物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究
黄杭东, 滕浩, 詹敏杰, 许思源, 黄沛, 朱江峰, 魏志义
物理学报. 2019, 68 (7): 070602
极低温散粒噪声测试系统及隧道结噪声测量
宋志军, 吕昭征, 董全, 冯军雅, 姬忠庆, 金勇, 吕力
物理学报. 2019, 68 (7): 070702
Se替代Te对BiCuTeO电热输运性能的影响
黄平, 游理, 梁星, 张继业, 骆军
物理学报. 2019, 68 (7): 077201
物理学报  
   物理学报--2019, 68 (7)   发布日期: 2019-04-05
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综述

超宽禁带半导体β-Ga2O3及深紫外透明电极、日盲探测器的研究进展
Ultra-wide bandgap semiconductor of β-Ga2O3 and its research progress of deep ultraviolet transparent electrode and solar-blind photodetector

郭道友, 李培刚, 陈政委, 吴真平, 唐为华
物理学报. 2019, 68 (7): 078501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181845
全文: [PDF 4107 KB] 下载:(208)
摘要

β-Ga2O3是一种新型的超宽禁带氧化物半导体, 禁带宽度约为4.9 eV, 对应日盲区, 对波长大于253 nm的深紫外—可见光具有高的透过率, 是天然的日盲紫外探测及深紫外透明电极材料. 本文介绍了Ga2O3材料的晶体结构、基本物性与器件应用, 并综述了β-Ga2O3在深紫外透明导电电极和日盲紫外探测器中的最新研究进展. Sn掺杂的Ga2O3薄膜电导率可达到32.3 S/cm, 透过率大于88%, 但离商业化的透明导电电极还存在较大差距. 在日盲紫外探测器应用方面, 基于异质结结构的器件展现出更高的光响应度和更快的响应速度, ZnO/Ga2O3核/壳微米线的探测器综合性能最佳, 在-6 V偏压下其对254 nm深紫外光的光响应度达1.3×103 A/W, 响应时间为20 \${\text{μ}}{\rm{s}}$\.

总论

稍不均匀电场中低气压击穿的起始路径研究
Critical breakdown path under low-pressure and slightly uneven electric field gap

于博, 梁伟, 焦蛟, 康小录, 赵青
物理学报. 2019, 68 (7): 070201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181999
全文: [PDF 1854 KB] 下载:(51)
摘要

稍不均匀电场间隙的起始击穿路径问题对于气体放电触发以及电极表面削蚀有重要意义. 为研究低气压击穿工况中起始路径的位置规律, 本文建立了一种基于蒙特卡罗碰撞模型与电子运动轨迹假设相结合的路径判断模型(determination of the critical path 模型, DCP模型), 并以2种电极装置的击穿试验来验证DCP模型的正确性. 通过负电极表面的痕迹捕捉和击穿电压的测量可以分别验证DCP模型对起始击穿路径和击穿电压的计算能力. 根据试验结果, 起始击穿路径在不同压强或流率下会发生转移, 且转移趋势与计算结果相符; 同时, DCP模型对击穿电压的计算误差不超过7.9%, 可初步验证DCP模型的计算精度. 在此基础上, 利用DCP模型对其他4种典型的电极装置进行数值计算, 发现全部击穿案例都存在一些共性: 随着间隙压强或流率的升高, 最小电压区域((pd) min过渡区)的起始路径转移频繁, 并伴随击穿电压上下波动, 近似持平, 且起始路径几乎都服从较长路径向较短路径的转移规律. 最后, 通过DCP模型的数值分析, 揭示了上述起始路径相关规律的内在机理.

一个基于三粒子部分纠缠态的量子广播多重盲签名协议
Quantum broadcasting multiple blind signature protocol based on three-particle partial entanglement

张维, 韩正甫
物理学报. 2019, 68 (7): 070301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182044
全文: [PDF 793 KB] 下载:(59)
摘要

最近有研究者提出了一个基于三粒子最大纠缠态GHZ态的量子广播多重盲签名协议, 它能满足一个重要消息需要多人签发, 但出于隐私保护要求每一个签名者都不能获取消息的具体内容这一应用需求, 并有望应用于电子银行系统. 本文给出了一个基于三粒子部分纠缠态的量子广播多重盲签名协议, 与原协议相比, 该协议用三粒子部分纠缠态代替三粒子极大纠缠GHZ态, 并且能不降低协议的安全性. 新协议不再依赖于极大纠缠态, 仅仅需要在通信参与者之间分享部分纠缠态就可以完成该签名方案, 这在一定程度上节约了纠缠资源, 降低了协议的实现条件, 提高了协议的可应用性. 这也充分体现了多体部分纠缠态也可以作为一种量子资源来实现既定的量子通信任务.

