物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感
董杨, 杜博, 张少春, 陈向东, 孙方稳
物理学报. 2018, 67 (16): 160301
能够突破标准量子极限的原子双数态的制备研究
郑盟锟, 尤力
物理学报. 2018, 67 (16): 160303
万有引力常数G精确测量实验进展
刘建平, 邬俊飞, 黎卿, 薛超, 毛德凯, 杨山清, 邵成刚, 涂良成, 胡忠坤, 罗俊
物理学报. 2018, 67 (16): 160603
物理学报  
   物理学报--2018, 67 (16)   发布日期: 2018-08-20
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编者按:
       精密测量物理是现代物理学发展的基础、着力点和前沿,是物理科学问题探索和精密测量技术相互融合的结果,也是解决相关精密测量国家重大需求的基础。
        为实现精密测量物理领域 “迎头赶上、适时超越、支撑未来”的战略目标,国家自然科学基金委于2013年启动了“精密测量物理”重大研究计划。该研究计划旨在针对特定的精密测量物理研究对象,以原子分子、光子为主线,构建高稳定度精密测量新体系,探索精密测量物理新概念与新原理,发展更高精度的测量方法与技术,提高基本物理学常数的测量精度,在更高精度上检验基本物理定律的适用范围。
        为向广大科学工作者汇报“精密测量物理”重大研究计划执行至今所取得一些进步和成果,借助本专题我们汇选出14篇综述论文。这些论文涵盖了在光频精密测量、基本常数测量、基本物理规律检验和精密测量新体系新方法等方面我国科学家所取得的最新进展。期望通过这个专题能帮助读者了解精密测量物理领域的现状与发展趋势,更期望学术界能进一步关注精密测量物理学科的发展并给予批评、指导。
        本专题在《物理学报》编辑部的精心组织下完成,得到了各位论文作者的积极配合,谨此一并致谢!

   (客座编辑 中国科学院武汉物理与数学研究所 叶朝辉)

专题:精密测量物理

基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感 Hot!
Solid quantum sensor based on nitrogen-vacancy center in diamond

董杨, 杜博, 张少春, 陈向东, 孙方稳
物理学报. 2018, 67 (16): 160301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180788
全文: [PDF 2333 KB] 下载:(331)
摘要

在室温下,金刚石中的氮-空位(NV)色心具有荧光强度稳定、电子自旋相干时间长以及与生俱来的原子尺寸的特点,是优良的纳米量子传感器.在成像领域中,将各种超分辨成像显微技术应用于NV色心体系,发展出多种高空间纳米分辨率的成像方法.此外,NV色心作为固态量子比特可以通过光学方法对其进行初始化和读取.NV色心电子自旋量子态还可以与电磁场、应力等进行相干耦合.基于这些耦合,科研人员在实验上实现了对相关物理量纳米级空间分辨率的高灵敏表征.目前这些量子传感技术可以应用在新材料、单个蛋白质核自旋、活体神经元等方面的测量中.本综述主要介绍金刚石中NV色心纳米量子传感器件的工作原理、实验实现和优化以及在相关领域的应用.

能够突破标准量子极限的原子双数态的制备研究 Hot!
Generation of twin-Fock states for precision measurement beyond the standard quantum limit

郑盟锟, 尤力
物理学报. 2018, 67 (16): 160303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181029
全文: [PDF 797 KB] 下载:(172)
摘要
所有经典的双模(两路径)干涉仪的相位测量精度都受限于1/√N(其中N为参与干涉测量的总粒子数),这一极限被称为经典极限或标准量子极限.量子计量学最重要的目标之一是探索如何通过量子纠缠实现超越经典极限的测量精度.双数态是一种能突破经典极限的纠缠态,它由数目相等、不可区分的自旋朝上和朝下(双模)玻色粒子组成.通过光学自发参量下转换或囚禁离子内态的操控手段已实现了不到十个光子或离子的双数态.利用玻色-爱因斯坦凝聚体中原子的自旋混合过程,近年来也能产生多达几千个原子的双数态.但是这样制备的双数态的总粒子数的随机涨落过大,限制了它们的实际应用潜力.最近,我们通过调控原子凝聚体中的量子相变,实现了超过一万个原子的双数态的确定性制备.本文简要综述这一研究进展.

近距离牛顿反平方定律实验检验进展
Recent progress in testing Newtonian inverse square law at short range

谭文海, 王建波, 邵成刚, 涂良成, 杨山清, 罗鹏顺, 罗俊
物理学报. 2018, 67 (16): 160401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180636
全文: [PDF 2024 KB] 下载:(176)
摘要
为了统一描述自然界的四种基本相互作用,科学家提出了很多理论模型,其中很多理论认为牛顿反平方定律在近距离下会发生偏离,或存在其他的非牛顿引力作用,而理论的正确与否需要高精度的实验检验.国际上很多研究组在不同间距下采用不同的技术对反平方定律进行了高精度的实验检验,本文重点介绍华中科技大学引力中心采用密度调制法分别在亚毫米与微米范围进行的实验研究进展.在亚毫米范围采用精密扭秤技术,在对牛顿引力进行双补偿、抑制电磁干扰后,结合零实验与非零实验结果,在作用程为70–300 μm区间对Yukawa形式的破缺给出国际上精度最高的限制.在微米范围采用悬臂梁作为弱力传感器,通过测量金球和密度调制吸引质量间水平力的变化来检验非牛顿引力是否存在,实验结果不需进行Casimir力和静电力背景扣除,是此间距下不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型的两个结果之一.

