特邀综述
2019, 68 (11): 110701.
doi: 10.7498/aps.68.20190341
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极化激元学可以实现纳米尺度上的光子操控和光与物质相互作用的调控, 已经成为现代物理学中的一个重要分支. 与传统贵金属相比, 二维范德瓦耳斯原子晶体中极化激元具有更强的局域能力且可实现主观调控. 近期, 利用扫描式近场光学显微镜在二维体系中观察到了多种类型的极化激元, 为今后量子物理和纳米光子学的发展提供了新思路. 本文主要介绍通过近场光学手段揭示二维极化激元学的重要进展和实验结果. 在介绍近场光学及其成像原理的基础上, 总结了二维极化激元学中近场研究进展的几个重要研究方向, 包括等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元和杂化型极化激元等. 最后提出了近场光学今后可能的发展方向.
总论
2019, 68 (11): 110301.
doi: 10.7498/aps.68.20190163
摘要 +
自由空间中的量子通信会不同程度上受到雾霾、沙尘等自然环境的干扰. 为了研究提升此类干扰下量子通信的性能, 本文分析了背景干扰下单量子态信道随时间演化的性能变化, 并根据袋鼠纠缠跳跃模型(KEHM), 提出了基于KEHM的量子状态自适应跳变通信策略, 对其性能参数进行仿真. 仿真结果表明, 采取量子状态跳变, 在背景量子噪声的平均功率与量子信号平均功率的比值为5的情况下, 量子误比特率随着量子态跳频率从1增大到15, 由0.4524降低到0.1116; 当单量子态传输成功率0.95, 量子比特率大于200 qubit/s时, 不同态跳频率下量子比特的成功传输概率均大于0.97. 当发送端信号源平均量子数足够大且接收端接收效率趋近于1时, 量子态的通过率也趋近于1; 采取量子态跳自适应控制策略, 能够进一步降低系统的误码率.
编辑推荐
2019, 68 (11): 110302.
doi: 10.7498/aps.68.20190142
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量子计算是一种基于量子力学基本原理设计的新型计算模型, 在某些特定问题上表现出了远超经典计算机的处理能力. 随着量子计算任务复杂度的提高, 如何分配量子计算资源, 实现多方协作的量子计算, 将成为量子计算领域待解决的一个重要问题. 本文在一次性量子计算的基础上, 提出了基于冗余图态的多人协作量子计算方案. 不同于传统图态中每个节点仅对应一个粒子, 冗余图态中每个节点都对应若干粒子. 参与量子计算的每一方都将分配到一组完整涵盖各节点的粒子, 各方将自行协商完成图态的分割以及后续的测量, 从而实现多人协作的量子计算. 在本方案中, 参与量子计算的各方可以根据自身任务的需要来确定量子计算的合作方式并进行资源分配, 使量子计算具备更高的灵活性与开放性. 此外, 本文还提出了一个两方协作制备任意单比特量子态的光学实验方案.
2019, 68 (11): 110501.
doi: 10.7498/aps.68.20190171
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提出了一种利用多模激光器结合滤波器产生频谱平坦、无低频能量缺失的宽带混沌信号产生. 实验分析和对比了光反馈法布里-珀罗混沌半导体激光器滤波前后的多模及单模信号的频谱特性. 结果显示, 相较于多模混沌信号, 单模混沌信号的低频部分能量提升了25 dB, 实现了3 dB带宽为6 GHz的平坦混沌产生. 进一步理论研究表明, 单模混沌信号低频成分能量获得显著提升的物理本质在于多模激光器模式竞争.
2019, 68 (11): 110502.
doi: 10.7498/aps.68.20182264
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提出了一种基于计算全息和θ调制的彩色图像光学加密新方法. 该方法利用彩色三基色原理和计算全息编码技术, 首先将彩色图像的红、绿、蓝三基色分量进行随机相位调制和菲涅耳衍射变换, 然后经过θ调制后进行图像叠加并编码为计算全息图, 即加密过程是将一幅彩色图像加密为一幅实值的二元计算全息图, 得到单幅密文. 解密为加密的逆过程, 首先将加密的计算全息图置于空间滤波和菲涅耳衍射系统中, 经过相位密钥解调和基于滤光片的滤波器滤波, 最后通过正确距离的菲涅耳衍射完成解密, 得到彩色明文图像. 计算机模拟结果证明了该方法的有效性和可行性.