量子微波制备方法与实验研究进展
Preparation methods and progress of experiments of quantum microwave

苗强, 李响, 吴德伟, 罗均文, 魏天丽, 朱浩男
物理学报. 2019, 68 (7): 070302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20191981
全文: [PDF 1463 KB] 下载:(69)
摘要

量子微波信号既保留了经典微波信号的空间远距离传播能力, 又具有非经典的量子特性, 为微波频段量子通信、量子导航及量子雷达等基于大尺度动态空间环境无线传输的量子信息技术提供了可资利用的重要信号源. 按照腔量子电动力学系统、超导电路量子电动力学系统和腔-光(电)-力学系统三大类型实验平台, 归纳、分析了微波单光子、纠缠微波光子以及压缩微波场和纠缠微波场的产生原理、方法和相关典型实验的进展, 并探讨了非经典微波场在量子导航等自由空间传输系统应用中需重点解决的若干关键问题.

单光束扩束扫描激光周视探测系统参数对探测能力的影响
Influence of single-beam expanding scanning laser circumferential detection system parameters on detection capability

查冰婷, 袁海璐, 马少杰, 陈光宋
物理学报. 2019, 68 (7): 070601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181860
全文: [PDF 1112 KB] 下载:(35)
摘要

针对现有单光束激光同步扫描周视探测对脉冲重复频率要求较高, 难以实际应用的问题, 提出单光束扩束扫描激光周视探测方法. 基于单光束扩束扫描激光周视探测工作原理, 推导了最低扫描频率和脉冲频率解析式; 分析了圆柱目标回波特性及关键参数截面衰减系数, 建立了脉冲扩束激光圆柱目标回波功率数学模型, 讨论了系统参数对截面衰减系数的影响, 得到最大相邻脉冲光束夹角表达式; 重点分析了脉冲频率、光束角和光束入射角对不同直径目标的探测能力的影响; 得到了探测系统对典型条件下最大光束角、最低脉冲频率的计算方法. 结果表明, 对扫描光束稍加扩束可有效降低脉冲重复频率要求. 研究结果可为单光束脉冲激光周视探测系统设计、优化提供理论依据.

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究 Hot!
Measurement of femtosecond pulses based on transient grating frequency-resolved optical gating

黄杭东, 滕浩, 詹敏杰, 许思源, 黄沛, 朱江峰, 魏志义
物理学报. 2019, 68 (7): 070602      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20190165
全文: [PDF 861 KB] 下载:(76)
摘要

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一. 常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得, 而倍频信号具有波长选择性, 不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体, 十分不方便. 因此, 提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲. 该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法, 其基本过程是将待测脉冲分为三束, 其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合, 利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光; 另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光, 使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量, 并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息. 该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量, 因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量. 利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲, 以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量, 并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较, 所得测量结果基本一致. 实验结果表明, 建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长, 不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.

电场条件下氧化锌结晶特性及极化产物的拉曼光谱分析
Crystallization characteristics of zinc oxide under electric field and Raman spectrum analysis of polarized products

李酽, 张琳彬, 李娇, 连晓雪, 朱俊武
物理学报. 2019, 68 (7): 070701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181961
全文: [PDF 1520 KB] 下载:(239)
摘要

开展高压电场调控纳米材料结构形貌和性能研究在功能材料领域具有重要的理论和实际意义. 本文在高压电场条件下合成了氧化锌纳米粉体, 并对粉末试片进行了后期电场极化处理, 研究了电场对氧化锌的结构形貌、点缺陷、拉曼光谱的影响. 以X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和拉曼光谱仪对产物的结构形貌、拉曼位移、缺陷分布等进行了表征. 结果表明, 高压电场条件下氧化锌的完全晶化时间和温度比未施加电场时明显延长和升高, 直流电场能够显著促进前驱物中氧化锌的形核, 并降低晶化速度. 不同电场强度下氧化锌具有不同的显微形貌. 纳米氧化锌粉末试片在直流电场中极化后, 其阴极面和阳极面的拉曼光谱表现出明显的差异. 有明显漏电电流的情况下, 阳极面在1050 cm-1处的二级光学声子模A1(LO)的强度显著提高, 且拉曼强度I1 = 438 cm-1I2 = 1050 cm-1的比值与极化电场的场强呈线性关系. 当调转试片正反面进行二次极化时, 原来在阳极面尖锐的1050 cm-1峰经过阴极极化而消失. 阳极面1050 cm-1拉曼峰的锐化与氧化锌晶粒内的缺陷重新分布和双肖脱基势垒有关.

极低温散粒噪声测试系统及隧道结噪声测量 Hot!
Shot noise measurement for tunnel junctions using a homemade cryogenic amplifier at dilution refrigerator temperatures

宋志军, 吕昭征, 董全, 冯军雅, 姬忠庆, 金勇, 吕力
物理学报. 2019, 68 (7): 070702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20190114
全文: [PDF 1744 KB] 下载:(41)
摘要

介观体系输运过程中载流子的离散性导致了散粒噪声. 通过测量散粒噪声可以得到传统的基于时间平均值的电导测量无法得到的随时间涨落信息, 因而作为一种重要手段在极低温量子输运研究中得到了一定的应用. 极低温环境下的噪声测量是一种难度很大的极端条件下的微弱信号测量, 通常需要在低温端安装前置放大器并且尽量靠近待测器件以提高测量信噪比和带宽, 因此对放大器的噪声水平和功耗都有严格的要求. 提出了在稀释制冷机内搭建的散粒噪声测量系统, 以及利用此套系统得到了在mK温区超导隧道结散粒噪声的测量结果. 自行研制的高电子迁移率晶体管低温前置放大器采用整体封装, 便于安装在商用干式稀释制冷机的4 K温区, 本底电压噪声为0.25 nV/√Hz, 功耗仅为0.754 mW. 通过对隧道结进行散粒噪声测量, 得到的Fano因子和理论计算吻合.

