物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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时间反演对称性破缺系统中的拓扑零能模
张卫锋, 李春艳, 陈险峰, 黄长明, 叶芳伟
物理学报. 2017, 66 (22): 220201
全光纤干涉式结构中传感模式仿真分析
李丽君, 马茜, 曹茂永, 宫顺顺, 李文宪, 丁小哲, 刘仪琳, 徐琳, 刘倩
物理学报. 2017, 66 (22): 220202
基于本征正交分解的气动优化设计外形数据挖掘
段焰辉, 吴文华, 范召林, 罗佳奇
物理学报. 2017, 66 (22): 220203
物理学报  
   物理学报--2017, 66 (22)   发布日期: 2017-11-20
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编者按:
       拓扑原来是一个几何学的概念,用来描述几何结构在某些连续变化下不变的性质.过去几十年来,由于凝聚态物理和量子场论的发展,人们发现拓扑可以描述很多物理学中有趣的现象.2016年诺贝尔物理奖颁给了 Thouless,Haldane 和Kosterliz,奖励他们发现了拓扑相变和物质的拓扑相.近年来物理学的重要发现和研究热点之一就是具有非平庸物理性质的拓扑物质态.现在对这些拓扑物质态的研究已经从电子系统扩散到玻色子和经典波动系统.本专题是关于经典波动系统的拓扑态及其物理效应的,得到了国内在拓扑经典波前沿研究的一些专家和研究组的撰稿支持,收录了一维、二维和三维经典波动系统的拓扑相,包括声波、电磁波、光电耦合系统等等,而其中万变不离其宗的就是狄拉克方程.
        近年来对能带拓扑性质的研究扩展到了经典波动系统.经典波,如电磁波和声波等在周期结构中也有能带出现,并且这些能带也可以具有非平庸的拓扑性质.相对于电子系统而言,经典波动系统具有更好的可控性、可测量性、相干性和制备优势,因此更容易实现和观测某些拓扑能带及其物理性质.在过去的10 年里经典波动系统的拓扑性质如火如荼地发展,中国科学家做出了顶尖的贡献.本专题内容涉及光子晶体、声子晶体、光学和声学超构材料等经典波动系统中的拓扑能带及其物理效应,包含一维、二维和三维系统的一系列工作,值得初入此行的学者和对该领域感兴趣的读者参考.

   (客座编辑: 苏州大学 蒋建华)

专题:拓扑经典波动

时间反演对称性破缺系统中的拓扑零能模 Hot!
Topological zero-energy modes in time-reversal-symmetry-broken systems

张卫锋, 李春艳, 陈险峰, 黄长明, 叶芳伟
物理学报. 2017, 66 (22): 220201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220201
全文: [PDF 744 KB] 下载:(580)
摘要

Su-Schreiffer-Heeger模型预测了在一维周期晶格的边缘处可能出现零维的拓扑零能模,其能量本征值总是出现在能隙的正中间.本文以半导体微腔阵列中光子和激子在强耦合情况下形成的准粒子为例,通过准粒子的自旋轨道耦合与Zeeman效应,研究了时间反演对称性破缺对拓扑零能模的影响.发现拓扑零能模的能量本征值可以随着自旋轨道耦合强度的变化在整个带隙内移动,自旋相反的模式移动方向相反;在二维微腔阵列中发现了沿着晶格边缘移动的拓扑零能模,提出了一维零能模的概念.由于时间反演对称性的破缺,这种一维拓扑零能模解除了在相反传输方向上的能级的简并,从而在传输过程中出现极强的绕过障碍物的能力.

Dirac光子晶体
Dirac photonic crystal

王海啸, 徐林, 蒋建华
物理学报. 2017, 66 (22): 220302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220302
全文: [PDF 1156 KB] 下载:(651)
摘要
Dirac费米子作为粒子物理中的基本粒子之一,其理论在近年来蓬勃发展的拓扑电子理论领域中被广泛提及并用来刻画具有Dirac费米子性质的电子态.这种特殊的能态通常被称为Dirac点,在能谱上表现为两条不同能带之间的线性交叉点.由于Dirac点往往是发生拓扑相变的转变点,因而也被视为实现各种拓扑态的重要母态.作为可与拓扑电子体系类比的拓扑光子晶体因其独特的潜在应用价值也受到人们的广泛关注,实现包含Dirac点的光子能带已成为研究拓扑光子晶体的核心课题.本文基于电子的拓扑理论,简要地回顾了Dirac点在光子系统中的研究进展,特别介绍了如何在光子晶体中利用不同晶格对称性实现在高对称点/线上的Dirac点,以及由Dirac点衍生的Weyl点.

