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Vol. 66, No. 12 (2017)

2017年06月20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 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 原子和分子物理学 气体、等离子体和放电物理 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
基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型
牟媛, 吴振森, 张耿, 高艳卿, 阳志强
2017, 66 (12): 120202. doi: 10.7498/aps.66.120202
摘要 +
提出了一种基于测量反射率谱、使用Kramers-Kronig(KK)关系建立金属太赫兹色散模型的方法.结合合金铝和合金铜4-40 THz的测量反射率谱,通过反射系数振幅和相位的KK关系,采用高频端指数外推,低频端常数外推的方法,反演金属复折射率.以KK反演的复折射率作为实验值,以拟合复折射率和实验值误差最小为准则,使用遗传优化算法,拟合了合金铝和合金铜的Drude色散参数(等离子频率和碰撞频率).基于优化的Drude模型计算了0.1-40 THz材料的复折射率,与椭偏仪的实测结果符合,验证了模型的准确性.该方法理论与实验相互验证,以测量的复折射率作为实验定标,将远红外频段的色散信息拓展到太赫兹频域,确定了太赫兹频段金属的微观物理参数,提供了太赫兹频段色散和散射机理的研究依据.
一维自旋1键交替XXZ链中的量子纠缠和临界指数
苏耀恒, 陈爱民, 王洪雷, 相春环
2017, 66 (12): 120301. doi: 10.7498/aps.66.120301
摘要 +
利用基于张量网络表示的矩阵乘积态算法以及无限虚时间演化块抽取方法,本文研究了一维无限格点自旋1的键交替反铁磁XXZ海森伯模型中的量子相变.分别计算了系统的von Neumann熵、单位格点保真度和序参量,从而得到了系统随键交替强度的变化从拓扑有序Nel相到局域有序二聚化相的量子相变点.我们用矩阵乘积态方法拟合出了相变的中心荷c 0.5,表明此相变属于二维经典的Ising普适类.另外,通过对拓扑Nel序的数值拟合,我们得到了相变点处的特征临界指数'=0.236和'=0.838.
过阻尼搓板势系统的随机共振
谢勇, 刘若男
2017, 66 (12): 120501. doi: 10.7498/aps.66.120501
摘要 +
研究在周期信号和高斯白噪声共同作用下过阻尼搓板势系统的随机共振.由于用直接模拟法研究随机系统所用时间较多,考虑用半解析的方法对系统的随机共振现象进行研究.在弱周期信号极限下,结合线性响应理论和扰动展开法提出一种计算系统线性响应的矩方法.在此基础上,利用Floquet理论和非扰动展开法将矩方法扩展到系统非线性响应的计算.通过直接数值模拟结果和矩方法所得结果的比较展示了矩方法的有效性并采用均方差作为量化指标给出其适用的参数范围.研究结果表明,以系统的功率谱放大因子作为量化指标,发现在适当的参数条件下,系统的共振曲线有一个单峰出现,说明过阻尼搓板势系统存在随机共振现象.而且在一定范围内调节偏置参数时,共振曲线的峰值随偏置参数的增大而增大;在调节驱动幅值时,随机共振效应随驱动幅值的增大而增强.
混沌光场光子统计分布及二阶相干度的分析与测量
兰豆豆, 郭晓敏, 彭春生, 姬玉林, 刘香莲, 李璞, 郭龑强
2017, 66 (12): 120502. doi: 10.7498/aps.66.120502
摘要 +
利用通信波段双通道单光子探测器,采用Hanbury Brown-Twiss关联测量方案,理论分析并实验测量了光反馈半导体激光器产生的混沌光场的光子统计分布及不同混沌状态光场的二阶相干度.通过对混沌光场二阶相干度g(2)()的理论分析,得出随着延迟时间和相干时间的变化,其与相干光、热光及单光子态的二阶相干度可明显区分并呈现出不同分布.同时实验上产生了频谱宽度6.7 GHz的混沌光场,测量了不同光子数分布的结果,并用高斯随机分布、泊松分布、玻色-爱因斯坦分布对光子数分布进行理论拟合,发现随着入射平均光子数的增加,光子数分布从玻色-爱因斯坦分布过渡到泊松分布,但整个过程都与高斯随机分布符合较好,且光场的二阶相干度g(2)(0)由2降至1.通过改变偏置电流(I=1.0Ith-2.0Ith)和反馈强度(0-10%),实验上研究了混沌光场由低频起伏到相干塌陷的过程中不同状态宏观动力学特性与二阶相干度的对应关系.结果表明:混沌光场在此过程中始终呈现出明显的聚束效应,并在频谱宽度最大时达到最强;同时给出了光子计数测量中聚束效应减弱的物理原因.实验表明该系统及方法能很好地揭示不同状态混沌光场的光子统计特性.
