的主要电离方式；通过建立和解速率方程，得到了确定的电离方式中氖元素各电子组态数目比例随时间变化的公式，计算了氖原子在通量密度为2000和10000 -2fs-1、持续时间为20 fs、光子能量为2000 eV的X射线激光照射下，任意时刻各主要电子组态的原子数目比例和总的氖原子平均光电离截面.建立了价电子完整的空心原子的数目比例随通量密度和曝光时间变化的公式.发现裸核和空心原子都会导致X射线透明，且选择恰当的通量密度和脉冲持续时间可以使价电子完整的空心原子数目比例达到极高.
2017, 66 (15): 153101.
doi: 10.7498/aps.66.153101
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基于近期发展的经典-量子混合模拟非绝热分子动力学的量子路径方案，本文对5个典型势能面模型进行了模拟，包括单交叉模型、双交叉模型、拓展耦合模型、哑铃模型以及双弓模型.由于难以在严格意义上得到退相干速率，数值模拟中，我们比较了三个不同的退相干速率公式，包括冻结高斯波包近似退相干速率、能量分辨速率以及力分辨速率.在模拟过程中，我们恰当地处理了势能面跳跃时的能量守恒和力的反向问题.通过与全量子动力学模拟的精确结果进行对比发现，对于结构较简单的势能面模型，三种退相干速率都能得到较好的结果；然而对于较复杂的势能面模型，由于复杂量子干涉的原因，与其他混合经典-量子动力学方案类似，量子路径方案仍然难以得到较准确的结果.如何发展更加有效的混合经典-量子模拟方案，是未来研究的重要课题.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2017, 66 (15): 154101.
doi: 10.7498/aps.66.154101
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报道了在北京大学新建成的5 Hz 200 TW飞秒激光加速器实验装置上利用68 TW（1.7 J，25 fs）的激光与混合气体（99% He掺杂1% N2）进行激光电子加速的初步实验结果与理论分析.在实验中观测到了最大截止能量为290 MeV的连续电子能谱，并且最大输出能量在一定的聚焦范围内基本不变.二维particle-in-cell模拟表明：电离注入导致电子不断注入，使得纵向相空间在激光传播几个毫米后基本被电子填满；之后相空间中电子分布基本保持稳定，随着激光传播距离的增加，输出电子最大能量几乎不变，这与实验观察到的最大输出能量随激光聚焦位置在一定范围内不变的现象一致.实验与模拟结果揭示了在当前实验条件下连续电离注入对电子束品质的影响，为今后进一步优化电离注入电子品质提供了依据.
2017, 66 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.66.154202
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提出了一种基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像方法，由干涉光谱计算样品相邻两点的相位差，得到样品表面相位差分图，经过积分，重建样品表面形貌的定量分布.当相邻两点相位差的绝对值小于，不产生相位包裹，避免了目前的干涉法相位解包裹存在的问题，将干涉法相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的扩大到2，提高了干涉法表面形貌成像的适用范围.参考面和样品置于同一平台之上，消除环境干扰及系统振动的影响，噪声幅度小于0.3 nm.通过对光学分辨率片及表面粗糙度标准样板的表面形貌成像，对本方法进行了验证，系统的轴向分辨率优于1 nm.
2017, 66 (15): 154203.
