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Vol. 66, No. 1 (2017)

2017年01月05日
总论 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 综述
综述
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 核物理学 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
弱测量对四个量子比特量子态的保护
黄江
2017, 66 (1): 010301. doi: 10.7498/aps.66.010301
摘要 +
廖湘萍等(Chin.Phys.B 23 020304,2014)指出弱测量和弱测量反转操作可以保护三个量子比特的纠缠,提高保真度.本文将弱测量方法推广至四个量子比特的情况,研究了几种典型四个量子比特量子态的演化.结果表明:在振幅阻尼通道中,弱测量方法能够有效地提高系统量子态的保真度.分析了影响量子态保真度的各种因素,对比了不同量子态的演化特征,划分了量子态保真度提高的敏感区域.最后,对弱测量方法抑制量子态衰减的内在机制做了合理的物理解释.
反馈控制棘轮的定向输运效率研究
范黎明, 吕明涛, 黄仁忠, 高天附, 郑志刚
2017, 66 (1): 010501. doi: 10.7498/aps.66.010501
摘要 +
研究了反馈耦合布朗棘轮中粒子处于负载力、时变外力及噪声作用下的定向输运问题.详细讨论了外力作用时间的不对称性、外势空间的不对称性及外力周期等对反馈耦合棘轮中粒子输运效率的影响.研究发现,外力的时间不对称度能促进反馈棘轮中粒子的定向输运,随时间不对称度的增大,反馈棘轮中粒子能获得较大的效率.然而,外势空间的不对称度能有效抑制耦合棘轮中粒子的扩散,达到增强耦合粒子定向输运的效果.同时还发现,存在最优的噪声强度能使耦合粒子的输运效率达到最大.
光学微操纵过程的轴平面显微成像技术
安莎, 彭彤, 周兴, 韩国霞, 黄张翔, 于湘华, 蔡亚楠, 姚保利, 张鹏
2017, 66 (1): 010702. doi: 10.7498/aps.66.010702
摘要 +
光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45°倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.
基于87Rb原子的大失谐光晶格的设计与操控
魏春华, 颜树华, 杨俊, 王国超, 贾爱爱, 罗玉昆, 胡青青
2017, 66 (1): 010701. doi: 10.7498/aps.66.010701
摘要 +
提出了一种基于87Rb原子的大失谐光学晶格的设计方案,详细介绍了光晶格光束的校准、频率失谐的调整以及光强输出的控制方式.在磁光阱和偏振梯度冷却的基础上,研究了光学晶格的总光强和频率失谐等参数对原子装载的影响,实现了光晶格中冷原子的绝热装载与卸载.通过光强调制的方法,测量了光晶格的振动频率.光晶格的引入,使得温度降低为原有的1/3.涉及的系统设计和结论对其他碱金属原子光晶格的实验设计具有参考价值.
基于前冲康普顿电子高能伽马能谱测量系统设计
贾清刚, 张天奎, 许海波
2017, 66 (1): 010703. doi: 10.7498/aps.66.010703
摘要 +
除中子外,聚变核心同时释放大量高能伽马,其能谱可反映聚变过程的关键物理参数,并为过程诊断提供重要信息.由于聚变伽马的时间与能量特性,需要设计高探测效率及能量分辨率的伽马谱仪.根据高能伽马谱仪的概念设计(gamma-to-electron magnetic spectrometer),针对该系统中伽马-电子转换靶、电子偏转汇聚、电子探测等关键环节进行优化设计以提高系统探测效率及能量分辨率.其中采用Monte-Carlo程序Geant4模拟研究了伽马-电子转换靶中康普顿散射与多次库仑散射对由转换靶出射电子的能谱与角分布的影响.开发并行遗传算法对复杂几何偏转磁场参数进行优化,得到低强度(小于100 Gauss)复杂边界偏转磁场.根据系统优化设计结果,采用Geant4模拟了该系统对不同能量伽马的响应.此外,还可模拟该系统对特征聚变伽马能谱的测量,结果显示,该系统可在聚变中子产额分别为2.5×1015及1.2×1016条件下,对10–20 MeV高能伽马能谱测量实现能量分辨分别满足0.5 MeV(小于5%)及0.25 MeV(小于2.5%),说明该系统可用于聚变过程伽马能谱的诊断.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
晶格振动的超快光谱调控
王建立, 郭亮, 徐先凡, 倪中华, 陈云飞
2017, 66 (1): 014203. doi: 10.7498/aps.66.014203
摘要 +
采用飞秒激光抽运脉冲激发了Bi2Te3薄膜频率为1.856 THz的声子相干振动,并用探测光测量得到了其阻尼振动信号.结合Raman光谱,确定该振动为A1g1对称振动模式的相干光学声子.为了实现该模式振动的调控,在抽运光路上安装了脉冲整形器,进而控制生成具有不同时间间隔和能量比的两束脉冲激光.研究表明,当两束脉冲的间隔时间为相干光学声子振动半周期的奇数倍时,调整两束脉冲的能量比值,可以实现A1g1模式振动的完全消除.继而将两束脉冲的能量比值保持不变,得到了振幅随间隔时间的变化曲线,与理论分析符合.结果进一步证实了用超快光谱调控特定晶格振动的可行性,从而为研究材料内部超快能量传递过程提供了有效手段.
宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构
陈敏, 万婷, 王征, 罗朝明, 刘靖
2017, 66 (1): 014204. doi: 10.7498/aps.66.014204
摘要 +
提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.
环形光子晶体光纤中涡旋光的传输特性研究
张羚翔, 魏薇, 张志明, 廖文英, 杨振国, 范万德, 李乙钢
2017, 66 (1): 014205. doi: 10.7498/aps.66.014205
摘要 +
由于涡旋光具有轨道角动量,将它应用于光纤通信领域可以有效提高信息传输速率.设计了一种环形光子晶体光纤,利用COMSOL Multiphysics软件对其涡旋光TE01,HE21±和TM01模式特性进行模拟计算,它们之间有效折射率差分别为4.59×10-4和3.62×10-4;其中,TE01模式的涡旋光在入射光波长范围为1650–1950 nm时,色散值在44.18–45.83 ps·nm-1·km-1之间平坦;入射光波长在1550 nm时,TE01模式的涡旋光的非线性系数为1.37 W-1·km-1.该结构的光子晶体光纤的涡旋光具有损耗小、色散平坦等特性,对光纤中传输涡旋光、将涡旋光应用于超连续谱等方面的研究具有重要意义.
基于色散效应的光纤光栅高速高精度解调方法研究
李政颖, 周磊, 孙文丰, 李子墨, 王加琪, 郭会勇, 王洪海
2017, 66 (1): 014206. doi: 10.7498/aps.66.014206
摘要 +
利用普通单模光纤(SMF)与色散补偿光纤(DCF)分别具有正色散和负色散系数特性,实现光纤光栅阵列的高速高精度解调.系统采用全光纤结构,仅需发出单一高速光脉冲,即可根据反射光脉冲时延差同时获取各个光栅的波长与位置信息,大幅提高了光纤光栅解调速度;通过建立DCF-SMF双通道和色散差矫正模型,削弱了温度变化及色散值误差对系统解调精度的影响.实验表明,本方法解调速率可达1 MHz,解调过程受传感网络光纤及双通道温变影响较小,具有良好稳定性及高精度;5–75℃温度扰动实验中,传感网络传输光纤温变时系统解调均方差16.8 pm,DCF-SMF双通道受温度扰动时系统解调均方差为11.9 pm,恒温下系统长时间解调时均方差为6.4 pm;应力实验中,解调线性度可达0.9998,解调精度约为8.5 pm.
基于行扫描测量的运动目标压缩成像
王盼盼, 姚旭日, 刘雪峰, 俞文凯, 邱棚, 翟光杰
2017, 66 (1): 014201. doi: 10.7498/aps.66.014201
摘要 +
运动目标成像在实际应用中具有重要作用,而如何获取高质量运动目标图像是该领域研究中的一个热点问题.本文采用行扫描采样的方式,通过构造运动测量矩阵,建立一种基于压缩感知理论的运动物体成像模型,并通过仿真及实验,验证了该模型对于恢复运动物体图像信息的可行性.实验结果证明,该方法可获得高质量的运动物体成像.通过引入图像质量评价标准,分析了运动物体成像质量与速度之间的关系.将该方法与普通压缩感知算法进行比较,结果证明,在相同速度下,该方法的成像质量更高.该方法在无人机对地观测、产品线视频监测等领域有着很好的应用前景.
非球形效应对强声场中次Bjerknes力的影响
马艳, 林书玉, 徐洁, 唐一璠
2017, 66 (1): 014302. doi: 10.7498/aps.66.014302
摘要 +
考虑了非球形气泡在声场中的形状振动,推导了非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力方程,数值模拟了声场中非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡之间的次Bjerknes力,并对非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力的影响因素进行了分析讨论.研究结果表明:当驱动声压振幅大于非球形气泡的Black阈值且又能使得非球形气泡稳定振动时,在第一个声驱动周期内,非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡的次Bjerknes力方向差异较大,在大小上是两个球形气泡次Bjerkens力的数倍,且有着更长的作用距离.非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力取决于非球形气泡的形状模态、两个气泡初始半径的比值、驱动声压振幅、气泡间距和两个气泡的相对位置.
考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演
江鹏飞, 林建恒, 孙军平, 衣雪娟
2017, 66 (1): 014306. doi: 10.7498/aps.66.014306
摘要 +
考虑到海洋环境噪声源深度分布不集中,建立了噪声源随深度分布的海洋环境噪声模型,分析了源深度对噪声场垂向特征的影响并从简正波角度予以解释,发现海底声阻抗和声源深度都显著影响由海洋环境噪声获得的等效海底反射损失大掠射角部分,进而将该模型用于地声参数反演.两段实测噪声数据200–525 Hz频段的反演结果表明:基于海洋环境噪声的地声参数反演最优值与声传播的反演结果相近;源平均深度最优值随频率增加有变小的趋势,说明随频率增加环境噪声主要贡献源逐渐由航船转为风浪;当海况大于3级时,400 Hz以上频段噪声源深度平均值很小,与Monahan气泡理论的描述一致.
