物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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小型化锶光钟物理系统的研制
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物理学报  
   物理学报--2018, 67 (5)   发布日期: 2018-03-05
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总论

无线多径信道中基于时间反演的物理层安全传输机制
Secure transmission mechanism based on time reversal over wireless multipath channels

朱江, 王雁, 杨甜
物理学报. 2018, 67 (5): 050201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172134
全文: [PDF 500 KB] 下载:(390)
摘要
宽带无线通信用户大多处在复杂的环境中,其时变多径传播和开放特性将严重影响通信系统的性能.针对物理层安全研究中的窃听信道问题,提出了一种适用于宽带无线多径信道的联合时间反演技术和发端人工噪声的物理层安全传输机制.首先,在一个典型窃听信道模型中采用时间反演技术,利用其时空聚焦性来提高信息在传输过程中的安全性;其次,由于时间反演的时空聚焦性,信息在聚焦点附近容易被窃听,通过在发送端加入人工噪声来扰乱窃听用户对保密信息的窃听,由于合法用户采用零空间人工噪声法,人工噪声对合法用户没有影响.理论分析和仿真结果表明,与已有物理层安全机制相比,所提机制可以有效地提高系统的保密信干噪比和可达保密速率,降低合法用户的误比特率,系统的保密性能得到提升.

关于Birkhoff逆问题中Santilli方法的研究
On Santilli's methods in Birkhoffian inverse problem

崔金超, 陈漫, 廖翠萃
物理学报. 2018, 67 (5): 050202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172091
全文: [PDF 391 KB] 下载:(115)
摘要
研究构造Birkhoff动力学函数的Santilli方法.首先,基于Cauchy-Kovalevskaya型方程解的存在性定理,采用反证法证明自治系统总有自治Birkhoff表示;其次,给出更简洁的方法证明Santilli第二方法可以被简化;找到Santilli第三方法中所隐含的一种等量关系,提出改进的Santilli第三方法,并研究该方法的MATLAB程序化计算;最后,总结全文并对结果进行讨论.

原子模拟钛中微孔洞的结构及其失效行为
Atomistic simulation of microvoid formation and its influence on crack nucleation in hexagonal titanium

何燕, 周刚, 刘艳侠, 王皞, 徐东生, 杨锐
物理学报. 2018, 67 (5): 050203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171670
全文: [PDF 4335 KB] 下载:(169)
摘要
六角金属由于其各向异性等特点,在塑性变形等过程中容易产生形状和构型都相对复杂的点缺陷团簇.这些团簇之间及其与运动位错等缺陷的相互作用直接影响材料的物理和力学性能.然而对相关问题的原子尺度、尤其是空位团簇的演化和微孔洞的形成乃至裂纹形核扩展等的理解还不全面.本文采用激发弛豫算法结合第一原理及原子间作用势,系统考察了钛中的空位团簇构型及不同构型间的相互转变,给出了不同尺寸空位团簇的稳定和亚稳构型、空位团簇合并分解和迁移的激发能垒等关键参数,发现较小的空位团簇形成稳定构型,较大的空位团簇呈现出空间对称分布趋势进而形成微孔洞;采用高通量分子动力学模拟系统研究了不同尺寸的空位团簇在拉应力作用下对变形过程的影响,发现这些空位团簇可以形成层错,并对微裂纹的形核产生影响.

基于连续时间广义预测校正的水下非线性追踪博弈控制
Differential game guidance of underwater nonlinear tracking control based on continuous time generalized predictive correction

程瑞锋, 刘卫东, 高立娥, 康智强
物理学报. 2018, 67 (5): 050501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171185
全文: [PDF 584 KB] 下载:(121)
摘要
针对复杂环境下的追踪控制问题,提出了一种基于连续时间广义预测校正的水下非线性追踪博弈控制算法.利用连续时间广义预测对目标机动偏离趋势进行在线预测补偿校正,将机动目标紧缩于最大捕获概率扇面之内,同时引入零效控制参数和连续时间广义预测校正算法,解决了微分对策动态博弈剩余时间难于估计的问题,提高了系统的响应速度.将算法应用于水下非线性追踪博弈的验证结果表明,该算法兼顾了控制约束与干扰抑制性能,能够实时有效地对抗初始偏差和随机扰动,不仅具有良好的导引效果,而且有效提高了系统对环境干扰的鲁棒性.