圆环结构磁光光子晶体中的拓扑相变
Topological phase transitions in core-shell gyromagnetic photonic crystal

沈清玮, 徐林, 蒋建华
物理学报. 2017, 66 (22): 224102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224102
全文: [PDF 598 KB] 下载:(290)
摘要

二维圆环结构的三角晶格磁光光子晶体中可以呈现多重拓扑相.在不同的几何参数和磁场下,这些拓扑相包括正常光子带隙相、量子自旋霍尔相和反常量子霍尔相.与文献[1]类似,该结果展现了二维光子晶体丰富的拓扑相变现象.

人工带隙材料的拓扑性质
Topological properties of artificial bandgap materials

孙晓晨, 何程, 卢明辉, 陈延峰
物理学报. 2017, 66 (22): 224203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224203
全文: [PDF 2183 KB] 下载:(923)
摘要

近年来,人工带隙材料(如声子晶体和光子晶体)由于其优异的性能,已成为新一代智能材料的研究焦点.另一方面,材料拓扑学由凝聚态物理领域逐渐延伸到其他粒子或准粒子系统,而研究人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注,其特有的鲁棒边界态,具有缺陷免疫、背散射抑制和自旋轨道锁定的传输等特性,潜在应用前景巨大.本文简要介绍拓扑材料特有的鲁棒边界态的物理图像及其物理意义,并列举诸如光/声量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体等相关工作;利用Dirac方程,从原理上分析光/声拓扑性质的由来;最后对相关领域的发展方向和应用前景进行了相应的讨论.

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变
Topological phase transitions caused by a simple rotational operation in two-dimensional acoustic crystals

王健, 吴世巧, 梅军
物理学报. 2017, 66 (22): 224301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224301
全文: [PDF 3064 KB] 下载:(349)
摘要

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C6v对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的p态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.

一维颗粒声子晶体的拓扑相变及可调界面态
The topological phase transition and the tunable interface states in granular crystal

王青海, 李锋, 黄学勤, 陆久阳, 刘正猷
物理学报. 2017, 66 (22): 224502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224502
全文: [PDF 532 KB] 下载:(348)
摘要
基于Su-Schrieffer-Heeger模型,构造了一种一维非线性声子晶体,通过调控外加在声子晶体上的预紧力,可调控声子晶体的拓扑态,从而实现拓扑相变.利用这一效应,把该非线性声子晶体与另一线性声子晶体形成异质结构,可以实现一种新型声学开关:通过调节预紧力即调控非线性声子晶体的拓扑相,可以实现异质结构中界面态从无到有的转变,从而实现了开关效应.利用该效应可望开发新型声学器件,如可调谐振器、可调滤波器、可调隔振器等.

拓扑声子与声子霍尔效应
Topological phonons and phonon Hall effects

邢玉恒, 徐锡方, 张力发
物理学报. 2017, 66 (22): 226601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.226601
全文: [PDF 881 KB] 下载:(787)
摘要
拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.

类石墨烯复杂晶胞光子晶体中的确定性界面态
Deterministic interface states in photonic crystal with graphene-allotrope-like complex unit cells

贾子源, 杨玉婷, 季立宇, 杭志宏
物理学报. 2017, 66 (22): 227802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227802
全文: [PDF 3767 KB] 下载:(245)
摘要
拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域研究的热点问题.利用石墨烯材料的特殊能带特性来实现拓扑输运特性在设计下一代电子和能谷电子器件方面具有较广泛的应用前景.基于光子与电子的类比,利用光子拓扑材料实现了确定性界面态;构建了具有C6v对称性的类似石墨烯结构的的光子晶体复杂晶格;通过多种方式降低晶格对称性来获得具有C3vC3C2vC2对称的晶体,从而打破能谷简并实现全光子带隙结构;将体拓扑性质不同的两种光子晶体摆放在一起,在此具有反转体能带性质的界面上,实现了具有单向传输特性的拓扑确定性界面态的传输.利用光子晶体结构的容易加工性,可以简便地调控拓扑界面态控制光的传播,可为未来光拓扑绝缘体的研究提供良好的平台.

