物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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梯度磁场中自旋-轨道耦合旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态研究
李吉, 刘伍明
物理学报. 2018, 67 (11): 110302
基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索
梁飞, 林哲帅, 吴以成
物理学报. 2018, 67 (11): 114203
自旋轨道矩调控的垂直磁各向异性四态存储器结构
盛宇, 张楠, 王开友, 马星桥
物理学报. 2018, 67 (11): 117501
物理学报  
   物理学报--2018, 67 (11)   发布日期: 2018-06-05
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编者按:

2018 年是《物理学报》创刊85 周年, 为了更好地发挥学术服务作用, 学报开辟“特邀综述”特色栏目, 邀请物理学各学科领域具有较高学术影响力与造诣的专家和优秀青年科研工作者, 撰写有深刻内涵、有独到见解、有指导意义的综述文章, 对物理学及其交叉学科的研究现状和发展方向进行评述, 以期促进并引领学科发展.

特邀综述

基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索 Hot!
First principle study of nonlinear optical crystals

梁飞, 林哲帅, 吴以成
物理学报. 2018, 67 (11): 114203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180189
全文: [PDF 2504 KB] 下载:(882)
摘要

非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换,从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展,应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟,但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足,还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来,为了改变传统低效的“炒菜式”实验探索,加快新材料研发速度,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展,通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程,突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用;探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势,以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.

综述

Cu2O/ZnO氧化物异质结太阳电池的研究进展
Progress of Cu2O/ZnO oxide heterojunction solar cells

陈新亮, 陈莉, 周忠信, 赵颖, 张晓丹
物理学报. 2018, 67 (11): 118401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172037
全文: [PDF 1456 KB] 下载:(276)
摘要

介绍了近年来低成本Cu2O/ZnO氧化物异质结太阳电池方面的研究进展.应用于光伏器件的吸收层材料Cu2O是直接带隙半导体材料,天然呈现p型;其原材料丰富,且对环境友好.Cu2O/ZnO异质结太阳电池结构主要有平面结构和纳米线/纳米棒结构.纳米结构的Cu2O太阳电池提高了器件的电荷收集作用;通过热氧化Cu片技术获得的具有大晶粒尺寸平面结构Cu2O吸收层在Cu2O/ZnO太阳电池应用中展现出了高质量特性.界面缓冲层(如i-ZnO,a-ZTO,Ga2O3等)和背表面电场(如p+-Cu2O层等)可有效地提高界面处能级匹配和增强载流子输运.10 nm厚度的Ga2O3提供了近理想的导带失配,减少了界面复合;Ga2O3非常适合作为界面层,其能够有效地提高Cu2O基太阳电池的开路电压Voc(可达到1.2 V)和光电转换效率.p+-Cu2O(如Cu2O:N和Cu2O:Na)能够减少器件中背接触电阻和形成电子反射的背表面电场(抑制电子在界面处复合).利用p型Na掺杂Cu2O(Cu2O:Na)作为吸收层和Zn1-xGex-O作为n型缓冲层,Cu2O异质结太阳电池(器件结构:MgF2/ZnO:Al/Zn0.38Ge0.62-O/Cu2O:Na)光电转换效率达8.1%.氧化物异质结太阳电池在光伏领域展现出极大的发展潜力.

总论

Korteweg-de Vries方程的准孤立子解及其在离子声波中的应用
Quasi-soliton solution of Korteweg-de Vries equation and its application in ion acoustic waves

王建勇, 程雪苹, 曾莹, 张元祥, 葛宁怡
物理学报. 2018, 67 (11): 110201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180094
全文: [PDF 1164 KB] 下载:(197)
摘要

应用推广的tanh函数展开法,给出了Korteweg-de Vries方程具有准孤立子行为的两组孤子-椭圆周期波解,其中一组为新解.推导了均匀磁化等离子体中描述离子声波动力学行为的Korteweg-de Vries方程,发现电子分布、离子电子温度比、磁场大小、磁场方向对离子声准孤立子的波形具有显著影响.

