物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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基于高折射率液体填充的花瓣形微结构光纤可调滤模特性
戴震飞, 姜文帆, 王玲, 陈明阳, 高永锋, 任乃飞
物理学报. 2019, 68 (8): 084206
基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统设计
刘飞, 魏雅喆, 韩平丽, 刘佳维, 邵晓鹏
物理学报. 2019, 68 (8): 084201
一维准周期晶格中玻色子对的迁移率边
徐志浩, 皇甫宏丽, 张云波
物理学报. 2019, 68 (8): 087201
物理学报  
   物理学报--2019, 68 (8)   发布日期: 2019-04-20
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综述

太赫兹液晶材料与器件研究进展
Research progress of terahertz liquid crystal materials and devices

王磊, 肖芮文, 葛士军, 沈志雄, 吕鹏, 胡伟, 陆延青
物理学报. 2019, 68 (8): 084205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182275
全文: [PDF 1525 KB] 下载:(287)
摘要

液晶是一种性能优异的可调控光电功能材料,基于液晶的太赫兹器件有着广泛的应用前景,但高性能太赫兹功能器件的研发仍处于初级阶段. 本文综述了太赫兹领域液晶材料与器件的研究现状,探讨了液晶技术与太赫兹技术相结合的发展趋势.

硅纳米结构晶体管中与杂质量子点相关的量子输运
Quantum transport relating to impurity quantum dots in silicon nanostructure transistor

吴歆宇, 韩伟华, 杨富华
物理学报. 2019, 68 (8): 087301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20190095
全文: [PDF 2624 KB] 下载:(125)
摘要

在小于10 nm的沟道空间中,杂质数目和杂质波动范围变得十分有限,这对器件性能有很大的影响. 局域纳米空间中的电离杂质还能够展现出量子点特性,为电荷输运提供两个分立的杂质能级. 利用杂质原子作为量子输运构件的硅纳米结构晶体管有望成为未来量子计算电路的基本组成器件. 本文结合安德森定域化理论和Hubbard带模型对单个、分立和耦合杂质原子系统中的量子输运特性进行了综述,系统介绍了提升杂质原子晶体管工作温度的方法.

总论

中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量
Experimental result of back-streaming white neutron beam characterization at Chinese spallation neutron source

鲍杰, 陈永浩, 张显鹏, 栾广源, 任杰, 王琦, 阮锡超, 张凯, 安琪, 白怀勇, 曹平, 陈琪萍, 程品晶, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 顾旻皓, 郭凤琴, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 何越峰, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱路, 吉旭阳, 江浩雨, 蒋伟, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 兰长林, 李波, 李论, 李强, 李晓, 李阳, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 马应林, 宁常军, 聂阳波, 齐斌斌, 宋朝晖, 孙虹, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 王鹏程, 王涛峰, 王艳凤, 王朝辉, 王征, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 杨毅, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张旌, 张林浩, 张利英, 张清民, 张奇伟, 张玉亮, 张志永, 赵映潭, 周良, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏
物理学报. 2019, 68 (8): 080101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182191
全文: [PDF 1230 KB] 下载:(155)
摘要

中国散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建设完工,随后进行了试运行. 其中的反角白光中子束线(Back-n)可用于中子核数据测量、中子物理研究和核技术应用等多方面的实验. 本文报道对该中子束的品质参数测量实验过程以及最终实验结果. 实验主要采用中子飞行时间法,利用235U,238U裂变室和6Li-Si探测器测量了中子能谱和中子注量率,又利用闪烁体-互补金属氧化物半导体探测系统测量了中子束斑的剖面,得到了该束线的初步实验测量结果. 其中白光中子的全能谱测量范围eV—100 MeV,给出了不确定度分析;给出了中子注量率两个实验厅位置的满功率值;给出了白光中子在直径60 mm情况下的全能区束斑. 通过与模拟结果的比较探讨了以上结果的合理性,并提出了改进计划. 这些实验结果为以后该束线的核数据测量和探测器标定实验奠定了基础.

