物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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高速太赫兹探测器
张真真, 黎华, 曹俊诚
物理学报. 2018, 67 (9): 090702
抽运-自旋定向-探测技术及其应用
陈聪, 梁盼, 胡蓉蓉, 贾天卿, 孙真荣, 冯东海
物理学报. 2018, 67 (9): 097201
基于飞秒锁模光纤激光脉冲基频光的差频产生红外光梳
马金栋, 吴浩煜, 路桥, 马挺, 时雷, 孙青, 毛庆和
物理学报. 2018, 67 (9): 094207
物理学报  
   物理学报--2018, 67 (9)   发布日期: 2018-05-05
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综述

高速太赫兹探测器 Hot!
Ultrafast terahertz detectors

张真真, 黎华, 曹俊诚
物理学报. 2018, 67 (9): 090702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180226
全文: [PDF 1111 KB] 下载:(530)
摘要

太赫兹(terahertz,THz)技术在高速空间通信、外差探测、生物医学、无损检测和国家安全等领域具有广阔的应用前景.能响应1 GHz调制速率以上THz光的高速THz探测器是快速成像、THz高速空间通信、超快光谱学应用技术和THz外差探测等领域的核心器件.传统的THz热探测器难以实现高速工作,而基于半导体的THz探测器在理论上可实现高速工作.光导天线具有超快的响应速度,可实现常温和宽谱探测;肖特基势垒二极管混频器、超导-绝缘体-超导混频器和超导热电子混频器具有转换效率高、噪声低等优点,可用于高速THz空间外差和直接探测;基于高迁移率二维电子气的天线耦合场效应晶体管灵敏度高、阻抗低,可实现常温高速THz探测;THz量子阱探测器是一种基于子带间跃迁原理的单极器件,非常适合高频和高速探测应用,亚波长金属微腔耦合机理可显著提高器件的工作温度及光子吸收效率.本文对上述几种高速THz探测器进行了综述并分析了各种探测器的优缺点.

抽运-自旋定向-探测技术及其应用 Hot!
Pump-orientation-probe technique and its applications

陈聪, 梁盼, 胡蓉蓉, 贾天卿, 孙真荣, 冯东海
物理学报. 2018, 67 (9): 097201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180244
全文: [PDF 587 KB] 下载:(121)
摘要

抽运-自旋定向-探测是最近发展起来的一种新型瞬态测量技术,该技术在胶体纳米结构电荷分离超快动力学探测中具有独特的优势.本文在比较传统的两光束载流子抽运-探测以及自旋抽运-探测的基础上,深入分析了三光束抽运-自旋定向-探测技术的特点、光路配置及其在胶体量子点光致负荷电、正荷电探测中的应用.最后对三光束抽运-自旋定向-探测技术的更多应用前景作出展望.

氢元素对铟镓锌氧化物薄膜晶体管性能的影响
Effects of hydrogen impurities on performances and electrical reliabilities of indium-gallium-zinc oxide thin film transistors

邵龑, 丁士进
物理学报. 2018, 67 (9): 098502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180074
全文: [PDF 1402 KB] 下载:(141)
摘要

对国际上有关铟镓锌氧化物薄膜晶体管中氢元素的来源、存在形式、表征方法以及对器件性能的影响进行了综述.氢元素是铟镓锌氧化物薄膜晶体管中最为常见的杂质元素,能以正离子和负离子两种形式存在于薄膜晶体管的沟道中,并对器件性能和电学可靠性产生影响.对铟镓锌氧化物薄膜晶体管而言,沟道中氢元素浓度越高,其场效应迁移率越高、亚阈值摆幅越小、器件的电学稳定性也越好.同时,工艺处理温度过低或过高都不利于其器件性能的改善,通常以200–300℃为宜.

总论

激光调频连续波测距的精度评定方法研究
Precision evaluation method of measuring frequency modulated continuous wave laser distance

潘浩, 曲兴华, 史春钊, 李雅婷, 张福民
物理学报. 2018, 67 (9): 090201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180142
全文: [PDF 505 KB] 下载:(258)
摘要
基于双光纤光路等光频重采样原理,提出了一种距离精度的评定方法.通过推导噪声背景下等光频重采样信号中距离参量的克拉美-罗下边界,得到了影响系统测距精度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证.实验表明,该评价方法并不会受到任何距离估算方法的影响,根据此方法可以选择一个最优的距离估算方法.通过对两个影响精度的因素进行仿真分析可知,在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 dB以上,系统可获得低于10 μm的测距精度.该精度评定方法可为后续改善调频连续波测距系统性能提供理论参考.

