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Vol. 65, No. 19 (2016)

2016年10月05日
总论 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对自由空间量子通信性能的影响
聂敏, 任家明, 杨光, 张美玲, 裴昌幸
2016, 65 (19): 190301. doi: 10.7498/aps.65.190301
摘要 +
当量子光信号在自由空间中传输时,不可避免地会穿过大气,而存在于大气的气溶胶的光散射与吸收必然会影响量子光信号的传输.本文根据气溶胶粒子谱分布及其消光系数,提出了圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子与链路衰减、量子纠缠度的关系;分析了大气相对湿度与量子纠缠度、保真度的定量关系.仿真结果表明,圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子对链路的衰减程度依次递增;随着圆柱形、椭球形粒子的取向比和Chebyshev粒子的等效半径的增加,纠缠度呈不同的变化趋势;当大气相对湿度为0.2和0.9时,纠缠度和保真度分别为0.72,0.32和0.75,0.22.由此可见,非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对量子通信系统的性能影响极大.所以,在实际的量子通信系统中,应根据不同非球形气溶胶粒子和大气相对湿度,自适应调整系统的各项参数,以提高量子通信的可靠性.

编辑推荐

基于振幅-周期二维特征的脑电样本熵分析
郭家梁, 钟宁, 马小萌, 张明辉, 周海燕
2016, 65 (19): 190501. doi: 10.7498/aps.65.190501
摘要 +
样本熵可以有效反映一维时间序列中新模式的生成概率,但缺乏对二维序列复杂度的表征能力.基于对传统样本熵方法的改进,提出一种在振幅-周期二维空间描述波形复杂度的方法,二维样本熵反映了波形振动在振幅-周期空间中新模式的生成概率.通过仿真实验证明了这种方法描述波形复杂度的有效性,当波形的复杂度特征表现为振幅-周期的交互作用时,二维样本熵对复杂度的描述比一维条件下的样本熵更加有效.基于二维样本熵对抑郁症组和对照组的脑电复杂度进行分析,结果表明,抑郁症组在Alpha频段左侧顶区和左侧枕区的二维样本熵显著低于对照组,表明在上述频段和位置,抑郁症患者脑电中新模式的生成概率显著低于正常人,这一特征可能成为抑郁症的潜在生物标记.
基于忆阻器反馈的Lorenz超混沌系统及其电路实现
阮静雅, 孙克辉, 牟俊
2016, 65 (19): 190502. doi: 10.7498/aps.65.190502
摘要 +
采用二次型磁控忆阻器作为系统的正反馈项,设计了一个超混沌电路,建立了该系统的无量纲数学模型,探讨了忆阻器混沌系统与原混沌系统的不同之处.分析了系统的平衡点集和稳定性,发现系统继承了原系统的对称性,确定了系统参数所对应的稳定和不稳定区域分布,得到了系统的稳定和不稳定平衡点集.采用分岔图、Lyapunov指数谱、Poincar截面等分析方法,研究了系统的动力学行为随系统参数和忆阻器初始状态而变化的情况,观察到了混沌系统随忆阻器初值不同引起的吸引子共存和状态转移现象,结合相图与谱熵算法分析了状态转移现象.设计并实现了该系统的模拟电子电路,实验结果表明,电路实验结果与数值仿真结果相吻合,为忆阻器混沌电路的实际应用奠定了基础.
基于椭圆腔共振的石英增强光声光谱理论研究
赵彦东, 方勇华, 李扬裕, 吴军, 李大成, 崔方晓, 刘家祥, 王安静
2016, 65 (19): 190701. doi: 10.7498/aps.65.190701
摘要 +
石英增强光声光谱技术作为一种新型的光学检测技术,已被广泛应用于痕量气体检测场合.其中声波共振增强性能是决定检测灵敏度的重要因素.为提高光声光谱检测系统的信噪比和检测极限,提出一种新型的椭圆腔共振石英增强光声光谱检测方法,建立了其声学特征模型并利用有限元分析方法对光声腔内部声学特性进行仿真研究.研究结果表明,椭圆腔的特征模态在(2,1)模态下长轴两端声压达到最大值.通过对椭圆腔的尺寸和形状进行优化,建立实验装置,得到目标气体硫化氢检测极限为6.3 ppm(parts per million),相应的归一化噪声等效吸收系数为2.0210-9cm-1W/Hz1/2.