SF6分子最高占据轨道对称性的判断
Determination of the symmetry of the highest occupied molecular orbitals of SF6

武瑞琪, 郭迎春, 王兵兵
物理学报. 2019, 68 (8): 080201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182231
全文: [PDF 1225 KB] 下载:(73)
摘要

量化计算是理论研究分子的重要手段,对于具有高对称群的分子,采用子群计算是常用的方法. 分子的电子态或分子轨道等的对称性在子群的表示中会出现重迭,从而不能从子群的结果直接给出电子态或分子轨道对称性的归属. 本文以如何判断\$ \rm {SF}_6 $\基态\$ ^1\rm A_{1\rm g} $\的电子组态中最高占据轨道的对称性为例来解决这个问题. 针对某些文献中的\$ \rm {SF}_6 $\基态\$ ^1\rm A_{1\rm g} $\的电子组态中,最高占据轨道对称性是\$ T_{1g} $\却写成\$ T_{2g} $\的问题,采用Molpro量化计算软件,对\$ \rm {SF}_6 $\基态的平衡结构,进行了HF/6-311G*计算,得到了能量三重简并的最高占据轨道的函数表达式,进而运用\$ O_h $\群的对称操作作用在三个轨道函数上,得到各操作的矩阵表示,于是得到特征标,最后确定了最高占据轨道为\$ T_{1g} $\对称性.

线性塞曼劈裂对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中亮孤子动力学的影响
Effects of linear Zeeman splitting on the dynamics of bright solitons in spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates

文林, 梁毅, 周晶, 余鹏, 夏雷, 牛连斌, 张晓斐
物理学报. 2019, 68 (8): 080301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182013
全文: [PDF 1054 KB] 下载:(71)
摘要

利用变分近似及基于Gross-Pitaevskii方程的直接数值模拟方法,研究了自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中线性塞曼劈裂对亮孤子动力学的影响,发现线性塞曼劈裂将导致体系具有两个携带有限动量的静态孤子,以及它们在微扰下存在一个零能的Goldstone激发模和一个频率与线性塞曼劈裂有关的谐振激发模. 同时给出了描述孤子运动的质心坐标表达式,发现线性塞曼劈裂明显影响孤子的运动速度和振荡周期.

基于强耦合Duffing振子的微弱脉冲信号检测与参数估计
Detection and parameter estimation of weak pulse signal based on strongly coupled Duffing oscillators

曹保锋, 李鹏, 李小强, 张雪芹, 宁王师, 梁睿, 李欣, 胡淼, 郑毅
物理学报. 2019, 68 (8): 080501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181856
全文: [PDF 2809 KB] 下载:(109)
摘要

耦合Duffing振子在检测强噪声中的微弱脉冲信号时具有可检测信噪比低等优点,但目前检测模型还存在系统性能与初始状态有关、只能工作在倍周期分岔状态等缺陷. 为此本文构建了一种能克服上述缺点的新的微弱脉冲信号检测模型,通过对两个Duffing振子同时施加较大的恢复力和阻尼力耦合,可使振子间产生广义的“阱内失同步”现象,基于这种现象可实现微弱脉冲信号的检测与恢复. 以信噪比改善和波形相似度为衡量指标,研究了周期策动力幅值与周期、耦合系数、计算步长、阻尼系数等参量对模型信号检测与波形恢复效果的影响. 对方波、双指数脉冲和高斯导数脉冲进行检测和恢复的实验结果表明,本文所构建的模型能够在较低信噪比条件下有效地检测并恢复出高斯白噪声背景中的微弱脉冲信号,进而改善了现有的Duffing振子对非周期脉冲信号的检测能力并扩展了其应用领域.

核物理学

大质量样品厚度对中子活化定量分析的影响和修正
Influence of mass sample thickness on quantitative analysis of neutron activation and its modification

孙远明, 许旭, 唐婉月, 常艺, 陆景彬, 赵龙, 刘玉敏
物理学报. 2019, 68 (8): 082801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182069
全文: [PDF 829 KB] 下载:(37)
摘要

滑石粉的主要化学成分是Mg3[Si4010](OH)2,通过检测面粉中24Mg和28Si原子核的含量,可以计算出面粉中滑石粉的含量. 利用中子活化分析方法测量面粉中24Mg和28Si原子核的含量问题时,被测样品内部中子通量和能量随厚度的变化以及γ射线自吸收效应会对测量结果有较大的影响. 利用MCNP5 (Monte Carlo N-particle transport code system 5)模拟了中子通量和能量与样品厚度变化的关系,并利用氦3正比计数管测量样品不同厚度处中子通量,结果显示MCNP5模拟结果与实验测量结果基本相符. 通过MCNP5模拟和碘化钠探测器测量,研究了γ射线自吸收效应与样品厚度的关系,确定了6.6 cm的样品厚度为最佳实验条件,根据模拟结果给出了特征γ射线计数与样品厚度的关系式,并与实验进行对比,结果符合得较好.