适用于ppb量级NO2检测的低功率蓝光二极管光声技术研究
Photo-acoustic technology applied to ppb level NO2 detection by using low power blue diode laser

靳华伟, 胡仁志, 谢品华, 陈浩, 李治艳, 王凤阳, 王怡慧, 林川
物理学报. 2019, 68 (7): 070703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182262
全文: [PDF 1095 KB] 下载:(36)
摘要

在405 nm处基于低功率蓝光二极管光声技术探测ppb量级NO2浓度系统, 获取了NO2有效吸收截面, 探讨了水蒸气等气体的测量干扰, 通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率. 采用内部抛光的铝制圆柱空腔作为光声谐振腔(内径为8 mm, 长为120 mm), 系统优化了腔体、窗片和电源等影响因素, 分析了降低本底噪声、提高信噪比的方法, 噪声信号可降至0.02 \$\text{μV}$\. 设计了两级缓冲结构, 显著抑制了流量噪声的影响, 提高了系统的稳定性. 系统的标定梯度曲线经过线性拟合后的斜率为0.016 \$\text{μV/ppb}$\, R2为0.998, 在60 s平均时间下, 系统NO2探测限为3.67 ppb(3\$\sigma$\). 为了证实系统的测量结果, 将其与二极管激光腔衰荡光谱系统同步对比测量大气NO2浓度, 二者线性拟合后的斜率为0.94 ±0.009, 截距为1.89 ±0.18, 相关系数为0.87, 一致性较好. 实验结果表明, 该系统实现了ppb量级NO2浓度的低成本在线探测, 可用于NO2浓度外场的实时检测.

原子和分子物理学

铯原子nP3/2 (n = 70—94)里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量
Measurement of quantum defect of cesium nP3/2 (n=70-94) Rydberg states by using ultraviolet single-photon Rydberg excitation

刘硕, 白建东, 王杰英, 何军, 王军民
物理学报. 2019, 68 (7): 073201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182283
全文: [PDF 783 KB] 下载:(45)
摘要

基于成熟的光纤激光器、光纤放大器及高效激光频率转换技术, 我们在实验中研制了一套瓦级输出的窄线宽连续波单频可调谐318.6 nm紫外激光系统, 并在室温铯原子气室中实现了6S1/2nP3/2 (n = 70—94)单光子跃迁里德伯激发. 借助由铯原子6S1/2 (F = 4)基态、6P3/2 (F'= 5)激发态和nP3/2 (n = 70—94)里德伯态构成的V型三能级系统, 通过频率锁定于铯原子6S1/2 (F = 4)—6P3/2 (F' = 5)超精细跃迁的852.3 nm探测光束的吸收减弱信号获得了里德伯态的信息, 并利用高精度波长计测量了铯原子nP3/2 (n = 70—94)里德伯态的量子亏损值. 经过与理论计算值的变化趋势进行对比, 我们认为由于原子气室的里德伯屏蔽效应并不能完全屏蔽外部直流电场, 铯原子气室内存在残余的直流电场, 影响了对里德伯态的量子亏损值的实验测量. 利用残余直流电场的Stark效应理论模型及其与有效主量子数n*的依赖关系, 对铯原子里德伯态的量子亏损实验测量值进行了修正. 修正后的铯原子nP3/2 (n = 70—94)态量子亏损测量值为3.5591 ±0.0007, 与理论计算值相吻合.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生
Synthesis of ununiformly correlated radially polarized partially coherent beam

刘森森, 宋华冬, 林伟强, 陈旭东, 蒲继雄
物理学报. 2019, 68 (7): 074201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182289
全文: [PDF 994 KB] 下载:(63)
摘要

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究. 理论上, 基于相位关联与相干度的联系, 推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布. 实验上, 利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域, 对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制, 并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响. 实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构, 并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布. 研究表明, 随着随机相位的高斯调制半宽的增加, 光束中两点间的相干度逐渐减小, 其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布. 这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化
Numerical calculation and optimization of photoacoustic cell for photoacoustic spectrometer

程刚, 曹渊, 刘锟, 曹亚南, 陈家金, 高晓明
物理学报. 2019, 68 (7): 074202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182084
全文: [PDF 1101 KB] 下载:(93)
摘要

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势, 光声池是系统装置中最为重要的核心部件, 它决定着整机性能的优劣. 以一圆柱形共振型光声池为研究对象, 基于声学与吸收光谱学的基本理论, 建立了光声池声场激发的数学模型; 利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真, 获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型; 在考虑热黏性声学损耗的作用下, 对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比, 明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性; 针对光声池的优化问题, 提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法, 在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下, 通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数Ccell为最大值寻优的Pareto最优解集; 选取一组解进行考察, 结果表明, 代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%, 优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, Ccell增长了34.4%. 研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.