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应
Quantum spin Hall effect in metamaterials

龙洋, 任捷, 江海涛, 孙勇, 陈鸿
物理学报. 2017, 66 (22): 227803      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227803
全文: [PDF 1144 KB] 下载:(688)
摘要
电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.

声子晶体中的多重拓扑相
Multiple topological phases in phononic crystals

陈泽国, 吴莹
物理学报. 2017, 66 (22): 227804      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227804
全文: [PDF 606 KB] 下载:(368)
摘要
研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.

空间盘绕型声学超材料的亚波长拓扑谷自旋态
Subwavelength topological valley-spin states in the space-coiling acoustic metamaterials

郑圣洁, 夏百战, 刘亭亭, 于德介
物理学报. 2017, 66 (22): 228101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.228101
全文: [PDF 794 KB] 下载:(389)
摘要
声子晶体的Dirac线性色散关系,使其具有奇特的声拓扑特性,在声波控制领域具有良好的应用前景.目前,声子晶体的拓扑边缘态主要基于Bragg散射所产生的能带结构,难以实现低频声波的受拓扑保护单向边缘传输.本文引入空间盘绕结构,设计了具有C3v对称性的空间盘绕型声学超材料,并研究其布里渊区高对称点(K/K'点)的亚波长Dirac锥形线性色散.接着,通过旋转打破空间盘绕型声学超材料的镜像对称性,使其Dirac简并锥裂开而产生亚波长拓扑相变和亚波长拓扑谷自旋态.最后,采用拓扑相位互逆的声学超材料构造拓扑界面,实现声拓扑谷自旋传输.空间盘绕型声学超材料的亚波长Dirac线性色散与亚波长拓扑谷自旋态突破了声子拓扑绝缘体的几何尺寸限制,为声拓扑稳健传输在低频段的应用提供理论基础.
总论

全光纤干涉式结构中传感模式仿真分析 Hot!
Simulation and analysis of sensing modes of in-fiber interferometer

李丽君, 马茜, 曹茂永, 宫顺顺, 李文宪, 丁小哲, 刘仪琳, 徐琳, 刘倩
物理学报. 2017, 66 (22): 220202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220202
全文: [PDF 415 KB] 下载:(205)
摘要

全光纤干涉式传感结构中包层模场与外界物理量作用,携带被感测信息,因此对包层模的研究是设计制作和提高该类传感器传感性能的关键.利用有限差分光束传播法获得传感光纤不同长度和不同芯径比时传感器对应的光谱,通过傅里叶变换获得其干涉频谱,计算出各主要参与干涉的包层模组的有效折射率,利用色散方程确定对应包层模.理论仿真结果显示,随着传感部分光纤长度增加,参与干涉的包层模式随之增加,并且向高阶模式变化,光谱变得稠密,是多阶包层模干涉的叠加,传感器输出干涉谱的自由光谱范围变小.随着输入光纤与传感光纤芯径比变化,会明显改变纤芯包层功率分布,同时,芯径比增大也会增加参与干涉的包层模种类和阶数.

基于本征正交分解的气动优化设计外形数据挖掘 Hot!
Proper orthogonal decomposition-based data mining of aerodynamic shape for design optimization

段焰辉, 吴文华, 范召林, 罗佳奇
物理学报. 2017, 66 (22): 220203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220203
全文: [PDF 1656 KB] 下载:(145)
摘要

气动外形的全局优化设计会产生大量的过程数据,其中隐含的设计知识具有较高的挖掘价值.数据挖掘有助于获取直观、可定性描述的设计知识.本文采用基于本征正交分解的数据挖掘方法从气动优化设计的过程数据中获取设计知识,数据挖掘对象为跨音速压气机转子叶片NASA Rotor 37的优化过程数据,该数据由基于粒子群方法的绝热效率最大化优化设计产生.结果表明:基于本文数据挖掘方法获取的设计知识能够直接反映气动外形的变化规律,为叶片的气动外形设计提供参考;数据挖掘的设计知识成功地验证了优化设计结果的有效性.