任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累
Motion-compensated coherent integration of constant moving target echoes with arbitrary complex envelope

冯西安, 张杨梅
物理学报. 2018, 67 (11): 110202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172203
全文: [PDF 1282 KB] 下载:(94)
摘要

现代声呐、水下制导等水声探测系统常常使用窄带脉冲、调制、编码、伪随机等种类繁多的发射信号波形来满足低信噪比检测、高分辨估计、抗干扰、主动隐蔽探测的应用需求.针对这一情况,本文研究了任意信号的长时间积累问题,给出了一种任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累检测方法.通过构建任意发射信号波形的广义模糊函数,将匹配滤波器输出表示为所构造的广义模糊函数,使得任意复包络信号的脉压波形不仅能够用统一的数学模型来表述和计算,而且能够提供多脉冲回波的距离走动信息和多普勒频移信息,为多脉冲距离位置对齐和Fourier变换(FFT)积累提供了依据.对于用广义模糊函数表示的匹配滤波器输出,采用Keystone变换将复包络对齐,消除了距离走动,采用FFT补偿多普勒频移项,实现了任意复包络信号的长时间相干积累.对于水下探测中使用的连续波信号、线性调频信号以及复杂的m序列编码信号、Costas跳频编码信号波形进行了信号积累及检测的计算机仿真,验证了任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累的正确性.消声水池实验验证了该方法的有效性.

Tavis-Cummings模型中的几何量子失协特性
Geometric quantum discord in Tavis-Cummings model

程景, 单传家, 刘继兵, 黄燕霞, 刘堂昆
物理学报. 2018, 67 (11): 110301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172699
全文: [PDF 399 KB] 下载:(150)
摘要

采用几何量子失协的计算方法,通过改变两原子初始状态、腔内光子数和偶极-偶极相互作用强度,研究了Tavis-Cummings模型中的几何量子失协特性.结果表明:几何量子失协都是随时间周期性振荡的,选取适当的初态可以使两原子一直保持失协状态,增加腔内光子数和偶极相互作用对几何量子失协有积极的影响.

梯度磁场中自旋-轨道耦合旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态研究 Hot!
Ground state of spin-orbit coupled rotating two-component Bose-Einstein condensate in gradient magnetic field

李吉, 刘伍明
物理学报. 2018, 67 (11): 110302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180539
全文: [PDF 4095 KB] 下载:(239)
摘要

利用准二维Gross-Pitaevskii方程,研究了在梯度磁场中具有自旋-轨道耦合的旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.探索了自旋-轨道耦合作用和梯度磁场对基态的影响.结果发现,在梯度磁场下,随着自旋-轨道耦合强度增大,基态结构由skyrmion格子逐渐过渡为skyrmion列.对于弱自旋-轨道耦合和小旋转频率情况,增大磁场梯度强度可导致基态由平面波相转变为half-skyrmion;对于强自旋-轨道耦合和大旋转频率情况,梯度磁场可诱导hidden涡旋的产生.梯度磁场、自旋-轨道耦合和旋转作为体系的调控参数,可用于控制不同基态相间的转化.

分段Filippov系统的簇发振荡及擦边运动机理
Bursting oscillations and mechanism of sliding movement in piecewise Filippov system

张正娣, 刘亚楠, 李静, 毕勤胜
物理学报. 2018, 67 (11): 110501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172421
全文: [PDF 1979 KB] 下载:(106)
摘要

本文旨在揭示非光滑Filippov系统中由频域上不同尺度耦合导致的簇发振荡行为及其产生机理.以经典的周期激励Duffing振子为例,通过引入对状态变量的分段控制及适当选取参数,使得激励频率与系统固有频率之间存在量级差距,建立了频域两尺度耦合的Filippov系统.当激励频率远小于系统的固有频率时,可以将整个激励项视为慢变参数或慢变子系统,从而得到广义自治快子系统.分析了由非光滑分界面划分的不同区域中各快子系统的平衡点及其分岔特性随慢变参数变化的演化过程.考察了两种典型参数条件下系统的振荡行为及其动力学特性,指出参数变化不仅会引起其相应子系统平衡曲线及其分岔特性的改变,也会导致不同模式的簇发振荡.同时,轨迹穿越非光滑分界面时会产生不同的动力学行为,特别是在一定参数条件下,由于运动轨迹受不同子系统的交替控制,存在着擦边运动现象,从而导致特殊形式的非光滑簇发振荡.基于转换相图及各区域中快子系统的平衡曲线及其分岔特性,揭示了非光滑分界面对系统簇发振荡的影响规律及不同簇发振荡的分岔机理.