一种具有隐藏吸引子的分数阶混沌系统的动力学分析及有限时间同步
Dynamic analysis and finite time synchronization of a fractional-order chaotic system with hidden attractors

郑广超, 刘崇新, 王琰
物理学报. 2018, 67 (5): 050502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172354
全文: [PDF 4567 KB] 下载:(431)
摘要
对于具有隐藏吸引子的混沌系统,既有文献大多只针对整数阶系统进行分析与控制研究.基于Sprott E系统,构建了仅有一个稳定平衡点的分数阶混沌系统,通过相位图、Poincare映射和功率谱等,分析了该系统的基本动力学特征.结果显示,该系统展现出了丰富而复杂的动力学特性,且通过随阶次变化的分岔图可知,系统在不同阶次下呈现出周期运动、倍周期运动和混沌运动等状态,这些动力学特征对于保密通信等实际工程领域有重要的研究价值.针对该具有隐藏吸引子的分数阶系统,应用分数阶系统有限时间稳定性理论设计控制器,对系统进行有限时间同步控制,并通过数值仿真验证了其有效性.

反应扩散模型在图灵斑图中的应用及数值模拟
Application of reaction diffusion model in Turing pattern and numerical simulation

张荣培, 王震, 王语, 韩子健
物理学报. 2018, 67 (5): 050503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171791
全文: [PDF 2396 KB] 下载:(321)
摘要
反应扩散方程模型常被用于描述生物学中斑图的形成.从反应扩散模型出发,理论推导得到Gierer-Meinhardt模型的斑图形成机理,解释了非线性常微分方程系统的稳定常数平衡态在加入扩散项后会发生失稳并产生图灵斑图的过程.通过计算该模型,得到图灵斑图产生的参数条件.数值方法中采用一类有效的高精度数值格式,即在空间离散条件下采用Chebyshev谱配置方法,在时间离散条件下采用紧致隐积分因子方法.该方法结合了谱方法和紧致隐积分因子方法的优点,具有精度高、稳定性好、存储量小等优点.数值模拟表明,在其他条件一定的情况下,系统控制参数κ取不同值对于斑图的产生具有重要的影响,数值结果验证了理论结果.

耦合含时滞的相互依存网络的局部自适应异质同步
Local adaptive heterogeneous synchronization for interdependent networks with delayed coupling

王宇娟, 涂俐兰, 宋帅, 李宽洋
物理学报. 2018, 67 (5): 050504      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171927
全文: [PDF 3046 KB] 下载:(131)
摘要
针对由两个子网络构成的耦合含时滞的相互依存网络,研究其局部自适应异质同步问题.时滞同时存在于两个子网络的内部耦合项和子网络间的一对一相互依赖耦合项中,且网络的耦合关系满足非线性特性和光滑性.基于李雅普诺夫稳定性理论、线性矩阵不等式方法和自适应控制技术,通过对子网络设置合适的控制器,提出了使得相互依存网络的子网络分别同步到异质孤立系统的充分条件.针对小世界网络和无标度网络构成的相互依存网络进行数值模拟,验证了提出理论的正确性和有效性.

小型化锶光钟物理系统的研制 Hot!
Miniaturization of physics system in Sr optical clock

赵芳婧, 高峰, 韩建新, 周驰华, 孟俊伟, 王叶兵, 郭阳, 张首刚, 常宏
物理学报. 2018, 67 (5): 050601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172584
全文: [PDF 1787 KB] 下载:(151)
摘要
光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素88Sr和87Sr的冷原子数目分别为1.6×106和1.5×105.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在3P23P0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.

一种聚焦型X射线探测器在轨性能标定方法
A method of calibrating effective area of focusing X-ray detector by using normal spectrum of Crab pulsar