原子和分子物理学

O++H2 → OH++H反应的动力学研究
Dynamics studies of O+ + H2→ OH+ + H reaction

袁美玲, 李文涛
物理学报. 2019, 68 (8): 083401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182141
全文: [PDF 930 KB] 下载:(86)
摘要

采用含时量子波包方法结合二阶分裂算符传播子对初始态为(v = 0,j = 0)的O+ + H2 → OH+ + H反应体系在0.01—1.00 eV的碰撞能范围内进行了态分辨理论水平上的动力学计算. 对反应概率、积分截面、微分截面以及固定初始态的热速率常数等动力学信息进行了计算并与文献报道的实验和理论结果进行了比较. 结果表明本文的理论结果与实验结果十分符合. 从微分截面的散射信息可知,在低碰撞能范围内,插入反应机制在反应中占据主导地位. 随着碰撞能的增加,反应机制逐渐由插入机制变为抽取反应机制.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

W波段分布作用速调管的设计和实验研究
Design and experimental analysis of W-band extended interaction klystron amplifier

曾造金, 胡林林, 马乔生, 蒋艺, 陈洪斌
物理学报. 2019, 68 (8): 084101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182194
全文: [PDF 1114 KB] 下载:(68)
摘要

基于运动学理论、感应电流定理和电荷守恒定律,分析了分布作用谐振腔的渡越时间效应,推导了各个谐振腔工作于\${\text{π}}$\模的电子注与微波之间的能量转换系数、电子负载电导和电子负载电纳,计算结果显示采用分布作用谐振腔有利于提高速调管的工作效率. 利用三维电磁仿真软件,设计了一款工作于W波段的分布作用速调管. 完成了速调管的加工和封接,搭建了测试平台,开展了相关实验研究. 实验结果显示,当电子注电压20.8 kV,电流0.3 A,输入功率30 mW时,在中心频率95.37 GHz处,得到了175 W峰值脉冲输出功率,电子效率2.8%,增益34.6 dB,3 dB带宽大于90 MHz.

基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统设计 Hot!
Design of monocentric wide field-of-view and high-resolution computational imaging system

刘飞, 魏雅喆, 韩平丽, 刘佳维, 邵晓鹏
物理学报. 2019, 68 (8): 084201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182229
全文: [PDF 1206 KB] 下载:(90)
摘要

针对实时广域高分辨率成像需求,充分利用具有对称结构的多层共心球透镜视场大且各轴外视场成像效果一致性好的特点,设计基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统. 该系统基于计算成像原理,通过构建像差优化函数获得光学系统设计参数,结合球形分布的次级相机阵列进行全局性优化,提高系统性能的同时有效简化光学设计过程、降低系统设计难度. 系统稳定性测试结果表明,该成像系统的MTF (modulation transmission function)值在截止频率处接近衍射极限,弥散斑均方根恒小于探测器像元尺寸,整机实景实时成像效果良好,无视觉可见畸变. 该系统不仅有效解决了传统成像中广域和高分辨率成像矛盾的问题,而且为计算光学成像系统设计奠定了一定研究基础.

基于Q-plate的双图像非对称偏振加密
Q-plate based dual image asymmetric polarization encryption

绪其军, 李德林, 常琛亮, 袁操今, 冯少彤, 聂守平
物理学报. 2019, 68 (8): 084202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181902
全文: [PDF 3482 KB] 下载:(69)
摘要

基于Q-plate提出了一种对两幅图像做非对称偏振加密的新方法. 在该方法中,首先,将待加密的两幅图像通过干涉分解成两块纯相位板;其次,将这两块纯相位板分别编码到偏振光的两个正交分量中;最后,利用Q-plate和像素化的偏振片改变这束光的偏振分布,达到对图像的加密效果,用电荷耦合器件接收输出面的强度分布图作为最终的密文. 其中一块纯相位板作为解密密钥. 算法的解密密钥不同于加密密钥,由此实现了非对称加密. 由于Q-plate是电调控的,它的每个像素点的光轴各不相同,所以能够根据描述变面结构空间旋转率的常数q来改变每个像素的偏振态. 加密过程中用Q-plate的q值和像素化的偏振片的偏振角度作为加密密钥,这两个加密密钥具有很高的敏感性,极大地提高了算法的安全性. 数值模拟结果验证了该方法的可行性和有效性.