2019, 68 (11): 110503.
doi: 10.7498/aps.68.20190231
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脑神经网络在一定条件下可以自发出现行波、驻波、螺旋波, 这些有序时空斑图的出现往往与某种神经疾病有关, 但是其产生的机制尚未完全清楚, 如何定量描述这些时空斑图的性质仍需要探索, 为了解决这些问题, 本文采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究了具有排斥耦合的二维双耦合层神经元网络从混沌初相位开始演化的动力学行为, 并用改进的集团熵来描述神经元网络的时空斑图. 数值模拟结果表明: 排斥耦合既可以促进有序斑图的形成, 也可以抑制有序斑图的形成. 适当选择排斥和兴奋性耦合强度, 排斥耦合可导致单螺旋波、多螺旋波、行波、螺旋波和靶波与其他态共存、行波与驻波共存等有序斑图出现, 螺旋波、行波出现概率分别达到0.4555和0.1667. 靶波与其他态共存和行波与驻波共存出现概率分别达到0.0389和0.1056, 我们提出的集团熵可以较好区分这些有序斑图和混沌态. 当排斥耦合强度足够大时, 网络一般处于混沌态. 当网络处于弱耦合状态时, 通过计算集团熵发现网络可以出现很大集团, 这些结果有助于理解在实验中观察到的现象, 从而能为神经疾病治疗提供帮助.
2019, 68 (11): 110601.
doi: 10.7498/aps.68.20190034
摘要 +
频率分辨光学开关法是目前测量超短激光脉冲的主流方法之一. 本文比较了三大类二次谐波频率分辨光学开关系统的特点和适用范围, 提出将标准二次谐波频率分辨光学开关法改装成一种快速扫描频率分辨光学开关法(frequency-resolved optical gating, FROG)装置. 利用信号发生器输出的正弦信号同步地驱动音圈电机和扫描振镜, 其中音圈电机带动直角反射镜往复运动可实现快速的延时扫描, 与此同时扫描振镜快速转动进而按照延时顺序将自相关信号光谱反射至面阵相机感光面上的不同位置. 该正弦信号还用于触发面阵相机持续曝光, 即可拍摄到一幅完整的FROG迹线图, 曝光时间可小于1 s. 该方案在需要记录较大矩阵FROG迹线图的情形颇具优势, 例如可实现色散大的啁啾脉冲和结构复杂的超短脉冲的实时测量. 通过测量从自锁模钛宝石激光器输出的飞秒脉冲以及被200 mm厚的BK7玻璃块展宽后的啁啾脉冲的结构, 证实了该装置的实用性.
原子和分子物理学
2019, 68 (11): 113101.
doi: 10.7498/aps.68.20181995
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为了改善HfO2的阻变特性, 提高氧空位(VO)导电细丝形成的一致性和均匀性, 采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了掺杂Al的HfO2阻变材料的微观特性. 结果表明, 间隙Al (Int-Al)更适合掺入到HfO2中, 并且Int-Al与VO相对位置越近, 阻变材料趋于稳定的收敛速度越快, 形成能越小. 不同Int-Al浓度对含有VO缺陷的HfO2超胞的影响结果显示, 当掺杂Int-Al浓度为4.04%时, 分波电荷态密度图能够形成相对较好的电荷通道, 最大等势面和临界等势面值均为最高, 有利于改善HfO2阻变材料中导电细丝形成的一致性和均匀性; 形成能计算结果显示, 当Int-Al浓度低于4.04%时形成能变化缓慢, 当高于4.04%时则异常增大, 表明缺陷体系随Int-Al浓度增大越来越难以形成; 进一步研究掺杂Int-Al浓度为4.04%时晶格结构的变化, 结果显示缺陷形成能显著降低, 有利于形成完美的导电通道. 该研究为改善基于HfO2阻变存储材料的性能有一定的借鉴意义.
2019, 68 (11): 113102.
doi: 10.7498/aps.68.20190359
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采用单参考与多参考耦合簇理论结合相关一致高斯基组计算研究了7Li2(0, ±1)分子体系的电子基态的势能曲线, 计算考虑了体系所有电子的关联效应与相对论效应, 拟合得到了体系的光谱常数, 并获得了电子基态的振动-转动能级信息. 计算得到的中性与阳离子体系的光谱常数与实验值符合得很好; 对于阴离子体系, 平衡核间距的计算仍需进一步改进, 其他光谱常数符合较好. 计算结果表明, 中性和阳离子体系基态波函数具有明显的单参考组态特点, 而阴离子分子基态应采用多参考组态波函数描述. 对于基态的振动-转动能级, 与现有实验值符合得很好; 尽管各种计算方法对阴离子基态的平衡核间距计算结果仍有差异, 但振动能级间隔的结果相互符合得很好. 本文的研究可为Li2分子体系基态, 尤其是光谱学信息很少的阴离子体系的电子结构与光谱的精确研究提供了有用的光谱信息.
