物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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有效质量法调控原子玻色-爱因斯坦凝聚体的双阱动力学
刘晓威, 张可烨
物理学报. 2017, 66 (16): 160301
单层GaSe表面Fe原子吸附体系电子自旋性质调控
卢奕宏, 柯聪明, 付明明, 吴志明, 康俊勇, 张纯淼, 吴雅苹
物理学报. 2017, 66 (16): 166301
单层单晶石墨烯与柔性基底界面性能的实验研究
仇巍, 张启鹏, 李秋, 许超宸, 郭建刚
物理学报. 2017, 66 (16): 166801
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (16)   发布日期: 2017-08-20
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总论

相关变量随机数序列产生方法
Generation of correlated pseudorandom varibales

马续波, 刘佳艺, 徐佳意, 鲁凡, 陈义学
物理学报. 2017, 66 (16): 160201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160201
全文: [PDF 1531 KB] 下载:(231)
摘要

当采用蒙特卡罗方法对很多问题进行研究时,有时需要对多维相关随机变量进行抽样.之前的研究表明:在协方差矩阵满足正定条件时,可以采用Cholesky分解方法产生多维相关随机变量.本文首先对产生多维相关随机变量的理论公式进行了推导,发现采用Cholesky分解并不是产生多维相关随机变量的唯一方法,其他的矩阵分解方法只要能满足协方差矩阵的分解条件,同样可以用来产生多维相关随机变量.同时给出了采用协方差矩阵、相对协方差矩阵和相关系数矩阵产生多维随机变量的公式,以方便以后使用.在此基础上,利用一个简单测试题和Jacobi矩阵分解方法对上述理论进行了验证.通过对大亚湾中微子能谱进行抽样分析,Jacobi矩阵分解和Cholesky矩阵分解结果一致.针对核工程中的不确定性分析常用的238U辐射俘获截面协方差矩阵进行分解时,由于协方差矩阵的矩阵本征值有负值,导致很多矩阵分解方法无法使用,在引入置零修正以后发现,与Cholesky对角线置零修正相比,Jacobi负本征值置零修正的误差更小.

有效质量法调控原子玻色-爱因斯坦凝聚体的双阱动力学 Hot!
Effective-mass approach to controlling double-well dynamics of atomic Bose-Einstein condensates

刘晓威, 张可烨
物理学报. 2017, 66 (16): 160301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160301
全文: [PDF 1547 KB] 下载:(236)
摘要

操控原子玻色-爱因斯坦凝聚体在双势阱中的动力学通常是通过改变势阱深度来实现,本文提出了一种基于调节原子有效质量的控制方案,可以在不改变双阱势的前提下操控凝聚体的双阱动力学.利用双模近似,本文解析地导出了超冷原子在双阱势中的隧穿强度和相互作用强度对有效质量的依赖关系,并基于平均场近似数值模拟了在有效质量调节下的凝聚体动力学演化,展示了隧穿振荡和自束缚等典型的双阱动力学行为.此外,本文的研究还发现,借助负有效质量效应,这一方案甚至可以等效地实现对负散射长度原子凝聚体双阱动力学行为的操控.

非线性两模玻色子系统的Majorana表象
Majorana representation for the nonlinear two-mode boson system

方杰, 韩冬梅, 刘辉, 刘昊迪, 郑泰玉
物理学报. 2017, 66 (16): 160302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160302
全文: [PDF 915 KB] 下载:(88)
摘要
利用Majorana表象,从平均场模型和二次量子化模型两方面研究了非线性双模玻色子系统的动力学问题.得到了Majorana点在球面上的运动方程,分析了平均场模型和二次量子化模型之间的区别及其在Majorana点运动方程中的体现.研究了二次量子化模型中量子态在少体和多体情况下的动力学演化及其与平均场量子态的区别和联系.以平均场模型和二次量子化模型量子态之间的保真度和Majorana点之间的关联为手段,讨论了在不同玻色子间相互作用强度、不同玻色子数下量子态的演化及相应的自囚禁效应.

基于状态观测器的分数阶时滞混沌系统同步研究
Chaotic system synchronization of state-observer-based fractional-order time-delay

贾雅琼, 蒋国平
物理学报. 2017, 66 (16): 160501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160501
全文: [PDF 567 KB] 下载:(173)
摘要
研究分数阶时滞混沌系统同步问题,基于状态观测器方法和分数阶系统稳定性理论,设计分数阶时滞混沌系统同步控制器,使得分数阶时滞混沌系统达到同步,同时给出了数学证明过程.该同步控制器采用驱动系统和响应系统的输出变量进行设计,无需驱动系统和响应系统的状态变量,简化了控制器的设计,提高了控制器的实用性.利用Lyapunov稳定性理论和分数阶线性矩阵不等式,研究并给出了同步控制器参数的选择条件.以分数阶时滞Chen混沌系统为例,设计基于状态观测器的同步控制器,实现了分数阶时滞Chen混沌系统同步,并将其应用于保密通信系统中.仿真结果证明了该同步方法的有效性.