基于原子干涉仪的微观粒子弱等效原理检验
Test of weak equivalence principle of microscopic particles based on atom interferometers

王谨, 詹明生
物理学报. 2018, 67 (16): 160402      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180621
全文: [PDF 1241 KB] 下载:(139)
摘要
等效原理是广义相对论的两个基本假设之一,也是爱因斯坦对弱等效原理的推广.目前,大量实验证明弱等效原理在一定的实验精度内是成立的.将引力与标准模型统一起来的新理论都要求弱等效原理破缺,因此更高精度的弱等效原理检验具有重要的科学意义.本文介绍了原子干涉仪的原理,回顾了利用原子干涉仪开展微观粒子弱等效原理检验实验研究的历史和现状,介绍了双组分原子干涉仪检验弱等效原理实验涉及的振动噪声抑制、拉曼光移频与相位噪声抑制、四波双衍射拉曼跃迁原子干涉、信号探测与数据处理等关键问题及研究进展,分析了高精度微观粒子弱等效原理检验研究的发展趋势,介绍了长基线原子干涉仪、空间原子干涉仪、超冷原子源以及纠缠原子源制备等方面的研究动态,展望了微观粒子弱等效原理检验研究的发展前景.

能量天平及千克单位重新定义研究进展
Progress of joule balance and redifination of Kilogram

李正坤, 张钟华, 鲁云峰, 白洋, 许金鑫, 胡鹏程, 刘永猛, 由强, 王大伟, 贺青, 谭久彬
物理学报. 2018, 67 (16): 160601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180581
全文: [PDF 1498 KB] 下载:(124)
摘要
质量单位千克是国际单位制7个基本单位中惟一一个仍以实物定义和复现的基本单位.作为一种实物,其量值必然会因为环境因素及使用时的磨损而发生变化.但由于缺少更高一级的参考标准对其进行考察,国际千克原器的真实变化情况无从得知.国际计量委员会建议采用普朗克常数对千克重新定义,号召各个国家开展普朗克常数的精密测量研究工作,并要求至少有三种独立方案提供有效测量数据.自20世纪70年代起,英、美等国采用功率天平方案进行研究,国际阿伏伽德罗常数合作组织则采用了X射线单晶硅密度的方案.为了应对国际单位制的重大变革,2006年中国计量科学研究院提出了用能量天平法测量普朗克常数的新方案,其特点是可避免国外方案中困难的动态测量.2013年原型实验装置研制成功,证实了能量天平方案原理可行.此后,中国计量科学研究院开始了新一代能量天平装置的研制.2017年5月,中国计量科学研究院提交了普朗克常数的测量结果,不确定度为2.4×10-7k=1),该数据被国际科学数据委员会收入参考数据库.但由于数据的不确定度尚未进入10-8量级,未被用于普朗克常数的定值.目前中国计量科学研究院正对几项主要的不确定度来源进行研究,预计在未来的两年内达可到10-8量级的不确定度.

超稳光生微波源研究进展
Progresses of ultrastable optical-cavity-based microwave source

姜海峰
物理学报. 2018, 67 (16): 160602      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180751
全文: [PDF 5035 KB] 下载:(111)
摘要
随着科技的进步以及精密测量应用技术的不断提高,超稳微波源的稳定度和噪声水平等技术要求不断提高,应用范围愈加广泛,包括高性能频标研究、网络雷达研制、深空导航系统等方面.基于超稳激光和飞秒光梳的超稳光生微波源是目前频率稳定度最高的微波频率源,相对频率稳定度可达10-16@1 s量级.该装置也是未来频率标准(光频标)推广应用的基础,无论是时间的产生还是绝大多数的精密测量,都需要将光频标的输出激光变换为超稳的基带频率信号后才能够实现.本文介绍了超稳光生微波源技术的发展、现状和应用需求.以国家授时中心研制的国内首套超稳微波频率源技术为主线,介绍了超稳光生微波源的原理和结构以及各组成部分的技术发展情况:超稳激光方面,着重介绍超稳光学腔研究和研制的进展以及Pound-Drever-Hall锁频技术、剩余幅度调制等噪声抑制技术;飞秒光梳方面,着重介绍目前最常用的掺铒光纤光梳系统的激光锁模、频率控制等技术发展;低噪声光电探测方面,着重介绍宽带光电探测噪声抑制技术和激光幅度噪声引起微波相位噪声的抑制技术.最后对光生超稳微波技术进行了总结和展望.