里德伯电磁感应透明中的相位
Phase in Rydberg electromagnetically induced transparency

严冬, 王彬彬, 白文杰, 刘兵, 杜秀国, 任春年
物理学报. 2019, 68 (8): 084203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181938
全文: [PDF 965 KB] 下载:(70)
摘要

本文在典型的里德伯电磁感应透明系统中研究弱探测场在相互作用原子系统中的传播特性,重点关注基于偶极阻塞效应的探测场相位的合作光学非线性行为. 通过与探测场透射率和光子关联作对比,发现相位的光学响应具有新特性:共振和Autler-Townes劈裂条件下相位对入射场强和初始光子关联不敏感,而在两者之间的频率范围内相位响应具有非线性特征,尤其在经典光频率处最显著. 此外,提高主量子数和原子密度都会促进相位的非线性效应. 综上,与探测场透射率和光子关联一样,相位可以作为合作光学非线性的另一个标识来刻画非线性现象,对里德伯电磁感应透明研究是一个有力的补充.

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量
Measurement of middle infrared spectroscopic parameters of carbon disulfide based on tunable diode laser absorption spectroscopy

管林强, 邓昊, 姚路, 聂伟, 许振宇, 李想, 臧益鹏, 胡迈, 范雪丽, 杨晨光, 阚瑞峰
物理学报. 2019, 68 (8): 084204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182140
全文: [PDF 1300 KB] 下载:(59)
摘要

采用\$4.6\;{\text{μ}}{\rm{m}}$\附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm-1的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数. 经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义. 未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA 数据库光谱参数的空白.

基于高折射率液体填充的花瓣形微结构光纤可调滤模特性 Hot!
Tunable mode-selective characteristics of a mode-filter petal-fiber with liquid rods

戴震飞, 姜文帆, 王玲, 陈明阳, 高永锋, 任乃飞
物理学报. 2019, 68 (8): 084206      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181890
全文: [PDF 1394 KB] 下载:(113)
摘要

提出一种新型的可调滤模光纤结构,利用纤芯模式与微结构包层形成的超模群之间的耦合实现选择性滤模,采用花瓣形包层结构使包层中传输的模式更容易产生高的泄漏损耗;提出以液体填充包层介质柱,使包层形成的超模群有效折射率区间可以通过环境温度来调节,从而达到可调选择性滤模目的. 利用液体柱的LP11模所形成的超模群,有效增大了其工作带宽和温度调谐范围. 数值模拟结果表明,采用长度仅为71.4 mm的滤模光纤,可以使特定的抑制模式损耗达到20 dB以上,而其他模式损耗均在1 dB以下. 提出的光纤可以在少模光纤传输系统中作为滤模器使用,以降低模式转换器、复用器/解复用器以及光开关和光路由等的模式串扰.

惯性约束聚变装置中靶面光场特性的统计表征方法
Method of statistically characterizing target plane light field properties in inertial confinement fusion device

杨钧兰, 钟哲强, 翁小凤, 张彬
物理学报. 2019, 68 (8): 084207      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182091
全文: [PDF 1082 KB] 下载:(53)
摘要

在激光驱动的惯性约束聚变装置中,常采用多种束匀滑手段对焦斑的时空特性进行调控. 光传输链路中涉及的光学元件众多、传输变换复杂,往往导致光传输模型复杂,且在运用衍射光学方法分析焦斑形态和特征时面临大量的数据处理和计算,致使出现计算量大、计算效率低等问题,亟需寻求快速而简便的新方法来描述焦斑的统计特征. 本文利用光场特性的统计表征方法对靶面光场进行表征,采用圆型复数高斯随机变量直接描述靶面光场的统计特征,并基于典型焦斑评价参数对衍射光学方法和统计表征方法得到的远场焦斑进行了对比和分析. 结果表明,采用衍射光学方法和统计表征方法获得的焦斑的瞬时特征基本一致,其时间积分的远场焦斑有所不同,但仍可进一步采用相关系数来表征其远场焦斑的时间变化特征.

无限流体中孔隙介质圆柱周向导波的传播特性
Guided circumferential wave propagation characteristics for porous cylinder immersed in infinite fluid

苏娜娜, 韩庆邦, 蒋謇
物理学报. 2019, 68 (8): 084301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182300
全文: [PDF 1035 KB] 下载:(49)
摘要

为研究无限大流体约束的孔隙圆柱中周向导波的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,建立了无限流体中孔隙介质圆柱的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立了周向导波频散方程,通过数值模拟计算得到无限流体中孔隙介质圆柱的频散曲线,探讨了圆柱半径和孔隙参数对导波传播特性的影响,并对导波的衰减特性进行了分析;通过数值计算,得到了周向导波的时域波形,讨论了孔隙参数对波形的影响. 结果表明,孔隙介质圆柱半径的改变影响圆柱尺度,孔隙度的改变影响孔隙介质中体声波的波速,都对周向导波频散曲线产生一定的影响,所得到的频散曲线特征及衰减曲线与时域波形吻合. 研究结果对开展无限流体中孔隙介质圆柱的超声无损评价提供了一定的理论参考.