2019, 68 (11): 113103.
doi: 10.7498/aps.68.20182266
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采用第一性原理计算方法, 研究了二维单层硒化锗(GeSe)的5种同分异构体结构的稳定性和在应力调控下的电子性质变化规律. 计算结果表明: 5种同分异构体结构都具有热力学稳定性; α-GeSe是直接带隙半导体, β-GeSe, γ-GeSe, δ-GeSe和ε-GeSe都是间接带隙半导体. α-GeSe在应力调控下出现了直接到间接带隙的转变和半导体到金属性质的转变. β-GeSe和γ-GeSe在应力的作用下具有可调节的间接带隙范围. 当沿δ-GeSe双轴方向施加压缩应力为1%和4%时, δ-GeSe的能带从间接带隙转变成直接带隙. 通过沿ε-GeSe的扶手椅形方向施加10%的拉伸应变, 出现了从间接带隙到直接带隙的转变; 继续增加拉伸应变到20%, 能带结构一直保持直接带隙的特征, 其可调范围为1.21—1.44 eV. 沿δ-GeSe双轴方向施加10%拉伸应变时, 也出现了从间接带隙到直接带隙的转变; 该直接带隙在双轴拉伸应变增加到19%前一直保持, 可调范围为0.61—1.19 eV.
2019, 68 (11): 113201.
doi: 10.7498/aps.68.20181872
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基于铯原子阶梯型6S1/2-6P3/2-8S1/2 (852.3 nm + 794.6 nm)能级系统, 一束波长为852.3 nm的圆偏振光作为抽运光, 将室温下气室中的铯原子由基态6S1/2激发到中间激发态6P3/2并极化, 另一束波长为794.6 nm的线偏振光作为探测光, 其频率在6P3/2—8S1/2态之间扫描, 经过原子气室后差分探测便可获得铯原子激发态6P3/2—8S1/2能级跃迁之间的双色偏振光谱. 实验上系统地测量、分析了抽运光频率失谐、偏振, 以及抽运光与探测光同反向实验构型对双色偏振光谱的影响, 并将其用于794.6 nm半导体激光器的稳频, 锁频之后, 225 s内的残余频率起伏约为0.5 MHz.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2019, 68 (11): 114101.
doi: 10.7498/aps.68.20190201
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针对现有舰船磁场等效源反演建模方法存在的精度较低和适应性不强的问题, 提出了一种舰船磁场磁单极子阵列反演建模新方法, 按照舰船铁磁结构布置磁单极子阵列, 采用正则化技术进行舰船磁场的反演建模. 建立了三种典型的磁单极子阵列形式: 舰船水线平面上的长方形阵列、包围船体的长方体阵列、按照舰船铁磁结构分布的三维船体阵列. 理论分析表明, 三维船体磁单极子阵列减少了等效磁源设置的盲目性, 所得到的等效磁源与真实磁源一致性高, 能够更大程度地复现舰船磁场完整信息. 利用典型虚拟舰船的磁场进行了验证试验, 结果表明所提出的三维船体磁单极子阵列比长方形或长方体阵列具有更高的精度和适应性, 特别是能实现舰船远磁场与近磁场、舰船上方和下方磁场之间的相互精确转换. 所提出的三维船体磁单极子阵列模型具有复杂度小, 建模简单, 布置灵活的独特优势, 为舰船磁场高精度反演建模、磁场定位等的数据处理和解释提供了新的技术选择.
2019, 68 (11): 114201.
doi: 10.7498/aps.68.20182253
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随着多波段共孔径高精度探测技术的发展, 非对称双面离轴非球面反射镜因具备突出特点而发挥着越来越重要的作用, 但高精度检测是限制其使用的关键步骤, 而针对非对称双面离轴非球面反射镜检测一般还是分别使用两套补偿器单独完成, 效率较低且切换补偿器会降低检测精度. 针对这个问题, 本文以干涉检验法中的折射式Offner补偿法为基础, 按照离轴孔径光阑使光线离轴并分光、共用透镜组前后移动变焦及反射镜折叠光路的思路, 提出一种变焦零位补偿装置光路设计的方法, 并针对实例使用光学设计软件进行仿真设计实验, 实现使用一套变焦零位补偿装置完成对非对称双面离轴非球面反射镜正反两个面的高精度检测光路设计. 针对设计结果进行公差分析, 分析表明设计满足制造装配精度要求, 验证了该方法的可行性, 为非对称双面离轴非球面反射镜高精度检测提供了一种新思路.