圆锥料仓内颗粒周期性脉动特征研究
王会, 贾富国, 韩燕龙, 张亚雄, 曹斌
2017, 66 (1): 014501. doi: 10.7498/aps.66.014501
摘要 +
料仓卸料过程中的颗粒脉动会引起料仓振动甚至导致结构失效.为了明晰颗粒脉动特征,本文进行了椭球颗粒在不同半锥角深仓的模拟卸料实验,将料仓圆筒部划分为4个固定区域以研究区域内颗粒的运动信息,分析了料仓圆筒部颗粒系统的运动特征.研究结果表明:整个卸料过程颗粒速度始终处于波动变化中,卸料前期表现为大振幅、周期性的剧烈脉动,卸料后期平均速度的变化则是小振幅无规律的波动;剧烈脉动时段各区域的颗粒层平均受力的变化规律与颗粒速度脉动特征相似,越接近储料顶端颗粒脉动振幅越大,表现出更规律的周期性脉动,相邻颗粒层间的脉动波形相似且周期相同,剧烈脉动过程中顶面颗粒呈周期性的自由落体运动,该时段内顶层颗粒每一次的自由落体运动都会引起该范围内颗粒间接触力消失;料仓半锥角越小时剧烈脉动频率越高、振幅越大且脉动持续时间也越长,卸料速度越稳定,且颗粒速度不会出现带有上升趋势的波动.研究结果可为卸料设备的安全设计提供参考.
直流电场下水中石墨烯定向行为研究
董若宇, 曹鹏, 曹桂兴, 胡帼杰, 曹炳阳
2017, 66 (1): 014702. doi: 10.7498/aps.66.014702
摘要 +
纳米颗粒在液体环境中的定向控制与系统物理性能的调控及新型纳米器件的制备等应用领域密切相关.本文使用分子动力学模拟方法,研究了水中单片不带电矩形石墨烯在直流电场下的定向行为.结果发现石墨烯平面趋向平行于电场方向且随着电场强度增大定向性增强,其主要原因在于极性水分子在电场下的响应以及水合作用;减小石墨烯长宽比,石墨烯法向矢量和长边矢量的定向性减弱,定量结果表明法向和长边定向度分别与绕长边和法向的转动扩散系数存在负相关关系.
三维边界层内定常横流涡的感受性研究
沈露予, 陆昌根
2017, 66 (1): 014703. doi: 10.7498/aps.66.014703
摘要 +
层流向湍流转捩的预测与控制一直是研究的前沿热点问题之一,其中感受性阶段是转捩过程中的初始阶段,它决定着湍流产生或形成的物理过程.但是有关三维边界层内感受性问题的数值和理论研究都比较少;实际工程问题中大部分转捩过程都是发生在三维边界层流中,所以研究三维边界层中的感受性问题显得尤为重要.本文以典型的后掠角45°无限长平板为例,数值研究了在三维壁面局部粗糙作用下的三维边界层感受性问题,探讨了三维边界层感受性问题与三维壁面局部粗糙长、宽和高之间的关系;然后,考虑在后掠平板上设计不同的三维壁面局部粗糙的分布状态、几何形状、距离后掠平板前缘的位置以及流向和展向设计多个三维壁面局部粗糙对三维边界层感受性问题有何影响;最后,讨论两两三维壁面局部粗糙中心点之间的距离以及后掠角的改变对三维边界层感受性的物理过程将会发生何种影响等.这一问题的深入研究将为三维边界层流中层流向湍流转捩过程的认识和理解提供理论依据.
动态光子晶体中V型三能级原子的自发辐射
邢容, 谢双媛, 许静平, 羊亚平
2017, 66 (1): 014202. doi: 10.7498/aps.66.014202
摘要 +
研究了动态各向同性光子晶体中V型三能级原子的自发辐射,主要讨论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,调制参数对占据数演化的控制作用,以及此过程中量子相干效应带来的影响.结果表明,阶跃调制时,调制发生后原子上能级劈裂出来的束缚缀饰态数目只取决于原子的跃迁频率和此时的带边频率,且与具有相同参数条件的静态情形下的相同.调制发生时刻对其后原子上能级占据数的长时演化情况有影响.随系统初态的不同,量子相干效应既可导致调制之后占据数迅速衰减,也可使原子上能级保留较多的占据数.三角函数周期调制时,原子上能级总占据数在足够长的时间之后随时间做频率近似等于调制频率的有衰减的准周期振荡.衰减率与调制频率有关,也因量子相干效应而受系统初态以及偶极矩夹角的影响.
海面随机起伏对噪声场空间特性的影响规律
周建波, 朴胜春, 刘亚琴, 祝捍皓
2017, 66 (1): 014301. doi: 10.7498/aps.66.014301
摘要 +
对于1 kHz以上声波,海面起伏会对浅海声传播产生显著影响,现有的噪声预报模型在建模过程中基本没有考虑海面起伏的影响.针对这一问题,本文基于传输理论建立了随机起伏界面下噪声场垂直相关性和指向性模型,仿真分析了海面起伏对噪声强度、垂直相关性与指向性的影响.结果表明,对于表面噪声,海面随机起伏使声波能量从中间阶简正波向低阶和高阶简正波转移,而对噪声强度起主要贡献的一般是中间阶简正波,所以海面起伏使得噪声强度减弱;简正波之间能量的耦合导致垂直平面上不同掠射角方向上到达的声波响应发生变化,经由海面反射大掠射角到达的声波响应以及中小角度到达的声波响应变弱,而经由海底反射大掠射角到达的声波响应变强;海面随机起伏还会扰动各阶简正波相位,使不同阶简正波互相关性变弱,致使噪声场的空间相关性也变弱.