万有引力常数G精确测量实验进展 Hot!
Progress on the precision measurement of the Newtonian gravitational constant G

刘建平, 邬俊飞, 黎卿, 薛超, 毛德凯, 杨山清, 邵成刚, 涂良成, 胡忠坤, 罗俊
物理学报. 2018, 67 (16): 160603      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181381
全文: [PDF 1650 KB] 下载:(222)
摘要
万有引力常数G是人类历史上引入的第一个基本物理学常数,其在理论物理、天体物理和地球物理等许多领域中扮演着重要角色.两百多年来,人们共测量出了200多个G值,但G的测量精度仍然是所有物理学常数中最差的,这一现象反映了测G工作本身的复杂性和困难性.本文简要概述了G值测量的意义和测G的历史,并结合自2010年以来国际上新出现的三个高精度测G实验介绍这一领域的研究进展,以及华中科技大学引力实验中心测G工作的最新动态.

锶原子光晶格钟
Strontium optical lattice clock

林弋戈, 方占军
物理学报. 2018, 67 (16): 160604      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181097
全文: [PDF 1004 KB] 下载:(138)
摘要
进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10-18量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.

6Li原子跃迁频率和超精细分裂的精密测量
Precise measurement of 6Li transition frequencies and hyperfine splitting

武跃龙, 李睿, 芮扬, 姜海峰, 武海斌
物理学报. 2018, 67 (16): 163201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181021
全文: [PDF 477 KB] 下载:(99)
摘要
本文实现了可用于锂原子频率精密测量的冷原子系统,获得了大数目的原子样品;利用西西弗斯冷却和速度选择相干布居俘获实现了6Li的冷原子的灰色黏胶冷却,原子的温度被冷却到多普勒冷却极限以下,达到50 μ K;利用光学频率梳,实验上测量了D1线的跃迁频率和超精细分裂,测量结果和理论计算相接近,可以和目前最精确的测量相比较.这些测量为进一步的轻质量原子频率的精密测量、α常数以及核半径的精确标定打下了基础.

原子喷泉频标:原理与发展
Atomic fountain frequency standard: principle and development

王倩, 魏荣, 王育竹
物理学报. 2018, 67 (16): 163202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180540
全文: [PDF 1111 KB] 下载:(122)
摘要
介绍了喷泉频标的原理与发展.喷泉频标是一项近20年来发展起来的原子钟技术,它以激光冷却技术为基础,利用该技术实现了冷原子介质的俘获与上抛.冷原子介质在上抛下落过程中首先完成原子态制备,然后两次通过微波谐振腔实现Ramsey作用,在两次作用之间原子经历自由演化,最后原子经过探测区,通过双能级荧光探测法探测原子跃迁概率得到鉴频的Ramsey干涉条纹,并实现频率锁定,其中心条纹的线宽在1 Hz左右.频率稳定度和频率不确定度是喷泉频标的两个重要指标.影响喷泉钟频率稳定度的因素主要有量子投影噪声和电子学噪声,目前喷泉钟的短期稳定度为 (10-13–10-14)τ-1/2,长期稳定度在 10-16–10-17量级.喷泉频标的频率不确定度主要受二阶塞曼频移、黑体辐射频移、冷原子碰撞频移以及与微波相关的频移等的影响.目前喷泉钟的不确定度在小的10-16量级.作为基准频标,喷泉钟的工作介质主要是133Cs,87Rb.国际各大计量机构都研制了喷泉频标,它在各地协调世界时的建立、国际原子时的校准等方面发挥着越来越重要的作用.此外,喷泉频标还用于研究高精度时频基准和时间比对链路、验证基本物理理论等.

高准确度的钙离子光频标
40Ca+ optical frequency standards with high accuracy

管桦, 黄垚, 李承斌, 高克林
物理学报. 2018, 67 (16): 164202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180876
全文: [PDF 918 KB] 下载:(119)
摘要
近年来,冷原子技术和激光技术促进了高精度光频标的发展,有望在建立时间基准、推动基础研究和满足国家需求等方面发挥重要的作用.本文介绍了中国科学院武汉物理与数学研究所近年来在高准确度钙离子(40Ca+)光频标研究方面的进展:采用新的ULE腔系统,实现了729 nm钟跃迁激光器1–100 s的频率稳定度均优于2×10-15,通过对外场和环境效应的控制及克服,特别是囚禁离子运动效应的抑制,获得单个钙离子光频标的不确定度优于5.5×10-17;通过两台光频标的比对,测得20000 s的稳定度也进入10-17量级;基于高精度钙离子光频标平台,进行了相关精密测量的工作,包括:基于全球定位系统的超高精度远程光频绝对值测量方案,第二次测量了钙离子的光频跃迁绝对值,该测量结果再次被国际时间频率咨询委员会采纳,更新了钙离子的频率推荐值;精确测量了钙离子的钟跃迁魔幻波长,由此提出新型的全光囚禁离子光频标的方法;精密测量了钙离子的亚稳态寿命等参数.以上工作推动了基于冷原子的精密测量工作.