核物理学
用重正交化Lanczos法求解大型非正交归一基稀疏矩阵的特征值问题
焦宝宝
2016, 65 (19): 192101. doi: 10.7498/aps.65.192101
摘要 +
在116Sn原子核壳模型结构下,利用广义辛弱数截断多体空间得到的哈密顿矩阵是一个大型的实对称非正交归一基稀疏矩阵,因此求解大型矩阵的能量特征值和能量特征向量是原子核物理上的一个重要问题.为此,利用重正交化Lanczos法与Cholesky分解法和Elementary transformation法相结合的方法,实现了用内存较小的计算机求解大型实对称非正交归一基稀疏矩阵的特征值和特征向量.用这种方法计算小型矩阵得到的特征值和精确值符合得较好,且运用这个方法计算了116Sn壳模型截断后的大型非正交归一基稀疏矩阵的能量特征值,得到的原子核低态能量与实验测量能量相吻合,计算结果表明Lanczos法在Matlab编程和大型壳模型计算中的精确性和可行性.此方法也有助于求解一些中质核或者重核的低态能量,同时也有利于用内存稍大的计算机求解更大的非正交归一基矩阵的特征值问题.
原子和分子物理学
氟利昂F114B2分子在飞秒紫外辐射下的解离动力学
刘玉柱, 邓绪兰, 李帅, 管跃, 李静, 龙金友, 张冰
2016, 65 (19): 193301. doi: 10.7498/aps.65.193301
摘要 +
含氟利昂在内的卤代烷烃在太阳光辐射下解离生成破坏臭氧的游离态卤素原子,是破坏大气臭氧层的主要元凶.利用飞秒激光技术结合飞行时间质谱以及离子速度成像探测技术研究了氟利昂F114B2(四氟二溴乙烷)分子在267 nm飞秒激光辐射作用下的多光子电离解离动力学.利用飞行时间质谱技术,得到了四氟二溴乙烷在267 nm飞秒激光脉冲作用下发生多光子解离产生的质谱,发现三个主要碎片离子C2F4Br+,C2F4+,和CF2Br+,分别对应了三种主要的解离机理:1)单个CBr键断裂C2F4Br2+C2F4Br++Br;2)两个CBr键断裂C2F4Br2+C2F4++2Br;3)CC键断裂C2F4Br2+CF2Br++CF2Br.实验采用离子速度成像技术对最主要的碎片离子C2F4Br+进行成像,发现该碎片离子的动能分布可由三个高斯分布曲线拟合,说明单个CBr键断裂机理对应于三种解离通道.通过影像进一步分析还得到了三个通道的平动能和角分布各向异性参数等详尽的动力学信息.通过密度泛函理论计算对解离动力学进行了进一步的分析和讨论.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于胶囊内窥镜的胃部肿瘤检测方法
陈功, 张业荣
2016, 65 (19): 194101. doi: 10.7498/aps.65.194101
摘要 +
为准确快速地检测胃部肿瘤,提出将信号发射源放置于胶囊内窥镜中,运用时域有限差分法建立胃部的全电磁场模拟模型.首先通过该电磁场模型产生精确的人体胃部雷达数据,然后将雷达仿真数据代入BP(后向投影)算法中进行电磁逆散射计算成像.成像算法必须考虑人体中各个组织器官对电磁波传播的影响:电磁波在穿越人体时会有反射、折射和漫射现象,传播速率减慢,所携带的能量也有所减弱,这些因素最终会导致像的偏移,乃至产生虚像.通过迭代法算出准确的电磁波传播路径,对成像算法中的时间元素进行修正,可以有效地抑制像的偏移.结果证明:基于胶囊内窥镜的超宽带雷达能准确地呈现二维胃部模型中的肿瘤的位置和尺寸.
基于残差矩阵估计的稀疏表示目标跟踪算法
陈典兵, 朱明, 高文, 王慧利, 杨航
2016, 65 (19): 194201. doi: 10.7498/aps.65.194201
摘要 +
基于稀疏表示的目标跟踪算法多数利用稀疏系数计算目标位置信息,而忽略了稀疏表示过程中的残差所包含的信息.因此,本文设计了一种基于残差矩阵估计的跟踪模型.该模型在粒子滤波的框架下利用L1范数分别约束稀疏表示系数与残差矩阵,并且利用L2范数建立残差矩阵与观测模型之间的联系.本文给出了相应求解模型的表示系数与残差矩阵的迭代算法,并利用残差矩阵更新模板字典.相比应用稀疏系数的跟踪算法,本文算法考虑了残差矩阵对跟踪结果的影响,使得算法对于候选目标的评估更加精确,同时在模板更新部分引入残差矩阵,使得字典能够更好地描述目标的变化.实验数据表明,本文算法优于现今主流算法.
Sagnac光纤环制备并分离简并关联光子对的实验研究
杨磊, 刘楠楠, 李小英
2016, 65 (19): 194202. doi: 10.7498/aps.65.194202
摘要 +
光纤中自发四波混频过程产生的频率简并关联光子对是实现量子信息处理和高精密测量的重要资源.Sagnac光纤环是制备简并关联光子对的典型装置,利用环中的对向传播光子对在50/50分束器的量子干涉,实现两个孪生简并关联光子的空间分离.本文利用两束不同波长的脉冲光抽运由300 m色散位移光纤和50/50分束器组成的Sagnac光纤环,通过环中单模光纤色散引入的相位差控制光子对的对向传播相位差,获取了空间模式分离的窄带简并关联光子对.