三种降采样成像策略的性能优化以及与传统傅里叶望远镜的比较
Performance optimization of three down-sampling imaging strategies and their comparison with the conventional Fourier telescope

董磊, 卢振武, 刘欣悦, 李正炜
物理学报. 2019, 68 (7): 074203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181801
全文: [PDF 1449 KB] 下载:(18)
摘要

为了获得成像质量较好且成像时间较少的新型傅里叶望远镜成像策略, 本文比较了三种降采样成像策略(压缩感知方法(CS)、低频全采样方法(LF)和变密度随机采样方法(VD))与传统傅里叶望远镜(FT)在图像质量和成像时间上的差异. 分析方法如下: 利用传统FT外场实验所获得的目标频谱数据作为基础, 三种降采样方法(LF, VD和CS)分别按照各自的采样模式和重构方法实现目标图像的重构; 通过直观观察和Strehl比两种方法比较三种降采样方法与传统FT在图像质量上的差异; 通过分析成像时间的组成要素, 初步比较三种降采样方法与传统FT在成像时间上的差异. 分析表明: 1) 压缩感知方法的图像质量优于其他两种降采样方法(LF和VD), 但略低于传统成像结果; 2) 压缩感知方法在成像质量上略低于传统FT, 但在成像时间上却明显小于传统FT; 3)分析中采用的外场数据均含噪声, 这说明上述三种降采样重构过程对噪声有较好的鲁棒性. 综合上述分析结果可以看出, 基于压缩感知的傅里叶望远镜(CS-FT)是在实际含噪情况下可大幅减少成像时间的优良成像策略.

光纤环形谐振腔的频率锁定及其特性
Characteristics and control of fiber ring resonator

宋丽军, 张鹏飞, 王鑫, 王晨曦, 李刚, 张天才
物理学报. 2019, 68 (7): 074204      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182296
全文: [PDF 1149 KB] 下载:(53)
摘要

基于可调分束比的光纤分束器, 制作了光纤环形谐振腔并通过调节分束比实现了对光纤环形谐振腔的欠耦合、临界耦合和过耦合的状态控制. 实验测量了腔最小反射率与腔损耗之间的关系, 获得光纤环形谐振腔的腔内衰减率为\${\kappa _0}{\rm{ = }}2{\text{π}} \times \left( {1.60 \pm 0.03} \right)\;{\rm{ MHz}}$\, 品质因子为\$Q = \left( {1.10 \pm 0.02} \right) \times {10.8}$\. 在此基础上, 结合了压电陶瓷拉伸光纤以控制腔长和Pound-Drever-Hall锁频两大技术优势, 克服了之前温度反馈控制等方法的反馈带宽窄、噪声大和稳定性差等问题, 实现了对光纤环形谐振腔共振频率的快速、灵敏的控制和锁定. 结果表明, 锁频过程中相位调制功率与相位调制引起腔反射光的强度调制之间的关系为线性关系, 进而通过降低相位调制信号的功率以减小相位调制对腔反射光强度调制的影响. 当调制功率设定最低为-9 dBm时, 光纤环形谐振腔仍能被稳定锁定. 该光纤环形谐振腔为其与原子、金刚石色心等发光粒子相互作用的腔量子电动力学实验研究奠定了坚实的基础.

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法
An accurate inversion method of aerosol extinction coefficient about ground-based lidar without needing calibration

刘厚通, 毛敏娟
物理学报. 2019, 68 (7): 074205      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181825
全文: [PDF 749 KB] 下载:(36)
摘要

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标, 一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题. 对于低云和雾霾同时出现的天气, 激光很难穿透云层, 不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标. 而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达, 由于探测高度较低, 也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点, 提出了一种气溶胶消光系数迭代算法. 通过对反演过程进行特定设置, 每经过一次迭代, 利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小. 经过几次迭代后, 气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计. 初步反演结果表明: 利用气溶胶消光系数迭代算法, 无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.

含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应
Restraining effect of resonant propagation of acousticwaves in liquids with mixed bubbles

陈时, 张迪, 王成会, 张引红
物理学报. 2019, 68 (7): 074301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182299
全文: [PDF 2082 KB] 下载:(53)
摘要

当声波在含气泡的液体中传播时会出现共振传播现象, 即在气泡的共振频率附近声衰减和声速会显著地增大,这是声空化领域的一个重要现象.以往的研究一般假设液体中只存在单一种类的气泡, 因此忽略了声波共振传播的某些重要信息. 本文研究了含混合气泡液体中声波的共振传播, 混合气泡是指液体中包含多种静态半径不同的气泡. 结果显示:在这种系统中存在声波共振传播的抑制效应, 即与含单一种类气泡的系统相比, 在含混合气泡的系统中声波的共振衰减和共振声速会明显变小. 对于两种气泡混合、多种气泡混合以及气泡满足某种连续分布的系统, 研究了抑制效应的本质和主要特征, 此外还探究了黏性和空化率等对抑制效应的影响. 本文的研究结果是对该领域现有知识的必要补充.