相敏式激光啁啾色散光谱技术在高吸收度情况下的应用
丁武文, 孙利群
2017, 66 (12): 120601. doi: 10.7498/aps.66.120601
摘要 +
研究了相敏式激光啁啾色散光谱法在高吸收度情况下的应用.用窄频半导体激光器作为光源,利用一工作于载波抑制模式的铌酸锂电光强度调制器调制单频激光,在单频激光两侧产生两个边频分量,并通过两边频分量产生外差干涉信号.利用外差干涉的相位波动来测量甲烷气体位于1653.7 nm附近的折射率波动,通过气体折射率与吸收系数之间的Kramers-Kronig关系计算甲烷气体浓度.传统的波长调制光谱法受限于郎伯-比尔定律,在应用于高吸收度的情况时,存在灵敏度下降的问题,甚至出现随气体浓度上升输出信号反而下降的现象.实验结果显示,相同实验条件下,波长调制光谱法的线性测量范围为38.1-1500 ppmm,线性测量的动态范围仅为16 dB;而相敏式激光啁啾色散光谱法在很大的吸收度范围内均具有线性输出,检出限低至47.3 ppmm,线性测量范围上限为174825 ppmm,具有超过35 dB的动态范围.

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运用改进的无单元Galerkin方法分析机场道面断裂力学问题
邹诗莹, 席伟成, 彭妙娟, 程玉民
2017, 66 (12): 120204. doi: 10.7498/aps.66.120204
摘要 +
在改进的无单元Galerkin方法的基础上,将能反映裂纹尖端附近应力奇异性的特征项r引入改进的移动最小二乘法的基函数中,将断裂力学和改进的无单元Galerkin方法结合,研究了线弹性断裂力学的改进的无单元Galerkin方法,并对含反射裂缝的机场复合道面层状体系结构进行了数值分析.本文的理论为机场复合道面断裂力学分析提供了一种新方法.
节点中心性对复杂网络传播模式的影响分析
苏臻, 高超, 李向华
2017, 66 (12): 120201. doi: 10.7498/aps.66.120201
摘要 +
在众多的重要节点评估方法研究中,具有较高中心性的节点一直是关注的焦点,许多传播行为的研究也主要围绕高中心性节点展开,因此在一定程度上忽略了低中心性节点对传播行为的影响.本文从传播异构性角度,通过初始感染最大中心性节点和最小中心性节点揭示网络结构异构性对信息传播的影响.实验结果表明,传播过程中存在链型和扇型两种传播模式,在初始感染比例不断提升的情况下,两种传播模式的相互转换引发传播速率的变化,进一步促使非线性传播规模交叉现象的产生.这一现象说明,在宏观的信息传播过程中,最小中心性节点的影响力不容忽视,尤其在初始感染比例升高时,最小中心性节点比最大中心性节点更具传播优势.
基于上证指数高频数据的中国资本市场微观特性研究
唐振鹏, 陈尾虹, 冉梦
2017, 66 (12): 120203. doi: 10.7498/aps.66.120203
摘要 +
以上证指数高频数据为研究对象,基于上涨、平缓和下跌三个市场状态分析我国金融市场的微观特性.通过分析上证指数在不同时间间隔下的概率分布、自相关性和多分形三个特性,发现上证指数对数增量序列存在厚尾、列维非高斯分布特征,且随着时间间隔的增大,收益序列愈收敛于正态分布,其中,下降趋势收敛于正态分布的速度更快,拟合于列维分布的效果更好.最为突出的是,在自相关函数分析中,上证指数的收益率无长期记忆性,而波动率则具有较强的记忆性.同时,波动率的自相关性存在明显的周期性特征,即T=240 min,且在下降趋势时其相关性最高.在以时间增量刻画的多重分形结构中,对于不同的时间序列、时间间隔,由于受投资期限和流动性的影响,三种股市状态的收益率波动存在着短期和长期性的差异.上证指数的总体宏观行为与国际成熟股市较为一致,但在微观特性上仍存在显著差异,其所特有的周期性是投资者的惯性反冲所致,而自相关性函数较之成熟股市衰减较慢,则表明投资者的投资行为更多地受历史信息的影响.