阵元随机均匀分布球面阵列联合噪声源定位方法
张揽月, 丁丹丹, 杨德森, 时胜国, 朱中锐
2017, 66 (1): 014303. doi: 10.7498/aps.66.014303
摘要 +
基于球面传声器阵列的噪声源定位方法,设计加工了阵元随机均匀分布64元球面传声器阵列,研究了球面近场声全息和球谐函数模态展开聚焦波束形成联合噪声源定位识别方法,对算法的性能进行了仿真分析,并利用球面传声器阵列进行了噪声源的定位识别试验.研究表明,阵元随机均匀分布球面阵列具有全空间稳定的目标定位性能,球面近场声全息对低频近距离声源具有较高的定位精度,球谐函数模态展开聚焦波束形成对高频远距离声源具有较高的定位精度,将两种方法联合进行声源的定位识别,可以在较小孔径的球面阵列和较少阵元的条件下,在宽频带范围内获得对目标声源良好的定位性能.
复杂噪声场下对角减载技术的原理及应用
夏麾军, 马远良, 刘亚雄
2017, 66 (1): 014304. doi: 10.7498/aps.66.014304
摘要 +
实际水下噪声场是非常复杂的,它具有一定的相关性,且各阵元接收到的噪声的功率不相等,因此归一化的噪声协方差矩阵不是单位矩阵,会使得一些阵列信号处理算法的性能下降.针对这个问题,本文充分分析了复杂噪声场的物理特性,建立了噪声协方差矩阵的物理模型,提出了一种复杂噪声场下的协方差矩阵对角减载技术.首先将数据协方差矩阵减去一个减载系数矩阵,在使得波束输出信噪比达到最大的约束条件下,获得了减载系数矩阵的理论表达式和近似表达式.然后利用最小二乘方法,估计减载系数矩阵,并且理论分析了噪声场的相关性及输入信噪比对估计误差的影响.仿真实验和湖试数据处理结果表明,在复杂噪声场条件下,该算法提高了输出信噪比,改善了阵列信号处理算法的性能,并且该算法计算复杂度低,可以实时处理.
基于声散射的水下气泡群空间关联性研究
范雨喆, 李海森, 徐超, 陈宝伟, 杜伟东
2017, 66 (1): 014305. doi: 10.7498/aps.66.014305
摘要 +
基于气泡空间位置非独立分布气泡群的线性声散射,从统计观点对气泡间的空间关联性进行了研究,通过对气泡群进行子区域划分,提出了等效空间关联函数这一概念.由于等效空间关联函数随气泡空间位置变化而变化,提出了基于子气泡群散射声波的气泡分布以及聚集趋势的声学反演方法.通过对理论进行建模仿真发现,这一方法不但能准确反演出气泡群的分布及聚集趋势,还具有在被多个含聚集中心气泡群''掩埋''的条件下对目标气泡群聚集趋势的检测能力.为了进一步对理论进行验证,对船舶气泡尾流进行了声学测量,实验获得的等效空间关联函数符合尾流中气泡群的分布和聚集趋势.本文的研究工作可为海洋中不同成因的气泡群识别以及恶劣海况下风浪形成气泡群''掩埋''下的尾流、鱼群等水下气泡群检测提供理论基础.
一种基于二维Helmholtz腔阵列的低频宽带隔声结构实验研究
高东宝, 刘选俊, 田章福, 周泽民, 曾新吾, 韩开锋
2017, 66 (1): 014307. doi: 10.7498/aps.66.014307
摘要 +
基于圆周排列的Helmholtz共振腔单元,设计并实现了一种具有低频宽禁带的声人工结构,可以在结构中心处实现二维隔声效果.针对实际模型,搭建了二维声场测量平台,进行了相应的实验研究,实验结果与有限元仿真结果符合较好.该结构在较宽的频带内(680–1050 Hz)可以实现较好的隔声效果,最大隔声量可达41 dB.实验中还研究了单元参数及共振状态对隔声效果的影响.隔声区的大小与共振单元的分布形式有直接关系,而良好的共振状态将对提高隔声量有一定帮助.研究结果对设计新型声防护结构具有理论与应用价值.