doi: 10.7498/aps.66.154203
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讨论了理想和非理想情况下耦合腔阵列中两个最邻近的腔与-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性.运用准玻色子方法，精确地解出了开放系统中单光子的透射率.-型三能级原子与耦合腔阵列非局域耦合系统具有更多的优点，如：该系统比其他系统调控光子传输特性的可调控参数更多；单光子在该系统中传输的透射谱有三个透射峰.此外，该系统还具有自身的特点，当拉比频率取值给定之后，改变原子与其中一个腔的耦合强度时，光子的透射谱有一个透射率始终为1的定点，该点对应的光子频率为c-.在非理想情况下，系统耗散对光子的透射谱有着很大的影响.当只考虑原子耗散时，耗散使得光子透射谱的谷值增大，而峰值不变；当只考虑腔场耗散时，光子透射谱的峰值减小，而谷值不变.另外，随着腔场耗散率和腔的个数的增多，光子透射谱的峰值逐渐减小，但谷值始终不变.对比原子耗散和腔场耗散的情况可以发现，原子耗散使得光子不能被完全反射，而腔场耗散使得光子不能被完全透射.当同时考虑原子和腔场耗散时，光子透射谱谷值的大小不但会受原子耗散率大小的影响，也受腔场耗散率大小的影响，随着腔场耗散率的增大，谷值反而减小；而光子透射谱的峰值始终只受腔场耗散率大小和腔的个数的影响，与原子耗散率取值的大小无关.
2017, 66 (15): 154204.
doi: 10.7498/aps.66.154204
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用提拉法生长了（1.5 at.%）Nd3+：Y3Sc2Al3O12（YSAG）激光晶体，摇摆曲线表明晶体结晶质量优良.测量了该晶体的吸收和发光光谱，表明其适合成熟的808 nm激光二极管（LD）抽运，其4F3/24I11/2跃迁最强发射波长为1059 nm，发射截面为1.0310-19 cm2，同时其激光上能级寿命为253 s，表明Nd：YSAG具有和Nd：YAG相近的效率，但其激光上能级寿命比Nd：YAG长约20 s.以LD抽运2 mm2 mm6 mm Nd：YSAG激光棒，激光阈值为0.85 W，最高输出功率为1.1 W，激光斜效率为21.1%，光-光转化效率为18.3%.综合表明Nd：YSAG单晶作为激光性能优良的全固态激光材料，更适合全固态调Q激光输出.
2017, 66 (15): 154205.
doi: 10.7498/aps.66.154205
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本文提出了染料掺杂液晶填充空心光纤构造荧光可调谐光源.基于染料分子能级结构理论分析B4400荧光光谱依赖温度的变化特性，采用脉宽8 ns，波长为532 nm YAG倍频脉冲激光器抽运，向列相液晶作基体，实验分析染料B4400掺杂液晶填充空心光纤荧光光谱选择性荧光放大规律及温度调谐特性.结果表明：通过控制染料浓度可控制荧光输出功率水平；当温度升高时，中心波长发生红移，中心波长调谐范围为590605 nm；荧光谱宽呈单调展宽，调制范围为228236 nm；染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光源可实现一定范围内的温度调谐.
2017, 66 (15): 154301.
doi: 10.7498/aps.66.154301
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以T矩阵理论、Gamma谱分布为理论基础，基于Pruppacher-Beard降雨粒子模型，对OTT雨滴谱仪的Gamma谱参数历史资料与降雨强度值进行非线性拟合得到具有实地谱分布的幂律系数，建立适合于本地区的雨衰模型，提出了基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法，分析了温度对模型幂律系数的影响，并开展了1520 GHz频段的视距微波链路与地面雨滴谱仪的同步观测降雨实验.实验结果表明：反演雨强的相关系数全部高于0.6，最高达到了0.96，RMSE最小值为0.79，累积降雨量的绝对偏差在2.47 mm以内，最小偏差仅为0.28 mm，相对误差低于1.84%.实验结果验证了基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法的有效性、准确性和适用性，对于进一步提高微波链路反演降雨精度、改善降水监测效果具有重要意义.
2017, 66 (15): 154302.
doi: 10.7498/aps.66.154302
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研究基于热声相控阵列的宽频带声聚焦效应.设计新型热声相位控制单元，通过改变单元的空气温度控制声波波速，实现声波透射与反射相位延迟覆盖2区间.设计四种不同类型的热声相控阵列聚焦透镜，采用8种或2种热声相位控制单元分别实现了透射与反射声聚焦效应.与其他类型的声聚焦透镜相比，热声相控阵列聚焦透镜具有宽频带、高聚焦性能、设计方案简单等优点.