2019, 68 (11): 114202.
doi: 10.7498/aps.68.20190162
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对光学扫描全息术中的双光瞳做出改进, 提出对多图像并行加密和任意层图像再现的新方法. 将其中一个光瞳设置成环形光瞳, 另一个光瞳处插入随机相位板, 干涉形成环形随机相位板, 实现对多层图像的快速扫描和并行加密, 扫描信号通过计算机合成为加密全息图, 在数字全息再现的过程中进行解密, 实现对任意层图像的精准重建. 该方法快捷高效、安全可靠, 抗噪声能力强. 利用相关系数评估了该方法的加密效果, 并通过仿真实验验证了该方法的有效性和安全性.
2019, 68 (11): 114203.
doi: 10.7498/aps.68.20182263
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研究了纳米机械谐振器耦合量子比特系统中的声子阻塞现象. 发现在弱驱动的条件下, 非厄米哈密顿量的所有本征值都等于零时, 出现了强声子反聚束现象. 于是提出了零本征值方法来诱导声子阻塞. 本文详细分析了此方法对声子阻塞的影响, 给出了最佳条件并解释了背后的物理机理. 不同于传统的声子阻塞和非传统的声子阻塞, 不管是强非线性还是弱非线性, 都可以实现声子的反聚束效应.
2019, 68 (11): 114204.
doi: 10.7498/aps.68.20182261
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双波长激光光源在干涉测量、非线性频率变换产生中红外及太赫兹波段相干辐射等方面有重要的应用. 外腔面发射激光器具有输出功率高、光束质量好、发射波长可设计等突出优势, 非常适合用于双波长的产生. 用有源区为In0.185Ga0.815As/GaAs应变多量子阱、设计波长为960 nm, 以及有源区为In0.26Ga0.74As/GaAsP0.02应变多量子阱、设计波长为1080 nm的两块半导体增益芯片, 在一个共线Y型谐振腔中, 获得了激光波长分别为953 nm和1100 nm的双波长输出, 对应光谱线宽为1.1 nm和2.7 nm, 波长间隔147 nm. 室温下, 每块增益芯片的抽运吸收功率均为5.8 W时, 双波长激光器总的输出功率达到293 mW.
2019, 68 (11): 114205.
doi: 10.7498/aps.68.20190178
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高功率光纤激光器的激光输出特性优化, 对进一步提高光纤激光器的输出功率以及实际应用中的切割、加工质量具有重要意义. 斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射是高功率光纤激光器设计中较为关心的输出特性参数. 作为核心器件, 光纤光栅对的参数设计与匹配, 会直接影响到整个激光系统的性能. 本文旨在探究光纤光栅对的参数匹配对激光输出特性的影响, 先是通过理论分析分别阐述了斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射的来源与相互关系; 然后通过实验设计, 采取了两组不同参数光纤光栅对组合, 从实验上分别探究了低反光纤光栅的光谱带宽以及反射率对激光输出特性的影响. 最后得出了光纤光栅对的优化参数与匹配原则, 为提高连续光纤激光器的激光输出特性提供了理论支持与参考价值.
2019, 68 (11): 114206.
doi: 10.7498/aps.68.20182257
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模式不稳定效应已经成为高功率光纤激光器中限制输出功率和光束质量进一步提升的最大障碍. 用不同数值孔径的20/400阶跃折射率分布掺镱光纤搭建了光纤振荡器, 并测量了它们的光光效率和模式不稳定阈值. 实验结果表明, 在同等注入抽运功率和抽运波长为976 nm的前提下, 具有较低数值孔径的光纤尽管光光效率低于高数值孔径光纤的, 但却表现出更高的模式不稳定阈值. 这一结果表明数值孔径对光纤振荡器中的模式不稳定阈值有着显著的影响. 因此, 对于光纤振荡器的模式不稳定抑制而言, 适当地优化降低数值孔径是一个抑制模式不稳定效应, 进一步提升光纤振荡器模式不稳定阈值的方法, 对于进一步提升光纤振荡器的输出功率和光束质量, 有着明显的现实意义.