相干态和压缩真空态的自适应最优估计方法
陈坤, 陈树新, 吴德伟, 杨春燕, 王希, 李响, 吴昊, 刘卓崴
2016, 65 (19): 194203. doi: 10.7498/aps.65.194203
摘要 +
针对文献[物理学报65 054203]中量子零拍探测技术测量的输出相位精度与相位自身相关,且对本振光、压缩真空光和相干光的相位有严格要求,在理论上设计了一种相干态和压缩真空态的自适应最优估计方法.首先以纯态的方法推导得到相干态和压缩真空态的量子费舍尔信息,sinh2r+||2e2r.设计了一组能使估计误差达到量子Cramer-Rao下界的最优半正定算子值测量算子,但该测量算子需要精确已知所要估计的相位参数.为此,引入了一种自适应估计方法,通过不断更新测量算子和概率函数,利用最大似然估计器逐渐得到相位参数.经理论证明,该方法能以概率1收敛于相位真值,且能达到量子Cramer-Rao下界.
动态光子晶体环境下二能级原子自发辐射场及频谱的特性
邢容, 谢双媛, 许静平, 羊亚平
2016, 65 (19): 194204. doi: 10.7498/aps.65.194204
摘要 +
研究了光子晶体能带带边频率受到阶跃调制和三角函数周期调制两种情况下原子自发辐射场强度随时间的演化特性以及频谱的特性.阶跃调制时,调制发生后原子辐射的局域场的频率以及非局域场的构成情况都只取决于原子的跃迁频率和此时的带边频率,且都与具有相同参数条件的静态情形下的相同.调制发生时刻对自发辐射场的稳态强度有影响.三角函数周期调制时,辐射场强度在足够长时间后随时间做有衰减的准周期振荡.调制频率决定了准周期振荡的频率,并对衰减率有影响.辐射场能量在一组相邻间隔近似等于调制频率的离散频率附近形成尖锐峰值,它们的中心频率值取决于带边频率的取值范围和原子的跃迁频率,调制初相位会影响初始一段时间的辐射场强度以及辐射谱上连续谱成分的强弱.
基于双回音壁模式腔光力学系统的光学传播特性和超高分辨率光学质量传感
陈华俊, 方贤文, 陈昌兆, 李洋
2016, 65 (19): 194205. doi: 10.7498/aps.65.194205
摘要 +
研究基于双回音壁模式腔光力学系统中的相干光学传播特性,通过控制该系统中两腔之间的耦合,证明了基于光力诱导透明的慢光效应.该系统中的腔-腔耦合起着关键作用,提供了一个量子通道并影响透明窗口的宽度.基于该系统理论上提出一种光学质量传感方案.通过检测探测吸收谱中由于额外质量引起的机械共振频移可直接测出沉积在回音壁腔表面上的额外纳米颗粒的质量.与单腔光力学质量传感相比,多模式光力学系统中腔-腔耦合显著提高了质量传感的分辨率.双回音壁模式光力学系统将在光学存储和超高分辨率质量传感器件上有着潜在应用.
160W端面抽运正支混合腔板条激光器的研究
苑佳华, 张恒利, 毛叶飞, 郝相龙, 邢冀川, 辛建国
2016, 65 (19): 194206. doi: 10.7498/aps.65.194206
摘要 +
研究了LD端面抽运Nd:YVO4板条晶体正支混合腔Innoslab结构的激光器.利用Innoslab激光器的功率升级简单的优点,采用尺寸为22 mm10 mm1 mm的大块Nd:YVO4晶体,最终在抽运功率为462 W时,获得最大功率为160 W的连续激光输出,功率波动为2.6%,光-光转换效率和斜效率分别为41.5%和47.7%.在输出功率为145 W时,测得光束质量在稳腔和非稳腔方向上分别为2.21和1.37.
基于偏振旋转耦合1550 nm垂直腔面发射激光器环形系统产生多路高质量混沌信号
杨峰, 唐曦, 钟祝强, 夏光琼, 吴正茂
2016, 65 (19): 194207. doi: 10.7498/aps.65.194207
摘要 +
提出了一种基于三个单向偏振旋转耦合1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)构成的环形系统获取多路高质量混沌信号的方案.利用自旋反转模型,数值研究了该环形系统中三个VCSELs的偏振分辨非线性动力学特性;利用自相关和互信息方法讨论了注入强度和频率失谐对三个VCSELs中各偏振分量输出时间序列的时延特征(TDS)的影响.研究结果表明:通过选择合适的注入强度和频率失谐,三个VCSELs均可同时输出X-偏振分量(X-PC)和Y-偏振分量(Y-PC)的平均功率可比拟的混沌信号,而且这些混沌信号的TDS通过进一步优化耦合参数可得到较好的抑制.在此基础上,进一步对三个VCSELs输出的六路混沌信号之间的相关性进行了分析,给出了除同一VCSEL输出的X-PC与Y-PC之间存在较强的相关性外其他信号之前关联性较弱的参数范围.