2017, 66 (15): 154303.
doi: 10.7498/aps.66.154303
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为了实现一定频段内任意低频下在长骨中激励导波信号，本文提出一种采用聚焦高频（5 MHz）超声换能器在长骨皮质骨中激发低频（150 kHz）超声导波的振动声方法.首先介绍了板状超声导波理论和双声束共聚焦法与单声束调幅法激发振动声的基本原理；进而采用三维有限元仿真方法分析振动声激发低频超声导波的基本现象，然后结合牛胫骨板离体实验，验证振动声激发低频超声导波的可行性.结果均表明，双声束共焦与单声束振动超声均可在骨板中激发低频超声导波.相关研究方法有助于提高空间域长骨中超声导波测量精度，以及在一定频段内实现任意频率激励等，对发展低频超声导波在体测量长骨皮质骨的新技术具有一定的指导意义.
2017, 66 (15): 154501.
doi: 10.7498/aps.66.154501
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目前对于任意形状的柔性体接触碰撞问题，一般采用有限元离散，通用的建模方法有两类：罚函数法和附加约束法.罚函数法将接触作用视为弹簧阻尼力元，无需求解约束方程，但依赖于碰撞力参数的选取；附加约束法可严格满足接触约束条件，但数值求解更为复杂.针对两类接触模型各自的优缺点，提出基于交互模式的建模方法.该方法将整个模型分为局部静力学模块和主体动力学模块，在每个积分步内，局部静力学模块求解接触力，主体动力学模块求解运动学变量，两个模型之间进行位移和力的交互.该方法综合了附加约束法和罚函数法各自的优点，既无需人为选取碰撞参数，又满足局部区域互不嵌入的约束条件，同时数值求解方便.通过杆-板碰撞的实验算例及滑块-滑槽多点碰撞的数值算例，验证了该方法的有效性.
2017, 66 (15): 154201.
doi: 10.7498/aps.66.154201
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为了在天基远距离条件下反演三轴稳定空间目标表面的光学特性参数，提出了基于可见光时序光度信号分析的光学特性宏观表征模型的反演重构方法.首先，综合考虑空间目标的结构特性、表面材料特性、帆板的对日指向运动特性、光照观测几何以及光学系统特性，完善了面向在轨观测的空间目标可见光时序光度建模方法；其次，将光度模型等效为双面模型，并利用双向反射分布函数（BRDF）的多级融合模型表征复杂材料表面的光学反射特性，将BRDF对应的面积反射率乘积作为待反演参数；最后，以时序光度信号的测量值与模型值之间的差异最小为优化目标，建立线性优化方法，实现模型参数的反演.仿真实验表明，提出的模型在轨重构方法对于近轨观测条件下的本体、帆板信号的重构精度达到97%以上，验证了方法的正确性.
2017, 66 (15): 154502.
doi: 10.7498/aps.66.154502
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为了更好地理解颗粒间接触结构的变化对通过颗粒介质中的声波的影响，本文利用单轴压缩实验，通过一系列增加的轴向压力使样品塑性应变不断增大，这在颗粒尺度上对应于颗粒间接触结构的改变.我们测量了此过程中通过颗粒样品的声波变化，结果表明颗粒体系内接触结构的变化对声波波形中的非相干波部分和频率有明显的影响，并且在样品接触结构变化的初始阶段声速是偏离有效介质理论的预测的.
气体、等离子体和放电物理
2017, 66 (15): 155201.
doi: 10.7498/aps.66.155201
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建立了计算69.8 nm激光增益系数的理论模型，根据实验参数，计算了在主脉冲电流为12 kA时，69.8 nm激光增益系数最大值为0.32 cm-1.理论模拟了不同初始气压下增益系数在毛细管径向上的分布情况.对理论结果的分析表明，最佳的初始气压在1214 Pa范围内，此时69.8 nm激光增益系数的极值最大.实验上，利用毛细管放电装置和罗兰光谱仪，测量了不同气压下的69.8 nm激光强度，实验确定的最佳气压为16 Pa，与理论结果相近.此外，实验测量的增益系数（0.4 cm-1）略高于理论计算的增益系数（0.32 cm-1）.