Helmholtz腔与弹性振子耦合结构带隙
Band gap of structure coupling Helmholtz resonator with elastic oscillator

陈鑫, 姚宏, 赵静波, 张帅, 贺子厚, 蒋娟娜
物理学报. 2019, 68 (8): 084302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182102
全文: [PDF 776 KB] 下载:(54)
摘要

为提高Helmholtz型声子晶体低频隔声性能,设计了一种Helmholtz腔与弹性振子的耦合结构,通过声压场及固体振型对其带隙产生机理进行了详细分析,建立了相应的弹簧-振子系统等效模型,并采用理论计算和有限元计算两种方法研究了各结构参数对其带隙的影响情况. 研究表明,该结构可等效为双自由度系统振动,在低频范围内具有两个带隙;在6 cm的尺寸下,其第一带隙下限可低至24.5 Hz,而同尺寸无弹性振子结构只能达到42.1 Hz,带隙下限降低了40%,较传统Helmholtz结构具有更为优良的低频隔声特性. 另外,在框体尺寸一定的情况下,降低结构间距、增大开口空气通道长度及振子质量、增大左侧腔体体积等方式,是增大带隙宽度、提高低频隔声效果的主要手段.

基于双高斯衰减模型的超声回波处理方法
Ultrasonic echo processing method based on dual-Gaussian attenuation model

王大为, 王召巴, 陈友兴, 李海洋, 王浩坤
物理学报. 2019, 68 (8): 084303      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182080
全文: [PDF 813 KB] 下载:(65)
摘要

信号降噪与特征提取是超声检测数据处理的关键技术. 基于超声信号有特定结构而噪声和超声信号的结构无关,本文提出一种旨在解决强噪声背景下超声回波的参数估计和降噪问题的方法. 该方法将超声回波的参数估计和降噪问题转换为函数优化问题,首先根据工程经验建立超声信号的双高斯衰减数学模型,然后根据观测回波和建立的超声信号模型确定目标函数,接着选择人工蜂群算法对目标函数进行优化从而得到参数的最优估计值,最后由估计出的参数根据建立的超声信号数学模型重构出无噪的超声估计信号. 通过仿真和实验表明本文方法可以准确估计出信噪比大于-10 dB的含噪超声回波中的无噪信号,且效果优于基于自适应阈值的小波降噪方法和经验模态分解方法;此外相比常用的指数模型和高斯模型,本文提出的双高斯衰减超声信号模型与实测超声信号更接近,其均方误差为9.4×10-5,波形相似系数为0.98.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

烧结β型Ti-Nb合金中由间隙原子引起的Snoek弛豫
Snoek-type relaxation caused by interstitial atoms in sintered β-type Ti-Nb alloy

周正存, 杜洁, 朱晓斌, 严勇健, 王幸福
物理学报. 2019, 68 (8): 086201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182120
全文: [PDF 959 KB] 下载:(47)
摘要

用粉末冶金方法制备了不同Nb含量的Ti-Nb合金. 用美国TA仪器公司的动力学分析仪Q800以单臂振动模式研究了不同Nb含量和不同热处理以及不同测量参数下的Ti-Nb合金的内耗行为,用X-射线衍射检测了不同样品的微观结构. 实验表明,在水淬的和烧结态的Ti-Nb合金的内耗-温度曲线上均发现了弛豫型的内耗峰,这个内耗峰的高度与Nb含量有关,在低Nb含量的Ti-Nb合金样品中不出现,水淬样品内耗峰的最大值出现在Ti-35.4 wt.%Nb (以下称Ti-35.4Nb)的合金中,烧结态样品的内耗峰高度在实验成分范围内单调地随Nb含量而增加. 水淬的Ti-35.4Nb合金的弛豫参数分别是激活能Hwq = (1.67 ±0.1) eV和指数前因子τ0wq = 1.1×10-17 ±1 s. 另外,内耗峰的高度也与热处理有关,水淬的Ti-35.4Nb合金比具有相同成分的烧结态的合金的内耗峰高得多,淬火温度对内耗峰高度也有影响. 研究发现,这个内耗峰与Ti-Nb合金中的β相有关,峰高取决于β相的稳定性及其含量,当β相的稳定性降低以及β相的量增加时,峰高增加. 水淬Ti-35.4Nb合金中的β相是亚稳状态的β相(βM),时效时βM能转变成稳定的α相和稳定β相(βS),烧结态合金中的β相是βS. 不同热处理状态下Ti-35.4Nb合金样品的微观结构的不同导致了内耗峰高度的差别. 从微观结构分析,在淬火的合金中,峰高最大值出现在35 wt.% Nb含量附近的现象是由β相的稳定性和βM相的量随Nb含量变化引起的. 在烧结态的Ti-Nb合金中,峰高单调地随Nb含量的增加而增加的情况是由βS的量决定的. 在循环应力作用下,βMβS相晶格点阵中氧原子的跳动和氧原子与替代原子的相互作用是产生内耗峰的根源.