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两个独立全光纤多通道光子纠缠源的Hong-Ou-Mandel干涉
李银海, 许昭怀, 王双, 许立新, 周志远, 史保森
2017, 66 (12): 120302. doi: 10.7498/aps.66.120302
摘要 +
独立光子源的干涉是实现复杂量子体系应用(比如多光子纠缠态产生和量子隐形传态等)的核心技术.利用100 GHz密集波分复用技术,实现了1.55 m全光纤多通道独立纠缠光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,在不去除暗符合(随机符合计数)的情况下,可见度为53.2%8.4%,去除暗符合可见度可达到82.9%5.3%.给出了关于色散位移光纤中基于自发四波混频过程产生的单光子光谱纯度严格的理论描述,模拟了抽运脉冲宽度和滤波器带宽对单光子光谱纯度的影响,并给出了理论上的最佳条件(最佳的抽运脉冲宽度为8 ps,高斯滤波器带宽为40 GHz及以下).在测量Hong-Ou-Mandel干涉之前,先测量了液氮冷却状态下的色散位移光纤关联光子源的符合和随机符合比率,在抽运功率为23 W的情况下,最大比率可以达到131.Hong-Ou-Mandel干涉在高精度光学测量、测量装置无关的量子密钥分配等应用中扮演着极为重要的角色.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
环形光束锥形衍射出射光场偏振特性及光场调控
杜闯, 贾大功, 张红霞, 刘铁根, 张以谟
2017, 66 (12): 124202. doi: 10.7498/aps.66.124202
摘要 +
环形光束的锥形衍射效应对于微粒的操控具有重要的应用价值.本文建立了环状高斯光束的锥形衍射模型,并基于Berry理论给出了线偏振态下环形光束锥形衍射出射光场的计算公式.理论仿真了环状光锥形衍射出射光场的偏振特性,得出环光锥形衍射出射光场的内、外亮环具有相互正交的偏振分布特性.搭建了线偏振态下环状高斯光锥形衍射的实验系统,实验验证了出射光场的偏振特性.针对环形光束锥形衍射出射光场具备的偏振特性,设计了一种组合偏振片,理论和实验研究了该组合偏振片对环光锥形衍射出射光场的调控.结果表明,随着组合偏振片方位角的变化,锥形衍射出射光场的内、外环强度发生周期性的变化.
线宽增强因子对光反馈半导体激光器混沌信号生成随机数性能的影响
韩韬, 刘香莲, 李璞, 郭晓敏, 郭龑强, 王云才
2017, 66 (12): 124203. doi: 10.7498/aps.66.124203
摘要 +
基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.
考虑钕玻璃放大器增益特性的光谱色散匀滑系统性能研究
江秀娟, 唐一凡, 王利, 李菁辉, 王博, 项颖
2017, 66 (12): 124204. doi: 10.7498/aps.66.124204
摘要 +
采用数值方法研究了钕玻璃放大器的增益特性对高功率激光系统中光谱色散匀滑单元性能的影响.分析结果表明,入射光中心波长与放大器增益曲线中心波长不一致时,焦斑强度分布会受到一定的影响,且该影响随放大倍数增大趋于明显,而两个波长一致时,强度分布变化较小.靶面焦斑整体的辐照均匀性则主要取决于经过相位调制后的激光束的带宽,放大器的增益特性对其空间功率谱及均匀性无明显的影响.所得结论为光谱色散匀滑单元在激光系统中的实际应用提供了重要的理论参考.
随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性
刘永欣, 陈子阳, 蒲继雄
2017, 66 (12): 124205. doi: 10.7498/aps.66.124205
摘要 +
利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度xx,yy以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率T对光谱相干度有影响.
一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法
姚海洋, 王海燕, 张之琛, 申晓红
2017, 66 (12): 124302. doi: 10.7498/aps.66.124302
摘要 +
海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.