2017, 66 (15): 155202.
doi: 10.7498/aps.66.155202
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通过脉冲放电方式产生三维螺旋形的等离子体放电通道，在高速摄像机拍摄下观察到放电通道中的发光电离体以流注形式沿螺旋轨迹快速传播.建立电磁模型解释螺旋放电的形成机制，对造成对称性破缺及影响其手性性质的极向电场进行分析.研究表明，螺旋放电产生的放电通道存在两种不同的手性特征，而脉冲重复频率等放电参数及边界条件对螺旋流注的传播特性存在影响.脉冲电源驱动的电磁场在介质管内所形成的波模是极向电场形成的一个重要来源，当极向电场与轴向电场强度相近时则形成螺旋流注放电.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2017, 66 (15): 156101.
doi: 10.7498/aps.66.156101
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为了揭示Gd掺杂对克服YBa2Cu3O7-（YBCO）薄膜厚度效应的机制，采用无氟金属有机物沉积法在铝酸镧基底上沉积制备了一系列不同掺杂比例的Y1-xGdxBCO薄膜，并且采用X射线衍射、扫描电子显微镜、Raman光谱仪分析薄膜的生长取向、微观形貌以及晶格振动特征，系统地研究了Gd掺杂对应力的调控机制.结果表明：随着Gd掺杂比例的增加，晶体的晶格常数变大，导致膜内的张应力增加，薄膜的c轴取向也随之升高；但是随着Gd含量的进一步增加，会使薄膜结构恶化，性能下降；当Gd：Y的掺杂比例为1：1时，薄膜的c轴晶粒取向最佳，可以有效克服厚度效应.
2017, 66 (15): 156102.
doi: 10.7498/aps.66.156102
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基于费米狄拉克模型模拟了应变、温度以及掺杂对简并态锗的直接带自发辐射谱的影响.随着温度升高，更多的电子被激发到导带中，使得锗自发辐射谱的峰值强度和积分强度随温度的升高而增大.对自发辐射谱峰值强度的m因子进行计算， 结果表明张应变可以显著提高锗自发辐射的温度稳定性.在相同应变水平下，由-hh跃迁引起的自发辐射谱峰值强度大于-1h跃迁引起的自发辐射谱峰值强度，但二者的积分强度几乎相等.此外，计算结果还证明了n型掺杂能显著提高锗的自发辐射强度.以上结果对于研究简并态半导体的自发辐射性质有重要的参考意义.
2017, 66 (15): 156801.
doi: 10.7498/aps.66.156801
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有效地控制有机半导体分子取向和堆积特性对实现高性能电子器件具有非常重要的意义，而发展简便高效的溶液相成膜技术是实现这一目的的重要途径.本文采用改进的溶液浸涂法，成功地成长出大面积宏观取向的半导体聚合物P（NDI2OD-T2）和PTHBDTP薄膜.偏光显微镜和极化的紫外-可见光吸收谱测量显示，薄膜中聚合物分子主链骨架沿成膜时液面下移方向择优取向.原子力显微镜观察到聚合物薄膜由纳米尺度的取向有序晶畴构成，畴的取向与分子链的取向一致.采用衬底-溶液界面处表面张力和溶剂蒸发诱导的分子自组织过程来解释浸涂法生长聚合物取向薄膜的微观机理.使用取向的P（NDI2OD-T2）薄膜制备场效应晶体管，显著地提高了电子迁移率（可达4倍），并实现高达19的迁移率各向异性度.这可归因于共轭的聚合物主链骨架择优取向引起电荷传导通路的变化.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2017, 66 (15): 157101.