基于忆阻器的多涡卷混沌系统及其脉冲同步控制
Memristor-based multi-scroll chaotic system and its pulse synchronization control

闫登卫, 王丽丹, 段书凯
物理学报. 2018, 67 (11): 110502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180025
全文: [PDF 1664 KB] 下载:(309)
摘要

忆阻器是一种具有记忆功能和纳米级尺寸的非线性元件,作为混沌系统的非线性部分,能够提高混沌系统的信号随机性和复杂度.本文基于增广Lü系统设计了一个三维忆阻混沌系统.仅仅通过改变系统的一个参数,该系统能产生单涡巻、双涡卷和四涡巻的混沌吸引子,说明该系统具有丰富的混沌特性.首先对该忆阻混沌系统的基本动力学行为进行了理论分析和数值仿真,如平衡点稳定性、对称性,Lyapunov指数和维数,分岔图和Poincare截面等.同时,建立了模拟该忆阻混沌系统的SPICE(simulation program with integrated circuit emphasis)电路,给出了不同参数下的电路实验相图,其仿真结果与数值分析相符,从而验证了该忆阻混沌系统的混沌产生能力.由于脉冲同步只在离散时刻传递信息,能量消耗小,同步速度快,易于实现单信道传输,因而在混沌保密通信中更具有实用性.因此,本文从最大Lyapunov指数的角度实现了该忆阻混沌系统的脉冲混沌同步,数值仿真证实了忆阻混沌系统的存在性以及脉冲同步控制的可行性,为进一步研究该忆阻混沌系统在语音保密通信和信息处理中的应用提供了实验基础.

原子和分子物理学

InCn+(n=1–10)团簇的密度泛函理论研究
Density functional theory of InCn+(n=1–10) clusters

张陈俊, 王养丽, 陈朝康
物理学报. 2018, 67 (11): 113101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172662
全文: [PDF 1538 KB] 下载:(91)
摘要

利用密度泛函理论的B3LYP方法,在LANL2DZ水平上对碳基混合团簇InCn+n=1–10)进行了系统研究,得到了这个团簇体系的最稳定几何构型以及基态结构的电子态、最低振动频率、总能量、自旋污染期望值、偶极距、转动常数等.计算结果显示:团簇的最稳定结构是In原子位于碳链末端的直线型构型;n为偶数的基态是三重态,除InC+外,n为奇数的基态是单态.通过对增量结合能和能量二阶差分的计算和分析可以得出,随着团簇尺寸的增加,团簇的稳定性表现出强烈的奇强偶弱振荡规律.电离能的计算结果进一步证实了这种振荡规律的正确性.对系列团簇基态的磁性研究表明,团簇的磁矩随团簇尺寸的增加呈现出明显的奇弱偶强振荡规律.极化率的计算结果显示,极化率张量的平均值及各向异性不变量都随着团簇尺寸的增大而增大.

激发光线宽对原子光致漂移速率的影响
Influence of laser linewidth on light-induced drift velocity of atom

杨佳琦, 刘加东, 刘涛, 张志忠
物理学报. 2018, 67 (11): 113201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180375
全文: [PDF 430 KB] 下载:(93)
摘要

在光致漂移效应的研究中,激发光线宽会改变原子激发的速度选择性,进而影响漂移速率的大小.本文以原子光致漂移速率方程理论为基础,利用强碰撞模型描述原子与缓冲气体的碰撞作用,运用数值方法对速率方程进行求解计算,研究了激发光线宽对原子漂移速率的影响.研究结果表明,其他条件相同时,随着线宽的增大,漂移速率的值呈现先增大后减小的趋势.存在一个最佳的激发光线宽,使得原子的漂移速率达到最大值.最佳线宽与激发光功率密度、温度和缓冲气体压强有关.为了获得最佳的光致漂移效果,激发光应工作在最佳线宽条件下.当激发光线宽在最佳线宽附近波动时,设置激发光线宽略大于最佳线宽可减少线宽波动对漂移速率的影响,对获得较大漂移速率更为有利.