Ce-La-Th合金高压相变的第一性原理计算
First-principles calculations of high pressure phase transition of Ce-La-Th alloy

王艳, 曹仟慧, 胡翠娥, 曾召益
物理学报. 2019, 68 (8): 086401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182128
全文: [PDF 850 KB] 下载:(97)
摘要

采用第一性原理计算对Ce0.8La0.1Th0.1在高压下fcc-bct的结构相变、弹性性质及热力学性质进行了研究讨论. 通过对计算结果的分析,发现了合金在压力下的相变规律,压强升高到31.6 GPa附近时fcc相开始向bct相转变,到34.9 GPa时bct相趋于稳定. 对弹性模量的计算结果从另一角度反映了结构相变的信息. 最后,利用准谐德拜模型对两种结构的高温高压热力学性质进行了理论预测.

表面低配位原子对声子的散射机制
Mechanism of phonon scattering by under-coordinated atoms on surface

霍龙桦, 谢国锋
物理学报. 2019, 68 (8): 086501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20190194
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摘要

由于纳米结构具有极高的表体比,声子-表面散射机制对声子的热输运性质起到关键作用. 提出了表面低配位原子对声子的散射机制,并且结合量子微扰理论与键序理论推导出该机制的散射率. 由于散射率正比于材料的表体比,这种散射机制对声子输运的重要性随着纳米结构尺寸的减小而增大. 散射率正比于声子频率的4次方,所以这种散射机制对高频声子的作用远远强于对低频声子的作用. 基于声子玻尔兹曼输运方程,计算了硅纳米薄膜和硅纳米线的热导率,发现本文模型比传统的声子-边界散射模型更接近实验值. 此发现不仅有助于理解声子-表面散射的物理机制,也有助于应用声子表面工程调控纳米结构的热输运性质.

石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟
Molecular dynamics simulation of characteristic water molecular arrangement on graphene surface and wetting transparency of graphene

史超, 林晨森, 陈硕, 朱军
物理学报. 2019, 68 (8): 086801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182307
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摘要

石墨烯因其独特的分子构型、卓越的物理化学性能而受到广泛关注. 本文首先利用分子动力学模拟比较了单层石墨烯、铜、二氧化硅三者表面的浸润性,除了接触角的比较,还分析了基底表面的水分子排布,得到石墨烯表面的特征水分子排布为:表面有两层密集的水分子层,其中靠近基底的密集水分子层中O—H键与 垂直基底方向夹角集中在90°附近,并且基底表面的氢键几乎都垂直于基底. 另一方面,本文研究了石墨烯浸润透明特性,发现在铜和二氧化硅上添加一层石墨烯,对铜的浸润性影响较小,对二氧化硅的浸润性影响很大,不仅使其上接触角显著增大,还使得基底表面的水分子排布呈现出类似单层石墨烯上的规律. 本文使用分子动力学模拟方法从微观尺度验证了文献的实验结果,从基底表面水分子排布角度分析了石墨烯独特的浸润透明特性,为进一步开发石墨烯在微结构设计上的应用提供了理论指导.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

内在缺陷与Cu掺杂共存对ZnO电磁光学性质影响的第一性原理研究
Effect of intrinsic defects and copper impurities co-existing on electromagnetic optical properties of ZnO: First principles study

张梅玲, 陈玉红, 张材荣, 李公平
物理学报. 2019, 68 (8): 087101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182238
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摘要