外延石墨烯电导率和费米速度随温度变化规律研究
杜一帅, 康维, 郑瑞伦
2017, 66 (1): 014701. doi: 10.7498/aps.66.014701
摘要 +
考虑到原子的非简谐振动和电子-声子相互作用,建立了金属基外延石墨烯的物理模型,用固体物理理论和方法,得到金属基外延石墨烯的电导率和费米速度随温度变化的解析式.以碱金属基底为例,探讨了基底材料和非简谐振动对外延石墨烯电导率和费米速度的影响.结果表明:1)零温情况下,碱金属基外延石墨烯的电导率和费米速度均随基底元素原子序数的增大而增大;2)外延石墨烯的电导率随温度升高而减小,其中,温度较低时时变化较快,而温度较高时则变化很慢,费米速度随温度升高而增大,其变化率随基底材料原子序数的增大而增大;3)原子非简谐振动对外延石墨烯的电导率和费米速度有重要的影响,简谐近似下,费米速度为常数,电导率的温度变化率较大;考虑到原子非简谐项后,费米速度随温度升高而增大,电导率的温度变化率减小;温度愈高,原子振动的非简谐效应愈明显.
中空液滴碰撞水平壁面数值分析
郑志伟, 李大树, 仇性启, 崔运静
2017, 66 (1): 014704. doi: 10.7498/aps.66.014704
摘要 +
采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

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冷速对液态金属Mg凝固过程中微观结构演变的影响
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2017, 66 (1): 016101. doi: 10.7498/aps.66.016101
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采用分子动力学方法对不同冷速下液态金属镁(Mg)快速凝固过程中的微观结构演变进行了模拟研究.并采用能量-温度(E-T)曲线、双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团簇类型指数法(CTIM-3)以及三维可视化等方法系统地考察了凝固过程中微观结构演变与相转变过程.结果发现:在以冷速为11011K/s的凝固过程中,亚稳态bcc相优先形成,随后大量解体,其变化规律符合Ostwald规则,系统最终形成以hcp结构为主体与fcc结构共存,中间还夹杂部分bcc结构的致密晶体结构.在11012K/s冷速下,结晶过程呈现迟缓现象,形成bcc结构的初始温度降低,系统形成以hcp居多、与bcc和fcc三相共存的结构,且因相互竞争、相互制约而导致不易形成粗大的晶粒结构.而在11013K/s冷速下,系统则形成以1551,1541,1431键型为主的多种非晶态基本原子团组成的非晶态结构.此外,在冷速11012与11013K/s之间的确存在一个形成非晶态结构的临界冷速.
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液氮冲击中InSb面阵探测器的易碎裂特性制约着探测器的成品率,建立适用于面阵探测器全工艺流程的结构模型是分析、优化探测器结构的有效手段.本文提出了用底充胶体积收缩率来描述底充胶在恒温固化中的体积收缩现象,同时忽略固化中底充胶弹性模量的变化来建立底充胶固化模型,给出了底充胶在恒温固化中生成的热应力/应变上限值.借鉴前期提出的等效建模思路,结合底充胶固化后的自然冷却过程和随后的液氮冲击实验,建立了适用于InSb面阵探测器全工艺流程的结构分析模型.探测器历经底充胶固化、自然冷却至室温后的模拟结果与室温下拍摄的探测器形变分布照片高度符合.随后模拟液氮冲击实验,得到面阵探测器中累积的热应力/应变随温度的演变规律,热应力/应变值极值出现的温度区间与液氮冲击实验结果相符合.这表明所建模型适用于预测不同工艺阶段中面阵探测器的形变分布及演变规律.
Al和O间隙原子对-Al2O3热力学性质影响的第一性原理计算
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2017, 66 (1): 016103. doi: 10.7498/aps.66.016103
摘要 +
Al粒子作为铝热剂中的主要金属还原剂,通常会自发氧化而在表面形成Al2O3钝化层.Al和O原子的扩散渗透将使Al2O3壳层的结构和热力学性质发生变化进而对铝热剂的点火过程产生影响.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,结合准简谐徳拜模型和晶格动力学理论,计算并比较了-Al2O3,Al原子掺杂-Al2O3以及O原子掺杂-Al2O3在高温高压下的相关热力学性质,讨论了Al和O原子掺杂对其热力学性质的影响.结果表明:在研究的温度和压力范围内,Al和O间隙原子的掺杂将使-Al2O3的体模量减小,热容和热膨胀系数增大.这一结果意味着对于外表面包覆Al2O3的纳米Al粒子而言,高温高压下Al和O原子在Al2O3壳层中的扩散将使得Al2O3更具延展性而不利于发生剧烈散裂.
周期数N不同的(Ce0.8SmO2-)/YSZ)N超晶格薄膜的阻抗性质
贾晓静, 苏海莹, 刘华艳, 许彦彬, 康振峰, 丁铁柱
2017, 66 (1): 016801. doi: 10.7498/aps.66.016801
摘要 +
采用脉冲激光溅射技术,在MgO单晶片衬底上,以SrTiO3作为缓冲层,交替沉积Ce0.8Sm0.2O2-(SDC)和8 mol% Y2O3:ZrO2(YSZ),制备了不同周期数的(SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜.利用扫描电子显微镜,X射线衍射和交流阻抗对其形貌、相结构和电学性能进行了表征.研究结果表明,薄膜具有优良的超晶格结构,层与层间的界面清晰.阻抗分析表明,周期数越多的样品显示出很小的活化能(约0.768 eV).该结果表明:周期数越多的SDC/YSZ超晶格是更为理想的低温固体氧化物燃料电池电解质.