质子碰撞电离过程中程函近似效应的理论研究
Influence of eikonal-initial-state on ionization of atom by proton

陈展斌, 马堃
物理学报. 2018, 67 (11): 113401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172465
全文: [PDF 501 KB] 下载:(68)
摘要

分别利用连续扭曲波方法和初态程函近似-连续扭曲波方法对质子碰撞电离氖原子1s,2s,2p壳层后随电离电子能量变化的单重微分散射截面(SDCS)和二重微分散射截面(DDCS)及总截面进行了计算,所得结果与部分实验数据符合得很好.详细探讨了各壳层SDCS和DDCS的细致结构以及质子碰撞的电离机制.结果表明,对于氖原子2p壳层,随着入射质子能量的增加,SDCS的区域变长,幅度减小,在低能区以软电离为主;而DDCS出现的峰均迅速减小.此外,分析了初态程函近似对SDCS和DDCS的影响,发现该效应对截面的影响在低能入射时非常明显,随着入射能量的增大,这种影响逐渐减弱.

一种可控的Ioffe型冷分子表面微电阱
Chip-based controllable Ioffe-typed electrostatic mirotrap for cold molecules

许雪艳, 侯顺永, 印建平
物理学报. 2018, 67 (11): 113701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180206
全文: [PDF 1282 KB] 下载:(55)
摘要

囚禁于阱中的粒子(原子或分子)可获得更长的相互作用时间,因而在精密测量中可获得更高的分辨率.阱中的粒子与外界隔离,从而可以被冷却到更低的温度.因此原子(或分子)阱已广泛应用到许多研究领域.然而中心电场强度为零的势阱会导致粒子发生非绝热跃迁,这是原子或分子损失的主要来源.该损失曾是制备原子玻色-爱因斯坦凝聚的最后一道障碍.本文提出了一种可控的Ioffe型表面微电阱,其电场强度处处不为零,可有效避免分子的非绝热损失.另外,通过调节电压等参数,势阱中心电场强度以及势阱中心距芯片表面的高度可以在较大范围内调节,例如在本文参数下,势阱中心电场强度可在0.15–5.5 kV/cm变化,势阱中心高度可在6.0–17.0 μm变化.本文通过有限元软件计算了芯片表面微电阱的电场分布,并用Monte Carlo模拟验证了该方案的可行性.该表面微电阱不仅可用于分子芯片的集成,而且可用于表面量子简并气体的制备.为精密测量、量子计算、表面冷碰撞和冷化学等领域提供了一个平台.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析
Analysis of orbital angular momentum spectra of Hankel-Bessel beams in channels with oceanic turbulence

尹霄丽, 郭翊麟, 闫浩, 崔小舟, 常欢, 田清华, 吴国华, 张琦, 刘博, 忻向军
物理学报. 2018, 67 (11): 114201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180155
全文: [PDF 730 KB] 下载:(169)
摘要

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.

基于最大似然的单通道交叠激光微多普勒信号参数分离估计
Separate estimation of laser micro-Doppler parameters based on maximum likelihood schemes

郭力仁, 胡以华, 王云鹏, 徐世龙
物理学报. 2018, 67 (11): 114202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172639
全文: [PDF 2862 KB] 下载:(83)
摘要

利用激光对目标微弱振动进行探测有利于获得明显的微多普勒效应,这为精确估计目标微动特征参数,实现对目标的分类和精细识别提供了可能.但对于多散射点或多目标激光探测,信号为单通道多分量微动混合的形式,而且补偿目标主体运动后,数值上相近的微动参数还会导致信号在时频域存在严重的交叠.为从这类混合信号中精确估计各分量的微动参数,本文提出了基于最大似然框架的参数分离估计方法.利用精细化扫描的奇异值比谱法从混合信号中获得目标微动频率,并得到各分量的幅值比信息.推导了微动参数最大似然估计的解析表达形式,根据激光微多普勒信号的特点从频谱能量分布的角度重新设计了似然函数,解决了传统似然函数在激光微动信号中出现的高度非线性问题,降低了初始化的要求,提高了抗噪性能,并采用马尔可夫-蒙特卡罗方法具体实现了参数的估计.在微动参数得到估计的基础上给出了信号的幅值和初相的估计方法.用本文方法对仿真和实验数据进行处理,得到了接近克拉美罗下界的估计结果,验证了方法的有效性.与传统非参数化估计方法的对比结果体现了所提方法对混合微动参数精确估计上的优势.