液-液两相液层间传质过程的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流特性
Rayleigh-Bénard-Marangoni convection characteristics during mass transfer between liquid layers

陈俊, 沈超群, 王贺, 张程宾
物理学报. 2019, 68 (7): 074701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181295
全文: [PDF 2535 KB] 下载:(40)
摘要

传质引发的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流(RBM对流)对化工传递过程有着显著影响. 但是, 已有的相关研究多集中于气-液体系, 并且有限的针对液-液体系的相关研究尚缺乏对RBM对流演化及其引发的界面扰动行为的深入分析. 因此, 本文基于阴影法设计搭建了竖直狭缝内液-液两相液层间传质过程的RBM对流特性可视化实验平台, 并实验观测了水-甲苯-丙酮三元体系中丙酮组分扩散传质时出现的RBM对流结构以及其向下层水相主体的发展演变过程, 探讨了水相丙酮初始浓度、甲苯相丙酮初始浓度以及甲苯层厚度对RBM对流特性和液-液界面形貌的影响. 研究表明: 在Rayleigh-Taylor不稳定性作用下, 水相上层密度(重力)分层“界面”下凸沉降形成波浪形丘状“界面”, 并随着“界面”处密度与压力失调的加剧而演变成羽状流; 因羽流区“界面”不同浓度梯度引起的传质特性差异, 羽状流又可以演变成弱羽状流和强羽状流两种形态; 当丙酮浓度梯度增大到一定程度后, 近界面处短时间内产生大量RBM对流结构, 且结构间相互影响增强而聚并成对流团, 并随着传质过程的进行, 逐渐演变成独立的强羽状流; RBM对流强度与上下液层丙酮浓度梯度大小呈正相关关系, 且液-液界面粗糙度及其非稳态波动随着丙酮浓度梯度的增加而增大.

正弦波沟槽对湍流边界层相干结构影响的TR-PIV实验研究
Influence of sinusoidal riblets on the coherent structures in turbulent boundary layer studied by time-resolved particle image velocimetry

李山, 姜楠, 杨绍琼
物理学报. 2019, 68 (7): 074702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181875
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摘要

利用高时间分辨率粒子图像测速(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)技术, 在不同雷诺数下对光滑壁面和二维顺流向、三维正弦波(two/three dimensional, 2D/3D)沟槽壁面湍流边界层流场进行了实验测量, 从不同沟槽对湍流边界层相干结构影响的角度分析了其减阻的机理. 对比不同壁面的各阶统计量结果发现: 沟槽降低了壁面摩擦阻力, 存在减阻效果, 正弦波沟槽的减阻率增大. 运用相关函数、\$\lambda_{ci}$\检测准则等方法提取了不同壁面湍流边界层发卡涡和低速条带等典型相干结构的空间拓扑形态, 结果表明: 两种沟槽壁面的相干结构在流向和法向上的空间尺度均有不同程度的减小, 且相干结构与主流之间的倾角趋于更小, 流体在法向上的运动及结构的抬升受到明显抑制, 发卡涡诱导喷射和扫掠的能力降低, 从而影响了湍流中能量与动量的输运过程及湍流的自维持机制, 且相比于2D沟槽, 3D正弦波沟槽作用效果更为明显. 在同一雷诺数下, 随着距离壁面法向位置的增加, 不同壁面湍流边界层低速条带的展向间距都变宽; 但同一法向位置处2D/3D沟槽壁面湍流边界层低速条带的间距与光滑壁面的相比更宽, 沟槽的存在有效抑制了低速条带在展向上的运动, 使得低速条带更稳定.

气体、等离子体和放电物理

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究
Low-coherece laser based lens array beam smoothing techique

高妍琦, 赵晓晖, 贾果, 李福建, 崔勇, 饶大幸, 季来林, 刘栋, 冯伟, 黄秀光, 马伟新, 隋展
物理学报. 2019, 68 (7): 075201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182138
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摘要

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求, 靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性. 本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题, 提出了基于宽带低相干激光, 利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案, 并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响. 模拟结果表明, 该方法明显降低了靶面不均匀性, 提高了对波前相位畸变的包容度, 获得了均匀、稳定的光强分布. 统计分析显示, 焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强. 因此, 可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求, 给出波前相位畸变的容差范围, 对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

激光加载下金属锡材料微喷颗粒与低密度泡沫混合实验研究
Observation of ejecta tin particles into polymer foam through high-energy X-ray radiograpy using high-intensity short-pulse laser