周庆勇, 魏子卿, 姜坤, 邓楼楼, 刘思伟, 姬剑锋, 任红飞, 王奕迪, 马高峰
物理学报. 2018, 67 (5): 050701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172352
全文: [PDF 1251 KB] 下载:(123)
摘要
X射线探测器是X射线天文观测及脉冲星导航的核心器件,受发射振动、高能粒子辐射损伤及元器件老化等影响,X射线探测器空间观测性能会逐渐变化,X射线探测器在轨标定有利于观测天体X射线辐射信息的准确获取及精确建模.研究利用了脉冲星辐射能谱标定X射线探测器性能的方法,能较好地消除探测器本底及空间环境噪声的影响,通过处理脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1卫星)的Crab脉冲星观测数据,评估了我国首款聚焦型X射线探测器的在轨性能.计算结果表明,XPNAV-1卫星上聚焦型X射线探测器的有效面积在0.6–1.9 keV能段内优于2 cm2,其中在0.7 keV能量处取得最大值3.06 cm2,探测效率约10%;有效面积随着探测能量增大而减小,在2–3.5 keV能段内有效面积约为1 cm2,而大于5 keV能段的有效面积约为0.1 cm2,且此能段估计精度明显受光子统计误差影响.同时研究了考虑能量响应矩阵的探测器有效面积标定新方法,利用地面性能测试中五个特征能谱处的能量分辨率重构其能量响应矩阵,重新标定了聚焦型X射线探测器有效面积,发现该能量响应矩阵对结果影响较小.最后建议观测某些超新星遗迹监测能量分辨率及能量线性等指标的变化.
原子和分子物理学

Al+离子3s2 1S0→3s3p 3,1P1o跃迁同位素偏移的理论研究
Theoretical study on the isotope shift factors for the 3s2 1S0 → 3s3p 3,1P1o transitions in Al+ ion

张婷贤, 李冀光, 刘建鹏
物理学报. 2018, 67 (5): 053101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172261
全文: [PDF 433 KB] 下载:(120)
摘要
在多组态Dirac-Hartree-Fock方法对Al+离子3s2 1S0 → 3s3p 3,1P1o两个跃迁同位素偏移因子精细计算工作的基础上,细致研究了同位素偏移因子和能量本征值(或跃迁能)随着电子关联的收敛过程.研究发现:单个能级的同位素质量偏移因子随电子关联的收敛性与能量本征值随电子关联的收敛性之间有线性关系;对于跃迁而言,对电子关联的描述越充分,质量偏移因子和跃迁能随电子关联的收敛性之间的线性关系越明显.因此,在计算模型中包含大规模的电子关联的情况下,可以利用该线性关系根据跃迁能的误差评估同位素偏移因子的不确定度.

退火温度对电子束蒸发沉积Cu2O薄膜性能的影响
Influence of annealing temperature on properties of Cu2O thin films deposited by electron beam evaporation

李海涛, 江亚晓, 涂丽敏, 李少华, 潘玲, 李文标, 杨仕娥, 陈永生
物理学报. 2018, 67 (5): 053301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172463
全文: [PDF 2553 KB] 下载:(208)
摘要
近年来,钙钛矿太阳电池(PSCs)得到了迅猛发展,而无机空穴传输材料(IHTMs)的使用可进一步降低电池的成本,提高电池的稳定性.本文通过电子束蒸发制备了Cu2O薄膜,研究了空气中退火温度及时间对薄膜组成、结构及光电性能的影响,并构筑了p-i-n反型平面异质结钙钛矿太阳电池.研究发现:由于热解作用,直接通过电子束蒸发制备的薄膜为Cu2O和Cu的混合物;而在空气中经过退火后,由于氧化作用,随着退火温度的升高,薄膜的组分由混合物转变为纯的Cu2O,再转变成纯的CuO.通过控制退火温度制备的Cu2O薄膜的光学带隙约为2.5 eV,载流子迁移率约为30 cm2·V-1·s-1.应用于PSCs,薄膜的最佳厚度为40 nm,但电池性能低于PEDOT:PSS基的PSCs.这主要是由于钙钛矿前驱液在Cu2O薄膜的润湿性较差,吸收层中有大量微孔洞存在,致使漏电流增强,电池的性能降低.然而,当采用Cu2O/PEDOT:PSS双HTMs设计时,由于PEDOT:PSS对Cu2O具有较强的腐蚀作用,使电池性能恶化.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

用于实现散射介质中时间反演的数字相位共轭的相干性
Coherence of digital phase conjugation for implementing time reversal in scattering media

张洪波, 张希仁
物理学报. 2018, 67 (5): 054201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172308
全文: [PDF 1070 KB] 下载:(196)
摘要
抑制散射介质对光的散射,调控光在散射介质中的传输,是光通信、生物光子学、光镊等领域的重要课题.设计并实现了基于宽谱光源和数字相位共轭的可调控光在散射介质中传输的时间反演实验系统.实验获取了不同相干长度下物光和参考光束之间的光程差与干涉图样、相位图及时间反演信号之间的关系,分析了光源相干性对调控光在散射介质中传输的影响.实验结果表明,基于宽谱光源的相干特性和数字相位共轭技术,通过调节光程差能选择性获取同一散射角度及相同传输路径的光束的相对相位,再利用空间光调制器对参考光束进行调控,实现光束的反向传播,从而选择性实现对同一散射角度及相同传输路径的光的时间反演.