203W全光纤全保偏结构皮秒掺铥光纤激光器
刘江, 刘晨, 师红星, 王璞
2016, 65 (19): 194208. doi: 10.7498/aps.65.194208
摘要 +
利用光纤布拉格光栅作为光谱滤波器来控制锁模掺铥光纤激光器的光谱形状和脉冲宽度,以及结合纤芯抽运高掺杂双包层掺铥光纤技术,实现了2m波段重复频率为611.5 MHz的皮秒脉冲激光输出.利用该高重复频率皮秒激光作为种子源,结合主振荡功率放大技术,研制出了百瓦量级全光纤全保偏结构皮秒脉冲掺铥光纤激光放大系统,得到了平均功率为203 W的线偏振皮秒脉冲激光输出,偏振消光比15 dB,激光脉冲宽度为15 ps,相应的激光峰值功率为22 kW.该结果为目前国际上2m波段全光纤结构超短脉冲激光器所产生的最高平均输出功率,为下一步25m波段高功率中红外激光的产生提供了可靠的抽运源.
342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器
刘江, 刘晨, 师红星, 王璞
2016, 65 (19): 194209. doi: 10.7498/aps.65.194209
摘要 +
报道了一个全光纤主振荡功率放大结构的窄线宽连续掺铥光纤激光器,该激光器由窄线宽连续掺铥光纤激光种子源和两级包层抽运掺铥光纤放大器组成.自制的窄线宽掺铥光纤激光种子源经过两级高功率包层抽运掺铥光纤放大器之后,最高平均输出功率为342 W,掺铥光纤功率放大器的斜率效率为56%,输出激光的中心波长为2000.3 nm,3 dB光谱带宽仅为90 pm.在放大过程中,功率放大器的反向监测端没有观察到受激布里渊散射效应,输出功率仅受限于当前可用的793 nm半导体抽运源的功率.据我们所知,该结果为目前国际上2m波段全光纤结构窄线宽激光器所产生的最高输出功率.
像散飞秒贝塞尔光在石英玻璃中刻写双芯光波导的研究
刘莎, 李亚飞, 蔡先勇, 张楠
2016, 65 (19): 194210. doi: 10.7498/aps.65.194210
摘要 +
利用角锥棱镜将准直飞秒高斯光束转变为飞秒贝塞尔光束,利用飞秒贝塞尔光束在石英玻璃样品中刻写了单芯和双芯光波导.实验中首先使用无像散的脉宽50 fs的贝塞尔激光脉冲在石英玻璃中刻写出单芯光波导,研究了波导直径和折射率改变量随激光脉冲能量和脉冲个数的变化关系.通过旋转角锥棱镜,在飞秒贝塞尔光束中引入像散,利用像散飞秒贝塞尔光束在石英玻璃中刻写了双芯光波导.实验发现,当角锥棱镜的转角为1时,可以制备出双芯间距仅为5.6m的双芯光波导.当双芯波导沿某一方向移动时,在近场可观察到从双芯输出的光强出现周期性的亮暗变化,这应是由双芯间距较小导致的.当角锥棱镜的转角增大至3和5时,制备的波导双芯之间的间距分别增大至9.1m和16.1m,此时没有观察到双芯光强随位置改变的往复变化.本文刻写的双芯光波导可用作高灵敏度差分位移传感器(可探测的最小位移小于3m).与传统的单芯波导的位移传感器相比,双芯波导差分位移传感器一方面大幅提高了探测的灵敏度和信噪比;另一方面也降低了高灵敏度位移传感器的装配难度.
I类自发参量下转换相关光子圆环的时间相关特性研究
刘岩, 李健军, 高冬阳, 翟文超, 胡友勃, 郭园园, 夏茂鹏, 郑小兵
2016, 65 (19): 194211. doi: 10.7498/aps.65.194211
摘要 +
基于自发参量下转换产生相关光子的定标方法具有基于客观物理效应、无需溯源的优点,有望成为未来光辐射定标技术发展的新趋势.目前利用该技术定标光子计数型探测器的最低不确定度为0.18%,仍有进一步提高定标精度的潜力.由于相关光子圆环具有高光子速率特性,能够显著提高定标过程中信号光和空闲光的光子速率.为了提高该方法定标精度及利用相关光子定标模拟探测器,研究相关光子圆环的时间相关特性具有非常重要的意义.本文理论计算了I类自发参量下转换产生的宽谱段相关光子圆环出射角度的空间分布,使用ZEMAX光学设计软件设计了用于接收宽谱段(4501000 nm)相关光子圆环并能够滤除抽运光的光学系统,利用微光相机拍摄到了光学系统接收的430860 nm波段的相关光子圆环;搭建了双通道相关光子圆环时间相关特性测量系统,观测到了1 mW连续激光器抽运非线性晶体产生的685 nm和736.89 nm波段相关光子圆环对具有明显的符合峰现象,从实验上验证了I类自发参量下转换产生的相关光子圆环具有时间相关特性.