税敏, 于明海, 储根柏, 席涛, 范伟, 赵永强, 辛建婷, 何卫华, 谷渝秋
物理学报. 2019, 68 (7): 076201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182280
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摘要

金属材料的微喷是冲击加载下金属表面发生的一种动态破碎现象, 微喷研究在很多领域都具有重要意义, 包括惯性约束聚变(ICF)和烟火制造等. 由于激光实验特有的优势, 近几年国内外开展了很多利用强激光驱动冲击加载研究材料微喷过程的实验. 利用泡沫材料对微喷颗粒进行静态软回收虽然可以获得颗粒的形态分布、颗粒尺寸及颗粒质量等定量结果, 但并不能反演微喷颗粒从进入泡沫到停滞过程中的动态混合过程. 为此, 在神光Ⅱ升级装置上利用皮秒脉冲激光照射金丝产生高能X射线, 实现了对锡微喷颗粒与低密度泡沫混合过程的高时间分辨和高空间分辨背光照相. 背光图像面密度结果证实微喷颗粒在泡沫中并没有发生二次破碎. 静态回收结果表明, 在锡材料与泡沫紧贴放置的情况下, 微喷颗粒在泡沫中的穿透深度随着加载压强升高呈现先增大后减小的规律, 与非紧贴放置的实验结果有明显的差别.

非晶Ag晶化过程中不同类型晶核结构的识别与跟踪
Identification and tracking of different types of crystalline nucleiduring isothermal crystallization of amorphous Ag

李媛, 彭平
物理学报. 2019, 68 (7): 076401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182188
全文: [PDF 1087 KB] 下载:(34)
摘要

采用分子动力学模拟研究了非晶Ag的等温晶化过程, 通过原子轨迹逆向追踪法分析了不同类型晶体团簇的结构遗传与组态演化. 在团簇类型指数法的基础上, 根据基本团簇种类与联结方式不同, 提出了一种可区分fcc单晶、多晶与混晶团簇的分析方法. 在非晶Ag等温晶化过程中, 基于团簇结构的连续遗传性特征, 发展了一种可区分fcc单晶、多晶与混晶晶胚与晶核的结构分析技术. 结果发现: 不论临界尺寸还是几何构型, 不同类型的晶核结构都存在差异, 其中fcc单晶临界尺寸最小, 多晶次之, 混晶最大; fcc单晶与多晶壳层原子中有少量hcp和bcc原子, 而混晶壳层则全部为非晶类原子, 并且fcc单晶、多晶与混晶的临界晶核都不是球型结构.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

W-In体系溶质晶界偏聚行为的第一性原理计算
First-principles calculations of solute-segreagtion of W-In alloys at grain boundaries

王奇, 唐法威, 侯超, 吕皓, 宋晓艳
物理学报. 2019, 68 (7): 077101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20190056
全文: [PDF 1130 KB] 下载:(71)
摘要

基于第一性原理构建了钨基合金体系的溶质偏聚模型, 以W-In体系为例研究了不同浓度下溶质的晶界偏聚行为和成键特征, 从电子结构层面揭示了W-In体系的键合作用, 预测了W-In体系界面稳定性随溶质浓度的变化规律. 结合键布居、电荷密度、差分电荷密度和态密度等电子结构分析, 发现了W-In体系中溶质原子在偏聚过程中的键性转变特征, 阐明了W-In键由晶粒内部的离子键过渡为晶界区域强共价键的微观机理. 模型计算首次得到了W-In体系中溶质本征偏聚能随In浓度的非单调变化规律, 结合键合作用和能量分析揭示了溶质浓度对本征偏聚能的影响机制. 计算预测了W-In体系达到高热稳定性所需的最佳溶质浓度范围和应避开的溶质浓度范围. 本研究为具有高温稳定性的钨基合金材料的设计与制备提供了理论基础和定量化指导.

高温高压下立方氮化硼和六方氮化硼的结构、力学、热力学、电学以及光学性质的第一性原理研究
First-principles study of structural, elastic, thermodynamic, electronic and optical properties of cubic boron nitride and hexagonal boron nitride at high temperature and high pressure

吕常伟, 王臣菊, 顾建兵
物理学报. 2019, 68 (7): 077102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182030
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摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势和局域密度近似方法, 优化了立方和六方氮化硼的几何结构, 系统地研究了零温高压下立方和六方氮化硼的几何结构、力学、电学以及光学性质. 结构与力学性质研究表明: 立方氮化硼的结构更加稳定, 两种结构的氮化硼均表现出一定的脆性, 而六方氮化硼的热稳定性则相对较差; 电学性质研究表明: 立方氮化硼和六方氮化硼均为间接带隙半导体, 且立方氮化硼比六方氮化硼局域性更强; 光学性质结果显示: 立方氮化硼和六方氮化硼对入射光的通过性都很好, 在高能区立方氮化硼对入射光的表现更加敏感. 此外, 还研究了高温高压下立方氮化硼的热力学性质, 并得到其热膨胀系数、热容、德拜温度和格林艾森系数随温度和压力的变化关系. 本文的理论研究阐述了高压下立方氮化硼和六方氮化硼的相关性质, 为今后的实验研究提供了比较可靠的理论依据.