综述
分子包埋纳米粒子薄膜阻变特性研究进展
李建昌, 邵思佳
2017, 66 (1): 017101. doi: 10.7498/aps.66.017101
摘要 +
有机分子包埋纳米粒子阻变薄膜是信息存储领域的研究热点之一,本文从器件电极、介质层结构、纳米粒子种类、阻变机理和柔性弯折等方面,综述了其近年来的研究进展.电极/分子及分子/纳米粒子界面性质对器件阻变特性影响较大,但影响规律及界面调控机理仍待探究;分子结构与纳米粒子的种类、尺度及分布可改变膜内界面性质进而影响阻变特性;器件阻变机理主要包括导电细丝、电荷俘获与释放和电荷转移三种,其中导电细丝又分金属、氧空位和碳细丝.分子包埋纳米粒子薄膜阻变研究现多停留在小规模和静态器件方面,下一步应从连续卷绕制备、纳米粒子分布精确控制和耐弯扭特性等方面深入研究,为实现大面积、低成本、高柔性阻变存储器奠定基础.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Al掺杂6H-SiC的磁性研究与理论计算
黄毅华, 江东亮, 张辉, 陈忠明, 黄政仁
2017, 66 (1): 017501. doi: 10.7498/aps.66.017501
摘要 +
d0铁磁性SiC被认为是自旋电子学领域的关键材料之一,受到广泛关注.本文采用氩气气氛保护的共烧掺杂方法制备具有d0铁磁性的Al掺杂6H-SiC粉体.氩气气氛能有效抑制SiC在高温下的分解,保护Al的有效掺入.所制备的粉体磁滞回线明显,矫顽力大,饱和磁矩达到0.07 emu/g.随着煅烧温度的升高,粉体从原来的抗磁性逐渐转变为铁磁性,当温度进一步升高至2200℃以上时,粉体重新表现为抗磁性.采用第一性原理计算了其磁性的来源,并分析其净自旋在正空间中的分布情况.计算表明,Al原子与空位的共同作用产生了1.0 B的局域磁矩,且其在c轴方向具有较稳定磁耦合作用.Al掺杂6H-SiC粉体的磁性主要来自于C原子的p轨道电子.

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过量B的Ta/CoFeB/MgO薄膜垂直各向异性和温度稳定性的增强
常远思, 李刚, 张颖, 蔡建旺
2017, 66 (1): 017502. doi: 10.7498/aps.66.017502
摘要 +
以CoFeB/MgO为核心单元的垂直各向异性薄膜体系和相关的垂直磁隧道结已获得广泛研究,其中CoFeB的B含量基本都保持为原子比20%.本文采用磁控溅射制备了Ta/(Co0.5Fe0.5)1-xBx/MgO三明治结构及生长顺序相反的系列薄膜,并在573623 K进行真空退火,研究了样品垂直各向异性随B成分的变化.结果显示,当B含量减小到10%时,Ta/CoFeB/MgO体系的垂直各向异性明显降低;相反,当B含量增加至30%时,该体系的垂直各向异性明显增强;发现在高B含量的情形下,样品的垂直各向异性大小与温度稳定性均与三明治结构的生长顺序密切相关;获得了具有优异温度稳定性的垂直磁化MgO/CoFeB/Ta样品.结果表明适当增加B含量是增强CoFeB/MgO体系垂直各向异性和温度稳定性的有效途径之一.
铷原子气体自旋噪声谱测量的信噪比分析
史平, 马健, 钱轩, 姬扬, 李伟
2017, 66 (1): 017201. doi: 10.7498/aps.66.017201
摘要 +
自旋噪声谱是一种非扰动的自旋动力学研究方法,通过探测系统在非激发条件下的自旋涨落,可以揭示系统在热平衡状态下的性质.因为系统在稳态下的自旋涨落十分微弱,所以提高信噪比在自旋噪声谱的测量中特别重要.本文采用频谱仪、数据采集卡和实时傅里叶变换采集卡三种方法来测量铷原子气体的自旋噪声谱,并将实验结果进行对比,分析了叠加次数、测量效率和采样深度等因素对谱线信噪比的影响.实验发现,谱线叠加次数对自旋噪声谱的信噪比影响最为显著,测量效率则能反映不同方法在相同的测量时间内得到的谱线质量,并比较了三种方法的测量效率,采样深度的提高并不能明显改善自旋噪声谱的信噪比.相比于传统的频谱仪和数据采集卡,实时傅里叶变换采集卡的数据利用率和测量效率更高,从而具有更好的信噪比,非常有利于自旋噪声谱在自旋动力学研究中的应用.
型谐振腔结构的光学透射特性
王维, 高社生, 孟阳
2017, 66 (1): 017301. doi: 10.7498/aps.66.017301
摘要 +
应用有限元方法研究了在圆形谐振腔结构内嵌椭圆形棒(型谐振腔结构)的光学透射特性,结果表明,该结构对于光学滤波具有很强的可调性.另外,通过调节椭圆结构的倾斜角度破坏该结构的对称性,能够产生明显的法诺共振效应.这些结构对于光学滤波和折射率传感器结构的设计有一定的指导意义.