基于有限穿越水平可视图的短时睡眠心率变异性研究
Research of short-term heart rate variability during sleep based on limited penetrable horizontal visibility graph

霍铖宇, 马小飞, 宁新宝
物理学报. 2017, 66 (16): 160502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160502
全文: [PDF 427 KB] 下载:(69)
摘要

心率数据是最易于获取的人体生理数据之一,基于心率变异性的睡眠分析是近年来各种用于日常健康管理的可穿戴设备功能的一个重要发展方向,需要不断探索可以应用于标准睡眠分期时间窗(约30 s)的各类短时特征参数.利用近期报道的有限穿越水平可视图,并进一步提出一种加权有限穿越水平可视图,将不同睡眠状态下的短时心率变异序列映射为网络,进而提取平均集聚系数、特征路径长度、集聚系数熵、路径分布熵、加权集聚系数熵和加权路径分布熵等网络特征参数进行统计分析.结果表明,各网络参数值在醒觉、浅睡期、深睡期和快速眼动期的幅度水平具有显著差异,体现了所述方法在基于短时心率变异数据的睡眠分期中的有效性.同时,进一步研究了健康年轻人和中老年人在不同睡眠状态下的网络参数值,发现两者虽然存在整体的水平差异,但是在不同睡眠状态间的变化仍具有相同的趋势,反映出相对于正常的年龄老化,睡眠调制对心脏动力学系统具有更显著的影响,也说明所述方法可作为基于心率变异性的睡眠研究的一种新的辅助工具.

抽运-检测型非线性磁光旋转铷原子磁力仪的研究
Rubidium atomic magnetometer based on pump-probe nonlinear magneto-optical rotation

缪培贤, 杨世宇, 王剑祥, 廉吉庆, 涂建辉, 杨炜, 崔敬忠
物理学报. 2017, 66 (16): 160701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160701
全文: [PDF 2068 KB] 下载:(195)
摘要

报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100–100000 nT,极限灵敏度为0.2 pT/Hz1/2,磁场分辨率为0.1 pT.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000–100000 nT的磁场测量范围内磁场采样率可实现1–1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.

外差式偏振干涉成像光谱技术研究
Heterodyne polarization interference imaging spectroscopy

才啟胜, 黄旻, 韩炜, 丛麟骁, 路向宁
物理学报. 2017, 66 (16): 160702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.160702
全文: [PDF 417 KB] 下载:(107)
摘要
提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.
核物理学

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究
Optical transparency radial distribution of ion thruster

龙建飞, 张天平, 李娟, 贾艳辉
物理学报. 2017, 66 (16): 162901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.162901
全文: [PDF 613 KB] 下载:(46)
摘要
栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-Cell-Monte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.
原子和分子物理学

基于ab initio的BD+离子激光冷却理论研究
Theoretical investigation of laser cooling for BD+cation by ab inito calculation

李亚超, 孟腾飞, 李传亮, 邱选兵, 和小虎, 杨雯, 郭苗军, 赖云忠, 魏计林, 赵延霆
物理学报. 2017, 66 (16): 163101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.163101
全文: [PDF 1378 KB] 下载:(69)
摘要
基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法计算了BD+离子两个最低解离极限B+1Sg)+D(2Sg)和B+3Pu)+D(2Sg)对应的5个S态(X2+,A2Π,B2+,a4Π和b4+)的势能曲线和跃迁偶极矩.根据计算结果,求解核运动的径向薛定谔方程得到相应电子态的振-转光谱常数、Franck-Condon(F-C)因子和振动能级辐射寿命.其中A2Π–X2+的F-C因子(f00=0.923)、辐射寿命(τ=235 ns)满足激光直接冷却的条件.因此,我们基于分子转动跃迁提出了一个可实现Doppler激光冷却的光循环方案:A2Π1/2v'=0)–X2+v"=0,1),其中v'=0中包含2个转动能级,v"=0和v"=1中分别包含6个和4个转动能级.根据方案,模拟了激光冷却过程中的分子布居数动力学变化过程,并计算了初速度为100 m/s的BD+,历经5.4 ms散射1150个光子可减速到4.6 m/s、温度为13 mK.

氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄
Oxygen vacancy induced band gap narrowing of the low-temperature vanadium dioxide phase

顾艳妮, 吴小山
物理学报. 2017, 66 (16): 163102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.163102
全文: [PDF 789 KB] 下载:(111)
摘要

具有一定能量的光照导致低温绝缘二氧化钒(VO2)发生绝缘体金属转变.本文通过密度泛函理论的Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函方法对含氧空穴的低温绝缘VO2非磁M1相进行第一性原理研究.研究发现,含氧空穴的M1的晶格参数几乎不变,但氧空穴附近的长的V–V键长却变短了.进一步研究发现,尽管纯的非磁M1的带隙是0.68 eV,但含O1和O2位的氧空穴非磁M1带隙分别为0.23 eV和0.20 eV,同时含有O1和O2位氧空穴非磁M1带隙为0.15 eV,这很好地解释了实验结果.