2019, 68 (11): 114207.
doi: 10.7498/aps.68.20182129
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空分复用(SDM)与波分复用(WDM)的结合有效提升了光纤通信系统的容量, 其中光纤的非线性影响不可忽视. 本文将光纤四波混频作用过程由WDM频域推广到模分复用(MDM)空间域, 第一次给出抽运消耗情形下空频域四波混频的统一解析表达式. 通过数值计算非简并四波混频耦合模方程的幅度和相位演化特性, 验证了解析分析方法的正确性. 讨论了解析解在多波耦合方程简化、大规模并行相位运算器设计以及快速非线性补偿等方面的应用.
编辑推荐
2019, 68 (11): 114208.
doi: 10.7498/aps.68.20182247
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介质膜反射镜是星载激光测高仪系统中不可缺少的薄膜元件, 其面形质量直接影响探测系统测距的分辨率和精度. 本文采用离子束辅助电子束蒸发工艺在石英基底上沉积Ta2O5/SiO2多层反射膜, 并在200—600 ℃的空气中做退火处理. 通过X射线衍射、原子力显微镜、分光光度计及激光干涉仪等测试手段, 系统研究了退火温度对Ta2O5/SiO2多层反射膜结构、光学性能以及应力特性的影响. 结果表明: Ta2O5/SiO2多层反射膜退火后, 膜层结构保持稳定, 膜层表面粗糙度得到有效改善; 反射膜在500—600 ℃退火后, 残余应力由压应力向张应力转变; 采用合适的退火温度可以有效释放Ta2O5/SiO2薄膜的残余应力, 使薄膜与基底构成的介质膜反射镜具有较好的面形精度. 本文的实验结果对退火工艺在介质膜反射镜面形控制技术方面的应用具有重要意义.
2019, 68 (11): 114209.
doi: 10.7498/aps.68.20190381
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设计了一种新型的六重准晶涡旋光光子晶体光纤, 利用矢量有限元分析方法进行了数值模拟. 研究结果表明光纤中模式有效折射率差$ \Delta {n_{{\rm{eff}}}} > {10^{ - 4}}$ , 实现了7个本征矢量模(10个相位涡旋光)的稳定传输, 并以${\rm{H}}{{\rm{E}}_{21}}\normalsize$ 为对象, 对光纤模式的传输特性进行了分析研究. 研究结果表明, 在波段1500—1600 nm内, 涡旋光模式的限制性损耗在10–8—10–7量级, 模场面积保持在40 μm2, 非线性系数在10–3量级. 通过改变光纤中心空气孔的大小, 能够实现特定波段的色散平坦趋势, 当中心空气孔为1.9 μm时, 光纤能够在1500—1800 nm波段保持色散平坦, 色散系数维持在63.51—65.42 ps·nm–1·km–1之间.
2019, 68 (11): 114210.
doi: 10.7498/aps.68.20190111
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基于广义非线性薛定谔方程(对皮秒双曲正割光脉冲在高非线性光纤(highly nonlinear fiber, HNLF)正常色散区传输时尾部非频移分量的演化情况进行了理论研究. 研究结果表明: 交叉相位调制(cross-phase modulation, XPM)和受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)在其演化过程中起主导作用, 而三阶色散对其直接影响较小. 在XPM效应的作用下, 处于脉冲前沿和后沿尾部的非频移分量逐渐减弱, 其光谱分别发生红移和蓝移, 这一过程具有对称性; SRS会加速前沿尾部非频移分量的减弱过程, 而减缓后沿的减弱过程, 这一现象在脉冲峰值功率较高时更为明显. 从脉冲尾部非频移分量演化角度分析了啁啾脉冲在HNLF正常色散区的光谱和波形特性.
2019, 68 (11): 114701.
doi: 10.7498/aps.68.20190063
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随着激光技术的发展, 无衍射光束的应用领域不断拓展. 具有自加速特性的类贝塞尔光束, 能够在保持贝塞尔光束的无衍射性下实现主瓣沿着弯曲轨迹传播. 本文研究基于磁液变形镜来生成弯曲轨迹可控的自加速类贝塞尔光束. 磁液变形镜具有镜面变形幅值大、制造成本低、镜面连续光滑、驱动器易于拓展等优点, 并且克服了传统变形镜驱动器间相对行程较小的缺点, 从而有利于生成理想的锥形面. 首先, 本文通过数学几何分析来预测类贝塞尔光束的弯曲轨迹; 然后再利用磁液变形镜拟合相应面形; 最后, 搭建基于磁液变形镜的自适应光学实验平台来生成沿抛物线轨迹的自加速类贝塞尔光束, 实验结果验证了所建模型以及类贝塞尔光束沿预定抛物线轨迹传播的准确性, 并且通过快速修改参数实现对光束轨迹的微调.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2019, 68 (11): 116101.