存在障碍物时电波传播抛物线方程分析及其验证
魏乔菲, 尹成友, 范启蒙
2017, 66 (12): 124102. doi: 10.7498/aps.66.124102
摘要 +
双向抛物线方法主要用于起伏地形下电波传播问题的计算,该算法本身无法处理地面存在障碍物,尤其是真实环境下障碍物与地面为不同媒质的情况.因此本文提出一种用于存在障碍物时电波传播计算的抛物线方程新算法.该方法采用区域分解,对不同障碍物区域的场值进行分区计算,并对计算结果进行相位修正,从而实现该情况下空间中场值的计算.在此基础上,使用矩量法来精确验证抛物线方法的计算精度.通过实例分析,证明了存在障碍物时新算法的精确性,为之后求解真实环境下的电波传播问题提供了参考.
嵌入式三色光变器
徐平, 袁霞, 杨拓, 黄海漩, 唐少拓, 黄燕燕, 肖钰斐, 彭文达
2017, 66 (12): 124201. doi: 10.7498/aps.66.124201
摘要 +
为了提升现有导模共振防伪光变器件的性能,设计了一种基于ZnS覆盖膜的一维单周期矩形结构三色光变器.当自然光入射角为45时,可在0,58,90方位角分别获得相应的蓝、绿、红三色反射峰,对研究结果进行了物理解释.分析并提出了该器件周期、槽深、膜厚以及入射角变化对反射峰的影响规律,对器件的设计、制作和测试有重要指导作用.三色光变器基于简单结构实现方位角调节的自然光三色光变效果,可运用传统激光全息产业的模压和蒸镀工艺进行制作,在光变图像防伪领域有重要应用.
超声悬浮过程中圆柱体的旋转运动机理研究
秦修培, 耿德路, 洪振宇, 魏炳波
2017, 66 (12): 124301. doi: 10.7498/aps.66.124301
摘要 +
研究了圆柱体在超声悬浮过程中的旋转运动机理.实验发现:悬浮圆柱体的密度和长径比越小,转动惯量越小,其稳态旋转的转速越大;反射端在水平方向的偏移会产生回复力矩,使圆柱体停止旋转,且圆柱体静止时的轴线方向与反射端偏移方向垂直;在圆柱体两端加入适当的外界干扰可以主动抑制其旋转.计算表明,悬浮圆柱体的旋转起源于其质心偏移产生的力矩,而反射端位置的偏移以及发射端的倾斜均会抑制圆柱体的旋转.
低能电子在外层导电屏蔽的玻璃锥管中的传输
钱立冰, 李鹏飞, 靳博, 靳定坤, 宋光银, 张琦, 魏龙, 牛犇, 万成亮, 周春林, Arnold Milenko Müller, Max Dobeli, 宋张勇, 杨治虎, Reinhold Schuch, 张红强, 陈熙萌
2017, 66 (12): 124101. doi: 10.7498/aps.66.124101
摘要 +
采用新的具有常数锥角的玻璃锥管,并对玻璃锥管进行了外表面导电屏蔽,通过对电子穿越玻璃锥管的二维角分布随时间演化的观测,研究了低能电子与玻璃管相互作用的机制.发现电子穿越完全放电的玻璃锥管时穿透率先下降后平稳,整个过程中角分布中心发生微小移动,但角分布的半高宽几乎保持不变.这与我们之前发表的工作(2016 Acta Phys.Sin. 65 204103)不同,这是由于对玻璃锥管进行外表面导电屏蔽会阻止外界不确定的快速充放电的影响,并形成了新的稳定放电通道,有利于实现电子的稳定穿透.电子的穿透率随倾角呈类似矩形的分布,透射电子的角分布中心伴随倾角的变化而移动,其穿透所容许的倾角与几何穿透一致.