具有早期后除极化现象的可激发系统中螺旋波破碎方式研究
Spiral wave breakup manner in the excitable system with early afterdepolarizations

韦宾, 唐国宁, 邓敏艺
物理学报. 2018, 67 (9): 090501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172505
全文: [PDF 2412 KB] 下载:(77)
摘要
在Greenberg-Hasting元胞自动机模型中引入了正常元胞和老化元胞,并规定只有老化元胞存在早期后除极化现象且早期后除极化可以激发其他元胞.在正常元胞和老化元胞均匀分布的情况下,研究了早期后除极化对螺旋波演化行为的影响,重点探讨了早期后除极化导致的螺旋波破碎方式.数值模拟结果表明:早期后除极化在比率约为26.4%的少数情况下不对螺旋波产生影响,在其他情况下则会对螺旋波产生各种影响,包括使螺旋波漫游、漂移、波臂发生形变以及导致螺旋波破碎和消失等.观察到早期后除极化通过传导障碍消失和通过转变为反靶波消失,早期后除极化导致螺旋波破碎有8种方式,包括非对称破缺导致的破碎、对称破缺导致的破碎、同时激发双波导致的破碎、非对称激发导致的破碎、整体传导障碍导致的破碎、整体快速破碎等.分析发现这些螺旋波破碎现象都与早期后除极化产生回火波有关,得到螺旋波破碎的总比率通常约为13.8%,但是在适当选取老化元胞密度和早期后除极化的激发下,螺旋波破碎比率可达到32.4%,这些结果与心律失常致死的统计结果基本一致,本文对产生这些现象的物理机理做了简要分析.

基于Julia分形的多涡卷忆阻混沌系统
Julia fractal based multi-scroll memristive chaotic system

肖利全, 段书凯, 王丽丹
物理学报. 2018, 67 (9): 090502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172761
全文: [PDF 3810 KB] 下载:(169)
摘要

忆阻器作为一种非线性电子元件,能用作混沌系统中的非线性项,从而提高系统的复杂度.分形与混沌是密切相连的,分别对两者的研究都已成熟,却鲜有将分形过程应用到混沌系统中,以产生丰富的混沌吸引子.为了探索将分形与混沌系统相结合的可能性,本文首先提出了一个新的忆阻混沌系统,并从对称性、耗散性、平衡点稳定性、功率谱、Lyapunov指数和分数维等方面探讨了系统的动力学特性;紧接着,把经典的Julia分形过程应用到该忆阻混沌系统中,产生了新的混沌吸引子,并将几种由Julia分形衍生的变形Julia分形过程应用于文中提出的忆阻混沌系统,获得了丰富的混沌吸引子;最后,讨论了分形过程中的复常数对系统的影响.从仿真结果可以看出,分形过程与混沌系统的结合能产生丰富的多涡卷混沌吸引子.这不仅为产生多涡卷混沌吸引子提供了一种新方法,还弥补了使用功能函数方法造成混沌系统不光滑的不足.

光频链接的双光梳气体吸收光谱测量
Optical frequency linked dual-comb absorption spectrum measurement

张伟鹏, 杨宏雷, 陈馨怡, 尉昊赟, 李岩
物理学报. 2018, 67 (9): 090701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180150
全文: [PDF 1907 KB] 下载:(114)
摘要

双光梳光谱技术以其无运动部件快速采样、高分辨率探测等优势成为宽带激光光谱测量中的热点技术.但受限于常用微波锁定双光梳光源间的噪声特性,双光梳光谱技术仍难以发挥其探测潜能.本文报道一种光频域互相链接的双光梳光谱探测方案.通过将两台激光器的偏置频率同时锁定到一个窄线宽激光器上,既免去了结构复杂且成本高昂的非线性自参考系统,又将双光梳间的共同参考点设置到了光频范围,抑制了双光梳光谱采样抖动,实现光谱探测性能的提升.13C2H2ν1+ν3 P支光谱数据测量数据分析结果表明:谱线位置与文献结果符合良好,光谱分辨率为0.086 cm-1,信噪比> 200:1(62.5 ms,100幅平均),相应的秒均噪声等效吸收系数达6.0×106 cm-1·Hz-1/2.该工作为双光梳光谱测量的实际应用提供了一种高精度、低成本、易于实现的解决方案.