doi: 10.7498/aps.68.20190179
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巴黎-爱丁堡压机(Paris-Edinburgh press)可配合中子衍射对物质在高压下的结构变化进行研究. 自20世纪90年代开始, 已在材料学、地学、化学等众多领域得到了广泛应用. 本研究利用巴黎-爱丁堡压机在中国绵阳研究堆(CMRR)的高压中子衍射谱仪(凤凰)上成功开展了高压中子衍射实验. 实验由一台载荷为200 MPa的单缸柱塞泵为巴黎-爱丁堡压机提供加载压力, 并发展了一套与谱仪集成的自动定位系统对样品进行定位. 利用铁作为样品, 分别使用单凹曲面和双凹曲面两种碳化钨(WC)压砧, 成功获得了约10 GPa压力范围内的高压原位中子衍射谱. 实验结果显示, 双凹曲面组装可以稳定地承受100 MPa的负载压力, 而单凹曲面封垫在80 MPa左右的负载压力下就开始不稳定而发生放炮. 研究结果表明, 双凹曲面压砧的凹槽增强了封垫的侧向支撑能力, 使双凹曲面组装比单凹曲面组装具有更好的稳定性. 研究结果对进一步优化巴黎-爱丁堡压机的压砧及封垫具有重要的指导意义.
2019, 68 (11): 116102.
doi: 10.7498/aps.68.20190209
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基于密度泛函理论, 利用Gaussian09程序包, 通过Opt + Freq优化结构, 以B3LYP/6-311g基组对4-(trans-4-n-alkylcyclohexyl) isothiocyanatobenzenes (CHBT) 16种液晶分子在0.1—5.0 THz波段的吸收进行研究, 提出了通过考察分子转动惯量和质量重心偏移对太赫兹吸收的影响方法. 计算结果表明, 随着分子烷基链上碳原子数目增加, 分子的转动惯量和重心的偏移将对太赫兹波的吸收产生影响. 在0.1—5.0 THz波段, 3—7个碳原子的分子吸收相对较强. 以此为参照, 减少和增加烷基链上的碳原子数目都会降低分子对太赫兹波的吸收. 在0.3—3.0 THz范围内, 将计算结果与10种有实验数据的分子进行了对比. 结果发现, 低频波段计算结果与实验测量相比存在差异, 其中吸收峰位置的差异可能来源于氢键. 比较吸收强度的相对大小值, 发现实验测量与计算结果较为一致, 表明吸收强度来源于偶极子振动、转动吸收, 展现了计算模拟的积极意义. 研究结果可对相关分子的设计与合成提供有用的建议.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2019, 68 (11): 117101.
doi: 10.7498/aps.68.20190037
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研究了Rashba自旋轨道耦合作用下的二维无限长条形样品中的电子输运, 计算了样品的霍尔电导和纵向电阻, 得到了完整的整数量子霍尔效应. 在一定强磁场范围内, 由于样品两边缘的限制, 能级在大波矢范围快速上升, 在小波矢范围形成平坦的朗道能级. 强磁场下自旋轨道耦合完全解除自旋简并. 位于朗道能级上升和下降区域的电子形成传输电流. 计算结果表明, 霍尔电导呈现台阶型, 平台出现在e2/h的整数倍位置, 形成霍尔平台. 温度对霍尔平台的电导有一定影响. 在某临界温度以下, 霍尔平台电导可以达到10–9以上的精度. 最后分析了声子发射和吸收产生整数量子霍尔效应的纵向电阻的机制, 近似计算了弛豫时间, 得到了纵向电阻. 结果表明, 纵向电阻在霍尔平台区域为零, 而在霍尔平台之间出现峰值.