基于综合特征的光纤周界安防系统 高效入侵事件识别
黄翔东, 张皓杰, 刘琨, 马春宇, 刘铁根
2017, 66 (12): 124206. doi: 10.7498/aps.66.124206
摘要 +
在光纤周界安防系统中,急需对入侵事件实现准确而高效的识别,对事件特征做简练而恰当的描述是其关键所在.本文提出一种基于综合特征的入侵事件识别方法,该方法引入全相位滤波器组将输入信号并行分解为多个频率通道,以提取这些通道的归一化功率值;进而与信号过零率相结合,构成包含时域信息、频域信息的综合特征向量;最后将该特征向量馈入径向基函数神经网络即可准确识别出攀爬、敲击、晃动、剪切四种常见的入侵动作.实验证明,本文方法相比于现有的经验模态分解方法,不仅提高了精度,而且显著加快了识别速度.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
FeMnP1-xTx(T=Si,Ga,Ge)系列化合物机械性能的第一性原理研究
马爽, 乌仁图雅, 特古斯, 武晓霞, 管鹏飞, 那日苏
2017, 66 (12): 126301. doi: 10.7498/aps.66.126301
摘要 +
以密度泛函理论为基础,使用投影缀加波方法、VASP程序包研究了FeMnP1-xTx(T=Si,Ga,Ge)化合物的力学性质,结果表明FeMnP1-xGax化合物的晶格参数、弹性常数和电子结构与FeMnP1-xGex化合物比较接近,同时该化合物在力学上稳定,是预期具有较大的磁熵变和高磁热效应的材料.依据Pugh判据,FeMnP0.67T0.33(T=Si,Ga,Ge)化合物具有良好的延展性,三者之中FeMnP0.67Ga0.33韧性最好,FeMnP0.67Si0.33韧性相对较差,说明Ga替代P可改善此类化合物的机械性能.最后从化合物体系电子总态密度随不同掺杂T原子的演化规律解释了自洽计算得到的弹性常数的变化规律.
多空穴错位分布对石墨纳米带中热输运的影响
周欣, 高仁斌, 谭仕华, 彭小芳, 蒋湘涛, 包本刚
2017, 66 (12): 126302. doi: 10.7498/aps.66.126302
摘要 +
利用非平衡格林函数方法研究了石墨纳米带中三空穴错位分布对热输运性质的影响.研究结果发现:三空穴竖直并排结构对低频声子的散射较小,导致低温区域三空穴竖直并排时热导最大,而在高频区域,三空穴竖直并排结构对高频声子的散射较大,导致较高温度区域三空穴竖直并排时热导最小;三空穴的相对错位分布仅能较大幅度地调节面内声学模高频声子的透射概率,而三空穴的相对错位分布能较大幅度地调节垂直振动膜高频声子和低频声子的透射概率,导致三空穴的相对错位分布不仅能大幅调节面内声学模和垂直振动模的高温热导,也能大幅调节垂直振动模的低温热导.研究结果阐明了空穴位置不同的石墨纳米带的热导特性,为设计基于石墨纳米带的热输运量子器件提供了有效的理论依据.
有限温度下一维Hubbard模型的化学势泛函理论研究
陆展鹏, 魏兴波, 刘天帅, 陈阿海, 高先龙
2017, 66 (12): 126701. doi: 10.7498/aps.66.126701
摘要 +
通过数值方法求解了有限温度下一维均匀Hubbard模型的热力学Bethe-ansatz方程组,得到了在给定温度和相互作用强度情况下,比热c、磁化率和压缩比随化学势的变化图像.基于有限温度下一维均匀Hubbard模型的精确解,利用化学势()-泛函理论研究了一维谐振势下的非均匀Hubbard模型,给出了金属态和Mott绝缘态下不同温度情况时局域粒子密度ni和局域压缩比i随格点的变化情况.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
一种基于忆阻交叉阵列的自适应三高斯模型及其在图像增强中的应用
刘琦, 王丽丹, 段书凯
2017, 66 (12): 127301. doi: 10.7498/aps.66.127301
摘要 +
在视觉图像处理中,可用三高斯模型来模拟视网膜神经节细胞的感受野,这可以在一定程度上对图像信息,比如图像的边缘、细节等信息进行增强.但是在对大量的图像进行处理时,为了达到比较理想的效果,就需要人为地来改变模型中的相关参数,这是一个十分耗时的过程.基于此,本文提出一种基于忆阻交叉阵列的自适应三高斯模型.这种模型是在传统三高斯模型的基础上,根据所需处理图像的局部特征,利用忆阻交叉阵列的特性动态地改变模型参数,以达到对局部图像最优增强的目的,从而使整幅图像的增强效果更好.首先,根据图像的局部亮度信息来确定忆阻器所需施加的脉冲电压的极性以及宽度;然后,根据所得忆阻值得到对应模型中参数的值;最后,可以得到局部增强模板,从而实现增强.本文分别选取了彩色和灰度图像进行了测试,定性和定量实验结果均表明,这种改进的三高斯模型不仅能够对图像边缘进行有效的增强,而且还可以极大地提高图像的对比度和清晰度,为忆阻器在图像处理方面的应用提供了新方向.