多尺度水下偏振成像方法
Multi-scale analysis method of underwater polarization imaging

韩平丽, 刘飞, 张广, 陶禹, 邵晓鹏
物理学报. 2018, 67 (5): 054202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172009
全文: [PDF 7664 KB] 下载:(254)
摘要
水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.

正三角型三芯光纤中等腰对称平面波的调制不稳定性分析
Modulation instabilities in equilateral three-core optical fibers for isosceles-triangle symmetric continuous waves

裴世鑫, 徐辉, 孙婷婷, 李金花
物理学报. 2018, 67 (5): 054203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171650
全文: [PDF 4168 KB] 下载:(130)
摘要
详细分析了正三角型三芯光纤中等腰对称平面波的调制不稳定性.等腰对称平面波即两芯中场完全相同,第三芯中场入射功率与其他两芯中不同的平面波,其存在的前提是入射光总功率(P)必须大于某最小值(Pmin),该最小值取决于光纤的线性耦合系数和非线性系数.对一给定的总功率P ≥ qslant Pmin,令一芯中的入射功率为P1,其他两芯中入射功率均为P2,有两种形式的场分布:一种是P1始终大于P2,随着P的增加,P1越来越大,P2越来越小,依线性稳定性分析方法,该场分布对应的增益谱主要特征与双芯光纤非对称平面波的增益谱相似;另一种是随着P的增加,P1越来越小,P2越来越大,使用同样的分析方法,发现该场分布下增益谱与双芯光纤非对称平面波增益谱截然不同,其显著特征是无扰动下,在正常和反常色散区域均可产生不稳定性增益,且在正常色散区域,零扰动频率对应的增益最强;另一方面,耦合系数色散对增益谱的影响在正常和反常色散区域都非常弱,这与其在双芯光纤中的影响截然不同.该结果对基于多芯光纤的模分复用系统非线性效应的研究具有一定的指导意义.

基于布洛赫方程的多色信标回波光子数数值仿真
Simulations of return flux of polychromatic laser guide stars based on Bloch equations

王功长, 魏凯, 李岩
物理学报. 2018, 67 (5): 054204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171940
全文: [PDF 2440 KB] 下载:(105)
摘要
信标技术历经了自然信标、瑞利信标、钠信标以及信标阵列的发展过程仍无法实现真正意义上的全天空覆盖,而多色信标是大口径地基自适应望远镜实现100%天空覆盖率的有效手段之一.但是现有的多色信标的仿真模型都存在着一定的不足,特别是对一级激发中间层钠原子形成多色信标的仿真模型无法准确计算出多色信标的回波光子数.本文提出了基于布洛赫方程的仿真模型,对一级激发中间层钠原子形成多色信标回波光子数进行数值仿真,充分考虑多普勒展宽、进出作用场、碰撞以及反冲作用的影响,并采用回光效率描述回波光子数的多少.仿真结果表明,存在最优的激光器线宽使得回光效率达到最大,若采用功率密度为10 W/m2的激光器激发中间钠层,最优线宽为18 MHz,最大330 nm回光效率为0.907 Photons/[s·sr·atom·(W/m2)].