基本粒子物理学与场

坐标空间中构造的Breit夸克势与介子和夸克偶素的质量劈裂
Construction of Breit quark potential in coordinate space and mass splits of meson and quarkonium

吉日木图, 敖登, 薛康
物理学报. 2018, 67 (9): 091201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172155
全文: [PDF 382 KB] 下载:(73)
摘要

构造夸克间的有效的相互作用势函数是强子物理中的重要研究课题,也是学科前沿问题之一.本文对坐标空间中的Breit夸克势函数的完整形式实施消除奇异因子的替代方法,构造出一个有效的夸克势.除了第一项库仑势和第七项常数项势,对其他的项都需进行重新构造,即对第二项和第四项做δr)→ μ3 e-μr/8π替代,对第三项做1/r→(1-e-μr)/r替代,对第五项和第六项做1/r3→[1-(1+μr) e-μr]/r3替代,由此重新构造出新的势函数,然后用来计算质量劈裂,检验构造势的有效性.为此计算了一组含重介子和夸克偶素的质量劈裂.计算中屏蔽质量μ不是简单的常数,而是取与夸克质量mimj有关的变量.研究计算发现,只有当屏蔽质量μ取为关于夸克平均质量μa=(mi+mj)/2的洛朗级数形式μ=c-3μa+0.512)-3+c-2μa+0.512)2+c-1μa+0.512)-1+c0+c1μa+0.512)时重介子ηc-J/ψ,ηb-Υ(1s),还有χc0c1c2等的夸克偶素之间质量劈裂精确达到实验值,同时其他介子尤其是6个D介子质量精度都比以往得到较大幅度的改善.因此,本文构造出一个有效的夸克势模型.

原子和分子物理学

Rydberg原子的微波电磁感应透明-Autler-Townes光谱
Microwave electromagnetically induced transparency and Aulter-Townes spectrum of cesium Rydberg atom

樊佳蓓, 焦月春, 郝丽萍, 薛咏梅, 赵建明, 贾锁堂
物理学报. 2018, 67 (9): 093201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172645
全文: [PDF 2965 KB] 下载:(130)
摘要

主要研究了室温下微波场缀饰的铯Rydberg原子的电磁感应透明-Autler-Townes (EIT-AT)光谱.首先,以铯原子6S1/2 → 6P3/2 → 50S1/2形成阶梯型三能级系统,利用强耦合光作用于6P3/2 → 50S1/2的Rydberg跃迁,弱探测光耦合基态跃迁6S1/2 → 6P3/2并探测由耦合光形成的电磁感应透明(EIT)效应.然后,以频率为30.582 GHz的微波电场耦合相邻的Rydberg能级50S1/2 → 50P1/2产生微波AT分裂.利用Rydberg EIT探测微波耦合相邻Rydberg能级产生的AT分裂,形成EIT-AT光谱,进而实现微波电场的测量.当微波场的强度增加到一定值时,EIT-AT光谱表现为多峰光谱结构.分析EIT-AT多峰光谱的成因,发现这主要是由场的不均匀性导致的,一定的EIT-AT光谱特征对应于特定的非均匀场分布.研究表明,利用Rydberg EIT-AT光谱可以实现微波电场的测量,利用其光谱特征可实现微波场的实时监测,进而提出了一种提高微波场空间分辨率的测量方法.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于宽带立体超透镜的远场超分辨率成像
Far-field super-resolution imaging based on wideband stereo-metalens

高强, 王晓华, 王秉中
物理学报. 2018, 67 (9): 094101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172608
全文: [PDF 1769 KB] 下载:(149)
摘要

为突破传统衍射极限实现远场超分辨率成像,提出了一种微波频段宽带立体超透镜用于目标远场超分辨率成像.该透镜可将携带着目标超分辨率信息的凋落波分量转换为传播波分量辐射到远场,进而可在远场接收这些信息并用于超分辨率成像.分别从频域和时域两方面对该透镜的超分辨率特性进行验证.在频域,利用多重信号分类算法对借助于该结构的扩展目标实现了λ/12的远场超分辨率成像,大幅度提升了成像效果.在时域,结合时间反演技术,验证了带宽提升对空间超分辨率聚焦特性带来的明显优势.

基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器
Anisotropic polarization beam splitter based on metal slit array

马婧, 刘冬冬, 王继成, 冯延
物理学报. 2018, 67 (9): 094102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172292
全文: [PDF 1089 KB] 下载:(163)
摘要

在金属-电介质结构的基础上提出了一种基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器,并采用有限元法研究了横磁(TM)和横电(TE)偏振光入射后结构所表现出的负反射和镜面反射等特性.计算结果表明,当偏振光的入射角设定在20°–70°时,入射的TM光发生强烈的负反射,而TE光的负反射很弱,并随着波长的增加而急剧下降.分析可得偏振分束光栅的理想负反射点和反射面的完美对称响应效果.通过仿真得到了理想负反射点的取值范围.结合严格耦合波法软件,计算不同偏振光入射时负反射和镜面反射条件下的反射率,其消光比高达106.