平面团簇稳定结构的蒙特卡罗树搜索
Monte-Carlo tree search for stable structures of planar clusters

何长春, 廖继海, 杨小宝
物理学报. 2017, 66 (16): 163601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.163601
全文: [PDF 1340 KB] 下载:(62)
摘要
以平面团簇为例提出了一种结合结构识别和蒙特卡罗树技术搜索稳定结构的新方法.体系原子之间的相互作用由两类模型势能函数来描述:Lennard-Jones二体势函数与基于Lennard-Jones势的三体势函数.考虑可能的三角晶格碎片作为候选结构,引入编号策略对结构进行快速识别,并运用蒙特卡罗树搜索研究稳定结构随着原子数增大的演化过程;对于能量较低的候选结构,进一步采取局域优化来获得对应体系的稳定结构.计算表明,Lennard-Jones二体势函数对应的三角晶格团簇更稳定;在特定的参数下,三体势函数对应的六角晶格团簇更稳定.结合结构识别和蒙特卡罗树搜索可以对候选结构空间进行高效扫描,在较短时间内更容易搜索到稳定的团簇结构,并可以与第一原理计算结合实现材料的结构预测.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

矢量基尔霍夫公式经典证明的漏洞与新的严格证明
Flaws in classical proofs of vector Kirchhoff integral theorem and its new strict proof

黄晓伟, 盛新庆
物理学报. 2017, 66 (16): 164201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164201
全文: [PDF 442 KB] 下载:(115)
摘要

矢量基尔霍夫积分公式是电磁理论的一个重要公式,更是光学衍射理论的基础.然而,我们发现经典著作中这个公式的证明普遍存在漏洞.本文将逐一指出这些漏洞,在此基础上给出一个新的严格证明.最后用数值实验验证我们的结论.

具有余弦-高斯关联结构函数部分相干贝塞尔-高斯光束的传输性质及四暗空心光束的产生
Propagation properties of nonuniform cosine-Gaussian correlated Bessel-Gaussian beam through paraxial ABCD system and generation of dark-hollow beam array

朱洁, 唐慧琴, 李晓利, 刘小钦
物理学报. 2017, 66 (16): 164202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164202
全文: [PDF 1852 KB] 下载:(56)
摘要
基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,获得了余弦-高斯关联结构函数部分相干贝塞尔-高斯光束交叉谱密度函数通过近轴ABCD光学系统传输时的解析表达式.并因此探讨了该类光束经过自由空间传输时光强分布的演化特性.结果表明,余弦-高斯关联部分相干贝塞尔-高斯光束在合适的参数条件下能呈现自分裂等奇异传输特性.特别地,这种自分裂可实现暗空心光束的复制,即从一个暗空心光束获得四个相似的暗空心光束.并且发现这些传输特性和关联结构函数结构密切相关,因此调控关联结构函数分布以实现调制光的相干长度和空间分布性质从而可实现操控光束传输行为.由于暗空心光束在工程技术领域的重要应用价值,本文的研究结果提供了实现四暗空心光束的可能方案,从而在激光通信、微粒操控等方面具有重要的应用前景.

基于图像信息熵的ptychography轴向距离误差校正
Correction of axial distance error in ptychography based on image information entropy

窦健泰, 高志山, 马骏, 袁操今, 杨忠明
物理学报. 2017, 66 (16): 164203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164203
全文: [PDF 1226 KB] 下载:(98)
摘要
在轴向距离参与运算的ptychography算法中,轴向距离误差会使重建图像变模糊并降低图像的分辨率.本文基于菲涅耳衍射理论建立了轴向距离误差模型,根据不同轴向距离误差对重构图像清晰度的影响,提出用图像信息熵确定图像最清晰时的轴向距离,并重建出清晰的ptychography图像.比较了图像能量变化、Tamura系数和图像信息熵这三种图像清晰度评价函数在轴向距离误差校正过程中的分布情况,发现它们均具有单峰性,且峰值确定的轴向距离相同.图像信息熵相比其他两种图像清晰度评价函数具有更高的灵敏性.仿真以及实验均证明了基于图像信息熵的ptychography轴向误差校正的可行性.

Nd3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃光纤的发光与激光特性研究
Stimulated emission and laser behaviors of Nd3+/Yb3+ Co-doped phosphate glass fiber

林治全, 于春雷, 何冬兵, 冯素雅, 张磊, 陈丹平, 胡丽丽
物理学报. 2017, 66 (16): 164204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164204
全文: [PDF 626 KB] 下载:(46)
摘要
以970 nm和808 nm半导体激光器作为抽运源,从光纤长度和抽运功率两个方面,探讨了Nd3+/Yb3+摩尔浓度比约为4:1的共掺磷酸盐玻璃光纤的发光与激光特性.在970 nm抽运下,光纤光谱以Yb3+离子的发光为主,但Yb3+→Nd3+能量传递会对光纤光谱(激光和受激放大自发辐射)产生调制作用,调制作用随970 nm抽运功率或光纤长度的增加而显著,甚至出现显著的双波长激光现象.尽管玻璃样品中Nd3+→Yb3+的能量传递效率ηNd→Yb高达64%,但在808 nm抽运下,激光峰始终在1053 nm附近产生,且与808 nm抽运功率大小和光纤长度无关.为解释这一现象,推导了考虑Nd3+离子受激辐射的能量传递模型.从理论模型来看,Nd3+→Yb3+能量传递作用随Nd3+离子受激辐射信号光强度的增加而迅速减弱,这与该光纤实际测试的荧光光谱随808 nm抽运功率的变化规律相符合.因此,当采用Nd3+离子来敏化Yb3+离子时,需要考虑Nd3+离子的受激辐射对Nd3+→Yb3+能量传递的抑制作用.