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波
Propagation of elastic waves in saturated porous medium containing a small amount of bubbly fluid

王婷, 崔志文, 刘金霞, 王克协
物理学报. 2018, 67 (11): 114301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180209
全文: [PDF 476 KB] 下载:(133)
摘要

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.

油滴撞击油膜层内气泡的变形与破裂过程的数值模拟
Numerical simulation of deformation and rupture process of bubble in an oil film impacted by an oil droplet

周剑宏, 童宝宏, 王伟, 苏家磊
物理学报. 2018, 67 (11): 114701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180133
全文: [PDF 3262 KB] 下载:(211)
摘要

旋转工作的机械零部件和机械设备的润滑系统工作过程中普遍存在着油滴和油膜的碰撞行为,这一行为易引起气泡夹带现象.气泡将对油滴撞击油膜时的运动过程和附壁油膜层的形成质量造成不可忽视的影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对油滴撞击含气泡油膜的行为进行数值模拟研究,考察油膜层内气泡的变形运动过程,分析气泡大小和位置等因素对撞击过程中气泡变形特征参数的影响规律,并探讨气泡破裂的动力学机制.研究表明,随着气泡直径的增大,油滴撞击含气泡油膜后气泡会依次出现自由表面破裂、稳定变形以及油膜内部破裂等现象;直径d=20 μm的气泡能较稳定地存在于油膜层内,同时该值也是气泡发生自由表面破裂和油膜内部破裂的临界值.此外,气泡所在位置同样对气泡变形历程有一定影响,气泡越接近油膜表面,其变形量越大;位于油膜底层的气泡会附着在壁面上.在自由表面破裂和油膜内部破裂过程中,气泡破裂是由气-液界面不稳定引起的,表面张力对这两种现象起重要作用;而黏性剪切力对油膜内部破裂现象也有着不可忽视的影响.

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性
Dynamics of evaporating drop on heated surfaces with different wettabilities

叶学民, 张湘珊, 李明兰, 李春曦
物理学报. 2018, 67 (11): 114702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180159
全文: [PDF 1828 KB] 下载:(224)
摘要

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

石墨烯/BiOI纳米复合物电子结构和光学性质的第一性原理模拟计算
First-principle calculation on electronic structures and optical properties of hybrid graphene and BiOI nanosheets

王逸飞, 李晓薇
物理学报. 2018, 67 (11): 116301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172220
全文: [PDF 1638 KB] 下载:(162)
摘要

光催化材料在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有广泛的应用前景,本文通过构建BiOI纳米薄膜并将其与石墨烯复合起来,得到具有较高的比表面积和良好的光催化活性的纳米复合物光催化材料.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法分别计算了单层和双层BiOI纳米片及其与石墨烯复合结构的电子结构和光学性质,并考虑了BiOI中的Bi,O,I三种空位缺陷对电子结构和光学特性的影响.计算结果表明,由于BiOI和石墨烯之间的相互作用,在石墨烯和BiOI界面处自发发生电荷转移,形成电子-空穴对,且石墨烯衬底可有效提高BiOI对可见光的光吸收,提高其光催化活性.对空位缺陷的计算表明,Bi空位缺陷可促进石墨烯和BiOI之间的电荷转移,形成更多的层间电子-空穴对;相反,O和I空位缺陷则抑制层间电荷转移,减少电子-空穴对的生成.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

BixBa1-xTiO3电子及能带结构的第一性原理研究
First principle study of electron and band structure of BixBa1-xTiO3

房玉真, 孔祥晋, 王东亭, 崔守鑫, 刘军海
物理学报. 2018, 67 (11): 117101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172644
全文: [PDF 927 KB] 下载:(98)
摘要

采用基于第一性原理的赝势平面波方法,研究了ABO3钙钛矿复合氧化物BaTiO3中A位离子被Bi原子取代后对其构型、电子及能带结构的影响.计算结果表明,Bi取代Ba之后会降低BaTiO3的对称性,空间点群随着取代量的变化而变化,结合能逐渐降低.通过能带结构的计算发现BixBa1-xTiO3为直接带隙型半导体.Bi的取代可调节BixBa1-xTiO3的禁带宽度,从x=0.125到x=0.625时,Bi的取代量越大,其带隙越宽,吸收光谱蓝移.x>0.625时,禁带宽度又逐渐减小,吸收光谱红移.由态密度图可看出,其价带顶主要是O-2p与Bi-6s态杂化而成,导带底主要由Ti-3d态构成.