一种测量大气消光系数边界值的新方法
A new method of measuring boundary value of atmospheric extinction coefficient

孙国栋, 秦来安, 张巳龙, 何枫, 谭逢富, 靖旭, 侯再红
物理学报. 2018, 67 (5): 054205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172008
全文: [PDF 1068 KB] 下载:(130)
摘要
根据激光雷达方程建立了散射回波信号与大气消光系数边界值之间的非线性方程,以此为依据,提出了利用Broyden算法求解非线性方程确定大气消光系数边界值的新方法.在近地面开展了观测实验,首先分别使用Broyden算法和最小二乘法确定大气消光系数边界值,然后利用Klett反演方法获得消光系数空间分布,按路径积分计算得到两种方法下的大气透过率.同时,在附近开展了1 km路径的水平光单程传输实验直接测量大气透过率,并将此结果作为对比参考标准.将运用两种不同的边界值确定方法得到的水平大气透过率与参考标准值分别从相关性和相对误差两个方面进行了分析.实验结果表明:使用Broyden算法得到的大气透过率与参考标准具有高度的一致性;两者的线性相关系数高达0.968,平均相对误差约为最小二乘法与参考标准值平均相对误差的一半.由此验证了使用Broyden算法确定大气消光系数边界值的可行性和有效性.

海洋湍流中自适应光学成像系统特征参量研究
Characteristic parameters of adaptive optical imaging system in oceanic turbulence

吴彤, 季小玲, 罗燏娟
物理学报. 2018, 67 (5): 054206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171851
全文: [PDF 507 KB] 下载:(138)
摘要
随着水下光通信、传感和激光雷达等应用的发展,研究水下光学系统成像特性具有重要意义.本文研究了海洋湍流对自适应光学成像系统特征参量(如Strehl比、Greenwood时间常数和等晕角)的影响.推导出了海洋湍流中短曝光成像Strehl比的近似解析表达式,并证明:除了在近场DG/r0=1附近外(DGr0分别为光学系统的光瞳直径和海洋湍流中可见参数),该近似公式均可保证足够的精度.此外,还得到了海洋湍流中Greenwood时间常数和等晕角的表达式.研究表明:随着海水盐度变化引起的海洋湍流逐渐占主导地位时,这三个特征参量值均减小;随着海水湍流动能耗散率的减小或海水湍流温度方差耗散率的增大,这三个特征参量值也均减小.本文研究结果对工作于水下湍流环境中自适应光学成像系统应用具有理论参考意义.

分数阶双稳系统中的非周期振动共振
A periodic vibrational resonance in the fractional-order bistable system

杨建华, 马强, 吴呈锦, 刘后广
物理学报. 2018, 67 (5): 054501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172046
全文: [PDF 601 KB] 下载:(157)
摘要
在受二进制非周期信号和周期方波信号激励的分数阶双稳系统中,研究了非周期振动共振问题,用于微弱非周期信号的检测和增强.当非周期信号脉宽较大时,系统为小参数,通过调节周期方波信号的幅值,能够实现非周期振动共振.当非周期信号脉宽较小时,分别通过变尺度法和二次采样法实现了非周期振动共振.使用变尺度法,得到的大参数等价系统能够匹配任意小的非周期信号脉宽,其中变尺度系数是该方法在使用过程中需要选择的关键参数.使用二次采样法,二次采样后得到的非周期信号具有较大的脉宽,能够匹配原先的小参数系统,其中二次采样频率比是该方法使用过程中的关键参数.这两种方法虽然实现非周期振动共振的物理过程不同,但能够达到相同的效果.系统阶数对振动共振产生影响,随着阶数的增大,发生最佳振动共振时所需要的辅助信号幅值变大,同时系统输出的最佳时间序列与输入非周期信号之间的相似性增强.

高雷诺数双螺旋涡尾迹演化特性分析
Evolution characteristic analysis of double-helical vortex wake of high Reynolds number flow

李高华, 王福新
物理学报. 2018, 67 (5): 054701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171291
全文: [PDF 3007 KB] 下载:(103)
摘要
螺旋状尾迹涡是直升机悬停旋翼流场的主导特征之一,其时空演化特性对旋翼气动性能具有重要影响.为了揭示悬停状态下旋翼尾迹涡的演化特征,对两桨叶刚性旋翼在高雷诺数悬停状态下的双螺旋状尾迹涡开展数值研究,采用基于流场特征的网格自适应技术,结合低耗散迎风/中心混合格式以及延迟脱体涡模拟方法对Caradonna-Tung旋翼在桨尖马赫数为0.439、桨尖雷诺数为1.92×106的悬停流场进行了高分辨率计算.基于欧拉和拉格朗日两种描述方法对计算结果进行了分析,揭示了双螺旋尾涡系统的演化特性:后缘尾涡面在桨尖附近的反向卷起及其与下游桨尖涡的相互作用是影响涡系稳定性以及涡-涡相互作用的重要因素;涡龄小于720°时,在固连于桨叶上的旋转坐标系中观察,涡系具有时空稳定性,涡管中心处轴向涡量随涡龄按照幂函数规律衰减.在固连于漩涡中心的局部极坐标系中,周向速度分布以及涡核半径随涡龄的变化与理论涡模型相符合,环量随涡龄的变化显示了漩涡的生长、平衡及耗散等演化阶段;模态分析结果表明,除点涡模态外,来流与点涡的复合模态在漩涡演化过程中对流动特征的转变有重要影响;涡系轴截面速度场的拉格朗日拟序结构直观地显示了漩涡场的时空演化过程,揭示了漩涡配对和共旋穿越等流动特征,同时也展示了后缘尾涡面卷起现象在漩涡演化过程中的作用.