利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定
Transfer cavity scheme for stabilization of lattice laser in ytterbium lattice clock

张曦, 刘慧, 姜坤良, 王进起, 熊转贤, 贺凌翔, 吕宝龙
物理学报. 2017, 66 (16): 164205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164205
全文: [PDF 471 KB] 下载:(41)
摘要
为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10-10,可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10-17.

基于电阻抗层析成像的高强度聚焦超声温度监测技术
Noninvasive temperature monitoring for high intensity focused ultrasound therapy based on electrical impedance tomography

郭各朴, 宿慧丹, 丁鹤平, 马青玉
物理学报. 2017, 66 (16): 164301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164301
全文: [PDF 1594 KB] 下载:(42)
摘要
作为一种对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的非入侵肿瘤治疗手段,高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中焦域的温度监测是实现剂量精准控制的关键.本文基于生物组织的温度-电阻抗的关系,将电阻抗层析成像(EIT)和HIFU治疗相结合,提出了一种利用组织焦平面的表面电压实现电阻抗重构的检测技术.建立了HIFU治疗和EIT综合系统模型,在考虑组织的声吸收条件下,对三维Helmholtz方程在柱坐标下的声场计算进行了二维简化,并引入Pennes生物热传导方程来计算HIFU焦域的声压和温升分布特性;引入生物组织的温度-电阻抗关系,基于麦克斯韦电磁场理论,建立了具有温度分布HIFU焦域的电流和电压计算模型,利用恒流注入的边界条件实现电场计算,获得焦平面的表面电压分布.在数值计算中,利用实验聚焦换能器参数,模拟了在固定声功率下组织焦域的声场和温度场分布,以及中心和偏心聚焦条件下不同治疗时刻的电导率分布;然后通过对称电极的循环电流注入,计算了组织模型焦平面内的电流密度和电势分布,获得了焦平面圆周分布的表面电极电压;进一步采用修正的牛顿-拉夫逊算法,利用32×32的表面电极电压实现了焦平面内电导率分布的重建.结果表明,基于温度-电阻抗关系的EIT电导率重建技术不但能准确定位HIFU焦域中心,还能恢复HIFU治疗中焦域的温度分布,证明了EIT用于HIFU治疗中温度监测的可行性,为其疗效评估和剂量控制提供了一种无创电阻抗测量和成像新方法.

Hilber-Hughes-Taylor-α法在接触约束多体系统动力学中的应用
Application of Hilber-Hughes-Taylor-α method to dynamics of flexible multibody system with contact and constraint

郭晛, 章定国, 陈思佳
物理学报. 2017, 66 (16): 164501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164501
全文: [PDF 2551 KB] 下载:(46)
摘要

以柔性梁在重力作用下绕转动铰做大范围定轴转动,并与刚性平面发生碰撞这一动力学过程为例,对Hilber-Hughes-Taylor(HHT-α)法在求解含接触约束的柔性多体系统动力学方程时的数值特性进行了研究.系统运动过程的全局动力学仿真由常微分方程组和微分-代数方程组的数值求解构成.柔性梁在无碰撞阶段系统动力学方程是一组常微分方程组.采用接触约束法模拟接触约束过程,系统的动力学方程为指标3的微分-代数方程组.采用HHT-α法对的该微分-代数方程组进行求解,并与Baumgarte违约修正法进行比较.分析了HHT-α法自由参数和违约修正常数对计算效率、动力学响应和系统机械能的影响,并对数值积分方法对模态截断数的敏感度以及速度约束和加速度约束的违约程度进行了分析.结果表明,违约修正常数对仿真结果影响非常明显,而HHT-α法的自由参数α对动力学响应的影响较小,从而避免了违约修正常数对数值积分结果的影响.HHT-α法的自由参数α可以消除碰撞高频模态的影响.

瑞利-泰勒不稳定问题的光滑粒子法模拟研究
Numerical study of Rayleigh-Taylor instability by using smoothed particle hydrodynamics

杨秀峰, 刘谋斌
物理学报. 2017, 66 (16): 164701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164701
全文: [PDF 1896 KB] 下载:(71)
摘要
提出了一种适用于模拟多相流的光滑粒子法,该方法对密度方程在交界面处的离散格式进行了修正以适应多相流所涉及的大密度比问题,在不同相粒子之间施加了很小的排斥力以防止粒子穿透交界面,并采用了最新发展的双曲型光滑函数以消除应力不稳定问题.应用该多相流光滑粒子法模拟研究了单模态和多模态瑞利-泰勒不稳定问题.通过与文献中结果的对比研究表明:在模拟瑞利-泰勒不稳定问题时,本文方法的结果明显优于文献中的大部分光滑粒子法模拟结果,与Grenier等(2009 J.Comput.Phys.228 8380)的结果相当,但本文方法比Grenier等的方法简单方便.对于单模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面的形态,涡结构的演化过程以及贯穿深度随时间的变化关系.对于多模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面演化过程中小尺度结构合并成大尺度结构的过程,水平方向的平均密度随高度的变化关系,以及贯穿深度随时间的变化关系.