基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析
Design and analysis of novel two-stage optical receiving antenna for indoor visible light communication technology

彭星, 孔令豹
物理学报. 2018, 67 (9): 094201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172341
全文: [PDF 2601 KB] 下载:(239)
摘要

针对室内可见光通信系统的应用需求,设计了一种新型两级光学接收天线.根据复合抛物面聚光器光学增益随视场增大而减小的聚光特性,将复合抛物面聚光器截面基准曲线旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁复合抛物面聚光器.进一步结合透镜壁复合抛物面聚光器和半球透镜的优势设计了一种新型两级光学接收天线,在增益保持的情况下视场角增大了近20°.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间,通过TracePro建立光学天线的分析模型,Matlab软件对室内可见光通信系统进行信道建模.计算结果表明,采用这种新型两级光学接收天线,与直接接收的情况相比,平均接收功率增幅为757.2%,是复合抛物面聚光器的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是复合抛物面聚光器的1.67倍;光学增益为11.49,是复合抛物面聚光器的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较复合抛物面聚光器减小了近37.5%,使得能量集中均匀分布,进一步证实该新型两级光学接收天线适用于室内可见光通信系统.

一种有效解决离轴数字全息相图倾斜畸变的数字参考平面方法
Numerical reference plane algorithm for effectively solving tilt distortion of a phase image in digital off-axis holography

李芳, 王明清, 郑明, 卢苇, 于庆南, 贾燕, 吴坚
物理学报. 2018, 67 (9): 094202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172528
全文: [PDF 664 KB] 下载:(72)
摘要

离轴数字全息中使用倾斜的平面参考波以消除成像中的零级衍射和共轭像是一种简捷和常用的方法,然而该方法遇到的一个困扰是,由于倾斜参考波引入了附加的载波频率并很难通过实验测量准确地获得附加的载波频率值或倾角,因此会导致重建的相图出现一定的倾斜畸变而无法完全修正.本文提出了一种数字参考平面算法以解决这一问题.该算法利用重建相图的平坦区域选点构建一个能准确表征相图倾斜的数字参考平面,并建立该平面参量与参考波载波频率的数学关系和作为随后相图畸变修正迭代计算的判据.该算法简单有效,不仅能实现对倾斜相位畸变的准确修正,而且能准确地获得倾斜平面参考波的附加载波频率.由于在相位解包裹重建中结合了抑噪处理,因此该方法在环境和系统噪声的影响下仍然有效,实验结果验证了理论设计的有效性.

面向真彩色三维显示的分层角谱算法和Gerchberg-Saxton算法研究
Gerchberg-Saxton algorithm and angular-spectrum layer-oriented method for true color three-dimensional display

范爽, 张亚萍, 王帆, 高云龙, 钱晓凡, 张永安, 许蔚, 曹良才
物理学报. 2018, 67 (9): 094203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172464
全文: [PDF 1134 KB] 下载:(136)
摘要

分层角谱算法可用于三维物体全息图的生成计算,在计算时间、占用内存和算法复杂度方面占有优势.本文基于强度图和深度图的分层角谱算法,对多波长采样进行分析,有效抑制混频现象,实现了真彩色物体的计算全息图生成.针对分层角谱算法重建时产生的散斑噪声问题,引入Gerchberg-Saxton (GS)算法,提出基于分层角谱算法的GS算法.通过计算比较引入GS算法前后再现像的均方根误差和峰值信噪比,证明该算法可有效地抑制散斑噪声,提高全息图的再现像质量,更适用于复杂形貌三维物体的计算.

铷原子D1线真空压缩光场的产生及态重构
Generation and quantum state reconstruction of a squeezed vacuum light field resonant on the rubidium D1 line

李淑静, 张娜娜, 闫红梅, 徐忠孝, 王海
物理学报. 2018, 67 (9): 094204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172396
全文: [PDF 669 KB] 下载:(78)
摘要

碱金属原子是光量子存储的良好介质,与碱金属原子共振的非经典光场是量子信息处理的重要资源.本文采用周期极化磷酸氧钛晶体作为非线性介质,利用参量振荡过程产生了795 nm (铷原子D1线)的真空压缩光场.通过对平衡零拍探测系统的时域信号进行采集,得到压缩光场不同相位角下的噪声分布;利用极大似然估计法对压缩光场进行了态重构,得到了密度矩阵及相空间的Wigner函数.理论计算了真空压缩场的光子数分布和Wigner函数,并对理论计算结果和极大似然重构结果进行了分析和比较.