doi: 10.7498/aps.66.157101
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基于密度泛函的第一性原理研究了Ag空位、O空位和Ag-O双空位对-AgVO3的电子结构及光学性质的影响.采用广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U方法，对不同缺陷体系的形成能、能带结构、电子态密度、差分电荷密度和吸收光谱进行了计算和分析.通过比较不同Ag空位和O空位的形成能，确定了-AgVO3中主要形成Ag3空位和O1空位，并且Ag空位较O空位更容易形成.Ag3空位和O1空位的存在都使得-AgVO3带隙有一定程度的减小；Ag3空位使-AgVO3呈现p-型半导体性质，而O1空位和Ag3-O1双空位使-AgVO3呈现n-型半导体性质.Ag3和O1空位对晶体在可见光范围内的光吸收影响较小.
2017, 66 (15): 157501.
doi: 10.7498/aps.66.157501
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研究了Tb掺杂对双层锰氧化物La4/3Sr5/3Mn2O7磁熵变和电输运性质的影响.样品采用传统固相反应法制备，两样品的名义组分可以表示为（La1-xTbx)4/3Sr5/3Mn2O7（x=0，0.025），磁场为7 T时的最大磁熵变 SM分别为-4.60 J/（kgK）和-4.18 J/（kgK）.比较后发现，Tb元素的掺杂使得最大磁熵变值减小，但同时增大了相对制冷温区.电性测量结果表明，x=0.025的样品在高温区的导电机制可以用小极化子模型解释，与母体三维变程跳跃模型不同；当温度降低至三维长程铁磁有序温度（Tc3D）附近时，掺杂样品发生金属绝缘相变；掺杂后样品在Tc3D附近，磁电阻取得极大值（约为56%），表明是本征磁电阻效应.
2017, 66 (15): 157502.
doi: 10.7498/aps.66.157502
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采用磁控溅射技术制备了具有永磁特征的Nd-Ce-Fe-B多层纳米复合薄膜，并对其进行了退火处理.通过改变退火温度，研究其对薄膜磁性能和晶体结构的影响.结果表明，随着退火温度的提高薄膜磁性能逐渐增大，但当温度达到695℃以上时，薄膜的磁性能急剧下降.当退火温度为675℃时，薄膜的矫顽力Hci=10.1 kOe（1 Oe=79.5775 A/m），垂直于薄膜表面方向的剩余磁化强度4Mr=5.91 kG（1 G=103/（4）A/m）.薄膜的X射线衍射结果表明，磁性薄膜具有较好的c轴取向.通过对薄膜磁化反转过程的研究，发现随着外加磁场的增大，Mrev的极小值向Mirr减小的方向移动，这与畴壁弯曲模型类似，表明在薄膜中存在较强烈的局部钉扎作用，而剩余磁化强度曲线表明这种钉扎作用在薄膜矫顽力机制中并不占支配作用.此外，薄膜的Henkel曲线结果表明在薄膜中存在较强的交换耦合作用，在经过685℃退火的薄膜中磁相互作用更加显著.
2017, 66 (15): 157801.
doi: 10.7498/aps.66.157801
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利用飞秒时间分辨的飞行时间质谱技术研究了间二氯苯的激发态动力学.间二氯苯分子吸收一个200 nm或者267 nm的光子被抽运到激发态，随后再吸收多个800 nm的光子被电离.实验获得了电离产生的离子质谱信号及其随抽运探测激光延迟时间的变化曲线.在200 nm时，分子被抽运到激发态（，*），可观察到三个相互竞争的解离通道的寿命：内转换到排斥态（n，*）或者（，*）并发生快速解离，其寿命约（0.150.01）ps；内转换到基态的高振动态，能量在基态热振动态间弛豫的寿命约为（4.940.08）ps；系间窜越到相邻的三重态从而发生预解离过程，其寿命约为（110.094.33）ps.在267 nm时，分子被抽运到第一激发态的低振动态，可观察到一个长寿命（约（1.060.05）ns）的系间窜越过程.除此之外，在碎片离子信号中还观察到了激发态与基态的高振动态之间的内转换过程.