采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了Cu掺杂ZnO (简称CuZn)与内在缺陷共存对ZnO电磁光性质的影响. 结果表明,Cu是以替位受主的形式掺入的;制备条件对CuZn及内在缺陷的形成起至关重要的作用,富氧条件下Cu掺杂有利于内在缺陷的形成,且CuZn-Oi最易形成;相反在缺氧条件下,Cu掺杂不利于内在缺陷的形成. 替位Cu的3d电子在价带顶形成未占据受主能级,产生p导电类型. 与CuZn体系相比,CuZn-VO体系中载流子浓度降低,导电性变差;CuZn-VZn体系中载流子浓度几乎不变,对导电性没影响;CuZn-Oi体系中载流子浓度升高,导电性增强. 纯ZnO体系无磁性;而Cu掺杂ZnO体系,与Cu原子相连的O原子,电负性越小,键长越短,对磁矩贡献越大;CuZn与CuZn-Oi体系中的磁矩主要是Cu的3d电子与Z轴上O的2p电子耦合产生的;CuZn中存在空位缺陷(VO,VZn)时,磁矩主要是Cu 3d电子与XY平面内O的2p电子强烈耦合所致;CuZn中存在VZn时,磁性还包含VZn周围O(5,6)号原子2p轨道自旋极化的贡献;所有体系中Zn原子自旋对称,不产生磁性. CuZn-VZn和CuZn-Oi缺陷能态中,深能级中产生的诱导态是O-O 2s电子相互作用产生的. CuZn模型的光学带隙减小,导致吸收边红移;CuZn-VZn模型中吸收和反射都增强,使得透射率降低.

一维准周期晶格中玻色子对的迁移率边 Hot!
Mobility edges of bosonic pairs in one-dimensional quasi-periodical lattices

徐志浩, 皇甫宏丽, 张云波
物理学报. 2019, 68 (8): 087201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182218
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摘要

研究了一维非公度的准周期晶格中的玻色子对的迁移率边. 通过微扰方法,解析推导出强相互作用极限下准周期晶格中玻色子对迁移率边的解析表达式,通过数值证明在系统参数b较小时,迁移率边的解析结果符合得较好,而当b→1时,解析结果将发生偏离.

柔性Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜的高温铁电特性
Ferroelectricity of flexible Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 thin film at high temperature

李敏, 时鑫娜, 张泽霖, 吉彦达, 樊济宇, 杨浩
物理学报. 2019, 68 (8): 087302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181967
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摘要

随着柔性电子产品的迅速发展,具有优异铁电和压电性的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 (PZT)薄膜在柔性的非易失性存储器、传感器和制动器等器件中有广泛的应用前景. 同时,由于外部环境越来越复杂,具有高温稳定特性的材料和器件受到越来越多的关注. 本文在耐高温的二维层状氟晶云母衬底上,用脉冲激光沉积技术制备出外延的PZT薄膜,并通过机械剥离的方法,得到柔性的外延PZT薄膜. 研究了Pt/PZT/SRO异质结的铁电和压电性及其高温特性,发现样品表现出优越的铁电性,剩余极化强度(Pr)高达65 \\small${\text{μ}} {\rm{C/c}}{{\rm{m}}^{\rm{2}}}$\,在弯曲104次后其铁电性基本保持不变,且样品在275 ℃高温时仍然保持良好的铁电性. 本文为柔性PZT薄膜在航空航天器件中的应用提供了实验基础.

钛酸钡的光学性质及其体积效应
Optical properties of BaTiO3 and its volume effects

孙智征, 荀威, 张加永, 刘传洋, 仲嘉霖, 吴银忠
物理学报. 2019, 68 (8): 087801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182087
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摘要

钛酸钡(BaTiO3,BTO)是铁电物理学和材料学领域具有代表性的研究对象. 本文基于准粒子相互作用的GW方法研究BTO材料的光学性质,并研究了等应变情况下的体积效应. 第一性计算结果表明,考虑了激子效应的GW (格林函数(G)-库仑势(W))方法得到的激发态性质更接近实验结果. 引入等应变调控,发现体积膨胀会导致光学吸收峰红移,体积压缩则光学吸收峰蓝移. 同时,探究了体积变化对BTO块材的自发极化和电子结构的影响,发现体积膨胀会使钛原子的d轨道和氧原子的p轨道杂化更显著,进一步导致材料自发极化的增大,而体积压缩对自发极化和dp杂化的影响正好相反. 通过比较研究,还发现等应变的体积效应对极化的影响不如等应力体积效应明显.

超薄柔性透射型超构材料吸收器
Ultrathin flexible transmission metamaterial absorber

杨鹏, 秦晋, 徐进, 韩天成
物理学报. 2019, 68 (8): 087802      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182225
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摘要

设计并加工了一种超薄柔性透射型吸收器,总体厚度为0.288 mm,可实现柔性弯曲,容易做到与曲面目标共形. 该吸收器由三层结构组成,底层是金属光栅,中间为介质层,表面单元由两条平行放置的尺寸不同的金属线组成. 仿真和实验结果表明,对横电波在5和7 GHz的吸收分别达到97.5%和96.0%,对横磁波在3.0―6.5 GHz都能保持90%以上的透射率. 两个吸收频点可分别独立调节,增加了设计的灵活性. 另外,当入射角增大到60° 时,该吸收器的性能基本不受影响,表现出良好的广角特性.