运用理想光子禁带模型实现对激发态原子系统演化的调控
Control of evolutionary atomic system of excited atom by using ideal photonic band-gap model

张斯淇, 陆景彬, 刘晓静, 刘继平, 李宏, 梁禺, 张晓茹, 刘晗, 吴向尧, 郭义庆
物理学报. 2018, 67 (9): 094205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172050
全文: [PDF 757 KB] 下载:(67)
摘要

通过调节动静态理想光子禁带模型库的结构参数,研究了初态处于激发态的两能级原子系统的演化.在静态无调制下研究理想光子禁带模型库环境的半宽度、中心谐振频率及比重对原子布居数演化的影响.在理想光子禁带库环境的中心共振频率受动态调制下,其调制形式分别取为:矩形单次脉冲、矩形周期性脉冲和缓变连续周期.在此基础上讨论动态调制形式的不同对原子布居数演化的影响.无论怎样的动态调制形式,衰减抑制在原子系统的演化过程还是有较明显的体现.这样就使得利用环境变化对原子布居数和原子系统相干性演化调制的想法得以实现.

双重复频率锁模Yb:YAG陶瓷激光器
Dual repetition-rate mode-locked Yb: YAG ceramic laser

杨超, 顾澄琳, 刘洋, 王超, 李江, 李文雪
物理学报. 2018, 67 (9): 094206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172345
全文: [PDF 439 KB] 下载:(153)
摘要

近年来,双重复频率锁模激光器在诸如双光梳光谱和异步光学采样等应用领域吸引了广泛关注.基于单一激光腔的双梳系统能大大降低成本,简化系统结构,且性能优异.双重复频率锁模激光器为发展紧凑型和实用型双梳装置开辟了道路.本文报道了一种可用作双光梳光谱系统光源的双重复频率锁模Yb:YAG陶瓷激光器.该激光器基于半导体可饱和吸收镜锁模技术,采用双通道抽运结构,利用新型非水基流延成型制备的Yb:YAG透明陶瓷,在单一的五镜腔中,当吸收抽运光功率为5.6 W时,实现了自启动、稳定运转的双重复频率锁模脉冲Pulse1和Pulse2,其重复频率分别为448.918和448.923 MHz,重复频率差为5 kHz.在吸收抽运功率为7 W时,得到最大的总平均输出功率170 mW,其中Pulse1和Pulse2的功率分别为89和81 mW,相应的光谱宽度分别为1和1.16 nm.性能相似的双重复频率脉冲彼此间保持了良好的相干性,实验结果证明了双通道抽运在双重复频率锁模激光器应用中的可行性,此种新型双重复频率激光器在双光梳光谱和测距等领域具有较好的应用潜力.

基于飞秒锁模光纤激光脉冲基频光的差频产生红外光梳 Hot!
Fiber-type difference frequency generation infrared optical frequency comb based on the femtosecond pulses generated by a mode-locked fiber laser

马金栋, 吴浩煜, 路桥, 马挺, 时雷, 孙青, 毛庆和
物理学报. 2018, 67 (9): 094207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172503
全文: [PDF 1473 KB] 下载:(97)
摘要

报道了一种基于飞秒锁模光纤激光脉冲基频光的光纤型差频产生(DFG)红外光梳及其研制技术.基于自主研制的重频锁定200 MHz飞秒锁模掺铒光纤激光器,经啁啾脉冲光纤放大与超连续谱产生技术,优化近零色散OFS光纤(型号:OFS-980-20)长度,结合可调延时线,获得了精准同步的基频双色脉冲;以GaSe为非线性晶体,利用光整流技术,产生了可在6–10 μm范围内宽带调谐的DFG红外光梳,光梳最大光谱宽度可达1.3 μm.这种光纤型远红外光梳可望在分子光谱精密测量等领域发挥重要作用.

四波混频光相位运算器原理及其噪声性能研究
Principle and noise performance of optical phase arithmetic devices using four wave mixing

曹亚敏, 武保剑, 万峰, 邱昆
物理学报. 2018, 67 (9): 094208      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172638
全文: [PDF 633 KB] 下载:(72)
摘要

推导了抽运消耗情形下简并和非简并四波混频(FWM)闲频光幅度和相位的统一解析表达式.采用极限方法,计算证明了非相敏放大模式下闲频光相位与输入光初始相位之间的关系,揭示了FWM相位加减混合运算器的工作原理.以四相相移键控信号为例,对基于非简并FWM的相位运算器进行了设计,重点分析了三种基本加减混合运算的噪声转移性能及其对光纤长度、输入光波长和功率的依赖特性.计算表明:该运算器的噪声指数约为1.1 dB;当输入光信号的信噪比大于24 dB时无纠错编码的符号错误率可低于10-3.