空芯光子带隙光纤色散特性的实验研究
王鑫, 娄淑琴, 廉正刚
2016, 65 (19): 194212. doi: 10.7498/aps.65.194212
摘要 +
针对空芯光子带隙光纤宽带宽、高效率、高精度的色散测量需求,本文基于干涉法,提出一种适用于测量空芯光子带隙光纤宽带色散的相位提取方法,建立了基于Mach-Zehnder干涉仪的色散测量系统,开展了空芯光子带隙光纤(HC-PBGF)色散特性的实验研究,重点对研制的19 cell HC-PBGF的色散特性进行了系统的实验研究.实际测量得到19 cell HC-PBGF在14001630 nm带宽范围内的基模色散曲线,开展了HC-PBGF的高阶模色散测量研究,测量得到了19 cell HC-PBGF四条高阶模色散曲线.实验测量结果与理论仿真结果吻合,研究成果为深入探究空芯光子带隙光纤的色散特性,推进其在高功率激光脉冲传输、大容量数据通信、光纤非线性等领域的应用具有重要意义.
复合圆管界面特性对周向超声导波二次谐波发生效应的影响分析
李明亮, 邓明晰, 高广健
2016, 65 (19): 194301. doi: 10.7498/aps.65.194301
摘要 +
研究了复合圆管的管间界面特性对周向超声导波二次谐波发生效应所产生的影响.在二阶微扰近似条件下,将周向超声导波传播过程中的非线性效应视为其线性波动响应的一个二阶微扰.采用界面弹簧模型对复合圆管的管间界面特性进行描述.根据导波的模式展开分析方法,伴随基频周向超声导波传播所发生的二次谐波可视为由一系列二倍频周向导波模式叠加而成.管间界面特性的变化可从多个方面对二倍频周向导波模式的展开系数及声场产生影响,尤其是界面特性的变化所引起的周向超声导波相速度的改变,将显著地影响到二次谐波随传播周向角的积累增长程度.理论及数值分析结果表明,周向超声导波的二次谐波发生效应随管间界面特性的改变而发生非常敏感的变化,可将其用于准确定征复合圆管的管间界面性质.
无限薄平板边界层前缘感受性过程的数值研究
陆昌根, 沈露予
2016, 65 (19): 194701. doi: 10.7498/aps.65.194701
摘要 +
在边界层流中层流向湍流转捩机理的研究一直是人们所关注的重要理论课题之一.感受性阶段是边界层内整个转捩过程中的初始阶段,它在层流向湍流转捩过程中起着关键性的作用.但是,在过去的边界层前缘感受性研究中大多数都是针对外部声波小扰动,很少见到考虑在自由流中普遍存在的自由来流湍流作用下边界层内诱导前缘感受性问题的相关报道.本文采用直接数值模拟的方法,研究自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中前缘感受性过程的内在机理.数值结果发现,在自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中能被感受出一组小扰动波,且它们的色散关系、增长率、中性曲线等结果都与流动稳定性中的线性理论获得的理论解相一致,由此可知在边界层内被激发产生的一组小扰动波就是Tollmien-Schlichting波,这也证明自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动相互作用是激发边界层流中前缘感受性过程的另一种物理机理;另外,还探讨了自由来流湍流度以及自由来流湍流的运动方向对无限薄平板边界层前缘感受性过程有何影响等.总之,开展边界层前缘感受性过程的深入研究,有益于完善流动稳定性理论,将为层流向湍流转捩过程的预测提供合理的理论依据.
布朗运动和湍流扩散作用下槽流中纤维悬浮流动特性的研究
夏懿, 库晓珂, 沈苏华
2016, 65 (19): 194702. doi: 10.7498/aps.65.194702
摘要 +
为了探讨槽道中纤维悬浮湍流场特性,本文对修正的雷诺平均纳维-斯托克斯方程、含纤维项的湍动能和耗散率方程、纤维动力学方程以及纤维取向概率密度函数方程进行了数值研究,同时进行了相关实验以验证计算结果.研究结果表明,流场中尤其是近壁区域,纤维取向趋向于与流动方向一致,且该现象随着雷诺数和纤维浓度的减小以及纤维长径比的增大而更为明显.纤维在槽道中分布不均匀,但随着雷诺数的增大和纤维长径比的减小趋于均匀.相对于单相流,纤维悬浮流的流向平均速度剖面更陡峭,且剖面斜率随着纤维浓度、长径比的增大以及雷诺数的减小而变大,纤维的存在使湍流场的湍动能和雷诺应力减小,且减小程度随着纤维浓度和长径比的增大以及雷诺数的减小而增加.流场中的第一法向应力差小于0.05且远小于剪切应力.从壁面到中心,剪切应力增加而第一法向应力差减小.剪切应力和第一法向应力差都随着纤维浓度和长径比的增大而增大.随着雷诺数的增大,剪切应力增大而第一法向应力差减小.纤维浓度对于剪切应力和第一法向应力差的影响比纤维长径比更显著.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

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双层石墨烯在栅压调控下的各向异性刻蚀
王国乐, 谢立, 陈鹏, 杨蓉, 时东霞, 张广宇
2016, 65 (19): 196101. doi: 10.7498/aps.65.196101
摘要 +
石墨烯纳米结构在纳电子学研究领域表现出了良好的应用前景.氢等离子体各向异性刻蚀技术是加工石墨烯精细纳米结构的关键技术之一,可以实现10 nm以下平整的锯齿型石墨烯纳米带的可控加工.本文系统研究了外加电场对石墨烯各向异性刻蚀效应的影响,利用外加栅压实现了氧化硅衬底上的双层石墨烯各向异性刻蚀速率的调控.在30 V栅压变化范围内,刻蚀速率比可达45.由此不仅可以提高大批量加工石墨烯纳米结构的效率,还可以实现5 nm以下极小尺寸石墨烯纳米带的可控加工.研究结果为石墨烯精细纳米结构器件的高效批量加工提供了思路.