GaAs纳米线晶体结构及光学特性
Crystal structure and optical properties of GaAs nanowires

王鹏华, 唐吉龙, 亢玉彬, 方铉, 房丹, 王登魁, 林逢源, 王晓华, 魏志鹏
物理学报. 2019, 68 (8): 087803      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182116
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摘要

采用分子束外延技术在N-型Si (111)衬底上利用自催化生长机制外延砷化镓(GaAs)纳米线,对生长的纳米线进行扫描电子显微镜测试,纳米线垂直度高,长度直径均匀度好. 对纳米线进行光致发光(photoluminescence,PL)光谱测试,发现低温10 K下两个发光峰P1和P2分别位于1.493 eV和1.516 eV,推断可能是纤锌矿/闪锌矿(WZ/ZB)混相结构引起的发光以及激子复合引起的发光;随着温度升高,发现两峰出现红移,并通过Varshni公式拟合得到变温变化曲线. 对纳米线进行变功率PL光谱测试,发现P1位置的峰位随功率增加而蓝移,而P2位置的峰位不变. 通过拟合发现P1峰位与功率1/3次方成线性相关,判断可能是WZ/ZB混相结构引起的Ⅱ型发光;同时,对P2位置的峰位进行拟合,P2为激子复合发光. 对纳米线进行拉曼光谱测试,从光谱图中发现GaAs WZ结构特有的E2声子峰,因此证明生长出的纳米线为WZ/ZB混相结构,并通过高分辨透射电子显微镜更直观地观察到纳米线的混相结构.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

螺旋锥束计算机断层成像倾斜扇束反投影滤波局部重建算法
Tilting fan beam back-projection filtration algorithm for local reconstruction in helical cone-beam computed tomography

席晓琦, 韩玉, 李磊, 闫镔
物理学报. 2019, 68 (8): 088701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20190055
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摘要

螺旋锥束计算机断层成像(CT)作为常用的临床诊断工具,如何尽可能地减少其辐射剂量是热点研究领域之一. 局部成像利用准直器减小射线直照区域,能够有效降低CT辐射剂量. 然而,局部成像会造成投影数据横向截断,产生局部重建问题. 现有螺旋反投影滤波(BPF)算法只能实现局部曲面重建,难以实现局部体区域重建. 在圆轨迹扇束BPF算法的基础上,通过加权修正和坐标扩展,提出了螺旋锥束CT 倾斜扇束反投影滤波(TFB-BPF)重建算法. 该算法把重建区域按层划分,对各层构建倾斜的扇形束几何,并使用经过加权修正的TFB-BPF算法逐层进行重建. 该算法最大的优势是滤波线(与原始螺旋锥束BPF算法中PI线等价)在二维平面内选择,算法更加简洁高效,并且能够应用于局部体区域的重建. 实验结果表明,算法能够有效重建物体局部体区域,并且重建图像质量较好,没有明显的截断伪影.

地球物理学、天文学和天体物理学

具有多物理特性的X射线脉冲星导航地面验证系统
Ground verification system of X-ray pulsar navigation with multi-physical properties

方海燕, 丛少鹏, 孙海峰, 李小平, 苏剑宇, 张力, 沈利荣
物理学报. 2019, 68 (8): 089701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182232
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摘要

导航地面验证是X射线脉冲星导航研究必不可少的环节. 针对导航算法验证需要真实连续的脉冲星信号的需求,同时避免X射线调制及探测难度大、成本高的问题,提出了一种基于可见光源的X射线脉冲星导航地面验证系统. 该系统利用太阳系质心处脉冲星信号模型和航天器轨道信息,建立航天器处实时光子到达速率函数,再通过硬件系统转换成电压信号,利用该电压控制线性光源输出,最后经衰减、探测及甄别后获得航天器处的实时光子到达时间序列. 该时间序列不仅具有导航脉冲星的轮廓特性、自转特性,还包括空间传播时间效应及宇宙X射线背景. 本系统利用半物理装置对可见光进行调制及衰减,实时判断轨道各位置处导航脉冲星的可见性,实现X射线脉冲星信号传播过程的模拟. 该系统提供四路可控输出信号,支持多种导航模式的验证. 仿真系统的性能分析和功能验证结果表明,该系统具有良好的性能,可提供真实便捷的地面验证环境.


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