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电荷生成层中引入超薄金属Ag层对串联有机发光二极管性能的提升
陶洪, 高栋雨, 刘佰全, 王磊, 邹建华, 徐苗, 彭俊彪
2017, 66 (1): 017302. doi: 10.7498/aps.66.017302
摘要 +
为了获得高效、长寿命的白光有机发光二极管(white organic light-emitting diode,WOLED),一种方法是将不同颜色的发光单元通过电荷生成层(charge generation layer,CGL)串联起来获得白光,即串联WOLED.其中,CGL的选择与设计是高性能串联白光器件的关键.本文首先从绿光OLED着手,通过在CGL层中引入超薄的Ag金属层,获得了高效、长寿命的串联器件.引入超薄Ag金属层的绿光串联OLED的最大亮度达到了290000 cd/m2,分别是单层器件和无超薄Ag金属层器件的2.9倍与2.4倍;在1000 cd/m2下,引入超薄Ag金属层的器件电流效率达到了59.5 cd/A,相比于无超薄金属层的串联器件的58.7 cd/A,以及非串联的单层器件的17.1 cd/A,分别增加了1.4%与248%;同时,与无超薄层的串联器件相比,引入超薄Ag金属层的器件工作电压从8.6 V降为7.2 V;功率效率从21.5 lm/W上升为26 lm/W.特别地,在初始测试亮度为10000 cd/m2的条件下,包含超薄Ag金属层的串联器件的工作寿命T80超过了250 h,与无超薄层串联器件仅2.7 h寿命相比,提高近100倍.最后,我们使用优化后的CGL制备出高性能串联WOLED,在1000 cd/m2下,电流效率达到了75.9 cd/A,功率效率达到了36.1 lm/W,且10000 cd/m2的初始亮度下T80有77 h.这些优异的器件性能归结于超薄金属层的引入,抑制了Bphen:CsCO3与HAT-CN在界面处的相互扩散,同时也促进了载流子的生成与传输.这一结果为设计高效且稳定的WOLED提供了有效的思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
湿度环境下钙钛矿太阳能电池薄膜微结构演化的同步辐射原位实时研究
杨迎国, 阴广志, 冯尚蕾, 李萌, 季庚午, 宋飞, 文闻, 高兴宇
2017, 66 (1): 018401. doi: 10.7498/aps.66.018401
摘要 +
环境湿度对有机-无机杂化钙钛矿薄膜太阳能电池稳定性有着相当重要的影响,在湿度环境下原位实时观测钙钛矿薄膜微结构的演化有助于揭示湿度导致的器件性能衰减的微观机理.本文基于上海光源X射线衍射线站,建立了一套湿度可调可控的原位X射线衍射实验装置用以实时观测湿度环境下钙钛矿薄膜的微结构演化.在相对湿度为60%±2%的环境中,采用原位同步辐射掠入射X射线衍射发现在钙钛矿薄膜暴露在湿度环境的最初阶段,其(110)衍射峰附近逐渐出现了中间相结构,应该是来源于部分钙钛矿晶体结构的逐渐分解所形成的钙钛矿多相结构;同时,紫外可见吸收光谱实验表明,经环境湿度处理后的薄膜吸收有所降低,尤其是在约770 nm处吸收台阶发生蓝移,在一定程度上反映出钙钛矿晶体结构的减少或结晶性变弱;扫描电子显微镜结果进一步显示,湿度实验后薄膜形貌的均匀性明显变差,覆盖率降低、孔洞变大及晶界变明显;采用环境湿度实验前后的钙钛矿薄膜上制备的太阳能电池J-V性能测试结果显示,器件的填充因子和光电转换效率均由于环境湿度处理降低了30%以上.因此,同步辐射原位实验观测清晰地揭示了器件性能与钙钛矿薄膜形貌以及微结构演化的密切关联,为理解有机-无机杂化的钙钛矿薄膜的降解微观机理提供了实验依据和指导.
频率对半导体器件热击穿影响的理论模型
张存波, 闫涛, 杨志强, 任伟涛, 朱占平
2017, 66 (1): 018501. doi: 10.7498/aps.66.018501
摘要 +
针对半导体器件中的热击穿,通过分析已有的理论模型,把频率对器件热区热产生和热传导的影响引入理论模型.利用格林函数求解热传输方程,同时对余误差函数进行近似处理,求解得到热区温度以及器件烧毁功率与频率和脉冲宽度的表达式.通过数值分析,求解得到不同频率下器件烧毁功率随脉冲宽度的变化规律以及不同脉冲宽度下器件烧毁功率随频率的变化规律,同时给出了频率对器件烧毁功率影响的物理解释.
双能X射线光栅相衬成像的研究
荣锋, 谢艳娜, 邰雪凤, 耿磊
2017, 66 (1): 018701. doi: 10.7498/aps.66.018701
摘要 +
X射线光栅相衬成像存在系统复杂、成像效率低、步进精度要求高、光栅加工难度大等问题.本文设计了一种双能阵列X射线源和双能分析光栅,并应用于X射线光栅相衬成像,提出了一种双能X射线光栅相衬成像系统,阐述了该成像系统的成像原理和相位信息提取方法.提出的成像系统不需要精密步进平台,精简了成像系统,避免了步进误差导致的成像质量降低问题;两次曝光就可以成像,提高了成像效率;双能阵列X射线源、双能分析光栅的应用避免了源光栅、分析光栅难以加工的问题.对提出的成像系统及其相位提取方法进行了仿真,仿真结果显示成像系统可以正常成像,提取到的检测样本的X射线相衬成像相位一阶导数分布与相关文献实验所得结果一致.