水滴撞击结冰过程的分子动力学模拟
Molecular dynamics simulation of freezing process of water droplets impinging on cold surface

董琪琪, 胡海豹, 陈少强, 何强, 鲍路瑶
物理学报. 2018, 67 (5): 054702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172174
全文: [PDF 728 KB] 下载:(363)
摘要
利用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度水滴撞击冷壁面的结冰过程.数值模拟中,统计系统采用微正则系综,势能函数选用TIP4P/ice模型,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解采用文莱特算法,水滴内部结冰过程则通过统计垂直方向水分子温度分布来判定.研究发现,当冷壁面温度降低时,水滴完全结冰的时间减小,但水滴降至壁面温度的时间却增大;同时随着壁面亲水性降低,水滴内部热传递速度减慢(尤其是冷壁面与水滴底端分子层间),水滴内部温度趋于均匀,但水滴完全结冰时间延长.
气体、等离子体和放电物理

亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟 Hot!
Numerical modelling for characteristics of the meso-pressure six-phase alternative current arc discharge plasma jet

郭恒, 张晓宁, 聂秋月, 李和平, 曾实, 李志辉
物理学报. 2018, 67 (5): 055201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172557
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摘要
以临近空间高超声速飞行器和航天器再入大气环境飞行过程中其表面产生的高密度非平衡态等离子体为研究对象,基于本研究组所建立的多相交流电弧放电等离子体实验平台(MPX-2015),开展了非平衡态氩等离子体射流特性的二维数值模拟研究.在亚音速条件下二维、非平衡数值模拟所得到的计算结果与实验测量结果符合良好.超音速条件下的数值模拟结果表明,随着真空腔压强的降低,等离子体射流流速明显增大,覆盖钝体头部的等离子体鞘套的厚度先减小,而后又增加,鞘套的空间均匀性以及等离子体向钝体表面的总传热量均显著降低,而钝体头部的局部电子数密度则增大.数值模拟结果为在MPX-2015上开展超音速条件下的实验研究提供了理论指导.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

纳米多孔银力学性能表征分子动力学模拟
Characterization of nanoporous silver mechanical properties by molecular dynamics simulation

李杰杰, 鲁斌斌, 线跃辉, 胡国明, 夏热
物理学报. 2018, 67 (5): 056101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172193
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摘要
纳米多孔金属拥有优异的物理、化学性能,在众多领域中极具应用前景.相关力学性能的认知是实现其功能化应用的重要基础之一.基于分子动力学模拟,以三种拓扑结构(立方体结构、金刚石结构、螺旋体结构)的纳米多孔银为对象,研究了单轴拉伸下的力学响应,探讨了拓扑结构和相对密度与其力学性能的内在联系.仿真结果表明,纳米多孔银的极限强度和杨氏模量随相对密度增大而增大的同时,还紧密地依赖于拓扑结构.其中,金刚石结构与螺旋体结构的模量随相对密度的变化趋势较为相近,而螺旋体结构中螺旋形式的孔棱在受力拉直的过程中抵抗变形,表现出相对较好的塑性.立方体结构中,孔棱分布形式单一,抵抗变形的能力较弱,模量值较低.同一相对密度下,金刚石结构的强度最大,立方体结构次之,螺旋体结构最小.金刚石结构中,交错的孔棱间形成三角骨架结构,具有一定的稳定性,表现出相对较高的强度.