常温下氢气声转动弛豫模型研究
Acoustic rotational relaxation of hydrogen around normal temperture

张向群, 王殊, 朱明
物理学报. 2018, 67 (9): 094301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172665
全文: [PDF 543 KB] 下载:(58)
摘要

氢气声弛豫过程主要由氢气分子的转动弛豫决定.然而,当前大部分声弛豫模型是基于气体分子的振动弛豫,并不适用于氢气.本文利用理想气体焓变与定压热容的关系,提出了一种基于氢气分子转动的弛豫模型,并讨论了转动弛豫和振动弛豫的相似与不同.该模型不仅适用于氢气,还能够和其他气体的振动弛豫模型相结合求解混合气体的声弛豫吸收谱和声速频谱.仿真结果表明,对于H2,N2/H2,CO2/H2等气体,该模型生成的声速、声弛豫谱曲线与实验数据符合.本模型为包含氢气的混合气体声学探测提供了一个有效的理论模型.

基于超二次曲面的颗粒材料缓冲性能离散元分析
Discrete element analysis of buffering capacity of non-spherical granular materials based on super-quadric method

王嗣强, 季顺迎
物理学报. 2018, 67 (9): 094501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172549
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摘要

自然界或工业中普遍是由非球形颗粒组成的复杂体系,与球形颗粒相比,非球形颗粒间的高离散和咬合互锁可使冲击载荷引起的能量有效衰减实现缓冲作用.基于连续函数包络的超二次曲面单元能准确地描述非球形颗粒的几何形态,并可精确地计算单元间的接触碰撞作用.本文采用离散元方法对冲击载荷作用下非球形颗粒物质的缓冲性能进行数值分析,并与圆柱体冲击的理论结果和球体冲击的实验结果进行对比验证.在此基础之上,进一步研究了筒底作用力在不同颗粒层厚度和形状等因素影响下的变化规律.计算结果表明:不同颗粒形状都存在一个临界厚度Hc.当H < Hc时,缓冲率随H的增加而增加;当H > Hc时,缓冲率的变化不再显著并趋于稳定值.此外,减小颗粒表面尖锐度和增加或减小圆柱形和长方形颗粒的长宽比都会提高颗粒材料的缓冲效果.

经典瑞利-泰勒不稳定性界面变形演化的改进型薄层模型
Improved thin layer model of classical Rayleigh-Taylor instability for the deformation of interface

赵凯歌, 薛创, 王立锋, 叶文华, 吴俊峰, 丁永坤, 张维岩, 贺贤土
物理学报. 2018, 67 (9): 094701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172613
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摘要

激光惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸通常采用多壳层组合结构设计,各壳层界面的流体力学不稳定性影响内爆加速和聚变点火,是ICF十分关心的问题.本文建立了描述任意Atwood数、任意初始界面分布Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性界面变形及非线性演化的薄层模型.通过分析薄层中流体微团的受力,得到了运动微分方程组,并在二维情况进行数值求解.在线性阶段,薄层模型描述的界面演变规律与模拟结果符合很好;在非线性阶段,薄层模型可以描述至“蘑菇”形结构,与数值模拟的结果很接近.目前薄层的RT不稳定性非线性解析理论研究仅限于弱非线性阶段,本工作发展的薄层解析理论能很好地研究薄层非线性“气泡-尖钉”发展过程.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

典型模拟电路低剂量率辐照损伤增强效应的研究与评估
Estimation of low-dose-rate degradation on bipolar linear circuits using different accelerated evaluation methods

李小龙, 陆妩, 王信, 郭旗, 何承发, 孙静, 于新, 刘默寒, 贾金成, 姚帅, 魏昕宇
物理学报. 2018, 67 (9): 096101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180027
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摘要

采用变剂量率和变温两种辐照方法,对4款典型模拟电路的低剂量率辐照损伤特性及变化规律进行了研究与评估,分析了两种辐照方法下其辐照敏感参数的变化,比较了不同辐照方式下器件的退化程度,讨论了这两种实验室加速评估低剂量率辐照损伤方法的机理.结果显示,变剂量率辐照可以较快地预测实际低剂量率下的辐照损伤趋势,且在较低的总剂量下能够给出不太保守的估计,但其预测的总剂量受到器件退化速度的影响;变温辐照加速评估方法能够保守地估计其低剂量率下的辐照损伤,其评估范围不仅可达1000 Gy (Si),且可将评估时间缩短为12 h左右.研究结果表明,双极电路的低剂量率辐照损伤增强效应与感生的界面态密度和氢化的氧空位缺陷有关,辐照时剂量率和温度的改变会促进界面态的生长,抑制界面态的钝化作用,从而激发器件的辐照损伤潜能.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