2017, 66 (15): 157901.
doi: 10.7498/aps.66.157901
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多载波微放电阈值的准确分析对于空间大功率微波系统的长期可靠性至关重要.近年来，一种源于多载波包络周期间少量剩余电子累积的长周期微放电机制引发广泛关注.国内外研究者普遍认为，相对源于单个周期内电子累积的周期内微放电，长周期微放电应该被优先激发、具有更低的阈值.但依据长周期微放电判据分析所得的阈值显著高于实验结果.针对这一问题，本文采用与实验系统可比拟的微放电判据，在相同多载波信号激励、相同微波部件条件下，对微放电的演化过程进行了粒子模拟，分析了多载波微放电、特别是周期内微放电的行为特性和发生条件，有效地解释了实验结果.本文的粒子模拟结果表明，给定微波部件被优先激发的多载波微放电类型取决于载波频率的配置，长周期微放电并非一定被优先激发，这是导致基于长周期微放电判据分析所得阈值显著高于实验结果这一问题的原因所在.以上结论对于空间大功率微波部件的多载波微放电全局阈值评估和抑制设计具有指导意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2017, 66 (15): 158401.
doi: 10.7498/aps.66.158401
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为了在保持滤波定轨精度不变的条件下提高定轨计算的实时性，提出一种新的逼近积分点个数下限的五阶容积卡尔曼滤波定轨算法.首先，采用一种数值容积准则对非线性函数的高斯加权积分进行近似，该准则所需的积分点个数仅比五阶代数精度容积准则积分点个数的理论下限多一个积分点，并在贝叶斯滤波算法框架下推导出本文算法的更新步骤.然后，给出实时定轨所需的状态方程和量测方程，在状态方程中考虑了J2项引力摄动和大气阻力摄动，在量测方程中利用坐标系转换推导了轨道状态与测量元素之间的非线性关系.仿真实验结果表明，本文所提算法在定轨精度方面与已有的五阶滤波算法相当，但所需的积分点个数最少，计算实时性最高，从而验证了本文算法的有效性.
2017, 66 (15): 158501.
doi: 10.7498/aps.66.158501
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GaN/InxGa1-xN型最后一个量子势垒结构能有效提高发光二极管（LED）器件内量子效率，缓解LED效率随输入电流增大而衰减的问题.本文综述了该结构及其结构变化In组分梯度递增以及渐变、GaN/InxGa1-xN界面极化率改变等对改善LED器件性能的影响及优势，归纳总结了不同结构的GaN/InxGa1-xN型最后一个量子垒的工作机理，阐明极化反转是该结构提高LED性能的根本原因.在综述该结构发展的基础之上，通过APSYS仿真计算，进一步探索和深入分析了该结构中InxGa1-xN层的In组分及其厚度变化对LED内量子效率的影响.结果表明：In组分的增加有助于在GaN/InxGa1-xN界面产生更多的极化负电荷，增加GaN以及电子阻挡层处导带势垒高度，减少电子泄漏，从而提高LED的内量子效率；但GaN/InxGa1-xN型最后一个量子势垒中InxGa1-xN及GaN层厚度的变化由于会同时引起势垒高度和隧穿效应的改变，因而InxGa1-xN和GaN层的厚度存在一个最佳比值以实现最大化的减小漏电子，提高内量子效率.
2017, 66 (15): 158701.