氦原子2 3S–2 3P精密光谱研究
Precision spectroscopy on the 2 3S-2 3P transition of atomic helium

郑昕, 孙羽, 陈娇娇, 胡水明
物理学报. 2018, 67 (16): 164203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180914
全文: [PDF 1106 KB] 下载:(106)
摘要
氦原子是最基本的多电子原子,其精密谱是十分理想的检验多电子量子电动力学计算的平台,同时也是利用原子能级结构测定精细结构常数α的理想体系,还能获得原子核结构信息.本文结合我们团队的工作,综述基于氦原子的少体原子精密光谱研究.其中,主要包括氦原子2 3PJ精细结构分裂,以及2 3S–2 3P跃迁频率测定等研究,并对相关工作的前景进行了展望.

光和原子关联与量子计量
Quantum metrology with atom and light correlation

冯啸天, 袁春华, 陈丽清, 陈洁菲, 张可烨, 张卫平
物理学报. 2018, 67 (16): 164204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180895
全文: [PDF 1712 KB] 下载:(176)
摘要
物理量的测量与单位标准的统一推动了计量学的发展.量子力学的建立,激光技术的发明以及原子与分子物理学的发展,在原理与技术上进一步刷新了计量学的研究内涵,特别是激光干涉与原子频标技术的发展,引起了计量学革命性的飞跃.基于激光干涉的引力波测量、激光陀螺仪,基于原子干涉的原子钟、原子陀螺仪等精密测量技术相继诞生,一个以量子物理为基础,探索与开拓物理量精密测量方法与技术的新的科学分支——量子计量学(Quantum Metrology)已然兴起.干涉是计量学中最常用的相位测量方法.量子干涉技术,其相位测量精度能够突破标准量子极限的限制,是量子计量学与量子测量技术的核心研究内容.本文重点介绍近几年我们在量子干涉方面所取得的新开拓与新发展,主要内容包括基于原子系综中四波混频过程的SU (1,1)型光量子关联干涉仪和基于原子系综中拉曼散射过程的光-原子混合干涉仪.

基于金刚石氮-空位色心的精密磁测量
High-resolution magnetometry based on nitrogen-vacancy centers in diamond

彭世杰, 刘颖, 马文超, 石发展, 杜江峰
物理学报. 2018, 67 (16): 167601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20181084
全文: [PDF 1144 KB] 下载:(118)
摘要
磁是一种重要的物理现象,对其进行精密测量推动了许多科技领域的发展.各类测磁技术,包括霍尔传感器、超导量子干涉仪、自旋磁共振等,都致力于提升空间分辨率和灵敏度.近年来,金刚石中的氮-空位色心广受关注.这一固态单自旋体系具有许多优点,例如易于初始化和读出、可操控、具有较长相干时间等,这使得它不仅在量子信息、量子计算等领域崭露头角,而且在量子精密测量上显现出巨大的应用前景.基于氮-空位色心,利用动力学解耦、关联谱等技术,已实现若干高灵敏度、高分辨率的微观磁共振实验,其中包括纳米尺度乃至单分子、单自旋的核磁共振和电子顺磁共振.氮-空位色心也可以用于微波和射频信号的精密测量.本文对围绕上述主题开展的一系列研究工作进行综述.
总论

基于绝热捷径快速实现远距离的四维纠缠态的制备
Fast implementation of four-dimensional entangled state in separately coupled cavities via shortcut to adiabatic passage

张春玲, 刘文武
物理学报. 2018, 67 (16): 160302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180315
全文: [PDF 385 KB] 下载:(72)
摘要
作为量子信息处理的载体,量子纠缠态一直以来都是量子信息领域的研究热点.相比于低维纠缠态,高维纠缠态使得量子通信具有更快的传输速度、更强的安全性、更高的噪声容忍阈值等特点.另外,绝热技术因其对实验参数起伏不敏感而被广泛应用于纠缠态的制备,然而绝热过程需要相当长的演化时间,因此绝热捷径应运而生.本文提出了一种采用无跃迁量子驱动构建绝热捷径实现快速制备两个原子的四维纠缠态的理论方案,该系统中的两个原子分别被囚禁在两个由光纤连接的双模腔中.为了获得一个技术上可操作的物理系统,本方案采用能级失谐设计出一个可精确驱动系统沿着某一个系统的瞬时本征态演化的哈密顿.该方案所采用的无跃迁量子驱动构建绝热捷径不仅大大缩短了演化时间,而且在实验上也比较容易实现.本文还数值模拟了消相干因素对四维纠缠态保真度的影响,结果表明,只要脉冲参数选取在一定范围内,光纤耗散、腔场耗散和原子自发辐射等不利因素都会被大大抑制.