编辑推荐

钽、铁、钨三种体心立方金属裂纹的多尺度模拟及韧脆性分析
杜浩, 倪玉山
2016, 65 (19): 196201. doi: 10.7498/aps.65.196201
摘要 +
采用多尺度准连续介质法计算模拟了钽、铁、钨三种体心立方(body-centered-cubic,BCC)金属的I型裂纹断裂过程.观察了加载过程中裂纹尖端区域原子的位错、孪晶等塑性变形现象,以及裂纹的脆性开裂和扩展现象.模拟结果表明,不同BCC金属材料的裂纹在相同的加载下有不同韧脆性表现.在一定变形范围内,钽裂纹主要表现出的是裂纹尖端附近区域原子的位错和形变孪晶等塑性变形现象;铁裂纹在变形过程中先后表现出了塑性变形和脆性扩展现象,与实验结果吻合;钨裂纹在变形过程中则主要变现出脆性扩展现象.计算了三种金属材料的广义层错能曲线,得到其不稳定层错能;并分别用两种不同的韧脆性准则,对三种材料断裂模型的韧脆性行为进行分析,计算分析结果与模拟结果一致,从而验证了模拟结果的正确性.
基于聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料微观结构的力学性能模拟
李丽丽, 张晓虹, 王玉龙, 国家辉, 张双
2016, 65 (19): 196202. doi: 10.7498/aps.65.196202
摘要 +
模拟分子的结构与行为有助于更深刻地分析聚乙烯/蒙脱土(PE/MMT)纳米复合材料力学性能变化的微观机理.为此,以分子动力学为依据,利用Materials studio构建聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料模型.在普适力场作用下,通过X射线衍射、径向分布函数以及相互作用能分别对纳米复合材料和纳米蒙脱土的微观结构和性能进行分析.仿真结果表明:有机化处理使蒙脱土的层间距增大79%;在蒙脱土质量分数为4.0 wt%时,PE/MMT纳米复合材料中存在明显的氢键作用,聚乙烯分子和蒙脱土片层间的相互作用能高达-390 kcal/mol,界面作用得到明显提高,最终形成稳定的材料结构,同时力学性能相比纯聚乙烯材料也得到改善,其中杨氏模量、体积模量以及剪切模量分别提高38%,21%和40%.分子模拟结果与实验实测结果相符,并验证了有机化蒙脱土改性聚乙烯绝缘材料会产生氢键作用.
预应力对多晶铁冲击行为影响的微观模拟研究
任国武, 张世文, 范诚, 陈永涛
2016, 65 (19): 196203. doi: 10.7498/aps.65.196203
摘要 +
冲击加载铁动力学响应是当前冲击波领域金属材料塑性和相变行为研究最为关注的焦点之一.本文采用分子动力学模拟方法开展预应力作用下冲击加载多晶铁的动力学行为研究.模拟结果表明,随着预应力的增加,导致弹塑转变应力(Hugoniot弹性极限)和冲击波速度提高,符合已有的理论分析结果.微观晶体结构表征则发现较大的预应力导致剪应力大于屈服应力,塑性弛豫时间缩短,加快多晶铁相转变.进一步通过与平面及柱壳纯铁冲击加载获得的自由面速度剖面对比分析,证实了模拟结果.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
银纳米颗粒对纳米金刚石的拉曼及荧光增强特性研究
刘丽双, 丑修建, 陈涛, 孙立宁
2016, 65 (19): 197301. doi: 10.7498/aps.65.197301
摘要 +
纳米金刚石因其优异的光学特性成为当今纳米科学研究中的一个热点.利用等离激元效应提高nitrogen-vacancy(NV)色心的荧光和拉曼散射强度,进而可以提高这类传感器的灵敏度.本文主要将纳米金刚石与Ag纳米颗粒结合,利用金属纳米颗粒表面的等离子体共振效应,使NV色心的荧光和拉曼强度得到增强.同时研究了Ag纳米颗粒的质量浓度对拉曼与荧光光谱强度的影响,并进一步研究了相应的荧光辐射跃迁速率与量子效率,对荧光的增强机制进行了探究.