微尺度空泡溃灭驱使微球运动的机理研究
Mechanism of the motion of spherical microparticle induced by a collapsed microbubble

魏梦举, 陈力, 伍涛, 张鸿雁, 崔海航
物理学报. 2017, 66 (16): 164702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164702
全文: [PDF 1154 KB] 下载:(61)
摘要
受限空泡的溃灭是气泡动力学的核心问题,研究表明毫米尺度的空泡溃灭可以拉动附近同尺度的悬浮颗粒运动.本文针对受限空泡溃灭在微尺度下的行为开展研究,通过气泡驱动的球形微马达实验,给出了微气泡溃灭形成射流从而显著推动马达前进的现象,但由于溃灭时间很短,MicroPIV系统不能给出足够的流动细节.进而采用基于流体体积的数值手段模拟了这一过程,获得了流场的时空分布,并通过积分估算了微球获得的冲量,给出了微球所能达到的速度.结果表明这一问题与尺度密切相关,微尺度下空泡溃灭足以推动微球显著运动,在气泡尺寸固定的情况下,微球半径越小,微球与气泡间距离越近,推动的效果越明显.冲量定理则定性地解释了宏观尺度与微尺度下存在差异的原因.这一特殊的微流动问题不但扩展了空化研究的尺度范围,揭示了微尺度下空泡与颗粒作用的特性,而且对提高微马达的驱动效率也具有重要意义.

两个非磁性颗粒在磁流体中的沉降现象研究
Sedimentation of two non-magnetic particles in magnetic fluid

陈木凤, 李翔, 牛小东, 李游, Adnan, 山口博司
物理学报. 2017, 66 (16): 164703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.164703
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摘要
在磁场作用下,在磁流体里添加非磁性颗粒(non-magnetic particles,NPs),可以使得NPs形成不同的结构,操控NPs的运动从而影响磁流体的特性,这种应用逐渐受到了研究者的关注.为了更好地操控磁流体里NPs的运动,本文采用一种多物理模型研究在外加磁场作用下,磁流体中两个NPs沉降的运动过程.其中,用格子玻尔兹曼方法模拟磁流体的运动,外加磁场对磁流体的影响用一种自修正方法求解泊松方程,这个自修正方法可以使欧姆定律满足守恒定律.NPs之间的偶极干扰力采用偶极力模型,同时采用一种相对过渡平滑的共轭边界条件处理NPs与磁流体交界面的流固干扰以避免磁场密度过渡的突变.本文主要探究两个NPs在磁流体中的沉降,揭示磁场作用下NPs的相互干扰原理;同时,对控制NPs运动时的参数进行调节,得到NPs不同的运动轨迹,达到操控颗粒运动的目的.本研究可对NPs在磁流体中的应用提供定量的分析结果,对NPs在工业上的应用提供有力的理论支撑.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

T型石墨烯及其衍生物的结构与电子特性
Structural and electronic properties of T-graphene and its derivatives

刘慧英, 张秀钦, 方艺梅, 朱梓忠
物理学报. 2017, 66 (16): 166101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.166101
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摘要
采用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了T型石墨烯及其衍生物-nn=1–5)的结构稳定性和电子结构性质.T型石墨烯是一种拥有四角形环的二维碳材料同素异构体,通过改变连接四角形环的碳链上的碳原子个数n,可以得到一系列的sp-sp2杂化结构,称其为T型石墨烯衍生物-n.计算结果表明:这些材料的结构稳定性、化学键类型和电子结构性质都依存于n的奇偶性.其中T型石墨烯(n=0)的结构最稳定,并形成一个由8个碳原子构成的大环.声子谱计算的结果表明,n为偶数时的体系具有动力学稳定性,而n为奇数时的体系则是不稳定的.n为偶数时体系四角形环之间的碳链上的化学键呈单、三键交叉排列,体系显示为金属性特征,且随着n的增大,体系的金属性加强.n为奇数时体系四角形环之间的碳链上的化学键则为双键连续排列,体系呈金属性且具有磁性(n=1除外).研究表明该系列材料作为一种新的二维碳材料同素异构体,具有独特的结构和丰富的电子结构特性,很可能在纳米器件中得到广泛应用.