基于傅里叶变换红外光谱技术测量大气中CO2的稳定同位素比值
Detection of stable isotopic ratio of atmospheric CO2 based on Fourier transform infrared spectroscopy

单昌功, 王薇, 刘诚, 徐兴伟, 孙友文, 田园, 刘文清
物理学报. 2017, 66 (22): 220204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220204
全文: [PDF 979 KB] 下载:(137)
摘要

长期监测大气中CO2及其稳定同位素不仅可以获得CO2源和汇信息,还可以确定不同排放源对大气中CO2的贡献.傅里叶变换红外光谱技术是目前大气中痕量气体柱浓度高精度遥测的一种重要方法.本研究基于地基高分辨率傅里叶变换红外光谱仪采集的近红外太阳吸收光谱反演出大气中CO2的稳定同位素13CO212CO2.在选择的13CO2的三个光谱窗口和12CO2的两个光谱窗口光谱拟合残差都很小,光谱拟合质量高.实验观测期间CO2同位素13CO212CO2的反演误差平均值分别为(1.18±0.27)%和(0.89±0.25)%;利用Allan方差计算出观测系统的碳同位素比值δ13C的测量精度为0.041‰.获得了2015年9月18日至2016年9月24日一年内大气中碳同位素比值δ13C的长时间序列.结果表明,在整个测量期间δ13C在-7.58‰–-11.66‰范围内变化,平均值为(-9.5±0.57)‰;δ13C有着明显的季节变化,冬季最小,夏季最大.分析了取暖导致的化石燃料燃烧排放增多是冬季大气中CO2重同位素13CO2贫化的原因.观测结果显示了高分辨率傅里叶变换红外光谱仪具有准确和高精度观测大气中CO2的稳定同位素和同位素比值δ13C的能力.

自旋-轨道耦合作用下玻色-爱因斯坦凝聚在量子相变附近的朗道临界速度
Landau critical velocity of spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate across quantum phase transition

贺丽, 余增强
物理学报. 2017, 66 (22): 220301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220301
全文: [PDF 456 KB] 下载:(156)
摘要

各向异性超流体中的朗道临界速度并非简单地由运动方向的元激发能谱决定.在自旋-轨道耦合作用下的双分量玻色-爱因斯坦凝聚中,当系统跨过平面波相与零动量相之间的量子相变时,尽管超流声速连续变化,但垂直于自旋-轨道耦合方向的朗道临界速度会出现跳变,跳变幅度随自旋相互作用强度单调增加.根据线性响应理论,计算了凝聚体中运动杂质在不同速度下的能量耗散率,提出可以通过能量耗散观测临界速度在量子相变处的不连续性.

过阻尼布朗棘轮的斯托克斯效率研究
Stokes efficiency in the overdamped Brownian ratchet

吕明涛, 延明月, 艾保全, 高天附, 郑志刚
物理学报. 2017, 66 (22): 220501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220501
全文: [PDF 456 KB] 下载:(125)
摘要

根据随机能量理论解析得到阻尼环境中布朗粒子的概率流和斯托克斯效率,并进一步研究布朗粒子的输运性能.详细讨论了空间的不对称性、外偏置力及外势结构等对棘轮定向输运的影响.研究发现,合适的外偏置力能使棘轮的定向输运达到最强.通过调节外势的不对称性可使棘轮中粒子的运动反向,当选择合适的空间不对称性时布朗粒子的反向输运可获得最强.此外,一定条件下合适的外势高度也能增强棘轮输运,且能使粒子克服黏滞阻力的斯托克斯效率达到最大.所得结论能够启发实验上设计合适的外势及外偏置来优化布朗棘轮的定向输运性能,并为生物纳米器件的研制提供一定的理论参考.

基于磁化电流法的双稳压电悬臂梁磁力精确分析
Accurate analysis of magnetic force of bi-stable cantilever vibration energy harvesting system with the theory of magnetizing current

张雨阳, 冷永刚, 谭丹, 刘进军, 范胜波
物理学报. 2017, 66 (22): 220502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220502
全文: [PDF 747 KB] 下载:(64)
摘要

双稳压电悬臂梁结构常常用于振动能量采集系统,其中的非线性磁力与系统势函数和动力学方程的建立紧密相关,非线性磁力的正确分析和精确计算对系统振动响应和能量采集效果的准确预测至关重要.本文采用形状函数分析方法,通过悬臂梁弯曲斜率的整体积分计算,得到了悬臂梁末端的运动轨迹及其末端磁铁精确的位置与姿态,并由此根据磁化电流理论建立了双稳压电悬臂梁能量采集系统的磁力计算模型,给出了末端磁铁受到的水平轴向磁力和竖直纵向磁力及其合磁力的变化规律.数值模拟发现,随着末端磁铁竖直纵向位移逐渐增大,磁铁受到的水平轴向磁力和竖直纵向磁力都会依次由排斥力转变为吸引力,从而导致磁力合力的方向会随磁铁位移发生跨越两个象限的大幅度变化.实验验证表明,磁力计算结果与实验测量结果符合良好,其精确度优于现有文献方法的精度,因此本文的方法可以准确预测双稳压电悬臂梁振动过程的磁力变化规律.