利用p-n+结反向I-V特性计算p-GaN载流子浓度的方法
周梅, 李春燕, 赵德刚
2016, 65 (19): 197302. doi: 10.7498/aps.65.197302
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提出了一种利用p-n+结反向I-V特性随偏压变化的关系计算p-GaN载流子浓度的方法.研究发现,当p-n+中的p-GaN层没有完全耗尽时,反向电流比较小,属于正常的p-n结电流特性,当反向偏压增加到一定值时,p-GaN层就完全耗尽,p-n+结特性就变成了肖特基结特性,反向电流显著增加.找到达到稳定反向电流的临界电压值,就可以计算出p-GaN的载流子浓度.模拟结果验证了这个思想,计算得到的p-GaN载流子浓度与设定值基本一致.
空位缺陷及Mg替位对纤锌矿(Ga,Mn)N电子结构和磁光性能的影响
徐大庆, 李培咸, 娄永乐, 岳改丽, 张超, 张岩, 刘宁庄, 杨波
2016, 65 (19): 197501. doi: 10.7498/aps.65.197501
摘要 +
采用自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,构建了未掺杂纤锌矿GaN超胞、三种不同有序占位Mn双掺GaN,(Mn,Mg)共掺杂GaN以及存在空位缺陷的Mn掺杂GaN超胞模型,分别对所有模型的能带结构、电子态密度、能量以及光学性质进行了计算.计算结果表明:与纯的GaN相比,Mn掺杂GaN体系的体积略有增大,掺杂体系居里温度能够达到室温以上;随着双掺杂Mn-Mn间距的增大,体系总能量和形成能升高、稳定性下降、掺杂越难;(Mn,Mg)共掺杂并不能有效增大掺杂体系磁矩,也不能达到提高掺杂体系居里温度的作用;Ga空位缺陷和N空位缺陷的存在不利于Mn掺杂GaN形成稳定的铁磁有序.此外,Mn离子的掺入在费米能级附近引入自旋极化杂质带,正是由于费米能级附近自旋极化杂质带中不同电子态间的跃迁,介电函数虚部在0.6868 eV附近、光吸收谱在1.25 eV附近分别出现了一个较强的新峰.
基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究
韩鹏, 王军, 王甲富, 马华, 邵腾强, 陈红雅, 张介秋, 屈绍波
2016, 65 (19): 197701. doi: 10.7498/aps.65.197701
摘要 +
提出了利用介质陶瓷和铁氧体材料构建可调型带通频率选择表面的设计思路.在C波段波导模式下通过仿真设计出高介电常数方形柱状结构,优化后使其产生宽频的负介电常数,基于等效媒质理论对该结构通阻特性进行分析研究,其传输禁带的产生途径在于介质中产生了具有类Drude谐振形式的电单极子.在相同的仿真环境下对铁氧体结构进行设计优化,调节外加偏置磁场,使铁磁谐振在相应的频点发生,产生负磁导率.利用负介电常数与负磁导率的双负特性规律,将两种结构进行组合,协同优化,使电磁谐振相互耦合,实现通带特性.C波段波导模式下的分析表明,两种结构在同一个频点电磁谐振耦合,可以实现双负通带的传输效果.在由于铁氧体的磁可调特性,通过改变外加偏置磁场,该通带可以在68 GHz范围内可调.对电磁场矢量分布状况和等效参数提取结果进行了数值分析研究,确定了电磁耦合的性质和形成机理,充分验证了这种方法的可行性.对该结构材料样品进行加工,并测试验证,最终实验结果与仿真结果基本一致,实现了双负通带的可调.该方法拓展了频率选择表面的设计思路,可用于设计多通带、可调谐频率选择表面.