石墨烯碳纳米管复合结构渗透特性的分子动力学研究
Molecular dynamics study on permeability of water in graphene-carbon nanotube hybrid structure

张忠强, 李冲, 刘汉伦, 葛道晗, 程广贵, 丁建宁
物理学报. 2018, 67 (5): 056102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172424
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摘要
采用经典分子动力学方法研究了压力驱动作用下水在石墨烯碳纳米管复合结构中的渗透特性.研究结果表明,水分子渗透通过石墨烯碳纳米管复合结构的渗透率明显高于石墨烯碳纳米管组合结构.水在石墨烯碳纳米管复合结构中的渗透率随着压强的升高而增大,随着电场强度的增大而减小.考虑了温度和复合结构中双碳管轴心距对水渗透性的影响规律.系统温度越高,水的渗透率越高;随着双碳管轴心距的增加,水的渗透率逐渐降低.通过计算分析水流沿渗透方向的能障分布,解释了各参数变化对水在石墨烯碳管复合结构中渗透特性的影响机理.研究结果将为基于石墨烯碳管复合结构的新型纳米水泵设计提供一定的理论依据.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

外加电场和Al组分对纤锌矿AlGaN/GaN量子阱中的电子g因子的影响
Effects of external electric field and Al content on g factor of wurtzite AlGaN/GaN quantum wells

李明, 姚宁, 冯志波, 韩红培, 赵正印
物理学报. 2018, 67 (5): 057101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172213
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摘要
研究了外加电场和垒层的Al组分对AlGaN/GaN量子阱中的横向和纵向g因子(gg//)及其各向异性(δg)的影响.纤锌矿体结构的贡献(g//bulkgbulk)是构成Δ g=(g-g0)=gbulk+gw和Δ g//=(g//-g0)=g//bulk的主要部分,但g//bulkgbulk的差值很小且几乎不随外加电场和Al组分改变.当外加电场的方向同极化电场的方向相同(相反)且增加时,g//bulkgbulk的强度同时增加(减小).当外加电场从-1.5×108 V· m-1到1.5×108 V· m-1变化时,异质结界面对Δg的贡献(ΓInter)大于0且强度缓慢增加,阱层对Δ g的贡献(ΓW)小于0且强度也缓慢增加.然而ΓInter的强度比ΓW大,且后者的强度随着外加电场的改变增加较快,所以δg>0且强度随着外加电场的变化而减小.当垒层的Al组分增加时,如果不考虑应变效应(S1,2=0),g//bulkgbulk的强度同时减小,然而考虑应变效应后(S1,2 ≠ 0),<β>1gbulk)和<γ>1g//bulk)的强度随着Al组分的增加而增加.随着垒层Al组分的增加,ΓInterΓW的强度都增加,但ΓInter的强度较大且增加得较快,所以δg的强度缓慢增加.Δ g的强度先随着Al组分的增加而减小,然后又随着Al组分的增加而增加,因为gbulk小于0且强度随着Al组分增加得很快.结果表明,AlGaN/GaN量子阱结构中的电子g因子及其各向异性可以被外加电场、垒层的Al组分、应变效应和量子限制效应共同调制.

氧分压对Ni/HfOx/TiN阻变存储单元阻变特性的影响
Influneces of different oxygen partial pressures on switching properties of Ni/HfOx/TiN resistive switching devices

张志超, 王芳, 吴仕剑, 李毅, 弭伟, 赵金石, 张楷亮
物理学报. 2018, 67 (5): 057301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172194
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摘要
采用射频磁控溅射的方法,基于不同氧分压制备的氧化铪构建了Ni/HfOx/TiN结构阻变存储单元.研究发现,随着氧分压的增加,薄膜表面粗糙度略有降低;另一方面,阻变单元功耗降低,循环耐受性能可达103次,且转变电压分布的一致性得到改善.结合电流-电压曲线线性拟合结果及外加温度测试探究了器件的转变机理,得出在低阻态的传导机理为欧姆传导机理,在高阻态的传导机理为肖特基发射机理,并根据氧空位导电细丝理论,对高低阻态的阻变机理进行了详细的理论分析.