两嵌段高分子链在周期管道内扩散的Monte Carlo模拟
王超, 陈英才, 周艳丽, 罗孟波
2017, 66 (1): 018201. doi: 10.7498/aps.66.018201
摘要 +
高分子链在纳米管道内的静态和动态特性与许多生物技术和生命过程相关.采用Monte Carlo方法模拟研究了两嵌段高分子链(ANABNB)在周期管道内的扩散过程.管道由长度相等的和两部分周期排列而成,其中部分与高分子链A嵌段间存在吸引相互作用,而其他情形均为纯排斥作用.模拟结果表明,高分子链的扩散过程显著依赖于A嵌段长度,且扩散系数随A嵌段长度呈周期变化.通过对链与管道间的吸引作用能图像分析发现,在扩散系数峰位置,A嵌段的投影长度为管道周期长度的整数倍,同时高分子链的扩散规律与均质链在均质管道内的扩散规律一致;在扩散系数谷附近,A嵌段的投影长度为管道周期长度的半整数倍,同时扩散过程存在一系列明显的受限阶段,高分子链在不同的受限位置间跳跃转移.研究结果有助于嵌段高分子链的序列分离和可控输运.
核物理学
抽样法与灵敏度法keff不确定度量化
胡泽华, 叶涛, 刘雄国, 王佳
2017, 66 (1): 012801. doi: 10.7498/aps.66.012801
摘要 +
核反应堆的中子学模拟计算中,核数据的不确定度导致的积分量计算结果的不确定度,通常采用基于微扰理论的灵敏度与不确定度分析方法(简称灵敏度法)量化.灵敏度分析法原则上只适用于线性模型,且一般输运计算程序难以直接进行灵敏度分析.而抽样法直接抽样核数据输入中子学计算程序进行计算,通过对计算结果的统计分析评估计算量的不确定度.抽样法易于实现、计算精确、且适用性强.在灵敏度分析与不确定度量化程序SURE中,增加了抽样法不确定度的量化功能.为将抽样法不确定度量化应用于复杂问题的模拟计算,需对其进行细致的考核.为此,选取简单的临界基准实验模型,分别采用灵敏度分析法和抽样法进行不确定度量化,得到了各核素各反应道核数据导致的keff计算不确定度.对比显示,两种方法的不确定度计算结果有很好的符合,验证了SURE程序抽样法功能的正确性.抽样法计算的keff符合正态分布,说明在一般核数据的不确定度范围内,keff与核数据近似成线性关系,利用灵敏度分析法评估keff计算值的不确定度是适用的.
脉冲激光四象限探测器测角不确定性统计分布
张伟, 张合, 陈勇, 张祥金, 徐孝彬
2017, 66 (1): 012901. doi: 10.7498/aps.66.012901
摘要 +
针对噪声信号对脉冲激光四象限探测器(QPD)数字式测角算法产生的影响,分析了激光四象限探测器测角不确定性统计分布规律.建立了激光测角电路通道模型和QPD光敏面光斑模型,并根据随机噪声类型和理想信号类型,建立了单通道可测信号模型.考虑到QPD的对称性,对不同的理想信号时域分布类型、光斑总峰值功率、理想信号半峰宽度和等效噪声电压概率密度标准差等四种变量,在θ∈[0,π/4]的范围内通过蒙特卡罗仿真实验方法计算了五个不同光斑中心的QPD测角αy值的统计分布规律.仿真结果表明:测角αy值的统计分布呈正态分布,并被四种变量影响;特别是被单象限信噪比显著影响.光斑中心越靠近坐标轴中心,QPD测角精度越高;光斑中心不在坐标轴中心附近时QPD的测角αy的统计分布均值都小于理想测角值.
地球物理学、天文学和天体物理学
双频双波束加热电离层激发甚低频/极低频辐射理论分析
杨巨涛, 李清亮, 王建国, 郝书吉, 潘威炎
2017, 66 (1): 019401. doi: 10.7498/aps.66.019401
摘要 +
基于高电离层质动力非线性加热理论,引入差频双波束概念,建立双频双波束加热电离层激发甚低频/极低频(VLF/ELF)辐射理论仿真模型,通过对已有实验参数进行仿真计算,验证了模型的正确性.据此模型,全面分析了不同纬度、有效辐射功率、加热频率、极化模式、频率差、实验时段等对激发VLF/ELF辐射强度的影响,并对比分析了中低纬度地区双频双波束和幅度调制两种方法激发VLF/ELF信号的差异.分析结果表明:VLF/ELF辐射效果随着地磁倾角的增加而增强,随着系统有效辐射功率的增大而增强;X波模式优于O波模式;实验时段冬季最好,夜晚优于白天;加热频率和频率差存在最优值选取问题.对于背景自然电流较弱的中低纬度地区,相对现有幅度调制方法,利用双频双波束方法激发VLF/ELF辐射更加有效,两者相差10 dB以上.