高压下锗化镁的金属化相变研究
Pressure-induced metallization transition in Mg2Ge

王君龙, 张林基, 刘其军, 陈元正, 沈如, 何竹, 唐斌, 刘秀茹
物理学报. 2017, 66 (16): 166201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.166201
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摘要
锗化镁是一种窄带半导体,压力作用可以使锗化镁导带底与价带顶的能隙变小.本文基于第一性原理计算了锗化镁在高压下的能带结构以及反萤石相(常压稳定相)和反氯铅矿相(高压相)的焓值,发现在7.5 GPa时反萤石结构锗化镁导带底与价带顶的能隙闭合,预示着半导体相转变为金属相,计算结果还预测在11.0 GPa时锗化镁发生从反萤石结构到反氯铅矿结构的相变.实验研究方面,本文采用长条形压砧在连续加压条件下测量了锗化镁高压下的电阻变化,采用金刚石对顶压砧测量了锗化镁的高压原位拉曼光谱,发现在8.7 GPa锗化镁的电阻出现不连续变化,9.8 GPa以上锗化镁的拉曼振动峰消失.由于金属相的自由电子浓度高会阻碍激发光进入样品,进而引起拉曼振动峰消失,因此我们推测锗化镁在9.8 GPa转变为金属相.

单层GaSe表面Fe原子吸附体系电子自旋性质调控 Hot!
Modification of spin electronic properties of Fen/GaSe monolayer adsorption system

卢奕宏, 柯聪明, 付明明, 吴志明, 康俊勇, 张纯淼, 吴雅苹
物理学报. 2017, 66 (16): 166301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.166301
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摘要

Ⅲ族金属单硫化物因其优越的光电和自旋电子特性而备受关注,实现对其自旋性质的有效调控是发展器件应用的关键.本文采用密度泛函理论系统地研究了GaSe表面Fe原子吸附体系的几何构型及自旋电子特性.Fe/GaSe体系中Fe吸附原子与最近邻Ga,Se原子存在较强的轨道耦合效应,使体系呈现100%自旋极化的半金属性.其自旋极化贡献主要来源于Fe-3d电子的转移及Fe-3d,Se-4p和Ga-4p轨道杂化效应.对于Fe双原子吸附体系,两Fe原子之间的自旋局域导致原本从Fe转移至GaSe的自旋极化电荷量减少,从而费米能级附近的单自旋通道转变为双自旋通道,费米能级处的自旋极化率转变为0.研究结果揭示了Fen/GaSe吸附体系自旋极化特性的形成和转变机制,可为未来二维自旋纳米器件的设计与构建提供参考.

单层单晶石墨烯与柔性基底界面性能的实验研究 Hot!
Experimental study on interfacial mechanical behavior of single-layer monocrystalline graphene on a stretchable substrate

仇巍, 张启鹏, 李秋, 许超宸, 郭建刚
物理学报. 2017, 66 (16): 166801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.166801
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摘要

单晶石墨烯具有更优异的力学及电学性能,有望成为新一代柔性电子器件的核心材料.因此,有必要从实验的角度精细分析化学气相沉积法制得的大尺度单晶石墨烯与柔性基底复合结构的界面力学行为.本文通过显微拉曼光谱实验方法测量了不同长度的单层单晶石墨烯/PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底的界面力学性能参数及其在长度方向上界面边缘的尺度效应.实验给出了石墨烯在PET基底加载过程中与基底间黏附、滑移、脱黏三个界面状态的演化过程与应力分布规律.实验发现,单晶石墨烯与柔性基底间由范德瓦耳斯力控制的界面应变传递过程存在明显的边缘效应,并且与石墨烯的长度有关.界面的切应力具有尺度效应,其值随石墨烯长度的增加而减小,而石墨烯界面传递最大应变以及界面脱黏极限则不受试件尺度的影响.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

非对称双轴张应变对锗能带的影响
First-principle study of effect of asymmetric biaxial tensile strain on band structure of Germanium

戴中华, 钱一辰, 谢耀平, 胡丽娟, 李晓娣, 马海涛
物理学报. 2017, 66 (16): 167101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167101
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摘要
采用第一性原理方法系统地研究了沿(001)、(101)和(111)面施加晶面内各方向应变不相等的双轴张应变,即非对称双轴张应变对锗能带结构的影响.结果表明:对于沿(001)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于2.95%,间接-直接带隙转变才能发生;对于沿(101)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于3.44%,间接-直接带隙转变才能发生;然而,沿(111)面施加非对称双轴张应变,不发生间接-直接带隙转变.另外,研究还发现无论是施加对称双轴应变还是非对称双轴应变,间接-直接带隙转变得到的应变Ge带隙值都与应变前后拉伸面面积变化大小成反比.

Ga掺杂对Cu3SbSe4热电性能的影响
Effect of Ga doping on the thermoelectric performance of Cu3SbSe4

陈萝娜, 刘叶烽, 张继业, 杨炯, 邢娟娟, 骆军, 张文清
物理学报. 2017, 66 (16): 167201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167201
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摘要
采用熔融-淬火方法制备了Cu2.95GaxSb1-xSe4x=0,0.01,0.02和0.04)样品,系统地研究了Ga在Sb位掺杂对Cu3SbSe4热电性能的影响.研究结果表明,少量的Ga掺杂(x=0.01)可以有效提高空穴浓度,抑制本征激发,改善样品的电输运性能.掺Ga样品在625 K时功率因子达到最大值10 μW/cm·K2,比未掺Ga的Cu2.95SbSe4样品提高了约一倍.但是随着Ga掺杂浓度的进一步提高,缺陷对载流子的散射增强,同时载流子有效质量增大,导致载流子迁移率急剧下降.因此Ga含量增加反而使样品的电性能恶化.在热输运方面,Ga掺杂可以有效降低双极扩散对热导率的贡献,同时掺杂引入的点缺陷对高频声子有较强的散射作用,因此高温区的热导率明显降低.最终该体系在664 K时获得最大ZT值0.53,比未掺Ga的样品提高了近50%.