2019, 68 (11): 117201.
doi: 10.7498/aps.68.20190247
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采用两步固相法合成了物相均匀的Mg2(1–x)Ag2xSi0.3Sn0.7 (x = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)和Mg2(1–y)Li2ySi0.3Sn0.7 (y = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08)热电材料, 测试了室温物理性能和室温至773 K的热电性能, 研究了不同掺杂剂的固溶度、微观结构、载流子浓度、电性能和热输运. X射线衍射图谱和扫描电子显微镜图像显示掺杂Ag和Li的固溶度分别为x = 0.03和y = 0.06. 根据单抛物线模型, p型的Mg2(1–x)Ag2xSi0.3Sn0.7和Mg2(1–y)Li2ySi0.3Sn0.7的有效质量为1.2m0. 对比结果表明: 掺杂Ag或Li的最大载流子浓度分别达到4.64 × 1019 cm–3和15.1 × 1019 cm–3; 掺杂Li元素的样品有较高的固溶度、较高的载流子浓度和较高的功率因子PF约为1.62 × 10–3 W·m–1·K–2; 掺杂Li元素样品中较高的载流子浓度能够有效抑制双极效应, 显著降低双极热导率; Mg1.92Li0.08Si0.3Sn0.7的最大ZT值0.54, 比Mg1.9Ag0.1Si0.3Sn0.7的最大ZT值0.34提高了大约58%. 根据Callaway理论, 由于质量场波动和应变场波动增强声子散射, 掺杂Ag和Li元素样品的晶格热导率比未掺杂样品明显降低.
封面文章
2019, 68 (11): 117301.
doi: 10.7498/aps.68.20190317
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InAs/GaAs量子点是重要的单光子源, 位置可控量子点对实现可寻址易集成的高性能量子点光源具有重要意义. 本文详细研究了氢原子条件下GaAs (001)图形衬底的低温脱氧过程, 低温GaAs缓冲层生长中沟槽形貌的演化过程, 以及沟槽形貌对量子点形核位置的影响. 发现GaAs衬底上纳米沟槽侧壁的倾斜角较小时, InAs量子点会优先生长于沟槽底部; 当沟槽的侧壁倾斜角较大时, InAs量子点则会优先生长于沟槽两侧的外边沿位置. 此外, 本文还研究了纳米孔洞侧壁的倾斜角对量子点成核位置的影响, 实现了双量子点分子和四量子点分子的定位生长.
2019, 68 (11): 117801.
doi: 10.7498/aps.68.20190267
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电磁波的极化调控在卫星通信、雷达探测以及立体显示成像等领域有重要的应用价值, 探索易于加工、转换效率高、工作频带宽的高性能极化转换器具有重要的研究意义. 本文提出了一种基于方形开口环超构表面的线性极化转换器, 该转换器具有各向异性特点, 反射电场沿两个对角线方向的分量振幅相等, 相位相差180°, 导致在反射模式下能够将入射波的极化方向旋转90°. 实验测试结果表明, 在7.12—18.82 GHz频带范围内极化转换率高于90%, 相对带宽达到90%. 频带的显著拓宽基于四个谐振频点, 每个谐振频点的转换效率都接近100%. 实验结果与模拟结果相符合, 验证了提出的超构表面可以在较宽的频带范围内实现电磁波的90°极化旋转.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2019, 68 (11): 118101.
doi: 10.7498/aps.68.20182195
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研究Fe-N体系晶相转变(相变)规律对于高效合成高自旋极化率的γ'-Fe4N薄膜材料非常重要. 利用同步热分析(TG-DSC)研究了氮化铁薄膜的相变规律. TG-DSC的结果显示, 在10 ℃/min的升温速率下, γ''-FeN薄膜在常温到800 ℃之间共有5次相变, 分别为I, γ''-FeN→ξ-Fe2N; II, ξ-Fe2N→ε-Fe3N; III, ε-Fe3N→γ'-Fe4N; IV, γ'-Fe4N→γ-Fe; 以及V, γ-Fe→α-Fe. 利用真空退火技术有效调控了氮化铁薄膜的晶相. X-射线衍射测试结果显示, 直接在纯氮气中溅射得到的氮化铁薄膜是单相的γ''-FeN, 经350, 380和430 ℃退火可分别获得单相的ξ-Fe2N, ε-Fe3N和γ'-Fe4N. 研究了氮化铁薄膜的磁学性能. 振动样品磁强计测试结果显示, γ'-Fe4N薄膜在面内/面外表现出明显的磁各向异性, 属于典型的磁形状各向异性.
2019, 68 (11): 118102.
doi: 10.7498/aps.68.20182242
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还原氧化石墨烯由于独特的原子结构, 作为气体检测领域有潜力的候选者引起了研究者们的广泛兴趣. 本文采用水合肼作为还原剂来制备还原氧化石墨烯, 并以此作为叉指电极的气体敏感层, 研究了其对NO2气体的响应特性. 结果表明, 水合肼还原的氧化石墨烯可以实现在室温下对浓度为1—40 ppm (1 ppm = 10–6)的NO2气体的检测, 具有较好的响应性和重复性, 恢复率可以达到71%以上, 但是灵敏度只有0.00201 ppm–1, 还有较大的提升空间. 此外, 对浓度5 ppm的NO2的响应和恢复时间分别是319 s和776 s. 水合肼还原的氧化石墨烯气体传感器的传感机制可归因于NO2分子和传感材料之间的电荷转移. 还原氧化石墨烯的突出电学特性促进了电子转移过程, 这使得传感器在室温下表现出优异的气体传感性能. 本实验研究可为石墨烯基传感器件的应用奠定一定的基础.