doi: 10.7498/aps.66.158701
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基于双层耦合模型，先通过求解无黏附能情况下满足给定边界条件的欧拉-拉格朗日方程组，找到了约化面积差a稍大于1的内凹开口形状解，并发现以往Umeda和Suezaki（2005 Phys.Rev.E 71 011913）给出的杯形解是对应a1的另一支解，该支解在a趋于1时开口是外凸的.进而在无黏附能和有黏附能的情况下对开口膜泡的两支解进行了深入研究，发现在a=1附近这两支解之间有一个间隙，在该间隙内不存在开口解.随着黏附半径的增大，该间隙的位置较缓慢地向右移动.在a=1附近，在无黏附能时的闭合形状只有球形一个解，而在有黏附能的情况下，闭合形状在1附近的一个区间内都有解.在无黏附及有黏附情况下的计算结果都表明这两支开口解及闭合形状属于不同的分支，它们之间不能连续演化.在间隙右侧的这一支解随着a的增大可以通过自交形状连续地演化到开口哑铃形.在有黏附的情况下，在a参数空间，同一支解会发生折叠，即出现同一a值对应多个解（形状）的情况，这在以往双层耦合模型的计算中没有出现过.讨论了a对无黏附和有黏附开口膜泡的形状和能量的影响.
2017, 66 (15): 158801.
doi: 10.7498/aps.66.158801
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太阳电池可看成由光子吸收层和接触层两个基本单元组成，接触层是高复合活性金属界面和光子吸收层之间的区域.为了进一步提高硅太阳电池的转换效率，关键是降低光子吸收层和接触之间的复合损失.近年来，载流子选择性接触引起了光伏界的研究兴趣，其被认为是接近硅太阳电池效率理论极限的最后的障碍之一.本文分析了三种类型的载流子选择性接触：在光子吸收层与金属界面之间引入薄的重掺杂层，即所谓的发射极或背面场；利用两种材料之间的导带或价带对齐；利用高功函数的金属氧化物与晶硅接触从而在晶硅中感应能带弯曲.基于一维太阳电池模拟软件wxAMPS，模拟了扩散同质结硅太阳电池[结构为（p+）c-Si/（n）c-Si/（n+）c-Si]、非晶硅薄膜硅异质结太阳电池[结构为（p+）a-Si/（i）a-Si/（n）c-Si/（i）a-Si/（n+）a-Si]和氧化物薄膜硅异质结太阳电池[结构为（n）MoOx/（n）c-Si/（n）TiOx]暗态下的能带结构和载流子浓度的空间分布，其中c-Si为晶硅；a-Si为非晶硅；（i），（n）和（p）分别表示本征、n型掺杂和p型掺杂.模拟结果表明：载流子选择性接触的核心是在接触处晶硅表面附近形成载流子浓度空间分布的不对称进而使得电导率的不对称，形成了对电子的高阻和空穴的低阻或者对空穴的高阻和电子的低阻，从而让空穴轻松通过同时阻挡电子，或者让电子轻松通过同时阻挡空穴，形成空穴选择性接触或者电子选择性接触.
编辑推荐
2017, 66 (15): 158502.
doi: 10.7498/aps.66.158502
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选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段，但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响，包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明，在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时，将光学匹配层伸出探测器前端10 m并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率（或探测器量子效率），又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响，保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率，证明了对接方案的有效性.同时，集成芯片的低串扰（-22 dB）与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.
综述
2017, 66 (15): 152901.
doi: 10.7498/aps.66.152901
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以原子级时空分辨监测物质的动力学行为并从最根本层面理解自然界中的微观基本过程一直是飞秒物理、飞秒化学以及飞秒生物学研究的目标.时间分辨电子衍射巧妙地结合了抽运-探测技术和电子衍射技术，可实现直接观察和冻结类似的超快过程.然而，目前常用的超快电子探针的横向相干性仍受到电子源的初始尺寸、有效温度、能量弥散以及电子间固有库仑排斥的限制，还很难分辨化学和生物相关的复杂有机分子.近年来大量研究工作都集中在发展高相干的超短电子源，其不仅对时间分辨电子衍射研究起到推动作用，也将极大地促进超快电子显微镜、相干衍射成像以及叠层成像等的发展.本综述以相干性为主线，介绍了几种常用平面阴极光电发射源的研究进展，并从产生机理、独有特性和实验成果方面讨论了尖端发射源和冷原子电子源这两类新型的高相干超快电子源，最后对衍射技术的相干性发展和未来应用进行了展望.