表面催化反应模型中关联噪声诱导非平衡相变
Correlated noise induced non-equilibrium phase transition in surface catalytic reaction model

刘瑞芬, 惠治鑫, 熊科诏, 曾春华
物理学报. 2018, 67 (16): 160501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180250
全文: [PDF 460 KB] 下载:(59)
摘要
建立含有关联噪声的双分子-单分子(DM)表面催化反应延迟反馈模型,该模型能同时显示一级和二级非平衡动力学相变,即在一级和二级非平衡动力学相变之间的反应窗口展现.讨论双分子在DM延迟反馈模型中两种吸附机制,即局域和随机吸附模型.研究结果表明:1)外部噪声及两噪声关联性致使反应窗口的宽度收缩;2)内部噪声对非平衡动力学相变行为的影响依赖两噪声关联性,即当两噪声负关联,内部噪声致使反应窗口的宽度变宽;而当两噪声正关联时,内部噪声致使反应窗口的宽度收缩;3)关联噪声致使反应窗口变化对DM模型中一级和二级非平衡动力学相变研究具有重要的科学意义.

基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法
Adaptive stochastic resonance system in terahertz radar signal detection

王珊, 王辅忠
物理学报. 2018, 67 (16): 160502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172367
全文: [PDF 392 KB] 下载:(74)
摘要
太赫兹雷达系统在差频信号频谱分析过程中,干扰噪声影响其测距能力.针对上述问题,提出基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法,通过对含噪差频信号进行二次采样,利用自适应随机共振系统提取信号,进行尺度恢复完成测距计算.实验数据显示,不同测量距离时,相较于快速傅里叶变换法,输出信噪比的平均增益为9.684 dB,其中测量距离为1000 mm处,差频信号初始频谱值提高了64.1倍,系统信噪比增益为11.761 dB;相较于滤波法,在测量距离为1000 mm处信噪比增益最大,提高了70.56%;输入噪声强度为1–5 V之间时,输出信噪比曲线的曲率相对于滤波法降低了86.5%,其中噪声强度为5 V时信噪比增益最大,为14.018 dB.实验表明太赫兹雷达系统的测距能力大幅提高.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

窄线宽脉冲光纤激光的自相位调制预补偿研究
Self-phase modulation pre-compensation of narrowlinewidth pulsed fiber lasers

粟荣涛, 肖虎, 周朴, 王小林, 马阎星, 段磊, 吕品, 许晓军
物理学报. 2018, 67 (16): 164201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180486
全文: [PDF 719 KB] 下载:(61)
摘要
自相位调制(SPM)效应会展宽窄线宽脉冲光纤激光的光谱宽度,降低其相干性.通过相位调制对SPM引起的非线性相移进行预补偿,能够使脉冲激光在光纤中进行放大和传输后保持种子激光的光谱特性.基于三波耦合方程开展数值仿真,研究了在对SPM进行“欠补偿”,“完全补偿”和“过补偿”的情况下,SPM预补偿对受激布里渊散射阈值和激光光谱特性的影响.开展了SPM预补偿实验研究,将脉冲激光的光谱宽度从1.4 GHz压缩到120 MHz.研究内容可以为窄线宽脉冲光纤激光系统的设计搭建提供参考.

孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究
Effect of twining on dynamic behaviors of beryllium materials under impact loading and unloading

潘昊, 王升涛, 吴子辉, 胡晓棉
物理学报. 2018, 67 (16): 164601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180451
全文: [PDF 666 KB] 下载:(53)
摘要
在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.

表面弹性和分离压耦合作用下的垂直液膜排液过程
Coupling effects of surface elasticity and disjoining pressure on film drainage process

叶学民, 李明兰, 张湘珊, 李春曦
物理学报. 2018, 67 (16): 164701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180349
全文: [PDF 793 KB] 下载:(51)
摘要
针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑表面弹性和分离压耦合作用的基础上,采用润滑理论建立了液膜厚度、表面速度和活性剂浓度的演化方程组,通过数值计算分析了表面弹性和分离压单独作用和耦合作用下的液膜演化特征.结果表明:表面弹性与分离压均对垂直液膜排液过程有显著影响.表面弹性单独作用时,液膜初始厚度随弹性增大,黑膜仅在液膜顶部形成,长度较短且不能稳定存在;分离压单独作用时,活性剂随流体不断汇集在底端,液膜表面无法形成表面张力梯度,不发生逆流现象;当二者耦合作用时,可得到较稳定的液膜,排液前期增加表面弹性可提高液膜的厚度、降低表面速度和促使液体逆流,从而减缓排液过程;后期出现黑膜后,分离压中的静电斥力起主要作用,延缓液膜“老化”.
气体、等离子体和放电物理

基于自吸收量化的激光诱导等离子体表征方法
Laser-induced plasma characterization using self-absorption quantification method

赵法刚, 张宇, 张雷, 尹王保, 董磊, 马维光, 肖连团, 贾锁堂
物理学报. 2018, 67 (16): 165201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180374
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摘要
为了表征激光诱导等离子体的定量特征参数,提出了一种谱线自吸收量化的方法,通过获得分析元素谱线的半高全宽来量化谱线自吸收程度,进而得到等离子体的特征参数,包括电子温度、元素含量比以及辐射物质的绝对数密度.与传统激光诱导击穿光谱定量分析方法相比,新方法由于计算过程与谱线强度弱相关,所以分析结果基本不受自吸收效应的影响,同时也无需额外的光谱效率校准.基于铝锂合金的实验结果表明,该方法能够实现精确的相对定量分析和等离子体的特性诊断.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