导线非共线的分子器件输运性质的第一性原理研究
First-principles study on transport property of molecular} device with non-collinear electrodes

闫瑞, 吴泽文, 谢稳泽, 李丹, 王音
物理学报. 2018, 67 (9): 097301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172221
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摘要

分子器件是电子器件向小体积化发展的极限,分子器件中的电子在输运过程中体现出明显的量子效应,分子导线与分子接触的位置和导线间的角度等器件结构因素都会对分子器件的输运性质产生较大的影响.迄今为止,尚未见利用第一性原理量子输运计算方法研究导线非共线的分子器件输运性质的报道.本文以金-苯(硫醇)-金结构的分子器件为例,利用基于非平衡格林函数理论和密度泛函理论的第一性原理量子输运计算方法对其输运性质进行了系统研究,特别注重于研究随着非共线导线间导线夹角角度的变化及导线和苯(硫醇)分子接触位置的不同对器件输运性质的影响.计算表明,金导线与苯(硫醇)的接触位置及导线的夹角等器件结构细节不仅能够定量地影响金-苯(硫醇)-金分子器件的电流大小,还能够定性地改变器件的输运性质,使得部分器件结构出现负微分电阻效应.研究结果对全面理解分子器件的输运性质具有一定的指导意义.

强磁场下Sm-Fe薄膜不同晶态组织演化及磁性能调控
Evolutions of different crystalline textures in Sm-Fe film fabricated under high magnetic field and subsequent tuning magnetic properties

李国建, 常玲, 刘诗莹, 李萌萌, 崔伟斌, 王强
物理学报. 2018, 67 (9): 097501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180212
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摘要

针对Sm-Fe薄膜的不同晶态组织演化和磁性能调控问题,采用分子束气相沉积方法制备Sm-Fe薄膜时,通过改变Sm含量、膜厚和强磁场来调节薄膜的晶态和磁性能.结果表明,Sm含量可以调节Sm-Fe薄膜的晶态组织演化,而晶态组织的演化和强磁场对磁性能有显著影响.Sm-Fe薄膜在Sm原子比为5.8%时是体心立方晶态组织,在Sm含量为33.0%时为非晶态组织,而膜厚和强磁场不会影响薄膜的晶态组织.非晶态薄膜的表面粗糙度和表面颗粒尺寸都比晶态薄膜的小,施加6 T强磁场会使表面颗粒尺寸增大,而表面粗糙度降低.非晶态薄膜的饱和磁化强度Ms比晶态薄膜的Ms(1466 emu/cm3,1 emu/cm3=4π×10-10 T)低约47.6%,施加6 T强磁场使非晶态和晶态薄膜的Ms均降低约50%.Sm-Fe薄膜的矫顽力Hc在6–130 Oe (1 Oe=103/(4π) A/m)之间,其中,非晶态薄膜的Hc比晶态薄膜的Hc大.施加6 T强磁场使晶态薄膜的Hc增大,而使非晶态薄膜的Hc减小,最高可以减少95%.结果表明含量和强磁场可以用于调控Sm-Fe薄膜的晶态和磁性能.

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计
Tunable grapheme amplitude based broadband electromagnetically-induced-transparency-like metamaterial

王越, 冷雁冰, 王丽, 董连和, 刘顺瑞, 王君, 孙艳军
物理学报. 2018, 67 (9): 097801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180114
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摘要

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和“H”型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05–1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和“H”型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05–1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

忆阻器、忆容器和忆感器的Simulink建模及其特性分析
Simulink modeling of memristor, memcapacitor, meminductor and their characteristics analysis

王晓媛, 俞军, 王光义
物理学报. 2018, 67 (9): 098501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172674
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摘要

忆阻器、忆容器和忆感器均是具有记忆特性的新型非线性电路元件,也被称为记忆元件.以三种电路元件的通用数学模型为依据,从数学分析的角度,对忆阻器、忆容器和忆感器的Simulink模型进行了建立.在Simulink模型中体现了记忆元件对历史状态和系统状态变量的依赖性,正确表现出其独特的记忆特性.通过一系列仿真分析,得到了忆阻器、忆容器和忆感器的元件特性,验证了模型的有效性.此外,通过对三者在不同参数、不同激励下的电路特性分析,得到了三种记忆元件等效模型随频率和幅值变化的规律,为以后忆阻器、忆容器和忆感器基于Simulink的仿真研究和应用研究奠定基础.