第一性原理计算Co/h-BN界面上的微弱Dzyaloshinsky-Moriya相互作用
First principle study of weak Dzyaloshinsky-Moriya interaction in Co/BN surface

黄灿, 李小影, 朱岩, 潘燕飞, 樊济宇, 施大宁, 马春兰
物理学报. 2018, 67 (11): 117102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180337
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摘要

用密度泛函理论的第一性原理计算程序VASP在广义布洛赫条件下计算了Co/h-BN反方向的自旋螺旋能量与波矢的色散关系Eq)与E(-q).Eq)与E(-q)能量之差反映了Co/h-BN界面上下层之间空间反演对称性破缺引起的Dzyaloshinsky-Moriya相互作用(DMI)的大小.通过海森伯作用(HBI)模型与DMI模型拟合计算值,得到Co原子间各近邻的HBI参数J1J4及DMI参数d1d2.在Co/h-BN中,J1为负值起完全主导作用,J3J1小一个量级,其他参数接近于0.因此,Co/h-BN的基态是三角反铁磁,而DMI很微弱.根据这种性质,h-BN可以作为其他DMI界面的覆盖层.

锯齿型石墨烯纳米窄带中量子霍尔体系的电场调控
Electrically controlled quantum spin Hall in narrow zigzag graphene nanoribbon

刘娜, 胡边, 魏鸿鹏, 刘红
物理学报. 2018, 67 (11): 117301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180249
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摘要

应用含自洽格点在位库仑作用的Kane-Mele模型,研究锯齿型石墨烯纳米窄带平面内横向电场对边界带能带结构和量子自旋霍尔(QSH)体系的影响.研究结果显示,当电场强度较弱时,外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动,导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69 V/nm,自旋向下的两个边界带出现较大带隙,能带反转,而自旋向上的电子结构无能隙,系统呈现半金属性,同时QSH体系不再是B类.特别当电场强度为1.17 V/nm时,在自旋向下能带的能隙中,q=0.5处存在自旋向上的纯边界态,意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流.当电场强度持续增加时,QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化.当电场强度超过1.42 V/nm后,自旋向上的两个边界带也出现能带反转,分别成为导带和价带,系统成为C类的普通量子霍尔体系.

自旋轨道矩调控的垂直磁各向异性四态存储器结构 Hot!
Demonstration of four-state memory structure with perpendicular magnetic anisotropy by spin-orbit torque

盛宇, 张楠, 王开友, 马星桥
物理学报. 2018, 67 (11): 117501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180216
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摘要

利用氧化钽缓冲层对垂直各向异性钴铂多层膜磁性的影响,构想并验证了一种四态存储器单元.存储器器件包含两个区域,其中一区域的钴铂多层膜[Pt(3 nm)/Co(0.47 nm)/Pt(1.5 nm)]直接生长在热氧化硅衬底上,另一个区域在磁性膜和衬底之间沉积了一层氧化钽作为缓冲层[TaOx(0.3 nm)/Pt(3 nm)/Co(0.47 nm)/Pt(1.5 nm)],缓冲层导致两个区域的垂直磁各向异性不同.在固定的水平磁场下对器件施加与磁场同向的电流,由于电流引起的自旋轨道耦合力矩,两个区域的磁化取向均会发生翻转,且拥有不同的临界翻转电流.改变通过器件导电通道的电流脉冲形式,器件的磁化状态可以在4个态之间切换.本文器件的结构为设计自旋轨道矩存储器件提供了新的思路.