Se替代Te对BiCuTeO电热输运性能的影响 Hot!
Effects of Se substitution for Te on electrical and thermal transport properties of BiCuTeO

黄平, 游理, 梁星, 张继业, 骆军
物理学报. 2019, 68 (7): 077201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181850
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摘要

层状氧硫族化合物由于其本征的低晶格热导率和可观的热电性能吸引了广泛关注, 其中以BiCuSeO化合物的热电性能最为优异. 但是, 其同晶型化合物BiCuTeO, 由于带隙较小且存在大量本征Cu空位, 导致载流子浓度较高, 热电性能较差, 从而研究较少. 针对BiCuTeO存在的上述问题, 本文利用Se替代部分Te, 以期能够展宽带隙并减少Cu空位, 提高其热电性能. 采用固相反应结合快速热压烧结制备了BiCuTe1-xSexO(x = 0, 0.1, 0.2, 0.3和0.4)块体热电材料, 并系统地研究了该体系的电热输运性能. 研究结果表明, 利用Se替代Te, 可以使BiCuTeO导电层化学键强度增加、带隙增大、载流子有效质量增加以及载流子散射增强, 从而导致载流子浓度和迁移率同时降低, 进而电导率随着Se含量增加而剧烈降低, Seebeck系数则显著增大. 由于综合电输运性能恶化, 功率因子随着Se含量增加而减小, 导致热电优值zT随着Se含量增加而降低. 最终, Se含量为x = 0.1的样品, 在室温和723 K时的zT值分别达到约0.3和0.7, 仍然在较宽温区内保持较高的zT值. 由于Se替代Te改变了BiCuTeO的能带结构, 通过载流子浓度优化, 有望进一步提高其热电性能.

光子角动量在环形金属纳米孔异常透射过程中的作用
Role of optical angular momentum in enhanced transmission process of plasmonic coaxial nanoring aperture

王帅, 邓子岚, 王发强, 王晓雷, 李向平
物理学报. 2019, 68 (7): 077801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182017
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摘要

在环形凹槽包围环形金属纳米孔的异常透射器件的研究中, 环形凹槽可以将携带光子角动量的入射光转化为涡旋表面等离极化激元, 这些涡旋表面等离极化激元传向几何中心并与直接照射在环形纳米孔上的光子发生干涉, 当相互干涉的光子满足相位匹配条件时, 环形纳米孔的透射率得到显著增强. 本文利用理论分析和数值计算的方法研究了光子角动量和凹槽半径对环形纳米孔透射过程的影响. 我们发现调节环形凹槽的半径和入射光携带的光子角动量可以调节光子在金膜上表面传输时的径向传播相位, 进而影响了环形纳米孔附近的干涉电场强度, 最终决定了环形纳米孔的透射率, 进而可以通过调节凹槽的半径来调节携带不同光子角动量的光束在环形纳米孔的透射率. 本文的研究结果对基于涡旋表面等离极化激元的异常透射器件的设计具有重要的指导意义.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

基于蒙特卡罗方法的4H-SiC(0001)面聚并台阶形貌演化机理
Formation of step bunching on 4H-SiC (0001) surfaces based on kinetic Monte Carlo method

李源, 石爱红, 陈国玉, 顾秉栋
物理学报. 2019, 68 (7): 078101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182067
全文: [PDF 1301 KB] 下载:(73)
摘要

针对SiC外延生长中微观原子动力学过程, 建立了一个三维蒙特卡罗模型来研究偏向\$\left[ {1\bar 100} \right]$\或\$\left[ {11\bar 20} \right]$\方向4H-SiC(0001)邻晶面上台阶形貌演化过程, 并且利用Burton-Cabera-Frank理论分析了其形成机理. 在蒙特卡罗模型中, 首先建立了一个计算4H-SiC晶体生长过程的晶格网格, 用来确定Si原子和C原子晶格坐标以及联系它们之间的化学键; 其次, 考虑了原子在台阶面上的吸附、扩散, 原子在台阶边上的附着、分离以及传输等过程; 最后, 为了更加详细地捕捉微观原子在晶体表面的动力学过程信息, 该模型把Si原子和C原子分别对待, 同时还考虑了能量势垒对吸附原子影响. 模拟结果表明: 在偏向\$\left[ {1\bar 100} \right]$\方向的4H-SiC(0001)邻晶面, 有一个晶胞高度的聚并台阶形貌形成, 而对于偏向\$\left[ {11\bar 20} \right]$\方向的邻晶面, 出现了半个晶胞高度的聚并台阶形貌, 该模拟结果与实验中观察到的结果相符合. 最后, 利用Burton-Cabera-Frank理论对聚并台阶形貌演化机理进行了讨论.