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析
Characteristic analysis of new AlGaN/GaN high electron mobility transistor with a partial GaN cap layer

郭海君, 段宝兴, 袁嵩, 谢慎隆, 杨银堂
物理学报. 2017, 66 (16): 167301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167301
全文: [PDF 442 KB] 下载:(60)
摘要
为了优化传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型AlGaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在AlGaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和AlGaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型AlGaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.

BaO掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响(二)
Influences of BaO doping on the properties of single domain GdBCO bulk superconductors (II)

王妙, 邬华春, 杨万民, 杨芃焘, 王小梅, 郝大鹏, 党文佳, 张明, 胡成西
物理学报. 2017, 66 (16): 167401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167401
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摘要

为了有效地抑制GdBCO超导块材在生长过程中出现的Gd/Ba替换现象,在前期工作的基础上,本文采用顶部籽晶熔渗生长工艺,通过在固相先驱粉中添加不同含量的BaO粒子成功地制备出了一系列高性能的单畴GdBCO超导块材,并且对样品的微观形貌以及临界电流密度进行了研究和分析.结果表明,随着BaO掺杂量的增加,样品中的Gd1+xBa2-xCu3O7-δ固溶体(Gd123ss)相呈现出减少的趋势,并生成了纳米量级的Gd123ss,这对GdBCO超导样品中存在的Gd/Ba替换起到了很好的抑制作用,使得样品中的GdBa2Cu3O7-δ(Gd123)超导相有所增加;同时当样品中BaO的添加量在2 wt%–4 wt%之间时,样品的临界电流密度在一定程度上得到了有效提高.

预退火时间对Fe80.8B10P8Cu1.2非晶合金微结构及磁性能的影响
Effects of relaxation time on local structural and magnetic properties of Fe80.8B10P8Cu1.2 amorphous alloy

曹成成, 范珏雯, 朱力, 孟洋, 王寅岗
物理学报. 2017, 66 (16): 167501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167501
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摘要
研究了预退火时间对Fe80.8B10P8Cu1.2非晶合金微结构及磁性能的影响.穆斯堡尔谱研究表明:在660 K的预退火温度下,随着预退火时间的增加,Fe原子不断富集,非晶基体中的类Fe3B化学短程有序结构向类FeB结构转变,并且非晶基体中Fe第一近邻壳层中Cu原子的逐渐脱离以及Fe-P配位键数量的明显减少可间接表征CuP团簇的形成过程.同时,本研究通过调节预退火时间来调控非晶基体中CuP团簇和Fe团簇的数量,促进后续退火晶化过程中α-Fe纳米晶相的析出,并细化纳米晶尺寸,从而获得综合磁性能更加优异的非晶/纳米晶软磁合金.

基于BiFeO3/ITO复合膜表面钝化的黑硅太阳电池性能研究
Performance investigation of black silicon solar cells with surface passivated by BiFeO3/ITO composite film

檀满林, 周丹丹, 符冬菊, 张维丽, 马清, 李冬霜, 陈建军, 张化宇, 王根平
物理学报. 2017, 66 (16): 167701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167701
全文: [PDF 1152 KB] 下载:(68)
摘要
采用金属银辅助化学刻蚀法在制绒的硅片表面刻蚀纳米孔形成微纳米双层结构,以期获得高吸收率的太阳能电池用黑硅材料.鉴于微纳米结构会在晶硅表面引入大量的载流子复合中心,利用磁控溅射技术在黑硅太阳电池表面制备了BiFeO3/ITO复合膜,并对其表面性能和优化效果进行了探索.实验制备的具有微纳米双层结构的黑硅纳米线长约180–320 nm,在300–1000 nm波长范围内入射光反射率均在5%以下.沉积BiFeO3/ITO复合薄膜后的黑硅太阳能电池反射率略有提高,但仍然具有较强的光吸收性能;采用BiFeO3/ITO复合膜的黑硅太阳能电池开路电压和短路电流密度分别由最初的0.61 V和28.42 mA/cm2提升至0.68 V和34.57 mA/cm2,相应电池的光电转化效率由13.3%上升至16.8%.电池综合性能的改善主要是因为沉积BiFeO3/ITO复合膜提高了电池光生载流子的有效分离,从而增强了黑硅太阳电池短波区域的光谱响应,表明具有自发极化性能的BiFeO3薄膜对黑硅太阳能电池的表面性能可起到较好的优化作用.