对称旋转不变相干分布式非圆信号二维波达方向估计
Two-dimensional direction-of-arrival estimation of coherently distributed noncircular signals via symmetric shift invariance

代正亮, 崔维嘉, 巴斌, 张彦奎
物理学报. 2017, 66 (22): 220701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.220701
全文: [PDF 456 KB] 下载:(109)
摘要

在相干分布式非圆信号二维波达方向估计中,利用信号非圆特性可提升估计精度,但现有的低复杂度算法利用泰勒级数近似建立的旋转不变关系会引入额外误差.针对该问题,考虑中心对称的三维立体线阵,提出了一种基于对称旋转不变关系的二维波达方向估计算法.算法首先利用信号非圆特性建立了扩展阵列模型;然后证明了对于任意的中心对称阵列,相干分布源的确定性角信号分布函数矢量具有对称特性,利用此特性在三维立体线阵的三个子阵中分别建立了扩展广义方向矢量的对称旋转不变关系;基于此,通过无须搜索的多项式求根方式分别得到中心方位角和俯仰角估计;最后利用整个阵列广义方向矢量的对称旋转不变关系构造代价函数实现了参数匹配.理论分析和仿真实验表明,相比于现有的低复杂度算法,所提算法避免了泰勒级数近似引入的额外误差,以较小的复杂度代价获得了性能的较大提升.同时,所提算法能够实现三维空间全方位的角度估计.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

苝四甲酸二酐薄膜电子结构的同步辐射共振光电子能谱研究
Electronic structure of a 3, 4, 9, 10-perylene-tetracarboxylic-dianhydride thin film revealed by synchrotron-based resonant photoemission spectroscopy

李智浩, 曹亮, 郭玉献
物理学报. 2017, 66 (22): 224101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224101
全文: [PDF 424 KB] 下载:(141)
摘要

利用基于同步辐射的近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)和共振光电子谱(RPES)研究了苝四甲酸二酐分子(PTCDA)薄膜的电子结构.碳K边NEXAFS谱中能量小于290 eV的四个峰对应于PTCDA分子不同化学环境碳原子1s电子到未占据分子轨道的共振跃迁.RPES谱中观察到共振光电子发射和共振俄歇电子发射导致的共振峰结构,以及二次谐波激发的碳1s信号.根据电子动能对入射光能量的依赖性分别对三类峰结构进行了归属.同时,发现PTCDA分子轨道共振光电子峰的强度具有光子能量依赖性.这种能量选择性共振增强效应是由于PTCDA分子轨道空间分布差异导致的.共振俄歇峰主要源于高结合能(>4.1 eV)分子轨道能级电子参与的退激发过程.明确RPES实验谱图中各个峰结构的起源有助于准确利用基于RPES的芯能级空穴时钟谱技术定量估算有机分子/电极异质界面处电子从分子未占据轨道到电极导带的超快转移时间.

对称照明在傅里叶叠层成像中的应用
Symmetric illumination in Fourier ptychography

张雷雷, 唐立金, 张慕阳, 梁艳梅
物理学报. 2017, 66 (22): 224201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224201
全文: [PDF 1036 KB] 下载:(159)
摘要

傅里叶叠层成像技术是一种全新的能够恢复出大视场下高分辨率图像的技术,而较长的采样时间限制了傅里叶叠层成像的实际应用.本文阐述了一种利用对称照明提高傅里叶叠层成像速度的方法,研究了傅里叶叠层成像在空域和频域上的对称性,指出在不考虑相位的情况下,利用对称照明可提高照明强度,减少傅里叶叠层成像所需要的图像数,同时可以提高傅里叶叠层成像图像重建的速度.实验表明使用对称照明可以在不改变算法复杂性的前提下,得到与传统傅里叶叠层成像同样的高分辨率,且所需的图像数减少约50%,采样时间减少约70%,图像重建时间减少约50%.基于对称照明的方法将促进傅里叶叠层成像技术在实时成像中的应用.