晶格失配应力对单晶(BiTm)3(GaFe)5O12膜磁畴结构的影响
Effect of lattice mismatch stress on magnetic domain of epitaxial single crystal (BiTm)3(GaFe)5O12 film

郝俊祥, 杨青慧, 张怀武, 文岐业, 白飞明, 钟智勇, 贾利军马博, 吴玉娟
物理学报. 2018, 67 (11): 117801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180192
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摘要

利用液相外延工艺在钆镓石榴石衬底上制得了单晶(BiTm)3(GaFe)5O12膜,研究了晶格失配应力对其磁畴结构的影响.研究发现,生长速率越快,膜的晶格常数越大;晶格失配应力可以在一定范围内调整膜的垂直各向异性;随着晶格失配应力由较大张应力逐渐转变为较大压应力,磁畴形状先由磁泡畴转变成迷宫畴,然后转变为过渡态部分弯曲的条状畴,最终转变为整齐排列的条状畴;失配应力同时对畴宽也有影响,膜受到的失配应力越大,畴宽越大.这一实验研究对基于控制晶格失配应力来调控单晶膜的各向异性和磁畴结构有指导意义.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究
Near-infrared absorption of graphene-metal nanostructure based on magnetic polaritons

陈浩, 张晓霞, 王鸿, 姬月华
物理学报. 2018, 67 (11): 118101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180196
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摘要

石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480 nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1 eV增大到1.0 eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.

基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控
Dynamic multifunctional control of terahertz beam based on graphene coding metamaterial

闫昕, 梁兰菊, 张璋, 杨茂生, 韦德泉, 王猛, 李院平, 吕依颖, 张兴坊, 丁欣, 姚建铨
物理学报. 2018, 67 (11): 118102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180125
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摘要
提出了一种基于石墨烯带的太赫兹波段的1 bit编码超构材料,可以实现太赫兹波束的数目、频率、幅度等参数多功能动态调控.该结构由金属薄膜、聚酰亚胺、硅、二氧化硅、石墨烯带组成.通过对石墨烯带施加两种不同的电压,可以实现一定频率范围内相位差接近180°的“0”和“1”数字编码单元,进而构成1 bit动态可控的编码超构材料.全波仿真结果表明,不同序列的编码超构材料能够实现波束数目从单波束、双波束、多波束到宽波束的调控.相同序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压能够实现宽频段波束频率的偏移.对于000000或者111111周期序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压还能够实现波束幅度的调控.因此这种基于石墨烯带的编码超构材料为灵活调控太赫兹波提供了一种新的途径,将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.

各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响
Effect of anisotropic surface tension on morphological stability of lamellar eutectic growth in directional solidification

徐小花, 陈明文, 王自东
物理学报. 2018, 67 (11): 118103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180186
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摘要

研究各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响.应用多重变量展开法导出了共晶界面表达式和扰动振幅的变化率满足的色散关系.结果表明,共晶生长系统有两种整体不稳定性机理:由非震荡导致的“交换稳定性”机理和由震荡导致的“整体波动不稳定性”机理.震荡有四种典型模式,即:反对称-反对称(AA-),对称-反对称(SA-)、反对称-对称(AS-)和对称-对称(SS-)模式.稳定性分析表明:共晶界面形态稳定性取决于Peclet数ε的某一个临界值ε*,当ε大于临界值ε*时,共晶界面形态不稳定;当ε小于临界值ε*时,共晶界面形态稳定.随着各向异性表面张力增大,对应于AA-,SA-和SS-模式的临界值εaa*εsa*εss*随之减小,表明各向异性表面张力减小这三种模式的稳定性区域;然而,随着各向异性表面张力增大,对应于AS-模式的临界值εas*随之增大,表明各向异性表面张力增大AS-模式的稳定性区域.

单分子技术研究T7解旋酶的解旋与换链
T7 helicase unwinding and stand switching investigated via single-molecular technology

陈泽, 马建兵, 黄星榞, 贾棋, 徐春华, 张慧东, 陆颖
物理学报. 2018, 67 (11): 118201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180501
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摘要