基于抑制性突触可塑性的神经元放电率自稳态机制
Neural firing rate homeostasis via inhibitory synaptic plasticity

薛晓丹, 王美丽, 邵雨竹, 王俊松
物理学报. 2019, 68 (7): 078701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182234
全文: [PDF 1127 KB] 下载:(37)
摘要

神经元放电率自稳态是指大脑神经网络的放电率维持在相对稳定的状态. 大量实验研究发现神经元放电率自稳态是神经电活动的重要特征, 并且放电率自稳态是实现神经信息处理及维持正常脑功能的基础, 因此放电率自稳态的研究是神经科学领域的重要科学问题. 脑神经网络是一个高度复杂的动态系统, 存在大量输入扰动信号及由于动态链接导致的参数摄动, 因此如何建立并维持神经元放电率自稳态及其鲁棒性仍有待深入研究. 反馈神经回路是皮层神经网络的典型连接模式, 抑制性突触可塑性对神经元放电率自稳态具有重要的调控作用. 本文通过构建包含抑制性突触可塑性的反馈神经回路模型对神经元放电率自稳态及其鲁棒性进行计算研究. 结果表明: 在抑制性突触可塑性的作用下, 神经元放电率可自适应地跟踪目标放电率, 从而取得放电率自稳态; 在有外部输入干扰和参数摄动的情况下, 神经元放电率具有良好的抗扰动性能, 表明放电率自稳态具有很强的鲁棒性; 理论分析揭示了抑制性突触可塑性学习规则是神经元放电率自稳态的神经机制; 仿真分析进一步揭示了学习率及目标放电率对放电率自稳态建立过程具有重要影响.

钙钛矿薄膜气相制备的晶粒尺寸优化及高效光伏转换
Optimization of grain size to achieve high-performance perovskite solar cells in vapor deposition

吴步军, 林东旭, 李征, 程振平, 李新, 陈科, 时婷婷, 谢伟广, 刘彭义
物理学报. 2019, 68 (7): 078801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182221
全文: [PDF 1523 KB] 下载:(66)
摘要

钙钛矿薄膜的气相制备是一种极具潜力的工业化生产工艺, 但薄膜的质量控制目前远落后于溶液制备法. 本文通过建立PbI2薄膜向钙钛矿薄膜完全转化过程中反应时间、晶粒尺寸与温度的关系, 实现了薄膜的质量优化及大面积钙钛矿薄膜的制备, 将薄膜的平均晶粒粒径从0.42 \${\text{μm}}$\优化到0.81 \${\text{μm}}$\. 基于空间电荷限制电流模型对缺陷密度的研究显示, 钙钛矿薄膜的缺陷密度由5.90×1016 cm-3降低到2.66×1016 cm-3. 光伏器件(FTO/TiO2/C60/MAPbI3/spiro-OMeTAD/Au结构)测试显示, 面积为0.045 cm2器件的平均光电转换效率从14.00%提升到17.42%, 最佳光电转换效率达到17.80%, 迟滞因子减小至4.04%. 同时, 基于180 ℃制备的1 cm2器件的光电转换效率达到13.17%.

一种基于分支过程的信息流行度动力学模型
Modeling information popularity dynamics based on branching process

吴联仁, 李瑾颉, 齐佳音
物理学报. 2019, 68 (7): 078901      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20181948
全文: [PDF 948 KB] 下载:(41)
摘要

Web 2.0时代, 建模和预测在线信息流行度是信息传播中的重要问题. 本文基于社交网络系统信息传播的机制, 通过假设和简化, 提出了分支过程的概率模型, 来描述在线社交网络信息的流行度动力学过程. 对典型在线社交网络系统的信息流行度数据和网络结构数据进行了分析, 统计结果表明信息流行度衰减遵循幂律分布(幂指数为1.8), 微博网络的入度和出度分布也均服从幂律分布(幂指数为1.5). 模型仿真结果发现, 该模型能够再现真实社交网络数据的若干特征, 且信息流行度与网络结构相关. 对模型方程进行求解得到理论预测的结果与仿真分析和实际数据结果相符合.

相依网络的条件依赖群逾渗
Percolation of interdependent networks with conditional dependency clusters

韩伟涛, 伊鹏
物理学报. 2019, 68 (7): 078902      http://dx.doi.org/10.7498/aps.68.20182258
全文: [PDF 954 KB] 下载:(49)
摘要

相依网络鲁棒性研究多集中于满足无反馈条件的一对一依赖, 但现实网络节点往往依赖于多节点构成的依赖群, 即使群内部分节点失效也不会导致依赖节点失效. 针对此现象提出了一种相依网络的条件依赖群逾渗模型, 该模型允许依赖群内节点失效比例不超过容忍度\$\gamma $\时, 依赖节点仍可正常工作. 通过理论分析给出了基于生成函数方法的模型巨分量方程, 仿真结果表明方程理论解与相依网络模拟逾渗值相吻合, 增大\$\gamma $\值和依赖群规模可提高相依网络鲁棒性. 本文模型有助于更好地理解现实网络逾渗现象, 对如何增强相依网络鲁棒性有一定指导作用.


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