铁电材料光催化活性的研究进展
Research progress on photocatalytic activity of ferroelectric materials

吴化平, 令欢, 张征, 李研彪, 梁利华, 柴国钟
物理学报. 2017, 66 (16): 167702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.167702
全文: [PDF 1008 KB] 下载:(73)
摘要
光催化技术被认为是最有前景的环境污染处理技术,这就使得光催化剂材料备受瞩目.近年来,铁电材料作为新型光催化剂材料受到人们越来越多的关注,其原因在于铁电材料特有的自发极化有望解决催化反应过程中的电子-空穴对复合问题,进而提高光催化活性.本文从两个方面对铁电极化如何影响光催化进行综述:一方面,从铁电极化入手归纳总结其对电子-空穴对分离的影响,进而更深入地从极化引发的退极化场和能带弯曲两个部分来阐述具体的影响机理;另一方面,为了消除静电屏蔽,分别从温度、应力(应变)、电场三个外场因素调控极化入手,归纳总结外场调控极化对电子-空穴对分离的影响,进而影响光催化活性.最后对该领域今后的发展前景进行了展望.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

合金元素对钢中NbC异质形核影响的第一性原理研究
First-principles calculation of influence of alloying elements on NbC heterogeneous nucleation in steel

熊辉辉, 刘昭, 张恒华, 周阳, 俞园
物理学报. 2017, 66 (16): 168101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.168101
全文: [PDF 1265 KB] 下载:(66)
摘要
为了探索不同合金元素对NbC异质形核的影响,本文利用第一性原理研究了合金元素XX=Cr,Mn,Mo,W,Zr,V,Ti,Cu和Ni)对ferrite(100)/NbC(100)界面性质的影响,并且分析了上述合金元素掺杂前后界面的黏附功、界面能和电子结构.研究结果表明,Cr,V和Ti掺杂的界面具有负的偏聚能,说明它们容易偏聚到ferrite/NbC界面,但Mn,W,Mo,Zr,Cu和Ni却难以偏聚到此界面.当Mn,Zr,Cu和Ni取代界面处的Fe原子后,界面的黏附强度降低,即这些合金减弱铁素体在NbC上的形核能力.然而Cr,W,Mo,V和Ti引入界面后,其黏附功比掺杂前的界面要大,且界面能均降低,即提高了界面的稳定性.因此,W,Mo,V和Ti,尤其是Cr,能够有效地促进铁素体形核和细化晶粒.电子结构分析表明,Zr和Cu引入界面后,界面处的Zr,Cu原子和C原子的相互作用变弱;然而Cr和W引入界面后,Cr,W和C原子之间形成了很强的非极性共价键,提高了ferrite/NbC界面的结合强度.

玉米淀粉固态电解质质子\电子杂化突触晶体管
Corn starch solid electrolyte gated proton/electron hybrid synaptic transistor

郭立强, 陶剑, 温娟, 程广贵, 袁宁一, 丁建宁
物理学报. 2017, 66 (16): 168501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.168501
全文: [PDF 662 KB] 下载:(62)
摘要
随绿色可持续发展观念的深入人心,研究人员致力于寻找天然有机材料应用于功能性电子器件.淀粉以其低廉的价格、丰富的来源和优异的机械性能进入了科研人员的视野.淀粉可由玉米、马铃薯、甘薯和葛根等含淀粉的物质中提取而得,一般不溶于水,在和水加热至一定温度时,则糊化成胶状溶液.本文通过旋涂法将玉米淀粉的胶状溶液旋涂至氧化铟锡玻璃表面,然后在30℃恒温环境中晾干制备成固态胶合状薄膜.以此薄膜作为固态电解质制备了氧化铟锌突触晶体管,并实现了生物神经突触的双脉冲易化、学习记忆能力、高通滤波等可塑性行为的仿真.本研究以玉米淀粉固态胶合薄膜作为电解质大大降低了氧化物薄膜晶体管固态电解质的成本,且该电解质无毒性、来源丰富,将为人工神经网络的开发提供一种可选择的元件.
地球物理学、天文学和天体物理学

黑碳团簇气溶胶混合生长的红外吸收特性及长波辐射效应
Effect of aggregated black carbon aging on infrared absorption and longwave radiative forcing

郑利娟, 程天海, 吴俣
物理学报. 2017, 66 (16): 169201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.169201
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摘要

黑碳气溶胶是当前气溶胶辐射强迫评估中最不确定的因子.本文通过构建黑碳的微物理模型,分别模拟了新鲜状态的黑碳气溶胶和混合生长(老化)后被硫酸盐包裹的黑碳气溶胶,利用叠加T矩阵方法计算获得了具有团簇形态和多成分混合的黑碳气溶胶红外吸收特性,通过大气辐射传输模型模拟了黑碳气溶胶的长波辐射强迫,分析了典型理化参数的敏感性.发现黑碳混合生长可以显著增强其大气层顶的长波辐射强迫,最高可达3倍.而且,包裹黑碳的硫酸盐半径越大,将明显增强大气层顶的黑碳长波辐射强迫.这些发现将有助于降低黑碳气溶胶气候效应评估的不确定性.


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