超短脉冲激光与微小水滴相互作用中电子密度和光场的时空分布
王浩若, 张冲, 张宏超, 沈中华, 倪晓武, 陆健
2017, 66 (12): 127801. doi: 10.7498/aps.66.127801
摘要 +
为了研究超短激光脉冲和液滴相互作用过程中电子密度和光场的变化,基于非线性麦克斯韦方程组和电离速率方程,构建了激光等离子体非线性瞬态时域耦合模型,对飞秒激光脉冲击穿微米量级水滴时的电子密度和光场的时空分布进行了计算.结果显示水滴的击穿阈值最小可达2 TW/cm2,为同等条件下无边界水介质击穿阈值的1/4.随着脉冲能量增强,水滴内自由电子密度峰值区域逆着激光入射方向移动,且入射光越强,水滴对光传播的屏蔽越明显.光束在水滴出射端外部汇聚,汇聚点的光功率密度可达入射光的5倍,且时域波形出现压缩和变形.另外,水滴对激光能量的吸收系数随光强增大而增大,并最终趋于饱和.
垂直自由层倾斜极化层自旋阀结构中的磁矩翻转和进动
王日兴, 叶华, 王丽娟, 敖章洪
2017, 66 (12): 127201. doi: 10.7498/aps.66.127201
摘要 +
在理论上研究了垂直自由层和倾斜极化层自旋阀结构中自旋转移矩驱动的磁矩翻转和进动.通过线性展开包括自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程并使用稳定性分析方法,得到了包括准平行稳定态、准反平行稳定态、伸出膜面进动态以及双稳态的磁性状态相图.发现通过调节电流密度和外磁场的大小可以实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化以及在两个稳定态之间的翻转.翻转电流随外磁场的增加而增加,并且受自旋极化方向的影响.当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向平行时,翻转电流最小;当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向垂直时,翻转电流最大.通过数值求解微分方程,给出了不同磁性状态磁矩随时间的演化轨迹并验证了相图的正确性.
太赫兹互补金属氧化物半导体场效应管探测器理论模型中扩散效应研究
张镜水, 孔令琴, 董立泉, 刘明, 左剑, 张存林, 赵跃进
2017, 66 (12): 127302. doi: 10.7498/aps.66.127302
摘要 +
针对基于经典动力学理论传统模型中忽略扩散效应的问题,通过对基于玻尔兹曼理论的场效应管传输线模型的理论分析,建立了包含扩散效应的太赫兹互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应管探测器理论模型,研究扩散效应对场效应管电导及响应度的影响.同时,将此模型与忽略了扩散效应的传统模型进行了对比仿真模拟,给出了两种模型下的电流响应度随温度及频率变化的差别.依据仿真结果,并结合3原则明确了场效应管传输线模型中扩散部分省略的依据和条件.研究结果表明:扩散部分引起的响应度差异大小主要由场效应管的工作温度及工作频率决定.其中工作频率起主要作用,温度变化对差异大小影响较为微弱;而对于工作频率而言,当场效应管工作频率小于1 THz时,模型中的扩散部分可以忽略不计;而当工作频率大于1 THz时,扩散部分不可省略,此时场效应管模型需同时包含漂移、散射及扩散三个物理过程.本文的研究结果为太赫兹CMOS场效应管理论模型的精确建立及模拟提供了理论支持.
缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应
耿虎, 计青山, 张存喜, 王瑞
2017, 66 (12): 127303. doi: 10.7498/aps.66.127303
摘要 +
研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.
同轴结构中压力波法测量空间电荷分布的物理模型研究
孙雅丽, 张冶文, Stephane Hole, 马朋, 郭聪, 郑飞虎, 安振连
2017, 66 (12): 127701. doi: 10.7498/aps.66.127701
摘要 +
从压力波法测量平板样本中空间电荷分布的理论分析出发,提出了对于同轴结构的固体电介质中空间电荷分布的压力波法测量的物理模型,并得出了测量电流的解析的数学表达式.依据泊松方程,考虑样品内的电场强度、介电常数和空间电荷密度随外界声波扰动而发生变化,将圆柱试样受到的压力波的影响分解成样品形变和质点位移两部分,进而得到了以同轴结构中空间电荷分布的压力波法测量的电压与电流表达式.测量电流的数学表达式表明,对于同轴结构,压力波法的测量电流信号不像平板结构中那样基本正比于空间电荷分布,而是应该做进一步的修正处理.