铁电存储器60Co γ射线及电子总剂量效应研究
Total ionizing dose effect of ferroelectric random access memory under Co-60 gamma rays and electrons

秦丽, 郭红霞, 张凤祁, 盛江坤, 欧阳晓平, 钟向丽, 丁李利, 罗尹虹, 张阳, 琚安安
物理学报. 2018, 67 (16): 166101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180829
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摘要
以型号为FM28 V100的铁电存储器为研究对象,进行了60Co γ射线和2 MeV电子辐照实验.研究了铁电存储器不同工作方式、不同辐射源下的总剂量辐射损伤规律,用J-750测试部分直流参数和交流参数,分析了存储器敏感参数的变化规律.实验结果表明:对动态、静态加电、静态不加电三种工作方式下的结果进行比较.其中静态加电工作方式下产生的陷阱电荷最多,是存储器最恶劣的工作方式;器件的一些电参数随总剂量发生变化,在功能失效之前部分参数已经失效;在静态加电这种最恶劣的工作方式下,得到60Co γ射线比电子造成更加严重的辐照损伤.

H,Cl和F原子钝化Cu2ZnSnS4(112)表面态的第一性原理计算
First-principles study of H, Cl and F passivation for Cu2ZnSnS4(112) surface states

王小卡, 汤富领, 薛红涛, 司凤娟, 祁荣斐, 刘静波
物理学报. 2018, 67 (16): 166401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180626
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摘要
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究了Cu2ZnSnS4体相的晶格结构、能带、态密度及表面重构与H,Cl和F原子在Cu2ZnSnS4(112)表面上的吸附和钝化机理.计算结果表明:表面重构出现在以金属原子Cu-Zn-Sn终止的Cu2ZnSnS4112)表面上,并且表面重构使表面发生自钝化;当单个H,Cl或F原子吸附在S原子终止的Cu2ZnSnS4(112)表面上时,相比于桥位(bridge)、六方密排(hcp)位和面心立方(fcc)位点,三种原子均在特定的顶位(top)吸附位点表现出最佳稳定性.当覆盖度为0.5 ML时,无论H,Cl还是F原子占据Cu2ZnSnS4(112)表面的2个顶位均具有最低的吸附能.以S原子终止的Cu2ZnSnS4(112)表面在费米能级附近的电子态主要由价带顶部Cu-3d轨道和S-3p轨道电子贡献,此即表面态.当H,Cl或F原子在表面的覆盖度达0.5 ML时,费米能级附近的表面态降低,其中H原子钝化表面态的效果最佳,Cl原子的效果次之,F原子的效果最差.表面态降低的主要原因在于吸附原子从S原子获得电子致使表面Cu原子和S原子在费米能级处的态密度峰几乎完全消失.

纳米金刚石的分散、修饰及载药应用研究
Disintegration, functionalization and drug-delivery application of nanodiamond

秦世荣, 赵琪, 程振国, 苏丽霞, 单崇新
物理学报. 2018, 67 (16): 166801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180862
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摘要
纳米金刚石(nanodiamond,ND)作为一种重要的碳纳米材料,具有表面易修饰、比表面积大、生物毒性低以及物理化学稳定性好等特点,使其在生物医学领域具有独特的优势.本文通过对ND进行分散和化学修饰得到了分散性良好的羧基化纳米金刚石(ND-COOH),并通过透射电子显微镜、X-射线衍射、傅里叶变换红外谱仪等手段对其形貌和结构进行了表征分析.ND-COOH在水溶液中水解后呈现出较高的负电位,致使其可以通过静电相互作用吸附带正电的抗癌药物盐酸阿霉素(dox),且对阿霉素的负载量可达325 μg/mg.由于ND-COOH与dox之间通过带负电的羧酸根与带正电的质子化氨基结合,因此在H+浓度较高的酸性溶液中,药物复合体ND-dox呈现出显著的pH值依赖药物释放特性,在pH值为5.0的磷酸盐缓冲液中药物释放率达到85%,而在pH值为7.4的PBS中药物释放率低于40%.此外,ND-COOH和ND-dox的细胞毒性和体外细胞杀伤能力结果表明,ND-COOH在0–150 μg/mL范围内对细胞活性没有明显抑制,而ND装载药物dox后的ND-dox对SGC-7901胃癌细胞活性则表现出显著的抑制作用,表明ND-COOH作为药物载体具有较低的生物毒性,而负载药物后则对肿瘤细胞具有较强的杀伤能力.通过对ND进行简单的分散和表面改性,使ND具备良好的药物装载和独特的pH值依赖药物释放特性,这对于促进纳米金刚石在药物载体方面的应用具有重要的借鉴意义.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

半氢化石墨烯与单层氮化硼复合体系的电子结构和磁性的调控
Tuning the electronic and magnetic property of semihydrogenated graphene and monolayer boron nitride heterostructure

高潭华, 郑福昌, 王晓春
物理学报. 2018, 67 (16): 167101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180538
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摘要
采用密度泛函理论第一性原理的PBE-D2方法,对半氢化石墨烯与单层氮化硼(H-Gra@BN)复合体系的结构稳定性、电子性质和磁性进行了系统的研究.计算了六种可能的堆叠方式,结果表明:H-Gra@BN体系的AB-B构型是最稳定的,为铁磁性半导体,上、下自旋的带隙分别为3.097和1.798 eV;每个物理学原胞具有约1 μB的磁矩,该磁矩主要来源于由未氢化的C2原子的贡献;在z轴方向压应力的作用下,最稳的H-Gra@BN体系的电子性质由磁性半导体转变为半金属,再转变为非磁性金属;预测了一种能方便地通过应力调控电子性质和磁性质的新型材料,有望应用在纳米器件以及智能建筑材料等领域.