光栅周期包含的Bragg层数对Bragg型凹面衍射光栅的影响
Effects of Bragg periods per grating period on performance of Bragg concave diffraction grating

杜炳政, 朱京平, 毛玉政, 刘宏, 王凯, 侯洵
物理学报. 2017, 66 (22): 224202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224202
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摘要

单个衍射光栅周期所包含的Bragg周期层数是连续Bragg齿型凹面衍射光栅的主要参数之一,该参数可改变光栅齿结构,对凹面衍射光栅的分辨力.自由光谱范围及衍射效率有重要影响.本文通过理论分析与仿真模拟,对比了4种不同层数的Bragg型凹面衍射光栅的特性参数.研究结果表明:在衍射光栅尺寸不变的情况下,改变单个光栅周期包含的Bragg周期层数不会显著提高器件主衍射级次的分辨力;单个光栅周期包含的Bragg周期层数与光栅可衍射的级次数成正相关.单周期层数的Bragg凹面衍射光栅的主衍射级次效率最高,其可衍射的级次数最少,且其他衍射级次分散的能量最少;增加单个光栅周期所包含的Bragg周期层数会降低主衍射级次的自由光谱范围.该研究对于设计低插损、高分辨率、宽工作波段的波分复用器或光栅光谱仪具有重要的指导意义.

道路交通的流体物理模型与粒子仿真方法
Physics model of fluid and particle simulation method for road traffic

崔曼, 薛惠锋, 陈福振, 卜凡彪
物理学报. 2017, 66 (22): 224501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224501
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摘要

针对受多种因素影响的复杂道路交通系统问题,基于颗粒动力学理论,结合传统的Lighthill-Whitham-Richards物理模型,建立道路交通系统的流体物理模型,采用无网格粒子与网格相结合的方法进行数值仿真,并应用于典型道路交通问题的求解.在新模型中,将车辆比拟为硬颗粒,车辆的跟车比拟为颗粒间的碰撞相互作用,已知道路情况对驾驶员操作车辆的影响比拟为流-粒两相系统中的外部流体驱动力作用,不同车道间车辆的影响比拟为颗粒间的黏性作用,从而在颗粒动力学理论的基础上,推导建立了道路交通系统拟流体模型;引入光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)对车辆系统模型进行离散,建立“SDPH车辆”与真实车辆之间的一一对应关系,再结合有限体积方法,对道路交通构建的双流体模型进行求解,建立求解交通流体物理模型的新型仿真方法.最后,采用所建立的模型和方法对车辆汇入以及机非混合对交通系统的影响过程进行了数值仿真,所得结果与实测值符合较好,表明新的模型和方法有效性好、可靠性高,为道路交通问题的解决提供了一条全新的途径.

石墨烯低温热膨胀和声子弛豫时间随温度的变化规律
Variation of thermal expansion at low temperature and phonon relaxation time in graphene with temperature

任晓霞, 申凤娟, 林歆悠, 郑瑞伦
物理学报. 2017, 66 (22): 224701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224701
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摘要
考虑到原子非简谐振动和电子-声子相互作用,用固体物理理论和方法研究了石墨烯格林艾森参量和低温热膨胀系数以及声子弛豫时间随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动项对它们的影响.结果表明:1)在低于室温的温度范围内,石墨烯的热膨胀系数为负值,随着温度的升高,其热膨胀系数的绝对值单调增加,室温热膨胀系数为-3.64×10-6K-1;2)简谐近似下的格林艾森参量为零.考虑到非简谐项后,格林艾森参量在1.40–1.42之间并随温度升高而缓慢增大,几乎成线性关系,第二非简谐项对格林艾森参量的影响小于第一非简谐项;3)石墨烯声子弛豫时间随着温度的升高而减小,其中,温度很低(T<10 K)时变化很快,此后变化很慢,当温度不太低(T>300 K)时,声子弛豫时间与温度几乎成反比关系.

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究
A method combined immersed boundary with multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver for fluid-structure interaction

吴晓笛, 刘华坪, 陈浮
物理学报. 2017, 66 (22): 224702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224702
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摘要
针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.