激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流屏蔽特性数值研究
段兴跃, 李小康, 程谋森, 李干
2016, 65 (19): 197901. doi: 10.7498/aps.65.197901
摘要 +
激光烧蚀推进中,烧蚀羽流对入射激光的屏蔽效应是影响推进性能的重要因素;当采用掺杂金属聚合物作为工质时,易电离金属掺杂物的引入,使屏蔽效应更加明显.本文建立了激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流飞散及电离、屏蔽模型,计算了340 J/cm2激光烧蚀掺杂微米铝颗粒聚甲醛工质的比冲,与实验数据对比表明模型能够有效模拟掺杂聚合物羽流的屏蔽特性.获得了不同激光能量密度下的电子数密度、吸收系数分布及屏蔽系数时间变化曲线.结果表明:低激光能量密度(5 J/cm2)时,羽流屏蔽效应以未完全分解聚合物短链对入射激光能量的吸收为主;高激光能量密度(20 J/cm2)下,羽流电子数密度逐步增大至1020 m-3,形成明显的等离子体吸收,屏蔽系数的时间变化特征复杂.本文对掺杂金属聚合物烧蚀羽流的屏蔽特性进行了定量研究,可为激光烧蚀推进性能优化提供参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
通过放慢钠通道开闭控制心脏中的螺旋波和时空混沌
潘飞, 王小艳, 汪芃, 黎维新, 唐国宁
2016, 65 (19): 198201. doi: 10.7498/aps.65.198201
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现代生物技术已经能够通过让钠离子通道的基因突变来改变其弛豫时间常数.本文采用Luo-Rudy相I模型研究了如何调控钠通道门的弛豫时间常数来控制心脏中的螺旋波和时空混沌.我们提出这样的控制策略:通过让钠电流触发门的弛豫时间常数增大倍,同时让其快失活门始终不关闭,来降低钠电流激活和失活的速率.数值模拟结果表明:逐渐增加将导致钠电流的触发门变量更慢,达到最大值,并且其振幅也逐渐减少,从而使心肌细胞动作电位的幅度和持续时间都逐渐减少.在足够大的情况下,螺旋波和时空混沌不能在介质中传播,但是低频平面波可以在介质中传播,原因是介质激发性和波传播速度大幅度降低了.因此在适当选取控制时间和足够大的情况下,可以有效消除心脏中的螺旋波和时空混沌.螺旋波和时空混沌主要通过传导障碍消失,也观察到螺旋波转变为靶波、螺旋波波头回缩、时空混沌转变为螺旋波消失的现象.当相关参数适当选择时,还观察到螺旋波转变为自维持靶波现象,相应的靶波源是旋转方向相反的螺旋波对.这些结果为心脏病的基因治疗提供了有用信息.
基于累积量标准差的超分辨光学涨落成像解卷积优化
王雪花, 陈丹妮, 于斌, 牛憨笨
2016, 65 (19): 198701. doi: 10.7498/aps.65.198701
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超分辨光学涨落成像方法通过计算一组随机闪烁图像序列的累积量来提高空间分辨率.在实际实验中,由于计算的图像序列帧数有限,每个像素上累积量估计的误差将显著影响重构图像的均匀性和连续性.传统超分辨光学涨落成像技术由于缺乏对累积量估计的误差分析,在其后续的Lucy-Richardson解卷积算法中,没有对累积量重构图像的噪声添加约束条件.本文利用基于单组有限长数据的累积量标准差公式,计算了超分辨光学涨落显微图像每个像素上的累积量标准差,并将结果引入Lucy-Richardson解卷积算法中作为迭代优化的偏差阈值.模拟和实验结果表明,在相同图像序列长度下,该优化方法显著提高了超分辨重构图像的均匀性和连续性;在同等图像质量下,该方法可缩短图像序列帧数至原来的一半以下,有望用于活细胞动态超分辨成像.
差分网络研究金融危机对行业的冲击
邱路, 贾天明, 杨会杰
2016, 65 (19): 198901. doi: 10.7498/aps.65.198901
摘要 +
金融危机对股票市场中行业的冲击是一个普遍关注的问题,而传统的基于序列分析的方法不能对股票市场的行业结构特征进行有效的描述.本文给出了一种考察行业结构发生变化的定量描述方法.联合利用时间延迟稳定性和最小生成树确定出多支股票之间的相互影响关系,得到股票关系网络.该网络用作对股票市场状态的描述.对不同时期的网络之间做差,得到差分网络.该差分网络的结构特征能够给出行业结构的变化.采用这一方法研究了1994年到2013年发生的五次金融危机下道琼斯30支成分股关系网络的结构变化.结果表明,金融危机影响的行业有很大的差异,比如在2008年全球金融危机受影响最大的三个股票集中在原材料行业(美国铝业公司、埃克森美孚公司、雪佛龙),而2011年欧洲债务危机下受影响最大的三支股票集中在银行和金融业(花旗集团、美国银行、摩根大通公司).本方法可用于复杂系统状态演化的研究,比如人体健康状况变化、气候变化等.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于色散干涉图像的拼接望远镜共相零位标定方法研究
颜召军, 陈欣扬, 郑立新, 丁媛媛, 朱能鸿
2016, 65 (19): 199501. doi: 10.7498/aps.65.199501
摘要 +
镜面拼接是一种提高望远镜分辨率的有效方法,拼接子镜间的相位平移误差是影响拼接望远镜成像质量的重要因素.针对当前拼接望远镜中的共相问题,提出了色散干涉图像峰值比值为评价函数的共相零位标定方法.以两个子镜为研究对象,对该共相零位标定方法进行了仿真验证,并搭建了两孔径共相零位标定实验平台,验证了基于色散干涉图像的拼接望远镜共相零位标定方法的可行性.实验结果表明,该方法不受2模糊性问题影响,可在几百微米共相误差范围内以10 nm左右精度对共相零位进行标定,解决了现有标定方法动态范围受限的问题.