原子和分子物理学
反应物分子初始振动激发对H+CH+C++H2反应的影响
唐晓平, 和小虎, 周灿华, 杨阳
2017, 66 (12): 123401. doi: 10.7498/aps.66.123401
摘要 +
在CH2+体系的电子基态势能面上运用准经典轨线方法,研究了当碰撞能E=500 meV时,反应物分子的振动激发对H(2S)+CH+(X1+)C+(2P)+H2(X1g+)反应的反应概率、反应截面和立体动力学性质的影响.分别计算了两矢量相关k-j'的P(r)分布,三矢量相关k-k'-j'的P(r)分布以及反应产物的四个极化微分截面.结果表明,产物分子转动角动量不仅在Y轴方向有取向效应,还定于Y轴的正方向.并且发现,随着振动量子数的增加,对反应体系产物分布的影响就越明显.
硼原(离)子内壳激发高自旋态能级和辐射跃迁
钱新宇, 孙言, 刘冬冬, 胡峰, 樊秋波, 苟秉聪
2017, 66 (12): 123101. doi: 10.7498/aps.66.123101
摘要 +
采用Rayleigh-Ritz变分方法计算了B原子(离子)内壳层激发高自旋态(4,5,6L,L=S,P)里德伯系列的能量和精细结构劈裂,利用截断变分方法改进非相对论能量,并利用一阶微扰理论计算了相对论能量修正和质量极化效应修正,利用屏蔽的类氢公式计算了量子电动力学效应和高阶相对论效应,从而得到了高精度的组态能量.利用精确计算的波函数,计算了这些高自旋态的电偶极辐射跃迁波长、振子强度和辐射跃迁概率.通过长度规范和速度规范计算的振子强度的一致性证明了本文计算的波函数是精确的.相比其他理论计算结果,本文计算的高自旋态的能级及跃迁波长数据与实验数据符合得更好.对于一些高位的内壳层激发高自旋态,相关的能级和跃迁数据为首次报道,本文的计算结果对相关实验光谱谱线标定具有重要意义.
气体、等离子体和放电物理
基于MULTI2D-Z程序的Z箍缩动态黑腔形成过程模拟
陈忠旺, 宁成
2017, 66 (12): 125202. doi: 10.7498/aps.66.125202
摘要 +
对辐射流体力学程序MULTI-2D进行改造,增加磁场演化方程程序模块,自洽地在运动方程模块中增加洛伦兹力,在能量方程模块中增加欧姆加热,将它改造成辐射磁流体力学程序MULTI2D-Z.验证了新增磁场程序模块的可靠性,并发现温度和密度的增大会抑制磁场的扩散,负径向速度梯度的流体对流也会抑制磁场的扩散.利用改造好的MULTI2D-Z程序模拟了峰值为8 MA的脉冲电流驱动的钨丝阵Z箍缩动态黑腔形成过程.得到了X光功率(约30 TW)和能量(约300 kJ)、泡沫辐射温度(约120 eV)、箍缩轨迹等模拟结果.在动态黑腔形成过程中,磁场主要分布在钨主体等离子体中;辐射向内传播,烧蚀泡沫柱而使它膨胀;辐射热波在被撞击的泡沫柱中传播,其传播速度比物质温度传播得快,当辐射热波传播到中心轴时泡沫柱中的辐射场变得比较均匀,并且除了冲击波处外辐射温度与物质温度基本上没有分离.这些模拟结果可增强人们对磁场扩散和对流规律以及动态黑腔形成机制的理解,同时表明了MULTI2D-Z程序可成为Z箍缩及其应用的新的程序模拟工具.