高效在线测量加速实验中双极晶体管结温方法的研究
High-efficiency on-line measurement of junction temperature based on bipolar transistors in accelerated experiment

郭春生, 丁嫣, 姜舶洋, 廖之恒, 苏雅, 冯士维
物理学报. 2017, 66 (22): 224703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.224703
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摘要
针对晶体管在加速寿命实验和老炼实验等实际工程中结温的在线测控问题,本文基于大电流电学测温方法研究了型号为2N3055的双极大功率晶体管在恒定的集电极电压Vce和集电极电流Ice条件下发射结电压Vbe随着温度T变化的对应关系.研究结果表明,温度在40–140 ℃范围内时,在集电极加载大功率电流电压的条件下,发射结电压随温度上升而线性减小,基极电流随温度变化不超过4%.通过理论推导恒定功率下发射结电压与温度的数学模型,证明了当基极电流数值随温度变化不超过4%时,Vbe-T关系曲线呈线性且理论上引起的温度误差不超过0.5 ℃,以此为基础推导出一种新的在线测量加速实验中结温测试公式.最后利用Phase11进行对比验证实验,证明了该方法的正确性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

Sm2Co17型永磁合金的辐照效应研究
Irradiation effect of Sm2Co17 type permanent magnets

李哲夫, 贾彦彦, 刘仁多, 徐玉海, 王光宏, 夏晓彬
物理学报. 2017, 66 (22): 226101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.226101
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摘要
Sm2Co17型永磁合金大量使用在上海同步辐射光源储存环的永磁型波荡器上,在受到长期辐照后会发生磁性能损失的现象,进而影响同步辐射光的品质.为了探索其潜在的微观机理,本文首先对Sm2Co17型永磁合金所处混合辐射场的粒子及相关物理量进行了计算分析,确定引发磁性能损失的主要粒子是中子.然后采用Ar离子模拟中子辐照损伤的方法对其进行辐照,采用透射电镜对其辐照前后的微观形貌及微观结构进行了研究探讨,采用振动样品磁强计对永磁合金辐照前后的饱和磁化强度进行了分析对比,并讨论了微观结构演化与宏观磁性能变化的联系.结果表明,Ar离子辐照后Sm2Co17型永磁合金饱和磁化强度的不可逆损失与微观结构变化有直接的关系,其2:17相从单晶结构转变为非晶结构是造成其磁性能损失可能的微观机制.

单靶溅射制备铜锌锡硫薄膜及原位退火研究
Fabrication of Cu2ZnSnS4 thin films by sputtering quaternary compound target and the research of in-situ annealing

赵其琛, 郝瑞亭, 刘思佳, 刘欣星, 常发冉, 杨敏, 陆熠磊, 王书荣
物理学报. 2017, 66 (22): 226801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.226801
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摘要

采用衬底加热溅射铜锌锡硫(CZTS)四元化合物单靶制备CZTS薄膜,并研究原位退火对制备薄膜的影响.结果表明:在溅射结束后快速升温并保持一段时间,所得到的样品相比于未原位退火的CZTS薄膜结晶质量更好,且表面更平整致密;原位退火后的CZTS薄膜太阳电池性能参数也相应地有所提升,其开路电压(Voc)为575 mV,短路电流密度(Jsc)为8.32 mA/cm2,光电转换效率达到1.82%.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟
Molecular dynamics simulation on the glass transition temperature and mechanical properties of polyimide/functional graphene composites

杨文龙, 韩浚生, 王宇, 林家齐, 何国强, 孙洪国
物理学报. 2017, 66 (22): 227101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227101
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摘要
应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(Tg).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的Tg均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其Tg(559.30 K)较纯PI的Tg(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后Tg(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm-3,溶解度参数为23.51 J1/2·cm-3/2,其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料Tg的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.

二维方形量子点体系等离激元的量子化
Quantization of plasmon in two-dimensional square quantum dot system

吴仍来, 肖世发, 薛红杰, 全军
物理学报. 2017, 66 (22): 227301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227301
全文: [PDF 770 KB] 下载:(106)
摘要
量子点体系等离激元的研究是光电子学领域的热点.为进一步加深和完善对等离激元的量子效应的认识,本文利用紧束缚近似和线性响应理论研究了二维方形量子点体系对外场的集体响应.结果表明,当外场频率等于等离激元的频率时,量子点体系会有强烈的电荷振荡,并伴随着能量的极大吸收和近场的增强.在量子点中,等离子体存在分立的元激发.等离子体元激发的个数将随着量子点尺寸和电子个数的增加而增加.随量子点尺寸的增加,分立的等离激元将逐步呈现准连续的特性,即过渡为经典连续的等离激元,其频谱曲线演化为经典的色散曲线.结果还表明:随量子点尺寸的增加,等离激元的频率会红移,等离激元的激发强度会增大;随量子点中电子数的增加,等离激元的频率会蓝移,等离激元的激发强度会增大.