十二烷二酸修饰TiO2电子传输层改善钙钛矿太阳电池的电流特性
Improvement of current characteristic of perovskite solar cells using dodecanedioic acid modified TiO2 electron transporting layer

杜相, 陈思, 林东旭, 谢方艳, 陈建, 谢伟广, 刘彭义
物理学报. 2018, 67 (9): 098801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172779
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摘要

在经典的平面异质结钙钛矿太阳电池中,TiO2致密层的电子传输性能一直是获得优异光伏性能的决定性因素之一.相较于spriro-OMeTAD等常见的空穴传输材料优异的空穴传输能力,作为电子传输材料的TiO2的导电性较弱,无法形成良好的电荷匹配.为了解决这个问题,我们使用自组装的十二烷二酸(DDDA)单分子层来修饰TiO2致密层的表面,TiO2致密层的导电性能得到大幅提升,并且其能带结构得到优化,促进了电子传输,降低了电子积聚和载流子复合,使得电池的短路电流密度(JSC)从修饰前的20.34 mA· cm-2提升至修饰后的23.28 mA·cm-2,进而使得电池在标准测量条件下的光电能量转换效率从14.17%提升至15.92%.同时还发现,通过DDDA修饰TiO2致密层,所制备的器件的光稳定性显著提升,器件未封装暴露在AM 1.5光强100 mW·cm-2的模拟太阳光下超过720 min,保持初始效率的71%以上且趋于稳定.

基于复杂网络动力学模型的无向加权网络节点重要性评估
Evaluation methods of node importance in undirected weighted networks based on complex network dynamics models

孔江涛, 黄健, 龚建兴, 李尔玉
物理学报. 2018, 67 (9): 098901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172295
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摘要

定量分析识别复杂网络中的重要节点对于研究复杂网络鲁棒性和脆弱性意义重大,当前基于网络结构的节点重要性评估方法成果丰富,而基于复杂网络动力学模型的节点重要性评估方法较少.针对无向加权网络,本文首先提出了构建其对应的复杂网络动力学模型的方法,并证明了该类复杂网络动力学模型是大范围内一致渐近稳定的;然后建立了复杂网络动力学模型的偏离均值和基于偏离均值的方差两级节点重要性评估标准;最后给出了扰动测试和破坏测试两种基于复杂网络动力学模型的节点重要性评估方法.基于复杂网络动力学模型的节点重要性评估方法不仅结合了网络拓扑结构信息,同时又结合了节点自身的特性,所以评价结果更为全面.将这两种方法用于ARPA (advanced research project agency)网络、对称无向加权网络、社交网络、Dobbs-Watts-Sabel网络和Barrat-Barthelemy-Vespignani网络的重要节点评估,并与已有的复杂网络节点重要性分析方法进行比较,证明了所提出方法的有效性.

地球物理学、天文学和天体物理学

人造钠信标角度非等晕性的实验研究
Experimental investigation of angular anisoplanatism for sodium beacon

罗曦, 李新阳, 胡诗杰, 黄奎, 王晓云
物理学报. 2018, 67 (9): 099501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172686
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摘要

为实际验证较大角度偏移(θ ≈ 50 μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50 μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50 μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3–9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31–0.22)、光学质量β(2.70–3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.

基于两级压缩感知的脉冲星时延估计方法
Pulsar time delay estimation method based on two-level compressed sensing

康志伟, 吴春艳, 刘劲, 马辛, 桂明臻
物理学报. 2018, 67 (9): 099701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172100
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摘要

为了快速获得高精度的脉冲星累积脉冲轮廓时延估计,提出了一种基于两级压缩感知的时延估计方法.压缩感知主要包括三个部分:字典、测量矩阵、恢复算法,其中字典尺寸是影响压缩感知估计精度的重要因素.针对压缩感知中字典的原子数增加虽能提高估计精度但又带来计算量大的问题,该方法采用粗估计与精估计两级字典相结合,先利用粗估计字典原子间隔大的特点进行累积脉冲轮廓全相位估计,得到预估时延值,再利用精估计字典的原子间隔小且个数少适合局部估计的特点对累积脉冲轮廓进行精确时延估计.理论分析与实验结果表明:两级字典数据量比传统字典小两个数量级,在相同的时延估计精度下,该方法比传统压缩感知方法计算量大幅度减少,是一种能保持高估计精度并有效降低计算量的脉冲星时延估计方法.


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