对利用动态光散射法测量颗粒粒径和液体黏度的改进
Improvement of dynamic light scattering method for measurement of particle diameter and liquid viscosity

张颖, 郑宇, 何茂刚
物理学报. 2018, 67 (16): 167801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180271
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摘要
光散射技术通过测量悬浮液中布朗运动颗粒的平移扩散系数,得到颗粒流体力学直径或液体黏度.本文由单参数模型入手,建立了低颗粒浓度下,单颗粒平移扩散系数与颗粒集体平移扩散系数和颗粒浓度之间的线性依存关系并将其引入光散射法中,从而对现有的测量方法进行了改进.改进后的测量方法可实现纳米尺度球型颗粒标称直径的测量和液体黏度的绝对法测量.以聚苯乙烯颗粒+水和二氧化硅颗粒+乙醇两个分散系为参考样本,通过实验,验证了改进后方法的可行性.此外,还针对上述两个分散系,实验探讨了温度和颗粒浓度对颗粒集体平移扩散系数的影响规律,发现聚苯乙烯颗粒+水分散系中,颗粒间相互作用表现为引力;二氧化硅颗粒+乙醇分散系中,颗粒间相互作用表现为斥力.讨论了颗粒集体平移扩散系数随颗粒浓度变化规律与第二渗透维里系数的关系.

三氧化钨/氧化银复合材料的水热法合成及其光催化降解性能研究
Photocatalytic activity of tungsten trioxide/silver oxide composite under visible light irradiation for methylene blue degradation

邵梓桥, 毕恒昌, 谢骁, 万能, 孙立涛
物理学报. 2018, 67 (16): 167802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180663
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摘要
染料污染是水污染中最严重的问题之一,吸引了很多科学家的关注.人们尝试了很多方法去解决该问题,如化学氧化法、物理吸附法、光催化降解法和生物降解法等.与其他几种方法相比,光催化法有着低能耗、环保以及高效等优势.三氧化钨是常见的半导体材料,具有独特的光学性能,近年来受到了广泛的研究.本文以钨酸钠和硫脲为前驱体,通过水热法制备了三氧化钨/氧化银(WO3/Ag2O)复合材料,并用光催化降解亚甲基蓝来分析其光催化性能.通过X射线光电子能谱、X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、紫外可见吸收光谱等表征手段对样品的形貌、晶格结构和光催化的性能进行表征.氧化银的带宽为1.2 eV,对可见光很敏感,三氧化钨和氧化银的复合使材料在可见光下的光催化活性显著增强,在可见光下对亚甲基蓝染料的光降解率可以达到98%.实验结果表明,复合材料中的三氧化钨纳米棒为六方相,其平均直径约为200 nm,平均长度约为4 μm.而复合材料中的氧化银纳米颗粒为六方相,附着在氧化钨纳米棒的表面,平均晶粒尺寸为20 nm.氧化银的存在为复合材料提供了更多的反应活性位点.相较于单一组分,复合材料在可见光下的光吸收度更高,这说明三氧化钨和氧化银的复合改变了材料的能带结构.研究发现,三氧化钨和氧化银之间形成的异质结构是其优良光催化性能的来源.此外,三氧化钨和氧化银复合材料还具有良好的催化稳定性和化学稳定性.本文结果表明,可以通过给宽带隙的半导体材料复合一些带隙合适的金属氧化物以提升其光催化活性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

Ib型金刚石大单晶的限形生长
Shape controlled growth for type Ib large diamond crystals

王君卓, 李尚升, 宿太超, 胡美华, 胡强, 吴玉敏, 王健康, 韩飞, 于昆鹏, 高广进, 郭明明, 贾晓鹏, 马红安, 肖宏宇
物理学报. 2018, 67 (16): 168101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180356
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摘要
金刚石的限形生长有利于其后续加工.对于磨料级金刚石限形生长的研究已经比较透彻,但金刚石大单晶的限形生长尚缺乏全面系统的研究.本文以FeNi (64wt%:36wt%)合金为触媒,利用高温高压下的温度梯度法在5.6 GPa时对不同温度下分别沿(100)面和(111)面生长的Ib型金刚石大单晶的晶形进行了研究.研究表明:随着温度的升高,沿(100)晶面生长的金刚石大单晶的晶形分别为板状、塔状直至尖塔状,而沿(111)面生长的金刚石大单晶的晶形则分别为塔状和板状;分析了不同温度下分别沿(100)面和(111)面生长金刚石大单晶不同晶形高径比的变化情况.利用不同压力和温度下的金刚石大单晶合成实验绘制了沿(100)和(111)面生长金刚石大单晶的晶形在V形生长区域内的分布示意图,表明沿(111)面生长的金刚石大单晶V形区温度下限明显比以(100)面生长的高,而沿这两面生长金刚石大单晶的V形区温度上限差别并不明显.对不同生长面V形区温度上下限的差别进行了解释,据此实现了Ib型金刚石大单晶的限形生长.