长程表面等离子体的增强效应
Long-range surface plasmon polariton enhancement in double-electrode structure

张凯, 杜春光, 高健存
物理学报. 2017, 66 (22): 227302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227302
全文: [PDF 837 KB] 下载:(127)
摘要
研究了双层金属薄膜构型中构型参数对长程表面等离子体的影响,并发现了衰减全反射激发方法下长程表面等离子体的增强效应.以特征矩阵算法为基础,通过数值计算构型的反射谱,研究构型参数的变化对反射谱的影响.发现由于衰减全反射激发方法中耦合器的存在导致的非对称特性,会使双层金属薄膜构型中的长程表面等离子体拥有本征模式特性以外的有趣特性,如长程模式得到增强而另一支受到抑制,从而使能量更为集中在希望被激发的一支.研究结果对非对称激发构型中的长程表面等离子体研究具有启发意义.

砷化镓光电阴极光谱响应与吸收率关系分析
Analysis of the relation between spectral response and absorptivity of GaAs photocathode

赵静, 余辉龙, 刘伟伟, 郭婧
物理学报. 2017, 66 (22): 227801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.227801
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摘要
为了研究砷化镓(GaAs)光电阴极光谱响应与吸收率曲线间的关系,采用分子束外延法(MBE)和金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)制备了两类GaAs光电阴极,并测试得到了样品吸收率和光谱响应实验曲线.对每个样品的这两条曲线在同一坐标系中做最大值归一化处理,将归一的光谱响应曲线与归一的吸收率曲线做除法,得到了类似光电阴极表面势垒的形状.结果表明,两种方法制备的光电阴极光谱响应曲线相比吸收率曲线都发生了红移,MBE样品偏移量稍大于MOCVD样品.短波吸收率不截止,光谱响应截止于500 nm左右;可见光波段上,光谱响应曲线的峰值位置相比吸收率曲线红移了几百meV;近红外区域,光谱响应曲线的截止位置相比吸收率曲线红移了几个meV.MOCVD样品中杂质对带隙的影响更小,光谱响应相比吸收率发生的能量偏移更小.这些结论对提高GaAs光电阴极光电发射性能有指导意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

磁悬浮式电磁-摩擦复合生物机械能量采集器
Electromagnetic-triboeletric hybridized generator based on magnetic levitation for scavenging biomechanical energy

温涛, 何剑, 张增星, 田竹梅, 穆继亮, 韩建强, 丑修建, 薛晨阳
物理学报. 2017, 66 (22): 228401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.228401
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摘要
能量采集技术已经成为智能终端领域的一项关键技术,关于人体机械能采集方式也有大量的研究.针对人体机械能采集的应用需求,本文提出一种基于磁悬浮结构的电磁-摩擦复合式能量采集器.该能量采集器以磁悬浮结构作为核心部件,具有结构简单、感应灵敏、输出功率高的优点.在10 MΩ的外接负载时,两组摩擦发电单元输出功率分别为0.12 mW和0.13 mW;在1 kΩ外接负载时,两组电磁发电单元的输出功率分别为36 mW和38 mW.复合能量采集器通过电容储能后,电容器可以输出8 V电压,且输出信号为持续的直流信号,可以为计步器提供持续的能量供给,支撑计步器正常工作.设计的复合能量采集器对于可穿戴电子设备自供电工作模式的实现具有重要意义.

基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器
High performence visble-near infrared photovoltaic detector based on narrow bandgap polymer

肖标, 张敏莉, 王洪波, 刘继延
物理学报. 2017, 66 (22): 228501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.228501
全文: [PDF 652 KB] 下载:(139)
摘要
聚合物光伏探测器是一种极具应用前景的新型光电探测器件.研究了基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器,结果表明,所制备的光伏探测器在可见至近红外光谱范围内具有宽的光谱响应(380–960 nm)、出色的响应度(840 nm时达到380 mA/W)和归一化探测度;同时,器件在暗态反偏条件下的能级示意图揭示了器件内平均电场较低是较厚光敏层器件具有低噪声电流的主要原因.电容-电压与时间周期性响应曲线研究表明聚合物光伏探测器具有快速的响应能力和良好的周期重复性.

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