基于光强与吸收率非线性同步拟合的吸收光谱测量方法
Laser intensity and absorbance measurements by tunable diode laser absorption spectroscopy based on non-line fitting algorithm

李宁, 吕晓静, 翁春生
物理学报. 2018, 67 (5): 057801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20171905
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摘要
针对高压环境吸收谱线加宽以及波分复用技术合波透射信号分析测试难题,提出利用非线性拟合方法对激光吸收光谱测量中激光强度与吸收光谱进行耦合求解.建立激光强度非线性变化与多谱线吸收拟合函数关系,解决了特殊环境下无法获取光谱基线的难题,实现了波分复用过程合波后光谱信号的分离与诊断.通过仿真验证该方法的可行性,分析计算了激光器特性和特征谱线位置等因素对拟合结果的影响.搭建实验台实现了1–10 atm变压力环境下6330–6337 cm-1波段CO2吸收光谱叠加信号的诊断分析.对气液两相脉冲爆轰过程中7185.6 cm-1与7444.35 cm-1波段波分复用光谱信号进行测试与拟合,无需分光设备实现了耦合光路分离和温度计算.研究结果对激光吸收光谱技术在高压环境以及燃烧环境下波分复用技术的发展具有重要意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

氧化钨纳米线气敏传感器的制备及其室温NO2敏感特性
Tungsten oxide nanowire gas sensor preparation and P-type NO2 sensing properties at room temperature

赵博硕, 强晓永, 秦岳, 胡明
物理学报. 2018, 67 (5): 058101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172236
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摘要
纳米结构的氧化钨有高比表面积和气体吸附能力,在气体传感器领域得到了广泛研究.本文采用磁控溅射金属钨薄膜和两步热氧化工艺在二氧化硅衬底上生长出氧化钨纳米线.通过改变第二步氧化温度,研究退火温度对氧化钨纳米线气敏特性的影响.采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱分析仪和透射射电子显微镜表征材料的微观特性和晶体结构,利用静态配气法测试气敏性能.研究结果表明,经过退火处理后氧化钨纳米线密度略微降低,300℃比400℃退火后的氧化钨结晶性差,对应的表面态含量多,有利于室温气体敏感性.测试NO2的气敏性能,经过对比得出300℃退火温度下制备的氧化钨纳米线在室温下表现出较很好的气敏响应,对6 ppm(1 ppm=10-6)NO2达到2.5,对检测极限0.5 ppm NO2响应达1.37.氧化钨纳米线在室温下表现出反常的P型响应,是因为氧化钨纳米线表面被氧气吸附形成反型层,空穴取代电子成为主要载流子所致.

基于扩展单粒子模型的锂离子电池参数识别策略
An extended single particle model-based parameter identification scheme for lithium-ion cells

庞辉
物理学报. 2018, 67 (5): 058201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172171
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摘要
为了精确识别电动汽车锂离子动力电池的关键状态参数,基于多孔电极理论和浓度理论,建立了一种考虑液相动力学行为的锂离子电池扩展单粒子模型.相较于传统单粒子模型,该模型增加了对负电极表面固体电解质界面膜参数的描述,并考虑了温度和液相浓度变化对锂离子电池关键参数的耦合影响.基于所建立的扩展单粒子模型,提出一种简化的参数灵敏度分析方法和有效的锂电池参数识别策略,用以确定特定工况下的高灵敏度待识别参数,进而利用遗传算法实现参数的优化求解.最后,通过对比分析本文模型和传统单粒子模型的仿真输出电压和相同工况下电池的实验输出电压验证了提出模型和参数识别方法的有效性和可行性,为电池管理系统的健康状态估计提供了理论基础.

内禀无序蛋白构象与带电氨基酸残基排布关系——以精氨酸和天冬氨酸组成的随机多肽为例 Hot!
Conformation of disordered peptides modulated by distributions of charged residues: Case study of random peptides composed of arginines and aspartic acids

康文斌, 王骏, 王炜
物理学报. 2018, 67 (5): 058701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172246
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摘要
内禀无序蛋白的结构特征与其氨基酸序列有着密切的联系.其中一个核心问题是正负带电氨基酸残基的排列如何影响无序蛋白或者多肽的构象?为了回答这一问题,本研究以天冬氨酸和精氨酸两种带电残基组成的随机多肽为研究对象,利用全原子蒙特卡罗模拟和温度副本交换采样方法,研究了随机多肽的电荷排布与结构之间的定性关系.结果表明:正负带电残基在序列上混合均匀时,由于肽链内部的静电吸引和排斥相互抵消,肽链倾向于形成无规卷曲的构象;正负带电残基分离时,由于长程静电相互吸引,多肽倾向于形成类β-发卡的形状.

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