编辑推荐

东方超环(EAST)装置中等离子体边界锂杂质的碰撞-辐射模型
章太阳, 陈冉
2017, 66 (12): 125201. doi: 10.7498/aps.66.125201
摘要 +
在东方超环(EAST)装置中,由于大量锂化壁处理的使用,切向可见光摄像机拍摄到等离子体边界通常存在一条由锂(Li)杂质形成的绿色发光带.本文基于EAST边界等离子体参数条件,基于碰撞-辐射模型给出由已知边界等离子体状态推算Li绿光光强的空间分布的具体方法,并针对简化后的一维径向分布问题,收集、处理OPEN-ADAS数据库的数据,采用软件Mathematica 10.4.1编写相应的数值计算程序,分别输入EAST工作于低约束(L)与高约束(H)模时获得的两组边界电子温度、密度分布数据,给出并分析比较了利用该模型的计算结果.此项工作对于未来建立通过测量及反演边界锂杂质特征谱线强度的空间分布来重构边界等离子体状态的全新技术和研究存在三维磁场扰动条件下的边界等离子体行为均具有重要的理论参考价值.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于镍泡沫支撑的Co3O4纳米多孔结构的高性能超级电容器电极
张诚, 邓明森, 蔡绍洪
2017, 66 (12): 128201. doi: 10.7498/aps.66.128201
摘要 +
在众多能量存储和转化器件中,超级电容器由于具有功率密度高、充放电迅速和优异的循环性能的优点而被广泛研究.然而,较低的比容量和能量密度,限制了超级电容作为大尺度能量存储和转化器件的广泛应用.为了提高超级电容器的比容量,需要增大电极材料和电解质的接触面积,进而促进电极材料俘获/释放电解质中的粒子(例如电子、离子或者小分子).在此,我们通过简单的水热法联合高温退火实验方案能够大规模制备出镍泡沫支撑的Co3O4多孔纳米结构.无需借助导电胶和粘合剂,在集流器镍泡沫上生长Co3O4多孔纳米结构直接作为超级电容的电极材料.这种多孔纳米结构和一体化设计思路不仅能够有效提高电极的导电性,而且能够有效缩短离子和电子的迁移路径.由于多孔的结构特征和优异的导电性能,Co3O4电极表现出超高比容量(在电流密度为2.5 mAcm-2和5.5 mAcm-2时,比容量分别为1.87 Fcm-2(936 Fg-1)和1.80 Fcm-2(907 Fg-1))、较好的倍率性能(电流密度从2.5 mAcm-2增大到100 mAcm-2时,保留其48.37%的初始电容)和超高的循环稳定性(经历4000次电流密度为10 mAcm-2的循环充放电过程,保留其92.3%的比容量).这种多孔纳米结构和一体化设计思路对设计其他高性能储能器件具有重要的指导意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
一种通用的卫星导航信号码时延估计误差评估方法
刘桢, 张嘉怡, 陆明泉, 黄洁, 赵拥军
2017, 66 (12): 129101. doi: 10.7498/aps.66.129101
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卫星导航信号的码时延估计误差是决定系统服务性能的关键因素,迫切需要对多种不同调制与复用方式的导航信号进行全面的码时延估计误差性能评估,从而为后期的系统应用提供重要的选择依据.为此,本文提出了通用的码时延估计误差评估方法.首先,概括了导航接收机的码跟踪环路模型,根据是否匹配接收以及是否相干处理,将目前的导航接收机归纳为四种类型.其次,在假设码时延估计误差非常小的条件下,分别给出了匹配接收下相干处理和非相干处理时的估计误差以及相互之间的关系;推导了非匹配接收下非相干处理时的估计误差,并讨论了与相干处理时的关系.最后,推导了码时延估计误差的齐夫-扎凯界限,解决了估计误差不满足非常小这一假设条件时的评估.本文提出的评估方法均以导航信号的功率谱密度表示,为信号设计和接收机的研制提供了重要的理论指导,同时也给具体信号的评估带来了极大便利.仿真实验中对新一代典型导航信号的码时延估计误差做了有效评估.
自适应非凸稀疏正则化下自适应光学系统加性噪声的去除
张艳艳, 陈苏婷, 葛俊祥, 万发雨, 梅永, 周晓彦
2017, 66 (12): 129501. doi: 10.7498/aps.66.129501
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自适应光学系统可以实时测量并校正波前信息,但是系统中大量的噪声严重影响了系统的探测精度.自适应光学系统中一般为加性噪声,本文提出一种全新的变分处理模型去除加性噪声,该模型采用自适应非凸正则项.非凸正则项在保持图像细节上较凸正则项具有更好的效果,能更好地保持点源目标的完整性.另外,根据不同区域的噪声水平自适应地构建正则化参数,使不同区域的像素点受到不同程度的噪声抑制,可以更好地保持目标的边缘细节.在算法实现上,为了解决非凸正则项收敛性较差的缺陷,采用分裂Bregman算法及增广拉格朗日对偶算法进行计算.实验及数值仿真结果都表明,该方法能够较好地去除系统中的加性噪声,且光斑信号保存得较为完整,处理后的质心探测精度及信噪比较高.