单分子荧光共振能量转移(smFRET)和磁镊(MT)技术目前广泛应用于研究分子马达.相较于常规技术,其具有高精度及动态观测的优点.本文研究对象为T7解旋酶,是六聚体解旋酶的典型代表.研究表明,这种解旋酶主要消耗脱氧胸苷三磷酸(dTTP)提供能量,且仅能沿着5'-3'单向进行行走和解旋工作.目前对于六聚体解旋酶的解旋和换链机制的认知仍然存在着诸多问题,因此本文主要以此作为切入点开展研究.首先通过运用smFRET技术研究T7解旋酶在不同DNA底物上的解旋现象,发现其需要3'-尾链参与到解旋工作中,但其为单链或双链结构并无明显区别;通过改变脱氧核糖核酸(DNA)序列中的GC含量,发现T7解旋酶随着序列中GC含量的升高会更容易在解旋过程中发生回退现象,导致解旋长度明显缩短;通过进一步分析发生回退先的实验数据,发现T7解旋酶除了可以瞬时回退到叉形DNA岔口或脱落外,还可以缓慢回退到叉形DNA岔口;运用MT技术研究该解旋酶,同样发现这种缓慢回退现象的存在.根据T7解旋酶解旋DNA遵循的单向性和极性,其只能沿着5'到3'方向进行行走和解旋.因此,本文推测这种缓慢回退的现象可能是解旋酶从5'-链转移至3'-链上,即发生换链过程;最后,本文提出了T7解旋酶在解旋过程中进行换链的模型,将有助于进一步理解环状六聚体解旋酶行使其功能的分子机制.

基于石墨烯电极的齐聚苯乙炔分子器件的整流特性
Rectifying performances of oligo phenylene ethynylene molecular devices based on graphene electrodes

崔焱, 夏蔡娟, 苏耀恒, 张博群, 陈爱民, 杨爱云, 张婷婷, 刘洋
物理学报. 2018, 67 (11): 118501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180088
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摘要

以齐聚苯乙炔分子为研究对象,采用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法,对基于石墨烯电极的齐聚苯乙炔分子器件整流特性进行了研究,系统地分析了官能团对分子器件整流特性的影响.通过研究发现,官能团对齐聚苯乙炔分子器件整流特性影响显著,当添加失电子官能团氨基(NH2)时出现正向整流,添加得电子官能团硝基(NO2)时出现反向整流,当同时添加氨基和硝基官能团时,会出现正反向整流交替现象,研究结果表明通过添加不同类型的官能团能有效控制分子整流器的整流特性.

基于石墨烯-钙钛矿量子点场效应晶体管的光电探测器
Field effect transistor photodetector based on graphene and perovskite quantum dots

郑加金, 王雅如, 余柯涵, 徐翔星, 盛雪曦, 胡二涛, 韦玮
物理学报. 2018, 67 (11): 118502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180129
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摘要

以等离子增强化学气相沉积法制备的石墨烯作为导电沟道材料,将其与无机CsPbI3钙钛矿量子点结合,设计并制备了石墨烯-钙钛矿量子点场效应晶体管光电探测器.研究和分析了石墨烯作为场效应晶体管的电学特性及其与钙钛矿量子点结合作为光电探测器的光电特性.结果表明,石墨烯在场效应晶体管中表现出良好的电学性质,其与钙钛矿量子点的结合对波长为400 nm的光辐射具有明显的光响应,在光强为12 μW时器件光生电流最大为64 μA,响应率达6.4 A·W-1,对应的光电导增益和探测率分别为3.7×104,6×107 Jones(1 Jones=1 cm·Hz1/2·W-1).

基于自适应无参经验小波变换和选择集成分类模型的运动想象
Motor imagery based on adaptive parameterless empirical wavelet transform and selective integrated classification

何群, 王煜文, 杜硕, 陈晓玲, 谢平
物理学报. 2018, 67 (11): 118701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180181
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摘要

运动想象模式识别率的提高对脑机接口(BCI)技术的应用具有重要意义,本文采用自适应无参经验小波变换(APEWT)和选择集成分类模型相结合的方法提高脑电(EEG)信号的分类识别准确率.首先,通过APEWT将EEG信号分解成不同的模态;然后,使用最优模态重构后的信号计算其能量谱(ES)特征,使用最优模态分量计算其边际谱(MS)特征;最后,将不同时间段的ES特征和不同频段的MS特征输入到构建的选择集成分类模型中,从而得到其分类结果,并将该方法与其他4种组合方法进行比较.实验结果表明,本文方法具有较好分类准确率和实时性,其平均分类正确率高于其他4种方法,同时较近期使用相同数据的文献也有优势.本文为在线运动想象类BCI的应用提供了新的方法和思路.


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