外力驱动作用下高分子链在表面吸附性质的计算机模拟
Computer simulation of adsorption properties of polymer on surface under external driving force

李洪, 艾倩雯, 汪鹏君, 高和蓓, 崔毅, 罗孟波
物理学报. 2018, 67 (16): 168201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180468
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摘要
采用退火法模拟研究受外力F驱动的高分子链在吸引表面的吸附特性.通过高分子链的平均表面接触数<M>与温度T之间的关系计算临界吸附温度Tc,并发现Tc随着F的增加而减小;进而通过高分子链的均方回转半径分析外力驱动作用对高分子链构象的影响,并从回转半径极小值或者垂直外力方向的yz分量的变化交叉校验临界吸附点Tc.模拟计算了处于吸附状态的高分子链随着外力F的增加是否会发生吸附状态到脱附状态的相变以及发生相变所需施加的外力是否由温度所决定.模拟结果表明:两种不同温度下高分子链的吸附性质和构象性质受外力驱动作用而产生不同现象,在温度区间Tc* < T < Tc时会发生脱附现象,而在T < Tc*时不会发生脱附现象.

Si3N4钝化层对横向PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响机理
Impact of nitride passivation layer on ionizing irradiation damage on LPNP bipolar transistors

杨剑群, 董磊, 刘超铭, 李兴冀, 徐鹏飞
物理学报. 2018, 67 (16): 168501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20172215
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摘要
航天器中电子器件在轨服役期间,会遭受到空间带电粒子及各种射线的辐射环境的显著影响,易于造成电离辐射损伤.本文采用60Co γ射线辐照源,针对有/无Si3N4钝化层结构的横向PNP型(LPNP)双极晶体管,开展了电离辐射损伤效应及机理研究.利用KEITHLEY 4200-SCS半导体参数测试仪测试了LPNP晶体管电性能参数(包括Gummel特性曲线和电流增益等).采用深能级瞬态谱分析仪(DLTS),对辐照前后有/无Si3N4钝化层结构的LPNP晶体管的电离缺陷进行测试.研究结果表明,在相同吸收剂量条件下,与无Si3N4钝化层的晶体管相比,具有Si3N4钝化层的LPNP晶体管基极电流退化程度大,并且随吸收剂量的增加,电流增益退化更为显著.通过DLTS分析表明,与无Si3N4钝化层的晶体管相比,有Si3N4钝化层的晶体管辐射诱导的界面态能级位置更接近于禁带中心.这是由于制备Si3N4钝化层时引入了大量的氢所导致,而氢的存在会促使辐射诱导的界面态能级位置更接近于禁带中心,复合率增大,从而加剧了晶体管性能的退化.
地球物理学、天文学和天体物理学

雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用
Feedback effect of electric field force on electrification and charge structure in thunderstorm

孙凌, 郄秀书, Edward R. Mansell, 陈志雄, 徐燕, 蒋如斌, 孙竹玲
物理学报. 2018, 67 (16): 169201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.67.20180505
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摘要
利用美国国家强风暴实验室(NSSL)发展的耦合了详细起电机制和放电过程的中尺度电耦合数值模式WRF (weather research forecasting)-Elec,在NSSL云微物理双参数化方案中增加了电场力对霰、雹粒子降落末速度的影响,完善了WRF-Elec模式的物理过程,建立了双向耦合WRF-Elec模式.利用改进后的WRF-Elec模式,通过敏感性数值实验,定量分析了雷暴云内电场力对起电和电荷结构的反馈作用.结果发现:雷暴云发展旺盛阶段,由于电场力作用,霰、雹粒子质量加权平均降落末速度的瞬时变化极值可以超过4 m/s,但这种情况仅出现在雷暴云内局部区域,并且维持时间较短;电场力对直径小且数浓度较低的霰和雹粒子影响较大,但这种影响不是由单一物理量决定,而是由电场强度和霰、雹粒子的电荷密度、极性以及粒子的直径与数浓度共同决定;电场力通过对霰、雹粒子降落末速度的调整,增强了雷暴云内感应、非感应起电率,且前者远大于后者,云内局部产生-0.6–1.2 nC/m3总电荷密度的变化,从而使电荷结构重新分布,局部垂直电场强度增强5 kV/m,总闪电数增加,与此同时,雷暴云内降水粒子的微观增长过程也发生改变.总体上,电场力对雷暴云起电过程的作用为正反馈,电场力对雷暴云电荷结构的反馈作用不可忽略.

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