2019, 68 (11): 118501.
doi: 10.7498/aps.68.20190167
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通过对电流偏置超导约瑟夫森结的微波驱动行为的研究, 提出了一个确定约瑟夫森结微波耗散的方法. 结的微波耗散由它的品质因子描述. 微波耗散严重影响约瑟夫森器件如参量放大器、超导量子比特等的性能. 对电流偏置的约瑟夫森结势阱采用四阶近似后, 可以得到在较强微波驱动下约瑟夫森结非线性微波响应方程. 该方程定量描述了非线性共振频率随外加微波功率变化关系: 非线性共振频率与结等离子频率的差别依赖于约瑟夫森结的微波品质因子. 对电流偏置的约瑟夫森结的微波运动行为进行了数值模拟. 模拟结果确证了微波品质因子与非线性共振频率-等离子频率差别的定量关系可以应用于约瑟夫森结中. 用这种非线性频率响应方法来确定约瑟夫森结的微波耗散没有严格的温度要求, 可在单个电流偏置的结中完成, 实验上具有简单可靠性.
2019, 68 (11): 118701.
doi: 10.7498/aps.68.20182245
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相较于传统的$\gamma$ 射线的成像系统, 康普顿相机的高效率优势使其在重离子放疗的实时监测中极具潜力. 中科院近代物理研究所已经建成一座具有完全知识产权的重离子治癌示范装置, 且正在进行全国范围的推广. 鉴于重离子治癌的广阔前景, 本工作对康普顿相机的成像分辨本领进行了分析和Geant 4模拟, 并根据反投影算法进行了图像重建. 分析及模拟结果显示, 当探测单元的位置分辨为2 mm, 其导致的成像分辨与能量分辨为5%时导致的成像分辨相差约10%. 对于几百keV的$\gamma$ 射线, 探测器的相对能量分辨很容易好于1.0%. 因此, 相较于能量分辨, 探测晶体单元的位置分辨本领对重建图像的质量起主导作用.
2019, 68 (11): 118901.
doi: 10.7498/aps.68.20190230
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网络的电输运性能优化, 不仅有助于理解网络的结构与功能关系, 而且对于提升电气工程技术也有着非常重要的意义. 从信息的角度看待网络, 寻求影响网络电输运性能的信息结构测度是解决这一问题的有效途径. 最近的研究表明, 复杂网络的通信序列熵可以有效地量化网络的整体结构信息. 本文将探讨其表征网络电输运性能的能力, 其中主要研究了小世界网络、无标度网络、关联无标度网络、 社团网络以及IEEE57等节点网络的通信序列熵和电输运性能之间的关联特性. 研究结果表明, 对于以上这些网络, 它们的电输运性能是关于通信序列熵的单调递增函数, 与通信序列熵成正关联特性. 该规律的发现为设计高传输效率的电力网络提供了一个有效的策略, 即可以通过提高网络的通信序列熵来优化其电输运性能.
2019, 68 (11): 118902.
doi: 10.7498/aps.68.20182254
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社会舆论的形成是个体行为及其关联与社会环境影响共同作用的结果. 在受到环境因素影响的同时, 个体行为也反过来影响社会环境, 从而呈现出耦合演化的特点. 本文在Ising模型的基础上, 建立了一个包含社会张力累积和消解过程的舆论形成模型, 研究了个体行为和社会环境的耦合演化行为. 利用朗道的平均场理论, 重点分析了在不同舆论疏解系数下系统演化的定态解及其稳定性, 以及系统定态解随参数变化的分支行为. 同时使用计算机模拟方法对平均场理论的结果进行了印证. 研究结果表明, 将系统与环境的耦合演化机制加入Ising模型后, 系统会展现出一定的自组织特性. 当疏解系数较小时, 系统会出现不同程度上的整体一致舆论, 产生宏观有序状态; 当疏解系数较大时, 系统则稳定在无序状态. 同时, 存在一个临界参数, 使系统从任何初始状态出发均自发演化到临界的分支点状态.
